Виды речных русел и русловые переформирования

 

В связи с изменением размеров, формы русла и шероховатости дна по длине реки скорости течения воды не остаются постоянными. Это приводит к тому, что по длине реки изменяется величина расхода русловых наносов. На участках снижения скоростей происходит частичное осаждение наносов – намыв, а при увеличении скоростей – размыв ложа реки. На одном и том же участке реки в различные периоды времени эти процессы чередуются друг с другом. Такие знакопеременные деформации русла имеют сезонный характер.

Кроме сезонных деформаций, русла рек испытывают однонаправленные многолетние переформирования. В некоторых случаях они заключаются в том, что все русловые образования – острова, побочни, перекаты и плесовые лощины с течением времени изменяют свои размеры и плановые очертания. Размывая одни участки русла, и откладывая наносы в других местах, речной поток создает иллюзию смещения всех русловых образований вниз по течению. В других случаях русла рек с течением времени существенно изменяют свои размеры в плане за счет размыва одного берега и отложения наносов у другого.

На различных реках эти процессы протекают по-разному. Изучением и прогнозом русловых переформирований естественных русел занимается специальная дисциплина – теория руслового процесса.

В природе можно выделить три основных типа руслового процесса. Первый тип – побочневый – развивается на относительно прямолинейных и слабо изогнутых участках русла с узкой поймой. Он характеризуется наличием побочней, расположенных в шахматном порядке по длине реки. На таких участках побочни сильно развиты, а плесовые лощины короткие и неглубокие. Перекаты следуют один за другим с интервалом в 5-7 ширин русла. Каждый побочень участвует в образовании двух перекатов: для одного он является верхним, а для другого нижним. Многолетние переформирования русла здесь заключаются в постепенном смещении всех русловых форм – побочней, перекатов и плесовых лощин вниз по течению.

На рис. 4.10 схематично показано движение побочней в русле реки. Плановое положение других русловых форм – перекатов и плесовых лощин – на момент времени t₁+Dt не приводится, чтобы не усложнять схему. Скорость перемещения русловых образований составляет несколько десятков метров в год. Обычно все переформирования происходят в весенний период при высоких уровнях воды. Когда побочни обсыхают, их смещение приостанавливается. Если скорости перемещения двух смежных побочней различны, то с течением времени происходит искривление судового хода.

В ряде случаев при движении крупного, сильно перекошенного побочня возможно отторжение его от берега весенним потоком по наиболее низкой прикорневой части. Это приводит к образованию осередка – отделенного от берега скопления наносов в русле реки. Осередок имеет продолговатые очертания в плане. Если на нем будет происходить отложение наносов и с течением времени появится растительность, то это приведет к образованию острова в русле реки. В других случаях осередок длительное время может развиваться самостоятельно или примкнуть к побочню у противоположного берега реки, существенно увеличивая тем самым его размеры.

Другой тип руслового процесса формируется на широких речных поймах. Не стесненная бортами долины река свободно извивается, образуя излучины большой кривизны. Такие русла называются меандрирующими (рис. 4.11, а), а процесс развития и переформирования излучин называется меандрированием. Эти термины происходят от названия греческой реки Меандр, имеющей очень извилистое русло.

В процессе своего развития каждая излучина проходит один и тот же цикл переформирований. На начальной стадии русло реки (рис. 4.11, б) может иметь лишь незначительную кривизну. Вследствие изгиба под действием центростремительного ускорения создается поперечное течение воды,
направленное к вогнутому берегу. Скорость течения у этого берега возрастает, и происходит его размыв. Одновременно у выпуклого берега происходит отложение наносов, данный процесс усиливается по мере увеличения кривизны русла. Излучина в результате увеличивает свою длину, а перешеек между соседними излучинами уменьшается. Это заключительная стадия искривления – образование петли (рис. 4.11, в).

Во время прохождения высокого половодья вода размывает перешеек между вершинами излучин и разрабатывает себе новое русло – спрямляющий проток. Некоторый период времени на этом участке вода течет двумя рукавами (рис. 4.11, г). Однако отторгнутая при прорыве перешейка старая излучина постепенно отделяется от основного русла. В ее истоке откладываются наносы, и образуется старица (рис. 4.11, д). Через некоторое время кривизна спрямленного участка начинает увеличиваться и процесс меандрирования повторяется снова.

Третий тип руслового процесса – ветвление, т.е. разделение русла на рукава. Встречается русловая и пойменная многорукавность. В первом случае острова образуются в русле реки. Во втором случае сеть рукавов прорезает пойму, образуя протяженные протоки. Многолетние переформирования на разветвленных участках заключаются в постепенном развитии одних и отмирании других рукавов. Кроме этого происходит постепенное смещение островов и осередков вниз по течению. На рис. 4.12 приведена схема многорукавного участка реки.

В нашей стране встречаются реки с различными типами руслового процесса. Примером меандрирующей реки служит Иртыш. Элементы меандрирования встречаются также на Вычегде. На Оке и Вятке меандрирование сочетается с побочневым типом руслового процесса. На Северной Двине развита русловая и пойменная многорукавность в сочетании с побочневым процессом. Осередковая многорукавность встречается на Оби и Печоре.

Данная схематизация руслового процесса отражает лишь общие черты его проявления. На разных реках обычно имеется своя специфика и особенности. Это необходимо учитывать на практике при проектировании гидротехнических сооружений на реках, а также при проведении путевых работ и организации судоходства.

 

Основные типы перекатов

Главное затруднение для судоходства на внутренних водных путях представляют перекаты в естественных руслах рек в связи с ограниченными глубинами судового хода.

Перекаты по длине реки обычно располагаются группами, образуя так называемые перекатные участки. В пределах перекатного участка отдельные перекаты разделяются друг от друга короткими и неглубокими плесовыми лощинами. Между перекатными участками обычно находятся протяженные, устойчивые и глубокие плесы. На реках с различными типами руслового процесса эти сочетания проявляются по-разному.

Для своего образования перекаты нуждаются в наличии наносного материала. Поэтому на реках, где больше расход наносов, перекаты встречаются чаще. Примером этого могут служить побочневые русла. На этих реках транспорт наносов происходит интенсивнее, чем в меандрирующих руслах. Поэтому на многих участках рек с побочневым процессом перекаты следуют один за другим. У меандрирующих рек они отделены друг от друга протяженными плесовыми лощинами.

Наибольшие расходы русловых наносов в реках наблюдаются в весенний период времени. В это же время происходят основные переформирования перекатов. По К.В. Гришанину группа перекатов образуется там, где на значительной длине русла во время половодья преобладает процесс отложения наносов. Это возможно в том случае, если скорости течения воды по длине участка реки уменьшаются.

Питание перекатного участка наносами происходит за счет размыва берегов на вышележащем участке реки. Важным источником пополнения реки наносами являются также боковые притоки.

Долины рек обычно состоят из чередующихся расширений и сужений. К началу каждого большого расширения поймы приурочена группа перекатов. Группы перекатов встречаются также выше резких сужений поймы. Перекаты часто образуются в местах возникновения подпора и на участках впадения притоков.

На образование и последующие переформирования перекатов оказывает влияние большое число факторов. Плановые очертания русла на перекатах различных рек весьма разнообразны. Можно выделить основные преобладающие типы наносных образований: перекаты-перевалы, перекаты с затонской частью, сложные перекаты и перекаты-россыпи (рис. 4.13).

Наиболее благоприятными для судоходства являются перекаты-перевалы. Они образуются в реках с побочневым типом руслового процесса. Характеризуются высокими побочнями и хорошо развитым корытом переката. Судовой ход на таких участках плавно переваливает от одного берега к другому.

