Движение влекомых наносов

В создании теории движения наносов выдающаяся роль принадлежит отечественным гидрологам М.А. Великанову, Н.И. Маккавееву, В.Н. Гончарову, А.В. Караушеву и ряду других исследователей.

Речные наносы разделяют на два основных типа – взвешенные и влекомые.

Влекомые наносы перемещаются в придонном слое либо путем влечения по дну (крупный песок, галька, гравий), либо перекатывани­ем, или, наконец, сальтацией (более мелкие фракции).

Закон Эри. Рассматрим условия равновесия лежащей на дне реки частицы диаметром D. Параллельно дну на частицу действуют две силы: сила лобового давления текущей воды (пропорциональная квадрату придонной скорости течения и площади сечения частицы), и противоположно направленная сила трения (пропорци­ональна весу частицы в воде и коэффициенту трения, характеризующему сте­пень сцепления частицы с другими частицами на дне). Баланс этих сил приводит к выражению для так назы­ваемой «начальной скорости трогания»:

(3.40)

где а – коэффициент, зависящий от , формы частицы, коэффициента трения и др. Критерием начала движения влекомых наносов в реках является условие

> (3.41)

где – придонная скорость течения. Возведя обе части уравнения (3.40) в шестую степень и учитывая, что объе­м или вес частиц пропорционален D³, получим закон Эри – зависимость между «начальной скоростью трогания» и весом частицы (G):

~ G (3.42)

Эта формула утверждает, что вес влекомых наносов пропорционален шестой степени скорости трогания, откуда следует, что увеличение скорости тече­ния, например в 2, 3, 4 раза, приводит к увеличению веса переме­щающихся по дну частиц наносов соответственно в 2⁶=64, 3⁶=729, 4⁶=4096 раз.

Неразмывающая скорость. Эксперименты и расчеты показывают, что для перемещения по дну мелкого песка необходимы придонные скорости течения не менее 0.10 м/с, гравия – примерно 0.15 – 0.6, гальки – 0.6 – 1.6, валунов– 1.6 – 5 м/с. При решении практических задач удобно пользоваться не придонными скоростями, а средней скоростью потока. Неразмывающей скоростью (u₀) называется та средняя скорость на вертикали, при которой начинается перемещение донных частиц. Из большого числа формул неразмывающей скорости, в основе которых положено выражение (3.40) и данные измерений, К.В. Гришанин рекомендует формулу, опубликованную В.Н. Гончаровым в 1938 г

, (3.43)

где D и D₉₀ соответственно средний диаметр наносов и диаметр крупной фракции 90% (м); h– глубина (м); u₀ – м/c; g=9.81 м/c².

Влекомые наносы могут перемещаться по дну рек либо сплош­ным слоем, либо в виде донных гряд различного размера (рис. 3.40). В последнем случае наносы перемещаются по верховому склону гряды и скатываются по низовому склону, наращивая его. Размыв верхового откоса и намыв низового приводят к перемещению гряды (рис. 3.40).

Рис 3.40. Донные гряды в два последовательных момента времени

Движение взвешенных наносов

Взвешенные наносы переносятся в толще потока под воздействием вертикальных составляющих скорости турбулентных пульсаций. Усло­вие «взвешивания» частиц записывается так:

> (3.44)

где – направленная вверх вертикальная составляющая вектора скорости течения; – гидравлическая круп­ность частицы наносов.

Взвешенные наносы распределяются в толще потока весьма нерав­номерно. Наиболее крупные движутся в нижних слоях, где мутность потока достигает значительной величины, наиболее мелкие распределяются по всей глубине, однако количество их уменьшается от дна к поверхности. Таким образом, мутность воды в реках и каналах увеличивается по направлению от по­верхности ко дну, причем для на­носов более крупных фракций быстрее, для наносов мелких фракций – медлен­нее (рис. 3.41).

Рис.3.41. Изменение содержания наносов по глубине: а) р. Чнрчик, б) р.Волга, в) р. Сыр-Дарья (по И.И. Леви)

Сток наносов

Выше показано, что мутность воды – это масса наносов, содержащихся в 1 м³ воды (µ = m/V, кг/м³). Расход взвешенных наносов (R, кг/с) характеризует массу наносов, проходящих через поперечное сечение потока за 1 секунду

R= µ Q, (3.45)

где Q – расход воды (м³/с).

Сток наносов(твердый сток)включает суммарный сток взвешенных и влекомых (донных) наносов, причем донные наносы составляют лишь незначительную часть твер­дого стока, обычно не более 5–10%. С увеличением размера реки эта доля уменьшается.

Транспортирующая способность потока(R_тр) – это предельный суммарный расход взвешенных и влеко­мых наносов. Причиной русловых деформаций (т.е. размыва или намыва дна и берегов) является несовпадение фактического расхода наносов в реке и транспортирующей способности потока. Если фактический расход наносов меньше транспортирующей способности, то наблюдается размыв русла (поток насыщается наносами до уровня его транспортирующей способности), в противном случае – аккумуляция.

Согласно исследованиям М.А. Великанова, В.Н. Гончарова, И.И. Леви, В.С. Кнороза, К.В. Гришанина R_тр зависит прежде всего от скоростей течения и расхода воды (Q)

(3.46)

где µ_тр – мутность воды, соответствующая транспортирующей спо­собности потока (критическая мутность ); v – средняя скорость потока; h – его средняя глубина; – средняя гидравлическая крупность частиц наносов. Предложено много формул, подобных (3.46). При этом мутность воды µ_тр, выражают как функцию средней скорости течения в степени п, т.е. vⁿ, где показатель степени п изменяется от 2 до 4. Например, К.В. Гришанин, основываясь на экспериментах В.С. Кнороза, получил следующее выражение для R_тр:

. (3.47)

И.И. Леви упростил эту формулу, представив ее в виде

(3.48)

Для расчета стока наносов реки обычно используют построенные по данным измерений графики связи расхо­да воды и расхода взвешенных наносов R=f(Q). Наблюдения показывают, что наибольшая насыщенность потока наносами относится к подъему паводка. Г. И. Шамов указывает, что для равнинных рек связь между расходами воды и наносов выра­жается в виде двух расходящихся кривых параболического типа, одна ветвь которых соответствует подъему, а другая спаду паводка (рис. 3.42). В условиях горных рек также имеет место связь между расходами воды и наносов. Здесь сказывается влияние ливневых паводков, приносящих ог­ромное количество взвеси.

На рис. 3.43 показан временной ход средней мутности и расходов воды равнинных и горных рек. Видно, что на р. Те­рек, относящейся к горным, мутность потока более чем в 100– 150 раз превышает мутность, наблюденную на р. Волге.

Рис. 3.42. Связь между твердым и жидким расходами реки на подъ­еме и спаде паводка (по Г. И. Шамову)	Рис. 3.43. Графики расходов воды и мут­ности: а) р. Волга, б) р. Терек (по И.И. Леви)

Модуль стока наносов. Сток взвешенных наносов за период t рассчитывается по формуле W_н= t, где – средний за период t расход взвешенных наносов.

Модулем стока наносов называют сток наносов в тоннах с 1 км² площади водосбора:

. (3.49)

Модуль стока наносов характеризует результирующую эрозионную деятельность в бассейне реки, которая, как известно, выражается не только в смыве почв и грунтов на склонах и в руслах, но и их аккумуляции на участках, где фактический расход наносов превышает транспортирующую способность потока.

Модуль стока взвешенных наносов и средняя мутность воды рек неравномерно распределены по территории. Так, на севере России (тундра, лесная зона) он на равнинах часто не превышает 1–2 т/км² в год. В северной и западных частях Европейской равнины и в горах Сибири повышается до 10–20 т/км². На юге Европейской территории бывшего СССР он достигает 50 – 100 т/км², а в ряде районов Кавказа –даже 500 т/км² в год.

Для некоторых рек мира модуль стока взвешенных наносов в естественных условиях стока составлял: у Волги – 10,3 т/км², Дуная – 63,6, Терека – 350, Хуанхэ – 1590 т/км² в год.

Мутность рек имеет те же закономерности распределения по территории. Средняя годовая мутность рек на равнинах и небольших возвышенностях севера России невелика– 10–50 г/м³, в бассейнах Оки, Днепра и Дона увеличивается до 150–500 г/м³, а на Северном Кавказе иногда превышает 1000 г/м³ [10, 15, 16].

Поскольку связь между расходами воды и взвешенных наносов нелинейная, колебания стока наносов рек (многолетние и сезонные) более значительны, чем стока воды.

В изменениях стока наносов рек отме­чается влияние антропогенных факторов. Сведение лесов и распашка склонов привели к усилению эрозии в речных бассейнах и, как следствие, к увеличению стока наносов рек. Напротив, во второй половине XX в., в результате гидротехнического строительства на реках, сток наносов заметно уменьшился из-за их аккумуляции в водохранилищах (в 3 – 10, и более раз).

Русловые процессы

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: