Деформации продольного профиля русла

Продольный профиль речного русла испытывает наибольшие деформации при направленных (необратимых) русловых процессах. Характер и направленность деформаций продольного профиля русла зависит от изменения факторов, определяющих так называемый выработанный продольный профиль. Уклон в каждой точке такого профиля I₀зависит от трех основных факторов: стока воды, характеризуемого средним многолетним расходом воды Q, средним содержанием в потоке наносов s, средней крупностью наносов, лежащих на дне, D. Связь перечисленных факторов весьма приближенно может быть записана в виде уравнения

I₀ = KQ^xs^yD^z (6.53)

где х~ ; y~ ; z~ .

Если бы мутность воды и крупность наносов вдоль реки не изменялись, то единственным фактором, определяющим крутизну выработанного продольного профиля, был бы расход воды. Поскольку он неуклонно увеличивается от истока к устью реки, а связь уклона с расходом воды на разных участках реки согласно (6.53) обратная, крутизна продольного профиля от истока к устью должна уменьшаться, что и наблюдается в действительности. Формула (6.53) позволяет качественно оценить влияние на вертикальные деформации продольного профиля реки изменений определяющих факторов. Увеличение стока воды и уменьшение содержания в воде наносов должно привести к увеличению крутизны продольного профиля и к его понижению, что может произойти лишь в результате врезания русла. Уменьшение стока воды и увеличение мутности должны привести к уменьшению крутизны продольного профиля и его повышению, что может быть лишь при отложении наносов.

Отмеченные процессы понижения и повышения продольного профиля происходили на многих реках как реакция на вековые изменения их водности. Свидетельством врезания русел в многоводные периоды являются речные террасы.

Своеобразные деформации продольного профиля происходят при изменении общего базиса эрозии (уровня приемного водоема, в который впадает река). Повышение уровня приемного водоема сопровождается отложением наносов и повышением продольного профиля, а понижение уровня приемного водоема — размывом русла и опусканием продольного профиля. Однако бывают и исключения: при очень малом уклоне обнажающегося дна водоема при снижении его уровня возможно не врезание русла, а отложение наносов и повышение продольного профиля. Такие процессы наблюдались в устьях некоторых рукавов дельты Волги в период падения уровня Каспийского моря, в устьях некоторых рек, впадающих в оз. Севан, в период быстрого снижения его уровня.

Необратимые русловые деформации происходят выше и ниже крупных гидроузлов на реках (рис. 6.21). В верхнем бьефе (выше плотины) обусловленное подпором уменьшение транспортирующей способности потока приводит к возникновению соотношения R>R_тр,что сопровождается отложением наносов, т. е. заилением и занесением водохранилища (см. разд. 8.7). В нижнем бьефе (ниже плотины) в результате уменьшения расхода наносов (часть их отложилась в водохранилище) и некоторого увеличения транспортирующей способности потока складывается соотношение R<R_тр,что ведет к размыву дна и понижению продольного профиля реки. Непосредственно вблизи плотины находится участок местного размыва, глубина которого иногда достигает десятков метров. На более протяженном участке ниже плотины отмечается общий размыв, который по мере восстановления нагрузки потока наносами постепенно затухает вниз по течению. Длина участка общего размыва ниже плотин может достигать десятков и сотен километров.

Рис. 6.21. Схема заиления и занесения верхнего бьефа и размыва нижнего бьефа гидроузла:

1 — плотина; 2 — уровень воды и дно реки до сооружения водохранилища; 3 — тело заиления водохранилища мелкими наносами; 4 — телозанесения водохранилища крупными наносами; 5 — подпорный уровень воды (НПУ) в водохранилище после сооружения плотины; 6 — то же, после заиления и занесения части водохранилища; 7 — размыв русла в нижнем бьефе; 8— уровень воды в нижнем бьефе после размыва

Все упомянутые выше процессы вертикальных деформаций продольного профиля речного русла проявляются не только в изменениях отметок дна, но и в сопутствующих им изменениях уровней воды.

Устойчивость речного русла

Устойчивость речного русла, т. е. степень его противодействия размыву, тем больше, чем меньше скорости течения и соответственно меньше размывающая способность потока и чем больше сопротивляемость русла размыву, которая определяется крупностью наносов, формирующих дно, связанностью наносов, слагающих берега, закрепляющим влиянием растительности на берегах, искусственными защитными мероприятиями и т.д.

Устойчивость русла можно охарактеризовать количественно, сопоставляя факторы, препятствующие и благоприятствующие размыву. Одним из таких количественных показателей служит коэффициент устойчивости русла В.М. Лохтина:

К_Л = D/∆Н, (6.54)

где D — крупность донных наносов, мм; ∆H— километрическое падение уровня, м/км. Повышению устойчивости русла и увеличению коэффициента К_лспособствуют увеличение крупности частиц наносов и уменьшение скоростей течения, косвенной характеристикой которых служит величина падения. По Лохтину, устойчивые русла, в которых отсутствует постоянное движение наносов, имеют К_лболее 15—20, у относительно устойчивых русел с постоянным перемещением влекомых наносов К_л~ 5, наконец, у рек с неустойчивым руслом и весьма подвижным дном К_л менее 1—2.

Устойчивые русла характерны для рек, донные отложения которых представлены галечным, галечно-валунным и валунно-глыбовым материалом. Русловые деформации на таких реках крайне медленны и невелики по масштабу. Таковы русла рек Алдана, Верхней Лены, Верхнего Енисея, Ангары, Верхней Камы, Чусовой, Белой. Наименее устойчивы речные русла, сложенные мелкопесчаным материалом. К таким рекам относятся многие реки Средней Азии, например Амударья, с исключительно интенсивными русло­выми деформациями. В некоторых случаях на таких реках наблюдается дейгиш — быстрое разрушение берегов.