Развитие инфраструктуры внутренних водных путей

Общие положения

Известный русский ученый Л.И. Мечников в книге «Цивилизация и великие исторические реки [1889] писал, что реки, являясь центрами расселения, всегда служили важнейшими средствами сообщения. Именно по ним в древнем мире проникали цивилизации вглубь материков, и только непреодолимые для продвижения людей участки (водопады, пороги) препятствовали выполнению этой функции рек. Он подчеркивал: «… река, которая составляет непобедимое препятствие для некультурного народа, становится средством сообщения у народа культурного» (цитируется по [Мечников, 1995, c. 323]).

В России колонизация и освоение Севера Сибири и Дальнего Востока также происходила по рекам. Русские землепроходцы проникали сюда по Северной Двине и Печоре, Оби и Енисею, Лене и Амуру и их притокам. Но и в районах древнего расселения именно реки являлись главными путями сообщения между населенными пунктами, княжествами и государствами. На берегах Волги, Днепра, Оки и их притоков располагались, возникали и развивались города, торговые связи между которыми осуществлялись по рекам. Отсюда начиналось перемещение как на юг, где происходило освоение степей и причерноморских районов, так и на север, так и в Поморье. Однако на протяжении веков это было пассивное приспособление средств передвижения (ладья, карбаса, лодки) к рекам.

В ХVIII в. появились первые картографические изображения русел ряда рек. С середины ХIХ в., когда речной флот стал переводиться на паровую тягу, потребовалось не только обставлять фарватер, но и выполнять мероприятия по созданию благоприятных условий плавания, углублять мелководные участки – перекаты, а в дальнейшем – обеспечивать устойчивость судовых ходов.

Решение этих задач определялось знанием руслового режима рек как основы методологии улучшения условий судоходства. Благодаря изысканиям, проводимым в России навигационно-описными партиями, сначала появляется ряд очерков и атласов по основным судоходным рекам, а в конце ХIХ‒начале ХХ вв. первые обобщения опыта дноуглубления и выправления русел рек. Работы В.М. Лохтина, Н.С. Лелявского, Н.П. Пузыревского, В.Г. Клейбера, В.Е. Тимонова и других инженеров-путейцев впервые поставили на научную основу углубление судовых ходов на перекатах и проведение выправительных работ.

Благодаря их трудам были заложены основы современной теории русловых процессов и разработаны три основных подхода к регулированию русел судоходных рек: 1) сплошное «водостеснение», 2) струенаправление в комбинации с укреплением берегов, 3) землечерпание с выборочным выправлением отдельных участков вышеупомянутыми методами. Во 2-й половине ХХ в. в России получил преимущественное распространение третий подход, который является высоко эффективным при условии согласования приемов выправительных работ с русловым режимом реки, т.е. максимального использования руслоформирующей деятельности речного потока.

Выявление особенностей русловых деформаций на разных реках и на каждом конкретном участке реки, временных периодов, в которые они осуществляются, дает возможность установить параметры судовых ходов и оптимальные сроки проведения дноуглубительных работ, как для коренного улучшения условий судоходства, так и текущих эксплуатационных мероприятий. Иными словами – вместе с руслоформирующей работой реки можно добиться роста глубин и обеспечить устойчивость фарватера. Это определяет техническую, экономическую и экологическую эффективность методов выправления русел, основывающихся на знании закономерностей русловых процессов и факторов, их определяющих на каждой реке

Исторически изучение русловых процессов долгое время сосредотачивалось на малых и средних реках; большие и особенно крупнейшие реки оставались все сферы внимания исследователей. Достаточные вследствие многоводности рек глубины позволяли без выполнения дноуглубительных работ, с помощью варьирования обстановкой, обеспечивать нормальные условия судоходства. В 50-60-е и последующие годы ХХ века произошел резкий рост требований к поддержанию и повышению гарантированных габаритов пути из-за увеличения тоннажа и осадки речных судов, перехода на смешенные перевозки «река-море», создания на реках водохранилищ и их каскадов (Волжско-Камский, Днепровский).

Это привело к необходимости изучения русловых процессов на больших и крупнейших реках, имеющих нередко слабоустойчивое разветвленное русло с большим количеством мелководных (для новых требований к осадке судов) перекатов; впервые встала проблема русловых процессов на реках с галечно-валунным и скальным руслом (верхняя и большая часть средней Лены, Енисей, Алдан, Витим). Будучи устойчивыми, они перестали удовлетворять судоходство «по глубинам», а увеличение последних посредством разработки прорезей сопровождалось соизмеримой с величиной толщины снятого на дне грунта «посадкой» уровней воды (верхняя Лена).

Таким образом, изучение русловых процессов представляют собой составную часть проектирования судовых ходов на свободных реках. При этом Н.И. Маккавеев [Проектирование судовых ходов…, 1964] в предисловии к книге с соответствующим названием подчеркивал: «Проектирование судовых ходов – один из наиболее сложных разделов речной гидротехники, где тесно переплетаются вопросы гидравлики потоков, русловых процессов, судовождения, техники и экономики путевых работ» (с. 3).

2.2. Факторы русловых процессов, устойчивость русла
и руслоформирующие расходы воды

Русловые процессы тесно связаны с природными особенностями территории, по которой протекает река, составляющими их факторы. Главные среди них – сток воды, сток наносов и геолого-геоморфологическое строение русел и речных долин, из которых первые – являются активными факторами, находящимися в состоянии движения; их величина и изменчивость во времени определяют сам процесс руслоформирования. Геологическое строение и рельеф относятся к пассивным факторам, роль которых сказывается только при наличии водного потока. Наряду с ними на руслоформирование оказывают влияние и другие факторы – ледовые явления, ветер, растительность, мерзлота, склоновые и эрозионные процессы, носящие временной или местный характер.

Сток воды определяет размеры русла, которые находятся в прямой зависимости от его величины: например, ширина русел на прямолинейных участках пропорциональна корню квадратному из расхода воды: . Связь глубины с расходами воды не столь тесная. Для больших рек относительная глубина h/b_p меньше, чем у малых рек. Н.А. Ржаницын [1960] получил общую зависимость относительной глубины русла от среднего максимального расхода воды Q_{ср.макс}

                                                     ,                                             (2.1)

где: А=0,038К , Кр –

показатель, характеризующий изменение формы живого сечения потока в разные фазы водного режима.

Поскольку ширина b_p, глубина h и соотношение h/b_p зависят от водности реки, последняя определяет и другие морфометрические и морфологические параметры русел: размеры излучин, перекатов, островов и т.д.

Динамика русел и руслового рельефа (перекатов) сильно усложнена неравномерностью стока в сезонном и многолетнем разрезе. Поток половодья перерабатывает формы руслового рельефа, созданные в межень, меженный поток – формы, созданные в половодье. Чем меньше относительная величина изменений стока, тем стабильнее рельеф речного русла. Временное снижение интенсивности русловых деформаций наблюдается в годы с очень низким половодьем. Высокие паводки на реках с неустойчивой меженью, увеличивают интенсивность русловых деформаций.

Такое влияние неравномерности стока на переформирования русла является также следствием степенной зависимости между расходами воды и стоком наносов W_{R + G}=f(Q^m). В соответствии с этим русловые деформации затухают в меженный период и, наоборот, активизируются в паводки и половодья, поскольку в это время возрастает перемещение наносов.

Сток наносов W влияет на русловые процессы через изменение его соотношения с транспортирующей способностью потока W_тр. При W_тр=const увеличение стока речных наносов сопровождается их аккумуляцией (W > W_тр), а уменьшение (W < W_тр) – размывом дна и берегов рек. Это является причиной вертикальных (размыв‒аккумуляция, понижение‒повышение отметок дна) и горизонтальных (размыв берегов в зонах местного роста W_тр, образование прирусловых отмелей при местном снижении W_тр) русловых деформаций.

Сток наносов включает две составляющие: взвешенных W_R и влекомых W_G наносов; полная его величина W_{R + G} = W_R+W_G . Взвешенные наносы сформированы мелкими фракциями (ил, песок). В состав влекомых наносов входят песок, гравий, галька и валуны. В различных природных условиях соотношение между ними изменчиво, что сказывается в форме проявления русловых процессов, направленности и интенсивности русловых деформаций. При малом стоке взвешенных наносов ведущая роль в процессах формирования русла принадлежит влекомым наносам. В этих условиях W_тр~W_G, т.е. транспортирующая способность потока реализуется в основном за счет стока влекомых наносов. При большом стоке взвешенных наносов W_тр~W_R, и они становятся основными в образовании русловых форм.

Сток влекомых наносов осуществляется в виде грядовых форм рельефа русла. Эти формы могут возобновляться, если они уничтожены, например, землечерпанием. Скорость восстановления форм, а также интенсивность изменений русла, связанных с неравномерностью стока, тем больше, чем значительнее сток наносов. От него зависит амплитуда сезонных изменений отметок гребней перекатов. На реках с большим стоком наносов глубина во время паводков иногда не увеличивается, так как рост гребней перекатов следует за приращением уровня воды. На большинстве судоходных рек России амплитуда изменений отметок гребней обычно не превышает 1/3 амплитуды уровней, а на реках, вытекающих из озер или зарегулированных водохранилищами, паводки (попуски из гидроузлов) не отражаются на высоте гребней перекатов или способствуют их размыву.

При малом стоке наносов преобладают прямолинейные неразветвленные русла. Чем больше сток наносов, тем вероятнее образование разветвлений и тем они сложнее. На реках с большим стоком наносов, абсолютным преобладанием взвешенной составляющей разветвления не формируются или встречаются их простые разновидности. Одна из причин этого – заполнение возникающих проток и рукавов наносами, их обмеление и причленение осередков и островов к берегам. При относительно меньшем стоке наносов и большой доле стока влекомых наносов разветвления являются наиболее распространенным типом руслом. При недостаточном количестве наносов водный поток непосредственно воздействует на коренное ложе реки, возникают скальные русла.

Интегральным выражением активных факторов русловых процессов – стока воды и стока наносов являются руслоформирующие расходы воды Q_ф. По определению Н.И. Маккавеева [1955; Проектирование судовых ходов…, 1964] (им же разработана методика расчета Q_ф), это такие расходы воды, при которых переносится в многолетнем плане максимальное количество наносов, вследствие чего их влияние на формирование русла оказывается наибольшим. Они определяются в результате умножения горизонтальных координат кривой связи суммарного расхода наносов W и расхода воды Q ~ W = kQ^mI на абсциссы кривой повторяемости расходов воды
Р = f(Q) с введением добавочного коэффициента σ, начиная со значения Q, соответствующего затоплению поймы и обусловленного кинематическим эффектом. Руслоформирующим, таким образом, является расход воды, определяемый по максимуму функции

                                               .                                       (2.2)

Для гидрологических постов, на которых ведется измерение расходов наносов W, Q_ф можно определять по зависимости

                                                 .                                          (2.3)

Однако таких постов очень мало и на них, как правило, измеряется только сток взвешенных наносов. Между величинами R+G как составляющим общего стока наносов существует функциональная связь, имеющая региональный характер. Поэтому (2.3) используется только при постановке специальных исследований.

В методике Н.И. Маккавеева в расчетное произведение (2.2) включается не сама величина стока наносов, а его зависимость от стока воды, что делает ее независимой не только от наличия фактических данных о стоке наносов, но и от его реальной величины и соотношения в нем взвешенной и влекомой составляющих. Показатель степени m, принимается равным 2 для рек с песчаным составом руслообразующих наносов, 2,5 – с песчано-галечным и 3 – с галечным или галечно-валунным руслом. Однако m в (2.2) зависит от природных условий и характеризуется пространственной изменчивостью.

Например, на реках Алтая m > 3 на больших реках, берущих начало в горах (Бия, Катунь, Чуя, Чарыш), m = 2,5-2,8 – на Оби, m = 2-2,5 – на малых равнинных реках и m < 2 – на несудоходных реках бийско-катунского междуречья. В бассейне Северной Двины m изменяется от 1,34 (верхняя Сухона) до 2,34 (р. Емца); на главных реках – от 1,74 в низовьях Сухоны до 2,31 в нижнем течении Северной Двины [Резников, Чалов, 2005]. В связи с этим при определении Q_ф сначала по зависимости R=f(Q^m) определяется величина m для каждого гидропоста, на котором ведутся измерения стока наносов, по ним проводится районирование территории или выделение участков по длине больших рек; для расчетов по формуле (2.2) принимаются средние значения m по районам (или участкам).

Важным при определении Q_ф является установление момента, когда следует вводить коэффициент σ. Влияние поймы на условия руслоформирования сказывается со времени образования транзитного пойменного потока, обладающего иными, чем русловой гидравлическими характеристиками, и его взаимодействие с русловым потоком определяет изменения скорости и транспортирующей способности последнего. Поэтому коэффициент σ рекомендуется вводить, когда уровни воды на 0,5-1,0 м превышают отметки поймы. При этом σ = 0,9 при ширине затопленной поймы
В_п < 2b_р и σ = 0,5 при В_п > 10b_р. При ступенчатой пойме разлив воды последовательно распространяется на все более высокие ступени. В зависимости от этого меняется величина B_п/b_р. Это обусловливает последовательное изменение коэффициента σ – от соответствующего затоплению низкой поймы – до максимального разлива реки.

Для расчетов обычно принимается временной интервал в 20-25 лет. Но его рекомендуется корректировать по разностно-интегральной кривой изменения водности реки. В этом случае повторяемость расходов воды определяется за период, включающий в себя одинаковое количество маловодных, средних по водности и многоводных лет. Если же расчетный период охватывает преимущественно маловодные годы, результаты оказываются заниженными, если многоводные – завышенные.

В разных природных условиях может быть от одного до трех интервалов расходов, являющихся руслоформирующими Q_ф и которые по их соотношению с расходами воды, при полном затоплении поймы, объединяются в четыре основных разновидности, которым соответствуют свои «эпюры» произведения (2.2) (рис. 2.1).

А, Б – верхний из интервалов расходов, имеющих руслоформирующее значение, наблюдается при уровнях, соответствующих наибольшему разливу воды по пойме, В, Г – руслоформирующие расходы проходят в пределах пойменных бровок – средний и нижний интервалы; Б, Г – до выхода воды на пойму может иметь место два интервала – средний и нижний, из которых первый проходит во время половодья или высоких летне-осенних паводков и соответствует уровням, непосредственно предшествующим выходу воды на пойму, а второй отвечает условиям высокой межени, когда под водой находятся только прирусловые отмели; А, В – имеется один Q_ф, являющийся средним или нижним.

Рис. 2.1. Типы кривых («эпюр») для определения руслоформирующих расходов воды Q_ф = f [max (σQmIP)]:
А – р. Тобол–г. Ялуторовск; Б – р. Оленёк–п. Оленёк;
В – р. Томь–г. Томск; Г – р. Лена–п. Качуг. Пунктирная линия соответствует выходу воды на пойму

Расчеты Q_ф, выполненные по данным всех гидрологических постов на реках бывшего СССР показали, что форма «эпюры» зависит от типа водного режима. Поэтому условия прохождения Q_ф позволяют провести районирование территории (рис. 2.2), выделяя на схеме зоны, области и районы по наличию или отсутствию верхнего интервала Q_ф (при затопленной пойме), количеству Q_ф и их обеспеченности.

Рис. 2.2. Схема районирования Северной Евразии по условия прохождения руслоформирующих расходов воды на реках, рассчитанных по методике Н.И. Маккавеева.

Зоны: 1, 2 – с Q_ф, соответствующим уровням затопленной поймы;
3, 4 – с Q_ф до выхода воды на пойму. Области: 1, 3 – с двумя интервалами Q_ф до выхода воды на пойму; 2, 4 – с одним интервалом Q_ф до выхода воды на пойму. Границы: 5 – зон; 6 – областей;
7 – районов. Индексы: 8 – зон и Уральского пояса; 9 – областей;
                                            10 – районов

Для большинства рек Русской равнины с восточно-европейским типом водного режима характерны два или три максимума произведения σQ^mIP, из которых верхний соответствует половодью и затопленной пойме; он отсутствует на реках, прилегающих к главному водоразделу ЕТР, являющегося областью формирования стока, и на юге равнины – области недостаточного увлажнения.

Здесь Q_ф проходит в бровках поймы, затопление которой во время половодья невелико и кратковременно. На среднем и нижнем Амуре верхний Q_ф проходит при затопленной пойме, соответствуя летнему паводочному периоду, связанному с муссонными дождями; на верхнем Амуре и его притоках, расположенных в основном в горной области Забайкалья, Q_ф проходят до выхода воды на пойму.

В таблице 2.1, приведены результаты расчета Q_ф для некоторых рек России. Одновременно показано, как изменяются условия прохождения Q_ф при регулировании стока водохранилищами. Ниже гидроузлов обычно исчезает верхний Q_ф, так как высокая пойма перестает затапливаться или покрывается слоем воды небольшой глубины и на короткий срок. Одновременно наблюдается понижение Q_ф, проходящего при уровнях ниже бровок поймы, повышение его обеспеченности и снижение соответствующего ему уровня.

Таблица 1

Руслоформирующие расходы воды и их обеспеченность (%)
на некоторых больших судоходных реках России в естественных (Е)
и зарегулированных (З) условиях

Иногда происходит объединение среднего и нижнего интервалов Q_ф, проходящего при уровнях ниже бровок поймы, повышение его обеспеченности и снижение соответствующего ему уровня, вследствие чего его воздействие на русло возрастает по сравнению с естественными условиями. Выше водохранилищ увеличивается затопляемость поймы и повышается обеспеченность Q_ф во время разливов, либо образуется новый, верхний интервал Q_ф, проходящий во время максимальных уровней половодья.

Геолого-геоморфологические факторы. Слабая устойчивость пород, слагающих ложе реки, и формирование русла в песчаных отложениях обусловливают свободные условия развития русловых деформации и преимущественную роль потока в его взаимодействии с руслом (поток управляет руслом); в условиях распространения трудно размываемых или скальных пород поток, обладающий даже значительной энергией, управляется руслом. Это соответствует условиям ограниченного развития русловых деформаций.

В условиях свободного развития русловых деформаций, когда размывающая способность потока обычно выше, чем противоэрозионная устойчивость грунтов, слагающих дно и берега, формируются широкопойменные русла, у которых В_п > (2-3)b_p на больших и крупнейших реках и В_п > (5-7)b_p на средних и малых судоходных реках (здесь B_п – ширина поймы; b_p – ширина русла. Чаще всего это – свободно меандрирующие (рис. 2.3,А) или разветвленные на рукава реки.

Рис. 2.3. Морфодинамические типы русел в разных геолого-геоморфологических условиях развития русловых деформаций:

А – врезанные; Б – адаптированные; В – широкопойменные. 1 – относительно прямолинейные неразветвленные; II – извилистое (меандрирующее); III – разветвленное на рукава. 1 – борта долины;
2 – пойма; 3 – прирусловые отмели, обсыхающие в межень; 4 – озера       на пойме; 5 – гривистый рельеф на пойме

Скорости горизонтальных русловых деформаций (смещение излучин, размывы берегов и т.д.) измеряются метрами в год, происходят постоянные изменения положения русла и размыв рекой берегов, сложенных легкоразмываемыми грунтами, в русла поступает большое количество наносов. Реки отличаются наиболее полным развитием русловых форм.

Для условий ограниченного развития русловых деформаций характерны врезанные русла, у которых В_п < b_p либо пойма отсутствует (рис. 2.3,Б). Горизонтальным деформациям препятствуют трудно размываемые или скальные породы, слагающие берега и дно рек; русло формируются в беспойменных долинах. Руслообразующие наносы – галечные или галечно-валунные. На дне русла часто отсутствуют аллювиальные отложения и осуществляется непосредственный контакт потока со скальным или связным коренным грунтом, образующим его ложе.

В переходных от свободных к ограниченным условиям развития русловых деформаций русла формируются в относительно узких долинах или внутригорных впадинах, где горизонтальные деформации ограничены коренными бортами, но само русло сопровождается неширокой поймой. Такие русла называют адаптированными. Критерием для их выделения служат соотношения b_p < B_п < (2-3)b_p или b_p < B_п < (5-7)b_p в зависимости от размеров реки.

В значительной мере геолого-геоморфологические факторы определяет уклоны рек. В горных условиях реки отличаются бóльшими уклонами, галечно-валунным составом наносов, преобладанием скальных участков и часто являются несудоходными. Большие реки в горных странах по характеру русловых процессов и уклонам являются равнинными, хотя и имеют галечное или галечно-валунное русло, встречаются порожистые участки и выходы скал в русле (таковы Казачинские пороги на Енисее, значительная часть Ангары). В равнинных областях, в условиях ограниченного развития русловых деформаций, возникающих в пределах структурных и моренных возвышенностей, руслообразующие наносы могут также быть галечными или галечно-валунными.

Соотношение крупности руслообразующих наносов и уклонов рек определяют устойчивость русел, характеризующую в интегральном виде интенсивность русловых деформаций и степень изменчивости русел под воздействием водного потока.

Подвижность наносов (массовость, скорость движения частиц), выраженная соотношением V_н и V, отражает устойчивость русла. При оценке русловых деформаций в качестве показателей устойчивости применяются число Лохтина

                                                                                                                 (2.4)

и коэффициент стабильности русла Н.И. Маккавеева

                                                                                                           (2.5)

где: d_ср – средняя крупность наносов (мм), определяющая величину V_н;

      I – уклон, ‰;

    b_p – ширина русла, м.

Определенные интервалы этих показателей позволяют классифицировать русла рек (их участки) по интегральной характеристике интенсивности русловых переформирований (табл. 2.2), которым соответствуют определенные скорости размыва берегов, смещения крупных грядовых форм руслового рельефа, углубления и обмеления рукавов, спрямления излучин и т.д.

На водных путях при оценке устойчивости русел судоходных рек применяются коэффициент плеса Х.М. Полина [Маккавеев, 1949]

                                         ,                                  (2.6)

где: Q_м – расход воды в течении двух маловодных месяцев в безледный период;

  – производная расхода воды по уровню для межени;

  ΔH – годовая амплитуда уровней;

– производная расхода воды по уровню в пределах ΔH.

а также морфометрический показатель устойчивости русла С.Г. Шатаевой – Н.И. Маккавеева [Шатаева, 1969]

                                                                                                        (2.7)

представляющий собой отношение приращения глубины потока Δh при изменении его ширины b_р в поперечном сечении (его значения также приведены в таблице 2.2).

Он определяется по планам русла в изобатах и характеризует устойчивость отдельных перекатов, а если они образуют перекатный участок, то среднее значение А для них – устойчивость этого участка в целом. Физический смысл обоих показателей основывается на различиях связи расходов воды и уровней на реках с широким неустойчивым и узким относительно устойчивым руслом – непосредственно в (2.6) и косвенно в (2.7).

Использование коэффициента плеса Х.М. Полина ограничено расположением гидропостов на достаточном удалении друг от друга и обычно там, где долина реки сужена, а русло относительно прямолинейное и малодеформируемое.

Выполнив анализ значения K_п для большого числа судоходных рек, Е.К. Рабкова [1979] установила его диапазоны, соответствующие различным типам русла, а Н.А. Ржаницын [1985] получил обратную зависимость от изменения формы живого сечения потока при колебаниях уровня воды.

Таблица 2.2 Классификация русел рек по степени устойчивости и опасности проявлений русловых процессов

Обозначения: C – скорость смещения побочней, осередков; U – скорость размыва/намыва берегов; Uмакс – максимально возможные размывы берегов; T – периодичность развития рукавов разветвленного русла; l – протяженность зоны деформаций; Δz – врезание русл, в т.ч. в нижних бьефах гидроузлов, при разработке карьеров, проведении дноуглубительных и выправительных работ; +Δz ‒ аккумуляция наносов, в т.ч в зонах переменного подпора и выше водохранилищ

Ф.М. Чернышов [1973] использовал К_п для определения максимально возможной глубины рек при обосновании проектов выправления на русел, А.В. Кабанов [1995] – для прогнозной оценки глубин при резком уменьшении объемов землечерпания на реках.

Показатель А (2.7) определяется по планам перекатов судоходных рек. Используя его, С.Г. Шатаева [1969] предложила методику расчета объемов дноуглубления при проведении работ по улучшению условий судоходства.

Ледовый режим оказывает заметное влияние на русловые процессы на реках, текущих на север. Для них характерны ледовые заторы, благодаря которым возникают зоны подпора во время половодья, в пределах которых происходит обмеление перекатов; в широкопойменном русле поток, обходя затор, разрабатывает второстепенные рукава, в которые затем перемещается основное течение реки. При прорыве затора образуется волна, производящая размывы русла ниже по течению.

Плывущий лед разрушает берега. На реках с галечно-валунным руслом, проходя над затопленными прибрежными отмелями или бичевниками, он уплотняет отмостку, превращая ее в «булыжную мостовую», являющуюся фактором стабилизации русла. Поступающий на лед с крутых обвально-осыпных склонов обломочный материал переносится льдом и сгружается им в русло в местах заторов и торошения, образуя камни-одинцы, создающие опасность для судоходства.

Мерзлота в русле образуется там, где оно промерзает до дна или на обсыхающих в межень отмелях, и оказывает на русловые деформации ограничивающее воздействие, цементируя аллювий, который становится подобным скальным горным породам. Если русло галечное, то процессы теплообмена руслового потока и циркуляция грунтовых вод благодаря водопроницаемости грунтов обеспечивают формирование талика под всем руслом, в том числе под отмелями. На песчаных реках мерзлота образуется на большей части русла, за исключением узкой пристрежневой полосы). В результате на Лене в среднем и нижнем течении талик занимает всего 10-15% от общей площади русла [Тананаев, 2007].

Косвенное влияние мерзлоты на русловые процессы проявляется через формирование бассейновой составляющей стока наносов. Половодье на реках криолитозоны (Яна, Индигирка, Оленек, Колыма) проходит в сроки, когда в их бассейнах грунт находятся в промерзшем состоянии, деятельный слой еще не сформировался и талые воды стекают по мерзлоте. Сток наносов в это время относительно мал. Наоборот, в летние паводки сток формируется при наибольшем протаивании грунта в бассейнах, и вода в реках оказывается максимально насыщенный наносами. Вследствие этого в половодье происходит размыв русел, в летние паводки – их обмеление.

Влияние растительности на русловые процессы характеризуют данные, обобщенные в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Воздействие растительности на русловые процессы

Эрозионные процессы на водосборах при массовой распашке земель в лесостепной и особенно степной зонах и вырубке лесов являются источником избыточного поступления наносов в малые и отчасти средние реки, вызывая их обмеление.

Овражная эрозия на берегах рек служат причиной образования конусов выноса («высыпок») оврагов, образование возле них перекатов и местного укрупнения наносов. К таким же последствиям приводят склоновые гравитационные процессы. Крупные оползни и обвалы могут частично перегораживать судоходные реки, отклонять течение к противоположному берегу, вызывая активизацию второстепенных пойменных проток.

Ветер на больших и крупнейших реках вызывает волнение, активизирующее разрушение берегов, способствующее взмучиванию наносов на мелководьях и обмелению благодаря этому перекатов. При поперечном положении вектора преобладающих ветров в формировании русла сказываются нагоны в сторону наветренного берега и образование поперечных перекосов водной поверхности. В результате русло смещается в сторону наветренного берега, тогда как подветренная сторона оказывается мелководной. Этот процесс нарушается, если ветер интенсивно перевевает обсохшие в межень прирусловые песчаные отмели. Ветровой перенос песка приводит к росту отмелей в наветренной части русла и систематической убыли руслообразующих наносов в подветренной, вследствие чего русло смещается в сторону последнего.

Наиболее ярко воздействие ветра на русловые процессы сказывается в устьевых областях рек, где сгоннно-нагонные колебания уровня воды обусловливают периодическое формирование кривых подпора и спада уровней.

2.3. Морфодинамические типы русел
и русловые деформации на судоходных реках

Классификации речных русел

Взаимоуправление потока и русла приводит к определенным комбинациям между характеристиками русла и потока, что создает возможность классификации речных русел, которая опирается не только на внешний облик форм русла, но и на совокупность изменений в процессе их эволюции. Отсюда морфологическая (по внешним признакам) классификация русел является одновременно динамической, в которой каждому морфологическому типу русла соответствует определенная схема русловых деформаций. Классификации такого рода являются морфодинамическими, а составляющие их элементы – морфодинамическими типами русел.

Подавляющее большинство судоходных рек относятся к категории равнинных (уклоны меньше 0,25-0,30‰), и лишь некоторые из них (Бия и Катунь в нижнем течении, Витим, Киренга), протекающие в горных областях, являются полугорными (уклоны больше 0,25-0,30‰). Горные реки из-за больших уклонов, очень высоких скоростей течения и малых глубин для судоходства не используются.

В настоящее время в России наибольшее распространенные получили классификационные схемы, разработанные в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) [Кондратьев и др., 1982] , вошедшие в нормативную литературу по учету русловых процессов при прокладке через реки трубопроводов и ЛЭП, сооружении водозаборов и водовыпусков, разработке карьеров ПГС, и в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова (МГУ) [Чалов, 1979, 2008].

В классификации МГУ заложен принцип независимости русел основных морфодинамических типов и многофакторности русловых процессов. В классификации ГГИ типы русла располагаются в определенной последовательности (рис. 2.4), соответствующей, по мнению авторов, увеличению транспортирующей способности протока в направлении, показанном на рисунке стрелками.

Классификация МГУ – многоуровенная, позволяющая учесть различия в механизме русловых процессов на горных, полугорных и равнинных реках, особенности развития русел в свободных (широкопойменные) и ограниченных (врезанные русла) условиях развития русловых деформаций.

Рис. 2.4. Классификация русел рек ГГИ [Кондратьев и др., 1982].

Направление стрелок соответствует изменению транспортирующей

способности потока

Каждый из морфодинамических типов русла подразделяется на несколько разновидностей, отличающихся по форме русла и характеру русловых деформаций, направленности, темпам и условиям, при которых они осуществляются. В итоге морфодинамическая классификация представляет собой систему блоков (рис. 2.5), каждый из которых соответствует уровню развития русловых процессов и форм их проявления; русловые процессы предыдущего блока образуют фон, на котором происходят процессы руслоформирования, соответствующие каждому следующему блоку.

Рис. 2.5. Структура классификации речных русел МГУ [Чалов, 2008]

Блок I составляют типы русловых процессов, соответствующие горным, полугорным и равнинным рекам. Блок II включает «геоморфологические» типы русел – широкопойменные, адаптированные и врезанные. Формированию врезанных русел, как правило, соответствует дефицит наносов, энергия потока затрачивается на размыв дна; дефицит наносов не способствует развитию грядовых форм руслового рельефа и, следовательно, уменьшает возможности проявления горизонтальных деформаций.

При отсутствии дефицита наносов (W ~ W_тр) или избытке наносов
(W > W_тр) в русле образуются разнообразные грядовые формы рельефа (побочни, осередки), которые способствуют его блужданию и формированию широкопойменного русла.

В относительно узких долинах при разливе воды по пойме доля расхода воды, протекающей в русле, остается большей или равной пойменной части, а его удельная величина q_уд = Q_макс/b_p = 0,9-0,5 (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Соотношения максимальных расходов воды Q_макс в русле
и на затопленной пойме при разных геоморфологических типах русла

Расходы воды	Широкопойменное	Адаптированное	Врезанное
Qмакс, в том числе Qрусло Qпойма	100% <<50% >>50%	100% >50% <50%	100% 90-100% 0-10%
	<0,5	0,5-0,9	0,9-1,0

В широкопойменных руслах в многоводную фазу режима остается меньшая доля расхода, а q_уд < 0,5 м; во врезанных руслах расход воды полностью сосредоточен в русле во все фазы водного режима. В результате возникают различия в транспортирующей способности потока, что создает специфику русел каждого морфодинамического типа.

Блок III представлен собственно морфодинамическими типами русла: излучинами (меандрирование), разветвлениями (русловая многорукавность), относительно прямолинейным, неразветвленным руслом и их разновидностями (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Морфодинамические типы русел судоходных рек

и их разновидности (блок III на рис. 2.5)

Наиболее полно они представлены на равнинных реках с широкопойменным руслом. Адаптированные и врезанные русла имеют меньший набор разновидностей каждого морфодинамического типа, поскольку в этих условиях многие из них не имеют условий для своего развития. Среди широкопойменных русел выделяются не только свободные, но и адаптированные и вынужденные излучины, которые в виде одиночных форм встречаются там, где меандрирующее русло подходит к коренному берегу реки (или отклоняется от него).

Адаптированным является также широкопойменное прямолинейное русло, проходящее вдоль коренного берега. В аналогичной ситуации оказываются также многие разновидности разветвленных русел, но у них адаптированное русло может иметь только один рукав, тогда как другой находится между поймой и пойменным островом. Однако наличие коренного берега оказывает существенное влияние на переформирования всего разветвления.

Блок IV классификации включает формы русла, осложняющие излучины, разветвления или относительно прямолинейное неразветвленное русло и составляющие, таким образом, образования второго и третьего порядков. Чем меньше устойчивость русла, больше сток наносов и количество руслоформирующих расходов Q_ф, тем вероятнее образование иерархии вложенных друг в друга форм русла, в том числе развивающихся в разные фазы гидрологического режима.

Блок V классификации составляют формы руслового рельефа и русловые деформации, связанные с грядовым движением наносов, или скульптурные, обусловленные неровностями коренного ложа реки.

Дополнительные блоки классифицируют русла по показателям, которые определяют особенности развития каждого морфодинамического типа русла: по степени устойчивости русла, составу руслообразующих наносов, направленности вертикальных русловых деформаций – врезания или направленной аккумуляции наносов, по трансформации русел техногенными и другими видами антропогенных воздействий.

Несмотря на достаточную детальность классификации и большое число разновидностей каждого типа русла в ряде случаев визуальное определение его затруднено. Действительно, относительно прямолинейное русло имеет в плане форму слабовогнутой дуги или состоит из следующих друг за другом очень пологих изгибов; в прямолинейном русле могут встречаться острова, не изменяющие общей конфигурации русла и т.д.

Чтобы оценить, является русло относительно прямолинейным или извилистым (меандрирующим), В.В. Иванов [1989] предложил использовать степень развитости излучин l/L (l – длина, L – шаг изгиба) и показатель асимметрии поперечного сечения русла в вершине изгиба русла К_ас
(рис. 2.7,А).

При возникновении структуры потока, характерной для меандрирующего русла, динамическая ось потока и линия максимальных глубин смещаются к вогнутому берегу, что приводит к асимметрии поперечного сечения и формированию изгиба русла, прямолинейное русло становится извилистым, а дальнейшее изменение l/L сопровождается увеличением коэффициета асимметрии поперечного сечения русла.

Анализ зависимости К_ас = f(l/L) (рис. 2.7,Б) показал, что при изгибе с соотношением l/L > 1,10 даже небольшое увеличение показателя извилистости сопровождается ростом коэффициента асимметрии.

При l/L < 1,10 K_ac имеет случайный характер или отсутствует. Таким образом, значение l/L = 1,10 можно считать пороговым для возникновения процесса меандрирования и перехода от прямолинейного русла к извилистому.

Рис. 2.7. Зависимость коэффициента асимметрии поперечного сечения русла К_ас от степени развитости излучины l/L (А) и способы его определения К_ас=b/a (Б) [Иванов, 1989]

Оценка значимости узла разветвления в формировании типа русла (разветвленное или прямолинейное, с разветвлением второго порядка) производится аналогично разделению относительно прямолинейных неразветвленных и меандрирующих русел. Циркуляционные течения возле острова и изгиб динамической оси потока в рукавах приводит к возникновению асимметрии поперечного сечения их русел K _ас.рук.

Для характеристики разветвления принят безразмерный линейный параметр В_о/b_p, где В_о – ширина островов, b_p – ширина русла на смежном неразветвленном участке выше острова. Резкое нарастание K _ас.рук происходит при относительной ширине острова В_о/b_p = 0,35-0,40 (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Зависимость между соотношением длины островов и ширины русла L_o/b_p и коэффициентом асимметрии К_ас поперечного сечения русел рукавов [Иванов, 1989]

Рукава возле одиночного острова, имеющего B_о<0,35-0,4b_р, не образуют изгиба, в котором создается соответствующая ему структура потока; в этом случае разветвление представляет собой форму второго порядка в прямолинейном русле. При превышении В_о/b_p >0,35-0,40 формирующееся разветвление получает динамическую устойчивость, ей соответствуют определенные структура потока, расположение зон размыва русла и аккумуляции наносов. В таком случае разветвление образует тип русла.

Образование островов как элементов разветвлений второго порядка в прямолинейном русле – одна из возможных разновидностей сложной системы (иерархии) вложенных друг в друга русловых форм, развитие которых происходит в разные фазы гидрологического режима (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Иерархия форм русла на излучинах (А) и в разветвлениях (Б).

I, II, III – порядки русловых форм; а, б, в – сочетания русловых форм разных порядков

В зависимости от количества Q_ф на широкопойменных реках со слабоустойчивым руслом при достаточно большом стоке руслообразующих наносов возникают формы русла 2-го и 3-го порядков, обусловливая усложнение как морфологии русла, так и режима его переформирований. На реках со свободно меандрирующим руслом при прохождении Q_ф только одного интервала возникают излучины наиболее простой формы, при которой динамическая ось потока повторяет очертания излучины. Если на реке проходят Q_ф двух или трех интервалов, то возникают сложные излучины, состоящие из нескольких смежных излучин с меньшим шагом и радиусом кривизны, в свою очередь, осложненные извилинами динамической оси потока, огибающими побочни перекатов.

В разветвленном русле рукава могут разделяться островами меньших размеров на относительно короткие рукава; каждый рукав 2-го порядка – на еще более короткие рукава небольшим островом, образующим разветвление 3-го порядка. В разветвлении второго порядка остров имеет ширину B_оII>0,25-0,4b_рук; в разветвлении русла, имеющего третий порядок –
B_оIII > b_рукIII (здесь индексы: о – остров, рук – рукав). Таким образом, возникает иерархия разветвлений, каждый порядок которой соответствует определенному руслоформирующему расходу. Наиболее сложно построенные разветвления характерны для рек, у которых наблюдаются Q_ф трех интервалов.

Рукава при достаточно большой длине могут образовывать серии излучин. При наличии побочней перекатов, расположенных в шахматном порядке, возникает закономерная последовательность излучин рукавов разветвленного русла: излучины рукавов → извилины динамической оси потока.

В относительно прямолинейном русле в зависимости от соотношения параметров русла и островов разветвленность имеет 2-й или 3-й порядок, либо 2-й порядок, осложненный разветвлением 3-го порядка. Остров, образующий разветвление 3-го порядка, будет иметь B_оIII < 0,08b_р, второго порядка – B_оII < 0,2b_р.

Во врезанном русле набор его форм (иерархия) минимальна, могут иметь нерусловой генезис, будучи предопределенными геологической структурой. Однако формы русел 2-го или 3-го порядков, встречающиеся во врезанном русле, нередко имеют аккумулятивное происхождение, представляя собой небольшие острова, пологие адаптированные излучины и т.д.

Мы поможем в написании ваших работ!