Относительно прямолинейные неразветвленные русла

Относительно прямолинейные, неразветвленные русла не имеют широкого распространения. Это объясняется неустойчивостью прямолинейного движения потока, который под действием внешних по отношению к потоку сил или случайных причин (неровности береговой линии, препятствия на дне потока, гряды в русле) либо изгибается, либо разделяется на несколько динамических осей. Согласно исследованиям В.И. Замышляева [1982] под влиянием силы трения, направленной поперек русла, и реакции дна, направленной по нормали к берегу, поток искривляется, образуя серию изгибов, с возникновением которых появляется центробежная сила. Им же разработана математическая модель, расчет по которой приводит к получению первоначально прямолинейным потоком извилистой формы.

Условиями динамической устойчивости прямолинейной формы русла являются:

1. Ограниченность развития русловых деформаций в районах распространения скальных пород, где реки заложены вдоль линейно вытянутых разломов, зон трещиноватости горных пород, границ крупных геологических структур. Неразмываемость коренных берегов обусловливает сохранение прямолинейности русел на большом протяжении рек вне зависимости от развитости грядовых форм руслового рельефа, в т.ч. обсыхающих в межень. Поэтому доля прямолинейных врезанных русел заметно больше, чем широкопойменных.

2. Малый сток руслообразующих наносов. В этом случае формы руслового рельефа, связанные с грядовым движением наносов, или отсутствуют, или их структура редуцирована, ограничиваясь только микроформами. Из-за небольшого стока влекомых наносов формы рельефа русла имеют небольшую высоту и не образуют крупных гряд – побочней, осередков, обсыхающих в межень. Поэтому они не покрываются растительностью и не могут составить основу для закрепления изгиба или разделения динамической оси потока в форме русла.

3. Наличие коренного незатопляемого берега и односторонней поймы. При расположении русла вдоль коренного берега в многоводную фазу режима в сторону затопленной поймы устанавливается поперечный уклон водной поверхности, русло возле коренного берега размывается, а вдоль поймы происходит аккумуляция наносов, усиливающаяся за счет уменьшения скоростей в зоне взаимодействия руслового и пойменного потоков (рис. 2.10,А). В результате русло смещается в сторону коренного берега.

Но это условие выполняется при относительной выровненности в плане линии коренного берега. Мысы и выступы, оказывая на поток направляющее воздействие, способствуют формированию его изгиба или острова ниже по течению. К тому же приводят крупные оползни, обвалы, конуса выносов из притоков и оврагов.

4. Большая подвижность побочней или осередков в русле с двусторонней поймой. Благодаря этому они не успевают закрепиться растительностью и, смещаясь со скоростями десятки-сотни метров в год, вызывают миграцию зон размыва противоположных берегов (рис. 2.10,Б).

В пойменных берегах прямолинейные неразветвленные русла встречаются значительно реже, чем при наличии коренного берега. В прямолинейном русле формируется перекатный участок с шахматным расположением побочней, последовательным перемещением линии наибольших глубин от одного берега к другому, извилистостью динамической оси меженного потока и образованием зон размыва берегов, противолежащих побочням.

При закреплении растительностью побочней происходит зарождение излучин. Если за время смещения побочня на всю свою длину, он не закрепляется растительностью и первичный изгиб русла не успевает возникнуть, русло сохраняет прямолинейную форму. При большей устойчивости русла и, соответственно, меньшей подвижности побочней, они покрываются растительностью, препятствующей их размыву в половодье, повышающей шероховатость подстилающей поверхности и способствующей аккумуляции на ней илистого материала.

Рис. 2.10. Формирование широкопойменного прямолинейного неразветвленного русла:

А – при расположении вдоль коренного берега, Б – при большой подвижности побочней (I, II – сопоставленные планы русла).
1 – коренной берег; 2 – пойма; 3 – побочни; 4 – подмываемые берега; 5 – зоны размыва; 6 – направление циркуляционных течений.
                          а-б – линия поперечного профиля

 

Существует несколько разновидностей относительно прямолинейных, неразветвленных русел: 1) широкопойменные (В_п > 2-3b_p), соответствующие условиям свободного развития русловых деформаций; 2) врезанные (В_п < b_p или пойма отсутствует), формирующимися в условиях ограниченного развития русловых деформаций; 3) адаптированными (b_p < В_п < 2-3b_p). Адаптированным может быть широкопойменное прямолинейное русло, проходящее возле коренного берега, относительно выровненного в плане.

Для таких русел характерно направленное их смещение за многолетний (или вековой) период в сторону коренного берега благодаря возникновению специфической поперечной циркуляции. Прямолинейные участки с двусторонней поймой обычно быстро трансформируются в извилистые или разветвленные. Во врезанном русле формирование излучин ограничено трудноразмываемыми берегами, а формирование разветвлений, ‒ дефицитом наносов.

Широкопойменные прямолинейные русла имеют две разновидности, отличающиеся по своему генезису. К первой относятся русла, сформировавшиеся с самого начала как прямолинейные и длительное время сохраняющие свои плановые очертания. В.В. Иванов [1989] предложил называть такие русла «нетрансформирующимися», подчеркивая пространственно-временную устойчивость их конфигурации. Вторая разновидность включает прямолинейные русла, образовавшиеся в результате спрямления излучин или переформирований разветвлений. Они относятся к динамически неустойчивым (трансформирующимся), так как они представляют собой временный этап в процессе меандрирования или развития разветвлений.

При изменении руслоформирующих факторов (например, при прорыве излучин вдоль коренного берега русло приобретает динамическую устойчивость) трансформирующиеся русла могут превратиться в нетрансформирующиеся (рис. 2.11).

 

Рис. 2.11. Прямолинейное неразветвленное русло верхней Оби, образовавшееся при спрямлении свободных излучин: 1 – коренной берег; 2 – пойма; 3 – пойменные гривы; 4 – старичные озера; 5 – ложбины, соответствующие бывшим положениям русла                                 (староречьям)

 

Каждая разновидность прямолинейного русла имеет свои гидролого-морфометрических зависимости, связывающие характеристики русла с руслоформирующими или среднемаксимальными расходами воды
(табл. 2.5).

Трансформация прямолинейных русел в русла другого морфодинамического типа представляет собой одну из разновидностей их деформаций.

Они являются следствием изменения стока наносов, влияния на поток неровностей ведущего коренного берега и других причин, обусловливающих нарушение динамической устойчивости прямолинейного русла, и приобретают закономерный характер из-за возникающего несоответствия между структурой потока и формой русла.

Таблица 2.5

Гидролого-морфометрические зависимости для разновидностей
прямолинейных русел (параметры уравнения регрессии вида Q = αx^β)

Типы и разновидности русла	Расходы воды	Параметры уравнения регрессии	Характеристики русла x
			ширина bp	глубина H
Врезанное	Qср.макс.	α	4,95	0,566
		β	0,510	0,305
Широкопойменное с двусторонней поймой
Нетрансформирующиеся	Qф	α	7,83	0,596
		β	0,510	0,288
Трансформирующиеся	Qф	α	6,78	0,345
		β	0,518	0,375
Широкопойменные с односторонней поймой
Нетрансформирующиеся	Qф	α	6,71	0,650
		β	0,517	0,293
Трансформирующиеся	Qф	α	6,58	0,650
		β	0,506	0,300

 

Другие разновидности деформаций прямолинейных неразветвленных русел, не приводящие к изменению типа русла, имеют направленный или периодический характер, либо проявляются на уровне форм транспорта влекомых наносов. Во врезанных прямолинейных руслах интенсивность горизонтальных деформаций повышается по мере снижения противоэрозионной устойчивости пород, слагающих берега. Но трансформация их в русло другого типа не происходит из-за высокой транспортирующей способности потока, дефицита руслообразующих наносов, образования отмостки и ряда других причин.

Направленные горизонтальные деформации врезанных прямолинейных русел проявляются в параллельном смещении русел относительно своей оси с сохранением формы в плане. Причины такого смещения разнообразны – от гидравлических предпосылок (при наличии односторонней поперечной циркуляции потока) до действия факторов, выступающих по отношению к потоку как внешние: сила Кориолиса, тектонический перекос территории бассейна, ветроволновой режим и ряд других. Сила Кориолиса действует постоянно на протяжении геологических эпох; ветровой режим – при данном метеорологическом режиме. В любом случае это воздействие находит свое отражение и распределении глубин в самом русле: поперечный профиль приобретает отчетливо выраженную асимметрию.

Наиболее распространенным видом деформаций широкопойменных динамически устойчивых (нетрансформирующихся) русел является их направленное смещение в сторону коренного берега. Поперечный уклон водной поверхности в сторону затопленной поймы (по наблюдениям на Иртыше и на Волге) на пике половодья – сравнивается с продольным, достигая 0,10-0,12‰. В результате возле коренного берега формируется глубокий плес, а у пойменного – отмели (рис. 2.12).

 

Рис. 2.12. Рельеф прямолинейного русла при сосредоточении потока вдоль коренного берега.

1 – коренной берег; 2 – пойма; 3 – прирусловые отмели; 4 – плесовые
                             лощины; 5 – стрежень потока

 

Возникающий при этом дефицит наносов в плесовой части русла способствует активизации размыва коренного берега. На разных реках скорости отступания коренных берегов изменяются от 2-3 см/год (на Северной Двине) до 7 м/год (на Тереке) в зависимости от их геологического строения, развития оползневых процессов, провоцируемых подмывом основания уступа потоком и других факторов.

Смещение в относительно прямолинейном русле перекатов с побочнями, расположенными в шахматном порядке, ленточных гряд или осередков и их переформирования представляют собой наиболее явную форму русловых деформаций при этом типе русла. При этом смещается также фронт размыва противоположного берега, а его бывшие местоположение перекрывается надвинувшимся на него вышерасположенным побочнем, находящимся у того же берега (рис. 2.13).

При песчаном строении пойменные берега, противоположные побочням, обрывающиеся к плесовым лощинам, размываются со скоростями до 20 м/год. Скорости смещения побочней и, соответственно, зон размыва достигают 50-250 м/год в зависимости от размеров реки и устойчивости русла. Это свидетельствует об абсолютном преобладании продольного вектора русловых деформации, вследствие чего в каждом сечении потока постоянно меняется его форма и размеры (знак асимметрии, соотношения глубины и ширины и т.д.).

Крайним проявлением переформирований прямолинейного широкопойменного русла является блуждание динамической оси потока как в многолетнем, так и в сезонном плане.

Рис. 2.13. Смещение побочней (1) и зон размыва берегов (2)
в относительно прямолинейном неразветвленном русле р. Вилюя (Ржаницинские перекаты). 3 – положение стрежня потока

 

Примером таких деформаций служат переформирования русла верхней Оби ниже слияния с Чарышом (число Лохтина Л=1,0-1,5). Здесь возникновение извилин потока в прямолинейном русле происходит под влиянием направляющего воздействия неровностей левого коренного берега, образованного 100-метровым уступом Приобского плато, сложенного лессовидными суглинками, расчлененного оврагами и осложненного оползнями. В маловодные годы это воздействие усиливается, побочни разрастаются, вызывая развитие извилин динамической оси потока (и судового хода). Когда их l/L~1,6, происходит спрямление извилины вдоль коренного берега, и весь процесс повторяется (рис. 2.14).

 

Рис. 2.14. Переформирования русла верхней Оби:

1 – 1936 г.; 2 – 1960 г.; 3 – 1970 г.; 4 – 1977 г.; 5 – 1991 г.; 6 – 1994 г. (положение берегов и прирусловых отмелей дано по съемке 1990 г.)

Продолжительность циклов подобных переформирований составляет от 2-3 до 5-10 лет.

 

Меандрирование речных русел

Меандрирующие русла – наиболее распространенный тип речных русел. Среди судоходных рек они абсолютно преобладают на малых и средних реках, но встречаются также на больших и реже на крупнейших. Излучины образуют серии следующих друг за другом форм, сопрягаясь с разветвлениями или прямолинейным неразветвленным руслом, свободные излучины – с адаптированными или вынужденными, но могут быть одиночными образованиями среди разветвлений или прерывать прямолинейный участок.

Для оценки размеров и формы излучин применяются следующие характеристики (рис. 2.15): шаг излучины L – расстояние между точками перегиба русла в местах сопряжения соседних излучин; расстояние от оси пояса меандрирования к вершине излучины характеризует стрела прогиба h_и; r – радиус кривизны излучины, которым описывается кривая геометрической оси русла на большей части ее длины; l – длина излучины, равная длине ее крыльев; безразмерные показатели – степень развитости l/L и коэффициент формы r/h_и.

 

Рис. 2.15. Морфологические элементы и параметры излучин:

А – при плавном переходе от одной излучины к другой; Б – при наличии прямолинейных вставок между смежными излучинами
                        (пояснения обозначений – в тексте)

 

Совокупность значений Σl/L для серий смежных излучин характеризует суммарную извилистость русла в их пределах. Если стрела прогиба больше радиуса кривизны h_и > r, то излучина считается крутой; если h_и < r ‒ пологой. Крутые излучины могут приобретать петлеобразную (омеговидную) форму; при этом наблюдается сближение верхнего и нижнего крыльев в местах перегиба между соседними излучинами и образование шейки излучины. Применяются и другие показатели – угол входа α_вх, угол выхода α_вых, угол разворота излучины α_разв = α_вх + α_вых.

Русловые деформации на излучинах и их эволюция определяются:
1) особенностями скоростного поля потока на изгибах русла; 2) циркуляционными течениями, возникающими на поворотах русла; 3) блужданием динамической оси потока при колебаниях уровня воды в реке; 4) продольным перемещением наносов, главным образом, в форме гряд и поперечным под влиянием циркуляционных течений; 5) условиями обтекания потоком берегов.

На форму, размеры и режим переформирований излучин оказывают влияние водность потока, степень неравномерности стока, устойчивость русла и другие факторы, которые определяют специфику кинематики потока на реках разных размеров и в различных условиях, создающих неодинаковый его гидравлический режим.

Распределение продольных скоростей потока по ширине русла на излучине определяется различной длиной струй, проходящих у вогнутого и выпуклого берегов [Маккавеев, 1955; Проектирование …, 1964]. Поскольку длина пути элементарной струи у вогнутого берега l_вог, у выпуклого l_вып, а радиусы, которыми описаны струи – r_вог и r_вып, получим

                                               ,                                        (2.8)

т.е. длина пути элементарной струи прямо пропорциональна радиусу, которым она описана. Так как падение водной поверхности Δz на протяжении излучины одинаково для всех струй, относительная величина среднего уклона по длине элементарных струй определяется выражением

                                                       ,                                               (2.9)

т.е. величины уклонов обратно пропорциональны радиусу элементарной струи потока и достигают максимальных значений у выпуклых берегов. Если заменить в (2.9) значения уклона скоростями течения, то

                                    или .                         (2.10)

На излучинах, где имеются зоны отрыва потока от берегов, наблюдается распределение скоростей по ширине русла, соответствующее
rV = const или rV² = const, что прямо соответствует квадратичной зависимости скорости потока от уклона (по Шези). В излучинах, где поперечное сечение отличается от прямолинейного, на поле скоростей оказывает влияние распределение глубин по ширине русла. Поэтому в вершине изгиба

                                                 ,                                       (2.11)

где: h_вог и h_вып – глубины у вогнутого и выпуклых берегов.

 

Поэтому в русле, где плесы располагаются у вогнутых берегов, возле последних наблюдаются максимальные скорости течения в меженном потоке. С повышением уровней воды влияние рельефа дна сказывается все слабее на распределении скоростей течения, и максимум последних смещается к выпуклым берегам. Это проявляется в появлении промоин в корневой части побочней возле них или повышенной крупности слагающих их руслообразующих наносов.

Распределение скоростей течения на излучине приводит к образованию в потоке половодья по всей ее длине зон ускорения и замедления течения (рис. 2.16), определяющих последовательность образования вдоль берегов зон эрозии или аккумуляции [Маккавеев, 1955; Проектирование …, 1964].

 

Рис. 2.16. Скоростное поле потока и его воздействие на берега в излучине русла [Маккавеев, 1955]. А – векторы средних скоростей течения; Б – расположение подмываемых берегов: 1 – подмываемый берег; 2) – зоны аккумуляции наносов; 3) плесовые лощины;
4) направление течения в половодье и циркуляционных течений
                                       в придонном слое

В зонах замедления течения происходит аккумуляция наносов, смещающиеся сюда побочни, задерживаются и увеличиваются в размерах, формируют крупные прирусловые отмели; в зонах ускорения течения гряды размываются, формируется плесовая лощина. Один из берегов на всем протяжении между вершинами соседних излучин размывается, противоположные – наращивается. В результате излучина испытывает продольное (т.е. вдоль по длине реки) перемещение.

Неравномерное распределение скоростей течения на излучинах является непосредственной причиной возникновения поперечного уклона поверхности воды.

Исходя из уравнения удельной энергии сечения потока, можно записать следующее соотношение высот водной поверхности у выпуклого Δz_вып и вогнутого Δz_вогберегов

                                           ,                                 (2.12)

в зоне ускорения течения глубина h убывает и уровень воды z понижается с максимумом понижения у выпуклого берега в вершине части излучины. У вогнутого берега в зоне замедления течения в верхнем крыле излучины водная поверхность приподнимается.

Поперечный уклон возникает также в результате действия центробежной силы, развивающейся при движении струй потока по криволинейным траекториям:

                                                       ,                                             (2.13)

где α – корректив скорости;

   r – радиус кривизны русла.

 

Поперечный уклон водной поверхности в сторону выпуклого берега вызывает образование в потоке циркуляционных течений, донные ветви которых отклоняются от поверхностных в сторону выпуклого берега на всем протяжении излучины. Однако замкнутое винтообразное течение (поперечная циркуляция) возникает только в русле, у которого ширина b_p и глубина h находятся в соотношении b_p/h<20, т.е. на малых реках [Потапов, 1936]. При b_p/h > 20 происходит отклонение донных струй, причем угол расхождения поверхностных и донных струй не больше 30^о.

А.И. Лосиевский [1934] на основе лабораторных опытов показал, что единое винтообразное течение, охватывающее весь поток, наблюдается в узком, но относительно глубоком русле. Согласно экспериментам в лотках с размываемым дном [Великанова,1968] на излучинах формируется система плесовых лощин и побочней в соответствии со следующим распределением продольных скоростей: максимум скоростей расположен у выпуклого берега в верхнем крыле излучины, здесь же располагается плесовая лощина; ниже вершины он перемещается к вогнутому берегу, у выпуклого формируется побочень.

Придонные скорости отклоняются от поверхностных к выпуклому берегу (рис. 2.17), поверхностные на всем протяжении изгиба направлены к вогнутому берегу.

 

Рис. 2.17. Распределение скоростей и поперечных составляющих скорости на излучине в опытах с деформируемым дном [Великанова, 1968]: 1 – поверхностные скорости; 2 – донные траектории;
3 – горизонтали, см

 

Это указывает на более значительную, по сравнению с поперечной циркуляцией, роль поступательного движения потока и инерционных сил в распределении скоростей. Вследствие последних и возникновения остаточной циркуляции объясняется образование небольших прямолинейных участков («вставок») между смежными излучинами.

Благодаря циркуляционным течениям наносы отклоняются от вогнутого к выпуклому берегу по всей длине излучины. В верхнем крыле излучины влияние циркуляционных течений на расположение зон преимущественной эрозии и аккумуляции не совпадает с воздействием на развитие излучины скоростного поля потока. В нижнем крыле оба фактора действуют однонаправлено.

Аккумуляция наносов придонными ветвями циркуляционных течений у выпуклого берега в верхнем крыле излучины ослабляет действие продольных скоростей, а при определенных условиях может полностью его нейтрализовать. В результате совместного воздействия скоростных полей и циркуляционных течений излучины, перемещаясь вниз по реке, одновременно смещаются поперек оси пояса меандрирования. Чем больше кривизна излучины, тем больше поперечный уклон в сторону выпуклого берега и, соответственно, интенсивнее циркуляционные течения.

У пологих излучин с большим радиусом кривизны циркуляционные течения развиты слабо, и главным фактором развития излучины является неравномерное поле скорости. По мере искривления излучины все большую роль начинают играть циркуляционные течения. В результате происходит выравнивание продольной и поперечной составляющих скорости переноса наносов, а когда излучина становится крутой – начинают преобладать последние. Благодаря циркуляционным течениям зона аккумуляции наносов на крутой излучине распространяется на весь выпуклый берег.

При большей кривизне излучины русла возникает отрыв потока от берегов. А.Я. Милович [1914] установил критическое для начала отрыва значение относительной кривизны изгиба r/b_p=2,5-3,5. На реках с крутыми излучинами нередко наблюдается отрыв потока от вогнутого берега с образованием возле него водоворотной зоны, в которой происходит аккумуляция наносов, и при большом стоке наносов вогнутость перекрывается отмелями (рис. 2.18,А). Непосредственно ниже вершины, где русло поворачивает иногда почти на 180^о по отношению к верхнему крылу излучины, водоворотная зона формируется у выпуклого берега (рис. 2.18,Б). Смещение динамической оси потока к выпуклому берегу обусловливает его размыв, а сам берег приобретает вид крутого откоса.

 

Рис. 2.18. Отрыв динамической оси потока от вогнутого берега
и ее расположение у выпуклого на крутых излучинах:

А – р. Обь (Таганская излучина); Б – поле скоростей потока в вершине излучины протоки Быстрой р. Иртыша [Ярных, 1978];
1 – траектории движения поплавков по натурным данным;
2 – векторы скоростей потока по лабораторным данным; 3 – границы
                                       водоворотных зон

 

Непосредственной причиной образования излучины являются, во-первых, присущая потоку неустойчивость прямолинейного движения и, во-вторых, энергетическая выгодность извилистой формы русла. Необходимым условием превращения первичного изгиба в излучину русла является закрепление прирусловой отмели (побочня) растительностью. Вероятность превращения извилин динамической оси потока в излучину русла определяется шагом побочня L_поб, его высотой Н_поб, темпами накопления наилка u_ак, скоростью смещения побочней С_поб, а также величиной вогнутости (выбоины) противоположного берега h_выб, возникшего вследствие его размыва при огибании потоком побочня.

Энергетическая выгодность процесса меандрирования определяется увеличением мощности потока на изгибе русла вследствие роста неравномерности поля скорости. По А.Я. Миловичу, увеличение мощности потока на повороте русла, в сравнении с прямолинейным участком, составляет 100%. Если в выражении мощности потока N = ρgQI значения расхода воды Q и уклона I заменить соответственно на их выражения в уравнении неразрывности потока Q =ωV и в формуле Шези-Маннинга

                                 , ,                       (2.14)

т.е. мощность потока пропорциональна кубу скорости потока. Так как в привершинной части излучины скорость потока увеличивается от вогнутого берега к выпуклому, то суммарная мощность потока оказывается существенно больше (в среднем около 50%), чем на перегибе между смежными излучинами. Отсюда, извилистая форма русла гидравлически выгодна, обеспечивая благодаря увеличению мощности потока перемещение не только транзитных наносов, но и поступивших в поток вследствие размыва берегов и дна, формирование плесовой лощины (углубление русла) у вогнутого берега.

Снижение мощности потока в районе сопряжения с выше и ниже расположенными излучинами приводит к образованию мелководного переката. Увеличение на излучине транспортирующей способности потока, согласно К.И. Россинскому и И.А. Кузьмину [1964], пропорционально кубу скорости потока

                                                                                                (2.15)

Однако зарождение самой излучины как формы русла есть следствие специфики транспорта наносов водными потоками в виде крупных гряд – побочней и их закрепление (при обсыхании в меженный период) растительностью. Дальнейшее развитие излучины определяется как циркуляционными течениями, так и особенностями скоростного поля потока на изгибе русла.

Все излучины по очертаниям в плане и особенностям деформаций [Маккавеев, 1971; Маккавеев, Чалов, 1986] разделяются на сегментные петлеобразные, синусоидальные, прорванные, заваленные и сундучные излучины (рис. 2.19).

 

Рис. 2.19. Виды свободных (I), врезанных (II) и адаптированных (III) излучин: а – сегментные; б – петлеобразные; в – синусоидальные;
г – прорванные; д – заваленные; е – сундучные (по Н.И. Маккавееву, [1971])

 

Сегментные излучины (соответствуют ограниченному меандрированию, по ГГИ [Кондратьев и др., 1982]) – наиболее типичная форма меандрирующего русла, образованная дугами круга. Для них характерно преобладание продольного смещения (рис. 2.20).

 

Рис. 2.20. Продольное смещение сегментных излучин р. Десны в нижнем течении: 1 – граница русла в 1962 г.; 2 – размыв русла за период 1962-1985 гг.; 3 – вновь образованные участки поймы на отмелях за тот же период; 4 – граница русла в 1985 г.; 5 – пойма

Синусоидальные излучины характеризуются преобладанием поперечного смещения; они вытянуты в поперечном по отношению к оси пояса меандрирования направлении и имеют протяженные прямолинейные вставки на крыльях.

Прорванные излучины (незавершенное меандрирование, по ГГИ) формируются в широкопойменном русле, имеют спрямляющую протоку между крыльями излучины, являясь результатом завершения эволюции излучин, когда они имеют крутую сегментную форму.

Заваленные излучины формируются при преимущественном смещении вершины излучины вниз или вверх по течению относительно стрелы прогиба; их образование связано с воздействием дополнительных факторов.

Сундучные излучины представляют собой комбинацию вынужденной и адаптированной излучин, разделенных коротким отрезком прямолинейного русла возле коренного берега между нижним крылом одной и верхним крылом другой излучины.

Возникающие под влиянием изгиба потока даже самой незначительной кривизны циркуляционные течения со временем приводят к искривлению излучины, увеличению поперечного перекоса водной поверхности и активизации самих циркуляционных течений. В результате совместного воздействия скоростного поля потока и циркуляционных течений на излучине, последняя, смещаясь вниз по реке, одновременно испытывает поперечное смещение.

Однако разная направленность воздействий скоростного поля и поперечной циркуляции в верхнем крыле излучины, совпадение их только в нижнем крыле, а также значительно меньшая роль поперечной циркуляции в перемещении наносов приводит к тому, что скорости продольного смещения излучин, как правило, больше скоростей поперечного (табл. 2.6).

 

Таблица 2.6

Скорости (м/год) продольного и поперечного смещения излучин
р. Дона [Экспериментальная геоморфология, 1969]

Участок	Продольное смещение		Поперечное смещение
	среднее	максимум	среднее	максимум
среднее течение	7,0	13,7	4,6	1,8
нижнее течение	4,5	13,3	3,5	9,5

 

При внешней схожести формы врезанных, адаптированных и свободных излучин темпы их смещения различаются весьма существенно: если на равнинных широкопойменных реках они составляют метры и часто превышают 10 м/год, то у врезанных излучин они находятся в пределах точности измерений.

Искривление излучин русла приводит к тому, что воздействие на их развитие обоих факторов – скоростного поля потока и циркуляционных течений – со временем изменяется. В нижнем крыле излучины, где оно совпадает, активизируются циркуляционные течения. Вследствие этого продольные смещения излучин в целом интенсифицируются.

В верхнем крыле излучины, наоборот, циркуляционные течения сначала нейтрализуют ускорение течения, а затем начинают доминировать над ним. Это приводит к тому, что размывы выпуклого берега в верхнем крыле излучины последовательно по мере искривления излучины ослабевают, прекращаются и, наконец, сменяются аккумуляцией наносов.

В результате область «намыва» берега постепенно распространяется на всю привершинную часть излучины, охватывая верхнее крыло; сюда же распространяется область размыва вогнутого берега, суммарное (среднее) продольное перемещение излучины ослабевает, тогда как поперечное, за счет размыва вогнутого берега почти по всей его длине, возрастает.

Это приводит к трансформации формы излучины, которая из сегментной превращается в петлеобразную, а при абсолютном преобладании поперечного – в синусоидальную. Это проявляется в прямой зависимости скорости поперечного смещения С_поп от степени развитости излучин l/L, которая отчетливо дифференцируется на две ветви (рис. 2.21,А): верхняя соответствует пологим, развитым крутым сегментным и петлеобразным излучинам, нижняя – крутым сегментным и синусоидальным излучинам.

Для скоростей продольных деформаций С_пр характерна обратная их зависимость от l/L (рис. 2.21,Б), дифференцируясь в соответствии с местными особенностями условий формирования русла.

 

Рис. 2.21. Зависимость скорости смещения излучин р. Оки от их степени развитости l/L: А – поперечного Споп (1 – сегментные и петлеобразные излучины; 2 – синусоидальные и пальцеобразные излучины); Б – продольного Спр на участках русла: 1 – 722-699; 2 – 632-
        618; 3 – 489-475 км от устья [Баровский, Чалов, 2004]

 

Следствием поперечного смещения и искривления излучины является рост ее длины, изменение параметров (радиуса кривизны, шага), увеличение степени развитости l/L, а также изменение формы самой излучины и ее спрямление. По мере искривления излучины увеличиваются ее длина, уклон уменьшается с ростом степени развитости I=f(l/L)^-1, возрастают потери энергии потока (суммарного напора).

Потери напора на излучине, выраженные через гидравлический уклон по формуле А.Я. Миловича

                                                                                            (2.16)

где: h – средняя глубина русла или модифицированной формуле Ж. Буссинеска.

                                                                              (2.17)

(R – гидравлический радиус, С – коэффициент Шези), растут по мере уменьшения радиуса кривизны. Сравнение формул (2.16) и (2.17) обнаруживает в то же время неоднозначное влияние глубины русла на потери напора.

В реальных условиях в ходе развития излучин рост потерь напора компенсируется увеличением мощности потока на излучине. Но на пологих сегментных излучинах рост мощности потока существенно превышает потери напора, т.к. мощность потока пропорциональна кубу скорости (2.17), тогда как потери напора, в соответствии (2.16 и 2.17) – квадрату скорости.

Это обеспечивает увеличение транспортирующей способности потока, способствуя активизации русловых деформаций и размывам берегов на излучинах русла по мере их искривления. Однако по мере искривления излучины возрастают потери энергии потока по длине, и при определенной степени развитости последние оказываются преобладающими, в результате чего гидравлическая выгодность извилистой формы русла утрачивается.

Согласно лабораторным исследованиям А.Я. Миловича [1914], повышение кинетической энергии потока на излучине по отношению к прямолинейному руслу при прочих равных условиях может быть лишь двукратным. Это соответствует предельному значению степени развитости излучины, при достижении которого утрачивается ее гидравлическая выгодность, приближенно устанавливаемая по формуле Н.И. Маккавеева:

                                             ; .                                   (2.18)

Фактически приращение кинетической энергии потока за счет формирования поля скоростей течения на изгибе изменяется от 50% до 80%. Если принять среднюю величину приращения 65%, можно придти к выражению [Чалов и др., 2004]

                                           или                                 (2.19)

Таким образом, при величине l/L~1,4 завершается период развития извилистой формы русла, энергетически выгодной для потока. Соответственно переход формы излучины через эту величину означает возможность спрямления излучины благодаря формированию пойменного протока через ее шпору или, если оно не происходит, начало трансформации сегментной излучины в петлеобразную или синусоидальную (рис. 2.22) с последовательным затуханием деформаций.

 

Рис. 2.22. Схема эволюции формы свободных излучин
в процессе их продольного и поперечного смещения
и изменение положения зон размыва берегов:

1 – смещение сегментных излучин; 2-4 – пути возможной транс-формации крутых излучин (2 – прорванная; 3 – петлеобразная (оме-говидная); 4 – синусоидальная (пальцеобразная). Стрелками показаны пути эволюции, утолщенными линиями – зоны размыва
      берегов; а, б, в – стадии развития излучин разной формы

При трансформации излучины в петлеобразную при преимущественно поперечном ее смещении фронт размыва охватывает практически весь вогнутый берег, включая верхнее крыло.

Вследствие встречного размыва берегов на крыльях излучин, сегментная излучина фактически распадается на три излучины, из которых центральная наследует привершинную часть исходной сегментной, а две другие развиваются на ее крыльях. Благодаря им происходит сближение участков одного и того же берега реки на крыльях исходной излучины; встречный размыв образующегося в шпоре излучины перешейка приводит к спрямлению русла и образованию на месте излучины изогнутого староречья. Однако за счет непосредственного соединения крыльев, т.е. встречного размыва берегов в пределах шейки, оно наблюдается нечасто. Чаще в многоводную фазу режима при затопленной пойме, когда уклон пойменного потока через шейку излучины в несколько раз превышает уклон руслового потока, происходит размыв ее поверхности.

Косвенно степень развитости излучин учитывается в формулах размыва берегов на излучине, предложенных Н.Е. Кондратьевым [1954]. Для произвольного сечения русла величина поперечного смещения русла

                                         ,                               (2.20)

где С_{и –} скорость смещения излучины, м/год, соответствующая отступанию размываемого берега в сечении с максимальной глубиной русла на излучине h_макс;( h_макс) _i ‒ максимальная глубина, м, в рассматриваемой i-м сечении; h₀ – глубина русла на мелководных участках (седловинах перекатов), приуроченных к крыльям излучин; Т – прогнозируемый отрезок времени;
k – коэффициент, зависящий от угла разворота α°.

Учитывая, что глубина русла на излучине растет по мере увеличения степени ее развитости, Н.Е. Кондратьев предложил оценивать величину смещения излучины Δu_поп по формуле

                                                  ,                                        (2.21)

где h_макс – наибольшая глубина русла на излучине, м;

      h_ср – средняя глубина по линии наибольших глубин на излучине (глубины – отсрезочного уровня).

 

Синусоидальные излучины представляют один из вариантов эволюции излучин, формирующихся в глинистых отложениях. Скорости течения, достаточные для размыва таких грунтов, слагающих дно и берега реки, достигаются лишь в вершине излучины. Сопоставление вычисленных максимальных придонных скоростей течения при прохождении руслоформирующих расходов воды на прямолинейных участках с размывающими V_p для глинистых грунтов свидетельствуют о том, что скорости течения в прямолинейном русле, как правило, недостаточны для размыва грунтов дна и берегов.

В вершинах излучин максимальные скорости течения превышают размывающие. Поэтому излучины смещаются почти исключительно в поперечном направлении очень медленно с образованием между вершинами смежных излучин протяженных прямолинейных вставок с относительно стабильными берегами. По мере отступания вогнутого берега и роста кривизны русла в пределах синусоидальной излучины нарушается условие безотрывного обтекания потоком берегов r = 2,5÷3b_p.

Возле вогнутого берега возникает водоворотная зона, в которой происходит отложение наносов; размыв его прекращается, а динамическая ось потока смещается к выпуклому берегу, который частично размывается в вершине излучины. При этом степень развитости может достигать величин l/L = 5,0-6,0. Наличие водоворотной зоны у вогнутого берега и размыв выпуклого обусловливает общее расширение русла в вершине синусоидальных излучин, в пределах которых в разные фазы водного режима блуждает динамическая ось потока.

Эволюция излучин от их зарождения до спрямления заключается в постоянном изменении их форм и направления смещения. Можно выделить шесть основных стадий развития свободных излучин (рис. 2.23), каждая из которых характеризуется определенным соотношением их морфометрических параметров. Сама схема стадийности представляет собой морфодинамическую классификацию излучин.

Начальная (нулевая – 0) стадия формирования излучин русла связана с возникновением извилин динамической оси потока в прямолинейном русле с побочнями, расположенными в шахматном порядке. Противоположные побочням берега размываются; при этом увеличивается кривизна извилин динамической оси потока, которая находит отражение в береговой линии русла, приобретающей извилистые очертания.

По мере отступания берегов побочни становятся более массивными, их пригребневые части покрываются растительностью и постепенно превращаются в участки поймы – основу шпоры излучины. Этот тип образования излучин завершается приспособлением их параметров к водности реки. Наиболее четко выделяются три стадии развития сегментной излучины: а – сегментная пологая, б – сегментная развитая, в – сегментная крутая (соответственно, а, б, в на рис. 2.22).

На стадии сегментной пологой излучины (1,10< l/L <1,40) преобладает продольное смещение с размывом выпуклых берегов в верхних крыльях и вогнутых – в нижних, что определяет ее преимущественное продольное смещение.

Рис. 2.23. Классификация свободных излучин по стадиям
их развития и соответствующие им соотношения морфометрических параметров (по Р.С. Чалову и др. [2004] с добавлениями)

 

На стадии сегментной развитой излучины (1,40 < l/L < 1,70) происходит замедление продольного и усиление поперечного смещения, размывы распространяются на вогнутый берег всей привершинной части). Cмещение излучины происходит как в продольном, так и в поперечном направлениях, причем наблюдается активизация и того, и другого благодаря четко выраженной дифференциации скоростного поля и поперечным перекосам свободной поверхности потока.

На стадии сегментной крутой излучины (1,70 < l/L<2,00) преобладает поперечное смещение излучины над продольным (III), скорости размыва берегов достигают максимальных величин. Излучина, сохраняя продольное смещение, активно искривляется за счет размывов вогнутого берега, фронт размыва смещается вверх по отношению к вершине излучины.

На стадиях сегментной развитой и сегментной крутой излучин возможно образование спрямляющего протока через ее шпору, старое русло отмирает или формируется прорванная излучина (II, III на рис. 2.23; 2а, б на рис. 2.22), для которой характерно одновременное развитие нового, спрямляющую излучину, и сохранение старого изогнутого русла. Максимум вероятности такого спрямления излучин приходится на значения степени развитости, близкие к l/L=1,6, когда излучина приобретает форму «полуокружности», а r/h_и=1,0. Критическое значение l/L есть отношение длины излучины к диаметру окружности с радиусом, равным радиусу кривизны излучины, т.е. π/2 = 3,14/2 = 1,57.

Для образования прорванных излучин требуются, кроме необходимых гидрологических предпосылок, благоприятные ландшафтные и литологические условия: слабая залесенность или луговой характер поймы, легкоразмываемый состав пойменного аллювия и т.д. Поэтому окончательное спрямление излучины происходит чаще уже на стадии крутой сегментной излучины при степени развитости l/L = 1,70-2,00.

Если спрямление развитой или крутой сегментной излучины не происходит, ее развитие продолжается, заключаясь в трансформации в излучину более сложной формы. На IV стадии излучина приобретает петлеобразную или синусоидальную форму (3а, б на рис. 2.22). Завершающим этапом развития петлеобразных излучин является их спрямление путем размыва потоком шейки за счет сближения крыльев при встречном размыве берегов на них. Это происходит чаще всего на крутой их стадии (l/L > 3,50). Среднее значение степени развитости l/L стариц (бывших русел) на меандрирующих реках составляет около 4,5. После спрямления новое русло интенсивно развивается, приобретает параметры (ширину, глубину), соответствующие гидравлическим характеристикам проходящего по нему потока.

Спрямление синусоидальных излучин происходит во время прохождения экстремальных половодий (паводков), причем спрямляющий поток может сформироваться в любом месте шпоры излучины (4а на рис. 2.22), где оказался нарушенным дерновый покров на пойме. Иногда на прямолинейных крыльях излучин возникают излучины второго порядка, вершины которых обращены в сторону шпоры синусоидальной излучины (4б). Их развитие приводит к пережиму шейки и спрямлению русла.

Параметры излучин широкопойменных русел (шаг L и радиус кривизны r) связаны с характерными расходами воды. Однако размеры излучин, формирующихся в сходных природных условиях и при одинаковых характеристиках стока воды и наносов, различаются зачастую на порядок величины, отражая стохастическую природу меандрирования при относительно неизменных условиях руслоформирования.

В то же время между показателями устойчивости русла и параметрами излучин существует обратная связь – для р. Вычегды, например, они описываются уравнениями: r =7,7 K_c^-0.96; L =16,6 K_c^-0.5; B_м=9,0 K_c^-0.5; h_и=8,5 K_c^-0.75 (параметры излучин выражены в километрах), т.е. с ростом устойчивости русло формирует более крутые излучины: при малой устойчивости русла блуждание динамической оси потока способствует разрушению начинающих формироваться излучин.

Связи параметров излучин r и L с показателями водоносности, полученные на основе массового исследования свободно меандрирующих рек со среднегодовыми расходами воды от 5 до 6500 м³/с, аппроксимируются степенными зависимостями

                                                 и                                       (2.22)

Однако более детальный анализ зависимостей (2.22) позволяет разделить их на три части, каждая из которых соответствует малым, средним и большим, а также крупнейшим рекам [Чалов и др., 2004]. При этом к малым отнесены реки со среднегодовыми расходами воды менее 150 м³/с, к средним и большим – со среднегодовым расходом воды до 2000 м³/с. Для малых рек зависимости имеют степенной характер, который трансформируется при переходе рек в категорию «средних» в линейную и остается таковой для всех средних и больших рек. На крупнейших реках со среднегодовыми расходами воды, превышающими 2000 м³/с, зависимость параметров излучин от расходов воды не прослеживается (таковы средний Амур и Иртыш в нижнем течении, Обь ниже устья Томи).

Различия в характере связей параметров излучин с показателями водоносности на малых и средних‒больших реках определяются особенностями скоростного поля потока и условиями развития поперечной циркуляции на излучинах рек разных порядков. Эти явления, обусловливающие формирование изгиба русла, по-разному проявляют себя в зависимости от относительной глубины потока.

Графики r, L=f(Q_макс) представляет собой общую линейную зависимость для малых рек, которая постепенно трансформируется в степенную при переходе рек в разряд средних. Для средних и больших рек зависимости (рис. 2.24) аппроксимируются линейными функциями:

                                                   ,                                         (2.23)

в которых a имеет региональный смысл, отражая внутригодовое распределение стока . Коэффициенты a и K связаны между собой а = f(K), определяя зависимость параметров русла от естественной зарегулированности стока.

В разные стадии развития излучин их параметры также закономерно изменяются в зависимости от особенностей гидрологического режима, в частности от показателя внутригодового распределения стока К=Q_ср/Q_макс. При этом коэффициенты в уравнениях для r, L, b_p и h_н закономерно увеличиваются от пологой сегментной к петлеобразной (или синусоидальной) форме излучины.

Вынужденные, адаптированные и вписанные излучины как тип русла развиваются в относительно узких долинах, в которых коренные берега контролируют или ограничивают их развитые в поперечном к оси долины направлении. В виде отдельных форм они встречаются у широкопойменного русла, где оно подходит к коренному берегу и делает изгиб вдоль него, либо отходит от коренного берега под влияниями его неровностей.

 

Рис. 2.24. Зависимость радиуса кривизны свободных излучин r от среднемаксимального расхода воды Qмакс для средних и больших рек: 1 – Чулым; 2 – Вычегда; 3 – Кеть; 4 – Припять; 5 – средний Иртыш; 6 – Белая; 7 – Десна; 8 – Тым; 9 – Северная Двина; 10 – Урал; 11 – Васюган; 12 – Днестр; 13 – Неман; 14 – Конда; 15 – Аган;
16 – Вилюй; 17 – Тромъеган; 18 – Ока; 19 – Сысола; 20 – Яна [Чалов
                                            и др., 2004]

 

Выделяются пять видов излучин адаптированного русла (рис. 2.25):
1) сегментные, касающиеся своими вершинами противоположных коренных берегов (бортов долины); 2) вынужденные – с верхним крылом в пойменных берегах и нижним, располагающимся вдоль коренного трудно размываемого берега; их форма и крутизна определяются углом подхода потока к нему; 3) собственно адаптированные излучины – с верхним крылом у коренного берега и нижним – в пойменных берегах; 4) образованное последовательным сочетанием вынужденных и собственно адаптированных; 5) вписанные – с привершинной частью, вогнутый берег которой является коренным; они формируются возле легкоразмываемых берегов, представленных уступами песчаных террас.

Сегментные излучины в узких долинах, в ходе своего развития достигая своими вершинами коренных берегов оказываются ограниченными в возможностях поперечного смещения (рис. 2.25,А). Поэтому в классификации ГГИ процесс их формирования назван ограниченным меандрированием. Сама форма излучин предполагает их продольное смещение, которое происходит на больших реках со средними скоростями от 3 до 20 м/год без изменения параметров во времени.

Рис. 2.25. Разновидности адаптированных излучин: А – сегментная; Б – вынужденная; В – собственно адаптированная; Г – комбинация
               вынужденной и адаптированной; Д – вписанная

 

Более распространены вынужденные и собственно адаптированные излучины (рис. 2.25,Б,В) и их сочетание (рис. 2.25,Г). Каждая из них является следствием трансформации в ходе эволюции сегментных излучин в узкой долине. Это происходит благодаря переуглублению русла в вершине каждой вынужденной излучины вследствие слива сюда осветленных пойменных вод во время половодья с выклинивающегося возле коренного берега пойменного массива (рис. 2.26).

 

Рис. 2.26. Схема трансформации сегментной адаптированной излучины в вынужденную и последующее ее развитие: 1-4 – контуры русла при последовательном смещении излучины; 5 – прирусловые отмели; 6 – переуглубление русла в вершине излучины; 7 – размыв коренного берега; 8 – коренной берег; 9 – пойма при исходном
                                    положении излучины

 

При обычной глубине плесовых лощин 8-10 м в вершинах таких излучин глубины достигают 20 м и более.

Углубление русла и соответствующее увеличение пропускной способности русла способствует его сужению, которое сопровождается аккумуляцией наносов и формированием прирусловых отмелей вдоль пойменного берега.

Положение вершины стабилизируется, в то время как пойменный берег в верхнем крыле излучины продолжает размываться, и русло оказывается ориентированным по нормали к коренному берегу, а затем и по диагонали вверх по долине; в последнем случае вынужденная излучина становится заваленной.

Со временем в вершине излучины нарушается условие безотрывного обтекания берегов (r > 2,5b_p) с образованием водоворотной зоны у вогнутого берега и смещением динамической оси потока к выпуклому. Нижнее крыло излучины продолжает смещаться, вследствие чего возникает прямолинейная вставка вдоль коренного берега между вершиной вынужденной излучины и местом отхода русла от него. Одновременно по мере увеличения угла подхода потока к коренному берегу подмыв последнего усиливается, и он со временем получает слабо вогнутые очертания, вдоль него формируется плесовая лощина. Образующееся при этом плечо коренного берега оказывает на поток направляющее воздействие, фиксируя место отхода русла от него и стабилизацию нижнего крыла излучины. В результате возникает излучина сундучной формы.

Вписанные излучины (с привершинной частью в коренных берегах) редко образуют морфологически однородные участки (рис. 2.25,Д). Чаще они чередуются с вынужденными и собственно адаптированными излучинами, а в широкопойменном русле – со свободными или участками с другими типами русла. Вписанные излучины характеризуются очень высокими темпами размыва вогнутых песчаных берегов (до 30-50 м/год на больших реках), стабильностью своего положения по длине реки благодаря их направляющему воздействию и преимущественно поперечному смещению. Вогнутые берега являются источниками мощного поступления наносов, которые образуют ниже по течению мелководные перекаты.

Формы, параметры и деформации вынужденных излучин каждой реки определяются: 1) углом встречи реки α° с коренным берегом; 2) конфигурацией и типом русла на вышележащем участке; 3) параметрами смежной формы русла (излучины, разветвления) выше по течению. От угла встречи русла реки с коренным берегом α° зависит степень развитости вынужденных излучин, вероятность и величина подпора, возникающего в потоке при его набегании на коренной берег. В процессе их развития происходит трансформация формы (рис. 2.27).

На стадиях I-III оно происходит по общей схеме с вынужденными излучинами широкопойменного русла и в узкой долине (адаптированное русло). Однако дальнейшая эволюция их различна. У адаптированного стадия III завершается стабилизацией форм русла. Трансформация вынужденных излучин широкопойменного русла на IV и V стадиях осуществляется, главным образом, из-за продолжающегося развития смежных форм русла, особенно – свободных излучин.

Рис. 2.27. Классификация вынужденных излучин широкопойменного русла по стадиям (I-VI) их развития. А – стадии развития и соответствующие им параметры; Б – характерные формы излучин
                                        на каждой стадии

 

                                                      ,                                            (2.24)

где  –

длина русла от начала серии до вершины данной излучины (сумма длин всех излучин).

 

Последние продолжают смещаться, вовлекая в этот процесс верхнее крыло вынужденной излучины, что приводит к превращению последней в заваленную, вплоть поворота потока в вершине под углом α ≈ 180^о.

Спрямление вынужденных излучин широкопойменного русла (стадия VI) может прервать их эволюцию, начиная со стадии III. Обычно это происходит благодаря развитию смежных свободных излучин, развитию спрямляющего протока при прохождении руслоформирующих расходов воды в условиях затопленной поймы или второстепенного рукава среди островов, составляющих шпору излучины (в разветвлено-извилистом русле).

Подпор потока при подходе русла под большим углом к коренному берегу, в т.ч. сливающимися к вершине вынужденной излучины водами с вышерасположенного пойменного массива в многоводную фазу режима, распространяется на верхнее крыло излучины. Вследствие этого здесь может сформироваться одиночное разветвление русла, переформирования которого оказывают существенное влияние на развитие излучины.

