книги из ГПНТБ / Донской И.П. Водный транспорт леса учебник

превышает среднюю глубину. В этих условиях разница между дли­ ной смоченного периметра % и шириной по зеркалу В становится относительно все меньше и в конце концов оказывается в преде­ лах точности расчетов. Поэтому в гидрологических расчетах для

на малых реках уклоны больше, чем на крупных. Так, если на крупных реках Восточно-Европейской равнины (Нева, Северная Двина, Волга, Дон) среднее падение составляет 7—9 см на 1 км, то на малых и средних реках, используемых для лесосплава, оно

Уклоны реки на отдельных коротких участках крупных рек

участки, перекаты, пороги и водопады. Продольный профиль всех этих участков показан на рис. 7.

П л ё с (плёсо) представляет собой сравнительно глубокий участок реки с малым уклоном и небольшой скоростью течения; русло на плёсовых участках обычно устойчивое и практически не подвергается эрозии.

П е р е к а т о м называется участок реки с малыми глубинами и увеличенными по сравнению с примыкающими к нему плёсами уклоном и скоростью течения. Ложе реки на перекате сложено

20

из легко размываемых грунтов, в связи с чем оно подвержено постоямиым деформациям.

П о р о г и обычно имеют малые глубины и значительные уклоны и скорости течения. Образуются пороги при пересечении рекой

ходящие на поверхность ложа реки, образуют более или менее зна­

быстрые плёсы, участки с большими глубинами, но очень бурным течением, вызываемым донными выступами скалы, и т. д.).

Рис. 7. Продольный профиль разных русловых форм

Устойчивость речного русла. Существенной характеристикой речного русла является его устойчивость — способность противо­ стоять размывающей деятельности потока.

Метод количественной оценки русел с точки зрения их устой­ чивости был предложен еще в конце прошлого века русским ин­ женером В. М. Лохтиным, исходившим из положения, что степень устойчивости русла зависит от отношения сопротивления сдвигу частиц наносов к влекущей силе потока.

Сопротивление частиц наносов сдвигу пропорционально их весу или, при сравнительно узких пределах изменения объемного веса различных наносов, их объему, а следовательно, и величине d3 (d— диаметр средних по размеру частиц наносов). Влекущая сила потока пропорциональна гидродинамическому давлению на час­ тицы наносов, или величине d2vz. Согласно квадратичному закону сопротивления скорость v пропорциональна квадратному корню из уклона реки, поэтому влекущая сила потока оказывается также пропорциональной величине d2I.

Таким образом, критерий устойчивости русла (число Лохтина)

21

ных рек дал шкалу значений критерия устойчивости русла. По

исследований считает, что сравнительно устойчивое русло обеспе­ чивается уже при /о = 0,40-М,50. В этой же работе М. А. Великанов говорит о значительном влиянии на устойчивость русла глубины h и рекомендует оценивать устойчивость русла критерием следу­ ющего вида

Шкала величин f0 требует еще разработки.

§ 4. ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В РЕКАХ

Поле скоростей в любом сечении речного потока представляет собой сложную картину, так как в каждой его точке вектор ско­ рости непрерывно меняет свою величину и направление. Даже сред­ ние по величине и направлению векторы скоростей не будут па­ раллельными оси потока. Средняя величина вектора скорости

Рис. 8. Эпюры скоростей течения по ширине и по глубине русла:

а — симметричное поперечное сечение русла; б — несимметричное поперечное сечение; в — нормальная эпюра по глубине; г, д — искаженные эпюры по глубине

в любой точке потока может быть разложена на три составляющих: продольную (направленную вдоль потока), поперечную и верти­ кальную.

Продольная составляющая — это скорость потока, измеряемая в гидрометрии. Поперечная и вертикальная составляющие, распо­

зываемая просто скоростью, меняется как по ширине, так и по глубине русла.

На рис. 8 (а и б) показаны эпюры изменения скорости по ши­ рине реки при симметричной и несимметричной формах попереч­ ного сечения русла. В обоих случаях положение максимума ско­ рости совпадает с максимальной глубиной в поперечном сечении. На рис. 8, в приведена нормальная эпюра изменения скорости по глубине, показывающая, что скорость убывает от поверхности воды ко дну реки. В частных случаях форма этой эпюры может и ме­ няться: например, при большой шероховатости дна донные ско-

22

рости относительно уменьшаются, а поверхностные увеличиваются (рис. 8, г); ледовый покров или пыж из бревен, увеличивающий шероховатость на поверхности воды, вызывает обратную картину (рис. 8, д) и так далее.