Перекаты с затонской частью отличаются заходящими друг за друга плесовыми лощинами. Побочни у этих перекатов имеют более низкие отметки; корыто переката развито меньше. В нижней плесовой лощине образуется затонская емкость. Судоходные условия на таких перекатах ухудшаются по сравнению с перекатами-перевалами. Судовой ход становится более крутым, на перекате наблюдаются свальные течения в сторону затонской емкости.

Сложные перекаты состоят из двух и более перекатов, разделенных короткими и неглубокими плесовыми лощинами. На таких перекатах обычно можно выделить три побочня: верхний, средний и нижний. Судоходные условия на таких перекатах затруднены. Судовой ход становится узким и извилистым, а также наблюдаются свальные течения.

Перекаты- россыпи не имеют отчетливо выраженных побочней и корыта, как у рассмотренных выше перекатов. На таких перекатах по всей ширине и на значительной длине разбросаны песчаные отложения. Эти перекаты, как правило, встречаются на прямолинейных участках русла с пойменными берегами. Они весьма быстро изменяют свою форму и размеры. Судоходные условия на перекатах- россыпях являются неблагоприятными. Судовой ход на таких участках становится неустойчивым и часто изменяет свое положение в русле реки.

В меандрирующих руслах распространена разновидность перекатов с затонской частью, расположенных на участках с крутыми поворотами. Такие перекаты представляют серьезные затруднения для судоходства в связи с недостаточными радиусами поворота судового хода и наличием свальных течений.

На участках русловых разветвлений всегда образуются перекаты. В коротких двухрукавных разветвлениях обычно располагается пара перекатов – у приверха острова в одном рукаве и у ухвостья острова в другом. Затруднения для судоходства в данном случае возникают потому, что расходы воды, распределенные между рукавами, оказываются недостаточными для поддержания необходимых глубин. По мере развития одного из рукавов возникает необходимость переноса судового хода в этот рукав. Поддержание судоходных условий в многорукавных руслах оказывается еще более сложным.

Взаимодействие потока с подвижным ложем переката обусловливает непрерывные переформирования наносных образований. Сезонные деформации плесов и перекатов заключаются в изменении отметок дна реки в течение года. В плесовых лощинах и на перекатах сезонные переформирования происходят по-разному.

При высоких уровнях воды скорости течения на перекатах становятся меньше, чем в плесовых лощинах. Поэтому в половодье на перекатах происходит отложение наносов, и отметки их повышаются. В плесовых лощинах в это время наблюдается обратный эффект – размыв дна. В период спада уровней эта картина изменяется. Гребни перекатов начинают размываться, а в плесовых лощинах происходит аккумуляция наносов.

На рис. 4.14 приведены совмещенные графики колебания уровней воды и изменения отметок дна гребня переката с течением времени. Из рисунка видно, что амплитуда колебания уровней воды значительно больше амплитуды изменения отметок дна переката. При этом пик половодья наступает раньше, чем заканчивается отложение наносов на перекате. Таким образом, речной поток в начале спада уровней еще продолжает некоторое время откладывать наносы на гребне переката. Размыв переката начинается уже во второй половине спада уровней воды.

Величина сезонных деформаций переката зависит от водности года, устойчивости русла и размеров реки. На крупных реках с размываемым дном толщина слоя отложения в весенний период имеет порядок от 0.5 до 2.5 м. Чем больше водность реки и выше степень подвижности дна, тем больше наносов откладывается на перекатах. На реках с устойчивым руслом изменение отметок дна на перекатах составляет 10-20 см.

Транспорт русловых наносов в реках и, как следствие этого, наличие сезонных деформаций перекатов и многолетних переформирований речного русла необходимо учитывать при обеспечении судоходных условий на внутренних водных путях. Путевые работы на реках всегда производятся с учетом специфики проявления руслового процесса. Это позволяет осуществлять судоходство на реках с наименьшими затратами и минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду.