Гидрологический режим и гидравлика пойм
Гидрологическая роль пойм состоит в регулировании ими паводочного (половодного) стока. При затоплении поймы происходят потери стока на заполнение бессточных пойменных понижений (емкостей), инфильтрацию в почвогрунты и испарение. Русловая составляющая стока за счет оттока воды из русла в пойму, включая максимальный расход воды, в этот период уменьшается. На спаде половодья происходит приток в русло накопленной поймой воды, что приводит к дополнительному росту расхода воды в русле. Часть пойменных объемов воды теряется в этой фазе на испарение и инфильтрацию. Слив воды с поймы происходит значительно медленнее, чем ее заполнение из-за более продолжительного возврата воды из временно заполненных емкостей и меньших скоростей течения на пойме.
Гидравлика пойменных потоков характеризуется специфическими процессами движения воды, резко отличными от течений в руслах, определяясь морфологией поймы. При этом возникают сложные и разнообразные условия взаимодействия пойменных и русловых потоков. Кроме того, на пойму поступает из русла вода, насыщенная взвешенным материалом. Последний аккумулируется в пределах поймы, и в русло сливается с нее уже осветленная вода.
Можно выделить несколько фаз гидрологического режима поймы [Маккавеев, 1955; Чалов, 2011] (рис. 2.52).
Первая фаза характерна для рек со снеговым питанием. Еще до подъема уровней в реке вода вследствие таяния снега на склонах долины и на поверхности самой поймы, наполняет пойменные ложбины и озера, формирует соединяющие их водотоки, способствует накоплению в них илистых осадков, которые поступают при размыве почв талыми водами со склонов долины; по понижениям в низовой части массива эти воды стекают в русло. Сток талых вод при этом направлен по преобладающему уклону, концентрируясь в тыловой, наиболее понижений ее части.
|
|
|
Рис. 2.52. Особенности затопления, образование противотечений и транзитного потока в пределах пойменного массива (по [Маккавеев, 1955; Чалов, 2011] с дополнениями). 1 – борта долины; 2 – подмываемые пойменные берега; 3 – прирусловые отмели; 4 – прирусловая повышенная пойма; 5 – центральная пойма; 6 – пониженная часть поймы в низовой стороне пойменного массива; 7 – крупные ложбины на поверхности пойм (элементы гривистого рельефа); 8 – направление транзитного потока воды на пойме при ее полном затоплении; 9 – направление транзитного теченя на пойме; 10 – направление противотечений; 11 – поступление воды через открытые с верховой стороны при размыве берега крупные пойменные ложбины; 12 – места
возникновения водоворотов
|
|
|
Вторая фаза соответствует такому положению уровня воды в реке, когда начинается поступление воды в пониженную часть поймы с низовой стороны пойменного массива. Вследствие этого на пойме возникают противотечения. Если эта фаза совпадает с ледоходом на реке, то противотечения затягивают вглубь поймы плывущий лед, который, встречая препятствия в виде кустов, деревьев или пойменных грив, производит местами выпахивание ее поверхности либо, застревая возле них, оставляет переносимый льдом песок, гравий, а иногда даже валуны и обломки горных пород. В большинстве случаев наносы аккумулируются лишь на контакте русло-пойма.
С верховой стороны пойменного массива вода может поступать в пределах поймы по ложбинам, которые «открываются» вверх по течению, если здесь пойменный берег размывается, и его бровка сечет их в крест простирания.
В третью фазу уровень воды в реке поднимается выше бровки поймы с верховой стороны массива, русловой поток переливается из русла в пойму, образуя по ней единый транзитный поток; пойма оказывается полностью затопленной. В этот период затопившие пойму воды производят на ее поверхности наиболее значительную аккумуляцию. К тому же времени приурочены наиболее интенсивные размывы пойменных берегов, особенно активные там, где происходит перелив воды из русла в пойму. Слив воды с поймы идет через низовую часть массива, вызывая образование водоворотов при взаимодействии сливающихся вод с основным течением реки. В результате поддерживается большая глубина затона и плесовой лощины в русле.
|
|
|
Четвертая фаза соответствует периоду спада уровней, когда выходит из-под воды бровка поймы с верховой стороны массива. Активное течение по пойме прекращается. Вода в понижениях поймы застаивается, очень медленно сливаясь в основное русло. В пониженных местах отлагаются тонкий слой ила, органические остатки.