Из-за большого числа факторов, влияющих на форму эпюр распределения скоростей по поперечному сечению, пока нет прос­ тых и надежных способов расчета эпюр. Строят их по данным непосредственных измерений скоростей в разных точках потока.

но считать возникновение центробежных сил в потоке, движущемся по закруглению.

Действительно, на каждую частицу такого потока действует центробежная сила, направленная по радиусу кривизны в сторону вогнутого берега,

где /и, v и /' — соответственно масса, скорость и радиус кривизны траектории частицы.

Известно, что продольная скорость потока убывает от свободной поверхности ко дну реки; центробежная сила, пропорциональная квадрату скорости, уменьшается при этом еще более резко.

Под действием центробежных сил все частицы жидкости стре­ мятся переместиться в поперечном направлении в сторону вогну­ того берега. При этом частицы поверхностных слоев, испытываю­ щих большие центробежные силы, натолкнувшись на препятствие (берег), начинают погружаться вниз, вытесняя более слабые дон­ ные струи и заставляя их двигаться в обратном направлении — от вогнутого к выпуклому берегу. Так в живом сечении потока воз­ никает замкнутая поперечная циркуляция.

На рис. 9 показан поворот реки вправо; в этих условиях попе­ речная циркуляция оказалась направленной против часовой стрел­ ки. Легко убедиться, что при повороте реки влево поперечная цир­ куляция будет иметь обратное направление, т. е. пойдет по часовой стрелке. Таким образом, в любом случае поперечные циркуляции направлены у поверхности воды к вогнутому берегу, а у дна — к выпуклому.

Из формулы (10) следует, что поперечная циркуляция потока на криволинейных участках тем интенсивнее, чем больше продоль­ ная скорость потока и чем меньше радиус кривизны русла.

При сопряжении двух по-разному направленных закруглений происходит переформирование одной циркуляции в другую, сопро­ вождающееся образованием «веерообразных» течений. Так как каждая частица потока на закруглении одновременно участвует в продольном и поперечном движении, ее перемещение вниз по течению реки совершается по винтообразной траектории.

23

Центробежные силы на закруглениях русла вызывают также поперечный уклон свободной поверхности (рис. 10).

Рассмотрим равновесие частицы жидкости с массой т, движу­ щейся со средней скоростью v по траектории с радиусом закруг­ ления г. Эта частица оказывается под действием двух сил — цент­ робежной, определяемой по формуле (10), и силы тяжести GT = mg.

Свободная поверхность потока устанавливается нормально к рав­ нодействующей этих двух сил. Из рис. 10 видно, что

При небольших радиусах закругления широких и быстрых рек перекос свободной поверхности, возникающей в результате попе­ речного уклона, может достичь 10—15 см и стать вполне ощути­ мой величиной.

§ 5. ФОРМИРОВАНИЕ РУСЛА РАВНИННЫХ УЧАСТКОВ РЕК

Формирование русла равнинных участков рек происходит под влиянием эрозионной (размывающей) деятельности потока. Про­ цесс формирования русла прекращается, как только достигается равновесие между размывающей силой потока и способностью данной формы русла сопротивляться размыву. Любое нарушение этого равновесия (прохождение паводка, искусственное изменение формы русла, появление препятствия, влияющего на скоростное поле) влечет за собой новое переформирование. Следовательно, форма и размеры устойчивого русла зависят от таких основных руслоформирующих факторов, как расход воды потока, его уклон и характер наносов, слагающих ложе реки. Связь между разме-

24

рами устойчивого речного русла и этими факторами может быть математически выражена в виде так называемых морфометрических зависимостей.

Примером простейшей морфометрической зависимости может служить формула В. Г. Глушкова, полученная им в 1924 г. на ос­

Рис. 11. Извилистое русло и его деформации:

а — участок размыва; б — отложения наносов

Позднее целый ряд более совершенных морфометрических за­ висимостей был предложен М. А. Великановым [10] и другими уче­ ными. Однако большинство этих зависимостей установлено по дан­ ным о крупных реках и поэтому применять их к средним и малым

рис. 11. Там же изображены характерные поперечные профили русла — в местах наибольшей кривизны извилин и на прямолиней­ ном участке; пунктиром с точкой обозначено положение линии наибольших глубин, или стрежня русла. Из этого рисунка видно, что: а) на закруглениях русло несимметрично, причем наибольшие глубины располагаются у вогнутого берега; б) на переходном пря­ молинейном участке русло имеет меньшие глубины и близкую к па­ раболической форму поперечного сечения; в) стрежень реки пере­ ходит от одного берега к другому, приближаясь к вогнутым бере­ гам и удаляясь от выпуклых.

25

Несимметричная форма русла на закруглениях создается в ре­ зультате усиленной активности на этих участках поперечной цир­ куляции. Поверхностные струи, прижимаясь к вогнутому берегу, вызывают размыв последнего; донные струи подхватывают про­ дукты размыва и переносят их к выпуклому берегу. Вследствие винтообразного движения потока, отмель оказывается смещенной вниз по течению по отношению к участку наибольшего размыва. Этот процесс приводит к постоянному увеличению кривизны из­ вилин и перемещению их вниз по течению.

На участках перехода от одного закругления русла к другому

вается двумя глубокими плёсовыми лощинами Л, с обоих берегов русла его стесняют отмели — побочни Я, сдвинутые один относительно другого. Наиболее мел­ кая часть переката, соединяющая побочни, называется валом или

ного берега к другому. Известны перекаты и с более сложной кон­ фигурацией русла. Русловые участки, по своей природе аналогич­ ные перекатам, но не представляющие затруднений для судоходства или лесосплава, называют п е р е в а л а м и . {

Характер течений на перекате и прилегающих к нему плёсах различен. Это объясняется тем, что перекат, расположенный между двумя изгибами реки, является местом сопряжения двух противо­ положно направленных циркуляции потока. На сопрягающем участке образуется переходное, веерообразное течение, которое и формирует рельеф дна переката.

Русло реки на перекате подвержено постоянным изменениям. Во-первых, отметки дна переката меняются в течение года: в па­ водок, когда река несет большое количество наносов, а уклон свободной поверхности и скорости течения на всех участках реки выравниваются, на перекате происходит отложение наносов и уро­ вень его дна поднимается; в межень, когда уклон свободной по­ верхности и скорости течения на перекате возрастают, снова начинается его размыв. Во-вторых, вследствие постепенного смыва­ ния вала переката и перемещения наносов в зону подвалья, проис-

26

ходит передвижение перекатов вниз по течению. На реках с нор­ мальной устойчивостью этот процесс происходит медленно, но на менее устойчивых реках перекаты могут передвигаться со ско­ ростью нескольких десятков и даже сотен метров в год. В-третьих, наконец, даже небольшое препятствие потоку, случайно возникаю­

кавные дельты.

Процессы формирования русла предгорных участков рек под­ чиняются тем же законам. Однако вследствие больших скоростей течения и значительного количества влекомых потоком наносов все русловые процессы проходят здесь более интенсивно.

§ 6. ВИДЫ ПИТАНИЯ РЕК И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Водный баланс рек. Сток реки зависит от объема осадков, вы­ падающих в пределах данного бассейна. Часть осадков возвра­ щается в атмосферу в виде испарений, остальные поступают в ре­ ку — в виде поверхностного стока, либо через подземный бассейн. Вследствие большой аккумулирующей способности подземного бас­ сейна объем стока из него может в отдельные годы отличаться от объема поступления. Поскольку, как это указывалось в § 2, границы подземного бассейна могут отличаться от границ поверх-

27

постного водосбора, можно ожидать некоторого перераспределения водяных масс между соседними подземными бассейнами.

Таким образом, для любого года уравнение водного баланса речного бассейна будет иметь вид:

AW — изменение объема воды в данном подземном бас­ сейне за год.

Объемами Wa и Wy вследствие сложности их определения и от­ носительно малой величины обычно пренебрегают. Изменение за­

их определения разработаны в метеорологии.

Типы питания рек. Режим реки зависит от того, за счет каких

28

стока. В СССР этот тип питания преобладает — бассейны рек со снеговым питанием занимают свыше 70% всей территории страны.

Д о ж д е в о е — от периодических дождей в определенное время года или от краткосрочных ливней. Характерно для рек Крыма, субтропической зоны Кавказа, Карпат, Дальнего Востока и час­ тично Восточной Сибири.

Л е д н и к о в о е — от таяния ледников и вечных снегов в горах. Наблюдается на реках, начинающихся в высокогорных районах Кавказа и Средней Азии.

ном бассейне реки. В чистом виде почти не встречается, но в период зимней или летней межени питает все реки, давая в среднем 15—30% объема го­ дового стока.

Годовые графики измене­ ния расходов воды Q (гидро-

Воемя. т

нием. Распределение среднегодового стока некоторых рек по ис­ точникам питания иллюстрируется данными табл. 3.

Гидрограф реки со смешанным типом питания, с преоблада­ нием снегового, приведен на рис. 15; на нем выделены части стока, происходящего за счет разных видов питания.

Возможны и другие принципы классификации рек. В частности, широкое распространение получила классификация Б. Д. Зайкова

29