В пятую фазу, в межень, происходит обсыхание поймы; вода сохраняются только в наиболее глубоких частях ложбин и старичных озерах; в засушливые годы с длительной и глубокой меженью они также иногда пересыхают.
При неустойчивой межени и паводочном режиме подъем уровня воды в реке может быть достаточно высоким, в этом случае все фазы гидрологического режима (кроме первой) повторяются в течение года неоднократно.
В реальных условиях сложное строение пойменных массивов, состоящих из большого количества сегментов, ложбинно-островной или гривистый рельеф, обвалованность или ступенчатость поймы обусловливают сложное распределение течений, их значительную разобщенность, наличие местных перепадов уровня, определяемых пойменных рельефом, сопряжением аккумулирующих емкостей, соответствующих понижениям на поверхности поймы.
|
|
|
Если пойма ступенчатая, ее затопление происходит последовательно по ступеням, на разные сроки и с разной вероятностью (от ежегодного до одного раза в десятки лет). На реках со ступенчатой поймой пойменный фрагмент, представленный низкой ступенью более молодой поймы, нередко оказывается ограниченным руслом и ступенью высокой поймы, незатопляемой в маловодные годы или затопляемой очень редко. В этом случае на протяжении многих лет уступ высокой поймы выполняет роль, аналогичную роли борта долины (коренного берега).
Потоки воды, затопившей пойму, имея меньшие глубины, чем в русле, повышенную шероховатость благодаря растительности и сложному рельефу, характеризуются существенно меньшими скоростями по сравнению с русловыми потоками, составляя в местах выхода воды на пойму не более 20% от скорости потока в русле реки и лишь в пойменных протоках – около 50%. В местах слива воды с поймы в русло скорости течения в пойменных протоках составляют 70% от скорости потока в русле реки, на низкой пойме – 30% и на высокой, где слой воды минимален – 5-10%.
Снижение скорости течения при переливе воды из русла в пойму, является главной причиной абсолютного преобладания на поверхности поймы аккумулятивных процессов, накопления пойменного наилка и роста поймы в высоту. Наличие на пойме густой растительности, дернового покрова, сцепление грунта корнями растений и, наконец, уплотненность суглинистого или глинистого пойменного наилка защищают поверхность поймы от эрозионного воздействия потока. Скорости потока на пойме намного меньше, чем размывающие для плотно задернованной поверхности. Последние для дернины превышают 2-2,5 м/с, тогда как скорости потока в местах активного перелива воды из русла в пойму редко составляет 1,0-1,5 м/с, а на остальной поверхности поймы обычно не превышают
0,1-0,2 м/с.
2.4.3. Модель затопления поймы и расчет его характеристик[3]
Принципиальную модель затопления и слива воды с одиночного пойменного массива предложил Н.Е.Кондратьев [Рекомендации по учету …, 1965] (рис. 2.53,А).
Гидравлическими характеристиками массива являются кривая Wп = f(Zп) (рис. 2.53,Б) и график Q =f(Zп , Zр) (рис.2.53,В), где Wп – объем пойменной емкости; Zп и Zр – отметки уровня воды в пойме и русле; Qп – расход воды, проходящий через ложбину или заводь в пойму (положительный) и в русло (отрицательный).
График Q = f(Zп< Zp) строится раздельно для верховой ложбины и низового понижения (заводи). Картину синхронного изменения уровней и расходов воды при затоплении и сливе воды с поймы дают графики Z = f(t) и Q = f(t) (рис. 2.53,Г,Д): кривая Z1 показывает ход уровня в реке на участке ложбины, расчленяющий бровку пойму с верховой части массива, кривая Z2 – на участке низового понижения и заводи. Кривые совпадают по форме, но вторая снижена на величину падения уровня воды в реке в пределах массива.
Затопление (2-я фаза) начинается с низового понижения и заводи при Z2 ≥ Z Н , где ZH – отметка низового понижения в рельефе поймы. Этому моменту отвечает точка а на графике (рис. 2.53,Г). При таком соотношении уровней расход QH, поступающий на пойму снизу, считается положительным (кривая Q Н на рис. 2.53,Д). Когда уровень воды Z1 у верхней части массива начинает превышать отметку дна ложбины ZВ, т.е. при Z1 > ZВ, начинается поступление в пойму через верховую ложбину расхода воды QВ, также положительного – точка b на рис. 2.53,Г,Д). С этого момента и особенно в 3-ю фазу режима, уровень воды в пойме Zп начинает расти быстрее, чем в русле у низового понижения поверхности поймы (Z2), возникает условие Zп = Z2 (точка с на рис. 2.53,Г, Д).
Рис. 2.53. Схема к расчету характеристик затопления и слива воды с поймы: А – пойменный массив; Б – связь объема пойменной емкости Wп и отметки уровня воды в пойме; В – связь расхода воды и ложбине с отметками уровня воды в русле и пойме; графики уровней – Г и расходов воды – Д при затоплении и сливе воды с пойменного
массива
Низовое понижение и заводь в этот период начинают работать в обратном направлении, и расход воды в нем QН меняет знак с положительного на отрицательный. Пойма начинает пропускать транзитный расход воды. В эту фазу режима Z1 > Zп; Zп > Z2; QB > 0; QH < 0.
3-я фаза заканчивается на спаде половодья при Zп = Z1 (точка d на рис. 2.53,Д), когда сверху, в т.ч. через верховую ложбину перестает поступать вода в пойму. 4-ая фаза режима отличается коротким промежутком времени; она заканчивается, когда уровень воды на пойме выравнивается с отметкой дна верховой ложбины ZВ (точка е на рис. 2.53,Г). При Zп = ZВ ложбина обсыхает, и освобождение поймы от воды происходит только через низовое понижение и заводь (точка f на рис. 2.53,Д).
Расчет характеристик процесса затопления и слива воды с пойменного массива ведется методом конечных разностей. Целью расчета является получение зависимостей QH = f(t), QB = f(t), Zп = f(t). Порядок расчета следует из приведенной таблицы 2.10.
Таблица 2.10
Порядок расчета характеристик затопления
и слива воды с пойменного массива
| 1 | 2 | п | п | В | Н | Q | 
| |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 0 | 0 | 0 | 1) | 2) | 3) | (4) | ||
| 1 | 1 | 1 | 6) | 5) | ||||
| 2 | 2 | 2 | ||||||
| . | . | . | ||||||
| п | П | П |
В графах 1-3 табл. 2.10 приводятся исходные гидрологические данные по изменению во времени уровня воды в реке на участках верхового и низового понижений. В первой строке граф 4 и 5 задается положение уровня воды в пойме Zп и объем заполнения поймы Wп в начальный момент t0. По этим данным определяется средний расход воды, проходящий через верховую ложбину и низовое понижение (графы 6 и 7) за интервал времени 
. Суммарный расход воды 
записывается в графе 8. Произведение 
позволяет определить приращение объема пойменной емкости (графа 9) и полный объем пойменной емкости Wп.1 на момент t1 (графа 5). По значению Wп.1 определяется положение уровня воды в пойме (графа 6). Расчет повторяется для последующих интервалов времени.
Полученные значения расходов Q В и Q Н позволяют вычислить объемы воды: проходящие через верховую ложбину и низовое понижение, общий транзитный объем Wт и объем Wак воды, аккумулируемый поймой.
Транзитный объем воды W Т.Н, прошедший через низовое пониженное и заводь, равен разности объемов воды, прошедших через понижения в противоположных направлениях (см. графикина рис. 2.53,Г). Он равен
(2.40)
Через верховую ложбину пройдет объем
(2.41)
Объем воды, аккумулированный поймой Wак, равен сумме двух объемов в абсолютном выражении – объема воды Wак,Н, поступающего на пойму через низовое понижение, и объема Wак,В, вытекающего из поймы в реку через верховую ложбину
(2.42)
или
(2.43)
Представленная схема расчета затопления и слива воды с пойменного массива разработана на примере участка р. Оки в районе г. Мурома. Для этого частного случая отношение WТ/W ак равно приблизительно 1:0,85, что указывает на значительную долю объема половодья р. Оки, идущую на затопление поймы.
На больших и крупнейших реках с широкопойменным руслом пойма представляет собой сложный комплекс массивов разных видов и размеров. Это затрудняет применение фрагментарного подхода к оценке гидравлики таких пойм, использованного для одиночного массива.
В Государственном гидрологическом институте процесс затопления пойм исследовался [Усачев, 1972] посредством последовательных аэрофотосъемок участков реки и аэрогидрометрических измерений поверхностных скоростей течения при разных уровнях воды на р. Оби у г. Нефтеюганска. Одновременно с аэрометодами проводились измерения уровней воды, уклонов водной поверхности и метеоусловий.
Процесс затопления поймы делится на ряд стадий (рис. 2.54).
В первую стадию (уровни воды на гидропосту на Оби были в пределах 0-100 см, рис. 2.54, А) на пойме происходит таяние снега и льда, а так же вскрытие реки, ледоход и очищение проток от льда. Протоки переполняются водой и часто оказываются в подпоре от ледовых заторов, что вызывает образование в них обратного течения. Вскрытие пойменных проток происходит раньше, чем очищение ото льда реки; поэтому уровни воды в пойменных протоках превышают уровень воды в основном русле, что приводит к возникновению поперечных уклонов в его сторону. В основном русле к моменту подвижек льда примерно в два раза возрастают продольные уклоны.
Рис. 2.54. Последовательные схемы затопления поймы р. Оби (по В.Ф.Усачеву [1972]) 1 – затопляемые участки; 2 – затопляемая пойма; 3 – участки, заливаемые водой; 4 – веера перемещения русла проток. А) – уровень воды по водпосту 0-100 см; б) – уровень
100-220 см, в) – уровень 220-300 см; г) – уровень 300-340 см
Диапазону уровней воды в русле в пределах 100-220 см соответствует вторая стадия затопления поймы (рис. 2.54,Б). В этот период происходит перелив воды из переполненных проток в пойменные емкости и заполнение последних снизу через низовые понижения между гривами. При выравнивании отметок уровня воды в емкостях и отметок гребней грив создаются условия для формирования транзитного течения на пойме. Рост уровня воды на пойме замедляется за счет аккумуляции воды в пойменных емкостях.
При дальнейшем подъеме уровня воды начинается третья стадия затопления поймы (рис. 2.54,В). Ее отличительная особенность – фронтальный перелив воды через верховые бровки пойменных массивов всех проток.
В этот период продолжает уменьшаться разница в отметках уровней воды в основном русле и на пойме. Для этой стадии характерно крайне неоднородное поле скоростей пойменного потока – максимальные скорости на гребнях верховых гряд и незначительные на участках повышенных глубин.
В четвертую, последнюю стадию полного затопления поймы
(рис. 2.54,Г) образуются транзитные течения над всеми элементами пойменного рельефа. Это соответствует максимуму половодья, при котором разница между уровнями в основном русле и в пойме стабилизируется. В период подъема половодья разница обычно достигает наибольших значений, на спаде – наименьших. На исследуемой пойме р. Оби указанная разница на подъеме половодья составляла 2,5 м, в период спада – 1,0 м. Скоростное поле пойменного потока в четвертую стадию затопления выглядело наиболее однородным.
Метод расчета основных геометрических характеристик затопления больших пойм на основе вероятностно-статистической модели пространственного распределения аккумулирующих емкостей разработал В.П. Зимичев [1991]. В качестве геометрических характеристик затопления поймы им приняты осредненные параметры поперечных профилей (траверсов) поймы. К ним относятся длина элемента рельефа на профиле l при начальном и конечном уровнях затопления Н и площадь поперечного сечения затопленного понижения рельефа ω (рис. 2.55).
Параметры Н5% и Н100% характеризуют уровни воды, отражающие, соответственно, начальную и конечную стадии затопления поймы.
Длина отрезка li ограничивает i-е затопляемое понижение, а 
‒ незатопленную часть поверхности. Суммарные характеристики для одного поперечного сечения выражаются следующим образом:
Рис. 2.55. Элементы затопленного поперечного сечения поймы
(схема к методике расчета В.П. Зимичева [1991])
; 
; 
(2.44)
где индексы з и нз означают, соответственно, значения величины элемента поймы в затопленном и незатопленном состоянии, а k – число суммарных параметров.
Для получения площадных и объемных характеристик затопления (площадь затопления F и объем затопления W) В.П. Зимичев вводит понятия относительных величин затопления. Для каждого поперечника они выражаются следующим образом:
; 
; 
(2.45)
где: L – длина поперечника.
Средние значения этих характеристик по всем рассмотренным сечениям определяются по выражениям:
, 
, 
(2.46)
где: n – количество суммируемых поперечников.
Умножая полученные величины на площадь исследуемого участка поймы F вычисляются площади затопленной и незатопленной поймы и объема W затопления поймы:
, 
, 
(2.47)
Расчеты характеристик затопления поймы ведутся для уровней разной обеспеченности в диапазоне H5% ‒ H100% как на стадии затопления, так и сливе воды с поймы.
Сравнение результатов расчетов характеристик затопления, полученных способом планиметрирования и путем осреднения системы профилей, показало приемлемость предлагаемого метода.
В.П. Зимичевым даны рекомендации по выбору количества поперечников, выявлены закономерности распределения аккумулирующих площадей в пространстве поймы, предложены программы расчета на ЭВМ площадей и объемов затопления. С помощью предложенной модели была выполнена оценка регулирующей способности поймы р. Оби с развитой пойменной многорукавностью, т.е. проведено сравнение объемов аккумуляции с суммарным стоком половодья.
Средний размер вероятностной выборки системы расчетных поперечников на пойме Оби составил около 150-200 км суммарной длины на
1000 км2 площади поймы. В результате расчетов были получены площади затопления 11 участков поймы в зависимости от степени ее затопления (процентное отношение площади затопления к общей площади пойменного участка) и объемы затопления этих участков поймы. Русловой сток оценивался по гидрологическим постам, установленным в русле Оби. Объем стока в русле оценивался за период половодья с момента выхода воды на пойму до ее полного обсыхания. Уровню выхода воды на пойму соответствует 10%-я степень затопления. Эта начальная степень затопления, как правило, определяется постоянным поверхностным водозапасом поймы. Поэтому объем воды, соответствующий 10%-й степени затопления, не учитывался в объеме аккумуляции при более высоких уровнях.
Расчеты по методике В.П. Зимичева позволили получить ряд выводов о характере затопления и сливе воды с поймы при пойменной многорукавности:
- аккумулирующая способность поймы увеличивается по длине реки по мере нарастания площади поймы;
- наибольшее влияние на трансформацию гидрографа паводка пойма оказывает в период подъема уровней, особенно в первые 10-15 дней после начала ее затопления – объем аккумуляции в эти дни может в 1,5-2 раза превышать объем стока в русле;
- при сливе воды с поймы ее влияние на трансформацию гидрографа зависит от интенсивности падения уровней: при плавном снижении уровней пойма не оказывает существенного влияния на трансформацию гидрографа (7-1% от объема руслового стока), при резком снижении уровней влияние на трансформацию гидрографа стока усиливается (20-6% от объема руслового стока);
- объем безвозвратных потерь на пойме оказался незначительным (суммарный объем испарения составил около 2% от объема половодья);
Глубина затопления поймы тесно связана с ее типом. Б.Ф. Снищенко [Рекомендации по размещению…, 1981] определил степень затопления пойм в зависимости от соотношения характерных уровней воды Н (обеспеченностью 1,10 и 50%), высоты поймы Zп и глубины ее затопления Нп
(рис. 2.56), сведения о которых представлены в таблице 2.11.
Из таблицы следует, что высота поймы увеличивается в направлении от формирования прорванных излучин к адаптированным; глубина их затопления растет в обратном порядке. Поймы свободно меандрирующих и разветвленных рек по этим параметрам занимают промежуточное положение.
На всех фазах затопления и слива воды с поймы уровни воды, как в русле реки, так и на пойме непрерывно меняются, что приводит к колебаниям продольных и поперечных уклонов водной поверхности. К.В. Гришанин [1990] показал, что при прохождении волны половодья, когда уровни воды в русле достигают пойменных бровок, начинается отток воды из передней части волны в пойменные емкости.
Рис. 2.56. Схема к определению глубины затопления поймы по методике Б.Ф. Снищенко [Рекомендации по размещению…, 1981]
Δ Z – разность между отметками максимального уровня определенной обеспеченности и минимального уровня 95%-й обеспеченности летне-осенней межени; Δ Zп – высота поймы (разность между средней отметкой поймы и отметкой минимального уровня 95%-й обеспеченности летне-осенней межени); Hп – глубина затопления поймы (разность между отметкой максимального уровня 1-, 10- и 50%-й
обеспеченности и средней отметкой поймы)
Таблица 2.11
Соотношение характерных уровней воды H,
высоты поймы Zп и глубины ее затопления Нп
| Поймы при типах русла | Обеспеченность максимального уровня,% | ||||||||
| Р=50 | Р=10 | Р=1 | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
| Адаптированные излучины | 0,93 | 0,07 | 0,1 | 0,76 | 0,24 | 0,32 | 0,66 | 0,34 | 0,52 |
| Разветвленные русла с пойменной многорукавностью | 0,79 | 0,21 | 0,37 | 0,59 | 0,41 | 0,80 | 0,51 | 0,49 | 1,08 |
| Свободное меандрирование | 0,65 | 0,35 | 0,58 | 0,54 | 0,46 | 0,92 | 0,48 | 0,52 | 1,15 |
| Прорванные излучины | 0,63 | 0,37 | 0,65 | 0,53 | 0,47 | 0,95 | 0,47 | 0,53 | 1,27 |
В результате поперечного оттока распределение расхода воды вдоль пойменного участка становится неравномерным: в нижней части волны расход уменьшается, а в верхней, там, где пойма уже заполнена водой – расход сохраняется большим. Вследствие этой неравномерности расхода в русловом потоке в фазе затопления поймы увеличиваются продольные уклоны водной поверхности (рис. 2.57,А).
Рис. 2.57. План пойменного потока и профиль свободной поверхности русла при наполнении (А) и сливе воды (Б) с поймы (линия
0-0 – профиль свободной поверхности установившегося меженного
руслового потока, по К.В. Гришанину, [1990])
При сливе воды поймы, на спаде половодья, картина меняется на противоположную; при стоке воды с поймы расход увеличивается в нижней части волны половодья и уменьшается в верхней, в результате чего продольные уклоны свободной поверхности резко уменьшаются (рис. 2.57,Б); лишь при транзитном течении в глубоко затопленной пойме (при обеспеченности 1-10% уровня половодья) он становится однородным. В этом случае значение продольного уклона пойменного потока становится близким к продольному уклону дна долины.
По ширине затопленного дна долины возникает перекос водной поверхности от русла к тыловому шву поймы. Поперечный перекос водной поверхности связан, в первую очередь, с наклоном поверхности поймы от русла к склону долины, а также с процессом затопления и слива воды с поймы. На фазе подъема уровня и затопления поймы поперечные перепады уровней достигают наибольших значений (на р. Оби до 2,5 м), на спаде половодья, при стоке воды с поймы в русло, они уменьшаются (на Оби до 1,0 м). При специальном исследовании поперечных уклонов пойменного потока участка р. Иртыша А.В. Гордиков и М.В. Россомахин [1961] наблюдали перепады уровней воды в пределах 1-2 м между русловыми и пойменными постами, как при затоплении, так и при сливе воды с поймы (рис. 2.58).
При уровнях, соответствующих выходу воды на пойму, при их росте и снижении в процессе дальнейшего затопления и слива воды с поймы, связи между уровнями и гидравлическими характеристиками потока (расходами, уклонами, скоростями) приобретают петлеобразный характер, т.е. теряют однозначность. Н.Б.Барышников [1984] выделяет две причины этого явления: аккумулирующее и регулирующее влияние поймы, а также кинематический эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков. Эти причины могут оказывать однонаправленное или противоположное влияние на значения гидравлических характеристик потока при изменении уровня воды, в результате чего кривые спада и подъема на петлеобразных графиках Q = f(H), I = f(H) и V = f(H) могут располагаться как правее, так и левее кривой установившегося режима (рис. 2.59).
Рис. 2.58. Характеристики режима затопления поймы р. Иртыша
(по А.В. Гордикову и М.В. Россомахину [1961]. А – план участка
и положение створа между постами №1 (в русле) и №2 (в пойме);
Б – графики колебаний уровней воды по посту № 1 (в русле) и №2
(в пойме); В – поперечный профиль поймы между постом №1
(в русле) и №2 (в пойме) и положение уровня высоких вод
Рис. 2.59. Петлеобразная кривая расходов Q = f(H):
1 – кривая подъема, 2 – кривая спада, 3 – кривая установившегося режима. Нвых – уровень выхода воды на пойму. Нмах – наивысший
уровень, Qмах – наибольший расход
В последнем случае кривая, выражающая однозначную связь между расходом и уровнем воды (для графика Q = f(H), которая имела бы место, если бы колебания расхода и уровня происходили медленно и не вызывали бы ощутимой разности уклонов на подъеме и спаде. Эта кривая в общем случае проходит посередине между ветвями подъема и спада [Скородумов, 1965]. С помощью петлеобразных кривых оценивается объем паводочного стока в период подъема и спада уровней воды.
Для свободно меандрирующих рек методика расчета стока с учетом пойменного регулирования и взаимодействия пойменного и руслового потоков была разработана Н.Б. Барышниковым [1984].
2.4.4. Взаимодействие руслового и пойменного потоков
и его влияние на русло
Пойменный поток, обладая меньшими скоростями течения по сравнению с русловым, оказывает на него определенное влияние. Н.Б. Барышников [1984] выделяет пять основных типов взаимодействия потоков
(рис. 2.60).
Рис. 2.60. Схемы типизации процессов взаимодействий руслового
и пойменного потоков [Барышников, 1984].
I- IV – типы взаимодействия руслового и пойменного потоков
I тип – потоки, динамические оси которых параллельны. Подобные условия типичны для прямолинейных русел с односторонней поймой, хотя могут возникать и на реках с двусторонней поймой, но при малой извилистости русла. Характерными в этих случаях являются большие поперечные уклоны от русла к тыловому шву затопленной поймы. В зоне взаимодействия пойменного и руслового потоков возникают вихревые структуры с вертикальными осями вращения, перемещающиеся из поймы в русло и переносящие массы воды из пойменного потока в русловой.
Максимальные скорости в русле уменьшаются, в прирусловой части поймы увеличиваются.Динамическая ось потока в русле смещается к берегу, противоположному пойме.II тип – расхождение динамических осей пойменного и руслового потоков. Он наблюдается в расширениях дна долины, проявляясь в период подъема половодья или паводков, когда уровень воды в реке поднимается выше бровок меженного русла и поток половодья переливается из русла в пойму. При этом наблюдается интенсивный массообмен между руслом и поймой, возникает значительный поперечный уклон поверхности, направленный из русла в пойму.
III тип – схождение динамических осей потоков и перемещение водных масс из поймы в русло. Он проявляется обычно перед сужениями дна долины. При этом происходит значительное торможение руслового потока и уменьшение пропускной способности русел, достигающее 40%. Максимальная скорость руслового потока при этом уменьшается до 2 раз.
IV тип – оси руслового и пойменного потоков пересекаются. Он проявляется во всех случаях, когда русло ориентировано под углом к направлению дна долины (наиболее простой пример – крылья излучин). Чем больше величина этого угла, тем заметнее уменьшение с ростом уровней скорости потока, которая может принимать нулевые и даже отрицательные (противотечения) значения. Резкое уменьшение скоростей руслового потока наблюдается при углах пересечения >30°, т.к. бровка поймы со стороны выпуклого берега излучины в этом случае выполняет роль водослива, около которого в русле возникает водоворотная зона. Ее размеры прямо пропорциональны углу пересечения осей потоков и разнице скоростей. При увеличении угла до 90о и росте скорости пойменного потока водоворотная зона занимает все русло и в нем образуются обратные течения.
V тип – отличается различной высотой примыкающих к руслу пойменных массивов – большей со стороны затопленного берега (верхняя часть) и меньшей – со сливного берега (низовая часть). Для него характерно изменение направления динамической оси пойменного потока при колебаниях уровня воды и, соответственно, сложные его взаимодействия с русловым.
Н.Б. Барышников [1984], обобщив влияние различных факторов в условиях взаимодействия пойменного и руслового потоков, получил для скорости потока в основном русле зависимость
(2.48)
где индексы р, п и р.б. обозначают принадлежность параметра, соответственно, к руслу, пойме и к руслу при уровнях затопления поймы (бровки русла), α – угол пересечения осей пойменного и руслового потоков.
При любом типе взаимодействия пойменного и руслового потоков на реках разных размеров его влияние на русловые процессы проявляется через изменение транспортирующей способности потока [Барышников, 2012]. При параллельности осей потока (тип I взаимодействия) транспортирующая способность потока уменьшается (по экспериментальным данным) в 1,5 раза, при схождении потоков (тип III) под углом 20о в 15-20 раз (по сравнению с изолированным русловым потоком, не имеющим поймы). Степень этого влияния зависит от глубины потока при затоплении поймы.
Затопление поймы всегда оказывает заметное влияние на состояние русла. Однако низкое и высокое половодья играют различную роль в русловом режиме реки. В высокие и продолжительные половодья, когда пойма затоплена, в наибольшей мере сказывается влияние пойменного потока на русловой, проявлялась в обмелении перекатов (условия подпора) или размыве русла. При низких половодьях, когда большая часть потока сохраняется в пределах меженного русла, обмеление перекатов вообще может не происходить. В период подъема весеннего половодья, когда вода поднимается до средних отметок бровок поймы, резкое увеличение смоченного периметра потока и подключение обширных емкостей с очень большой шероховатостью вызывают торможение всего течения реки, что приводит к аккумуляции наносов и обмелению перекатов.
Когда пойма затоплена на большую глубину и пойменный поток пересекает русло реки под крутым углом, происходят особенно сложные изменения рельефа русла, в частности, обмеление перекатов из-за резкого снижения транспортирующей способности потока. Непосредственно ниже отхода реки от коренного берега под влиянием концентрированного перелива воды из русла в пойму транспортирующая способность потока резко ослабляется, в русле наблюдается местная интенсивная аккумуляция наносов и формируются «перекаты на сливе» [Маккавеев, 1949]. В тех случаях, когда поток половодья, проходящий при затопленной пойме, пересекает русло под значительным углом, оно отличаются значительной изменчивостью своего рельефа и неустойчивостью глубин, особенно в периоды с высокими половодьями.
«Перекаты на сбеге» образуются там, где русло подходит к высокому коренному берегу, а пойма выклинивается. На формирование перекатов оказывают влияние подпор потока водами, сливающимися с поймы по ее пониженной тыловой части вдоль высокого берега. Слив осветленной воды с поймы является причиной образования глубокого плеса и развития вынужденной излучины заваленной формы.
Пойменные потоки, пройдя через пойму, аккумулируют на ней значительную часть наносов. Там, где осветленный поток с поймы поступает в русло, происходит размыв русла. Нередко глубокие плесы начинаются непосредственно ниже больших пойменных ложбин, по которым происходит концентрированный слив пойменных вод в русло.
При односторонней пойме вследствие параллельности пойменного и руслового потоков создаются благоприятные условия для углубления русла возле коренного берега. Лишь местами, где вследствие особенностей рельефа поймы усиливается слив воды из русла в пойму, возникают отдельные перекаты.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1825; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!