Если вынужденная излучина завершает серию свободных излучин, то под влиянием стабилизации и искривления вынужденной излучины при продолжающемся смещении смежных свободных излучин происходит их сжатие. Сближение крыльев вынужденной излучины благодаря стабилизации нижнего крыла у коренного берега при продолжающемся смещении расположенного в пойменных берегах верхнего передается всей цепочке расположенных выше смежных свободных излучин. В результате формируются серии излучин, в которых кривизна увеличивается вниз по течению согласно зависимости:

Специфика развития врезанных излучин обусловлена отсутствием транзитного потока через шпору и сосредоточением потока в русле в многоводную фазу режима. Поэтому они не могут спрямляться шпору, и это может произойти лишь при встречном размыве берегов на их крыльях. Сосредоточение потока в многоводную фазу режима в русле и стеснение его незатапливаемыми берегами приводит к росту скоростей потока и удельных руслоформирующих расходов воды, по сравнению с широкопойменными руслами. Это сказывается в увеличении крупности руслообразующих наносов и размеров самих излучин. Темпы развития врезанных излучин на порядки величин меньше, чем свободных, несмотря на гидравлические предпосылки их активизации.

Конфигурация и размеры врезанных излучин в областях распространения скальных пород предопределены структурно-литологическими особенностями территории. В пластичных породах (глины, мергели), врезанные излучины характеризуются сегментной, реже петлеобразной формой и, как правило, отличаются меньшей кривизной русла и относительно большими размерами по сравнению со свободными излучинами той же реки. Это объясняется тем, что их современные очертания отражают период повышенной водности реки за геологическое время существования врезанных излучин и сосредоточением расхода воды в половодье в пределах русла. Бóльшая удельная величина Q_ф в местах развития врезанных излучин обусловливает относительное увеличение их параметров.

Вне зависимости от типа излучины скоростное поле потока, обусловливающее чередование зон ускорения и замедления течения, циркуляционные течения и их пространственно-временная перестройка приводят к тому, что глубина русла на излучине постоянно изменяется по мере ее развития. В простейшем случае (пологая и развитая сегментные излучины) там, где происходит смена знака кривизны излучин, скорости по ширине русла выравниваются и снижается транспортирующая способность потока, всегда находится перекат (рис. 2.28).

 

Рис. 2.28. Расположение плесовых лощин, перекатов и прирусловых отмелей в пределах смежных излучин: 1 – прирусловые отмели;
2 – плесовые лощины; 3 – динамическая ось потока; 4 – подвалье
                                               переката

 

Гребень переката с наименьшими в пределах излучины глубинами оказывается смещенным вниз относительно створа перегиба русла между смежными излучинами, располагаясь в непосредственной близости от привершинной части нижней излучины. Ниже переката в привершинной части излучины у ее вогнутого берега и затем вдоль нижнего крыла излучины располагается плесовая лощина, глубина которой достигает максимума несколько ниже точки наибольшей кривизны излучины, линия максимальных глубин оказывается сдвинутой относительно геометрической оси русла: в верхнем крыле она проходит вдоль выпуклого берега излучины, выше вершины переваливает на перекате к вогнутому берегу, возле которого сохраняет свое положение на протяжении практически всего нижнего крыла.

Если сравнивать излучины с прямолинейным неразветвленным руслом, то, при прочих равных условиях, средняя и максимальная глубины по оси русла на излучинах больше, чем на прямолинейных участках, причем относительно приращение глубины тем значительнее, чем меньше радиус кривизны русла. Ширина русла, наоборот, обычно уменьшается с увеличением кривизны излучины, т.е. в итоге растет относительная глубина русла h / b_p (табл. 2.7).

Таблица 2.7

Морфометрические характеристики русла
на извилистом участке р. Вычегды

Излучина	Радиус кривизны r, м	Площадь сечения, ω, м2	Ширина русла bp, м	Глубина h, м		h/bp
				макс.	сред.	макс.	сред.
1	1350	174,0	140	2,20	1,24	0,016	0,009
2	300	193,5	100	3,30	1,93	0,033	0,019
3	160	154,7	70	3,50	2,21	0,050	0,031

 

У пологих сегментных излучин (l < 1,4L) наибольшая глубина наблюдается непосредственно ниже их вершин в нижнем крыле возле вогнутого берега, наименьшая – в месте перегиба между смежными излучинами, там, где в русле находится перекат, соединяющий побочни, расположенные у выпуклых берегов. У крутых сегментных излучин плесовая лощина распространяется частично на их верхние крылья. Таким образом, у пологих и развитых сегментных излучин рельеф русла представляет собой систему, состоящую из двух перекатов на перегибах между смежными излучинами, разделенными плесовыми лощинами в их привершинных частях.

По мере развития излучин происходит увеличение отметок (высоты) прирусловых отмелей у выпуклых берегов (Н_поб), их ширины (В_поб) и шага (L_поб) и распространения их на весь выпуклый берег в привершинной части, включая верхнее крыло излучины (табл. 2.8).

 

Таблица 2.8

Осредненные морфометрические характеристики
прирусловых отмелей у выпуклых берегов излучин нижней Вычегды
на разных стадиях их развития

Стадия развития излучины	Характеристики прирусловых отмелей
	Lпоб, м	Впоб, м	Нпоб, м (над проектным уровнем)	Нпоб, м (над проектным уровнем)
сегментная пологая	1983	613	2,0	1,48
сегментная развитая	2180	854	3,4	1,71
сегментная крутая и петлеобразная	3483	958	3,8	1,84

 

На ранней стадии развития излучин формирующиеся ниже вершин излучин отмели низкие и узкие. По мере искривления излучины отмели становятся все более массивными и высокими, приближаясь к средней высоте поймы. На разных реках размеры отмелей неодинаковы в зависимости от их водоносности, величины стока, режима и крупности руслообразующих наносов.

Более сложная и менее закономерная картина в расположении плесовых лощин и перекатов возникает у синусоидальных излучин. Это связано с удлинением их крыльев, имеющих вид прямолинейных вставок, нарушением безотрывности обтекания потоком берегов (r < 2,5÷3b_p) и расположения стрежня потока и линии наибольших глубин вдоль выпуклого берега в вершине излучины.

 

Разветвленные русла

Разветвления на рукава – тип русла, присущий, главным образом, большим и крупнейшим рекам, наиболее сложный в отношении условий судоходства. Одной из причин формирования многорукавного русла является большая водоносность реки, поскольку в этом случае в потоке возникает несколько динамических осей, между которыми происходит накопление наносов. Согласно критерию И.Ф. Карасева [1975]  (здесь l = 2g / C²), в потоке образуются две и более обособленных ветвей течения. Отсюда, чем больше водоносность реки, относительная ее ширина (b_p/h) и мощность потока, тем больше вероятность разветвления ее на рукава и формирование все большего количества островов и рукавов. При этом следует различать осередковую и островную (русловую) разветвленность.

В осередковых разветвлениях разделение русла проявляется на спаде половодья, когда поток отдельными ветвями огибает образовавшуюся гряду, и в межень, определяя рисунок русла и представляя собой отмель посередине реки, возвышающуюся над поверхностью воды. Во время половодья стрежень потока проходит над осередком, разветвленность потока перестает существовать, а осередок как составная часть гряды перемещается.

В отличие от них острова разделяют поток даже при полном их затоплении в многоводную фазу режима, что определяется наличием на них растительности (часто – древесной). Наличие островов определяет русловую (островную) разветвленность русла, сказываясь во все фазы водного режима на кинематике и структуре потока.

Острова, образующиеся при зарастании осередков, являются элементарными, сохраняющими их размеры и вытянутую в плане форму. Они постепенно увеличиваются в размерах вследствие формирования возле них побочней и кос и объединяются между собой, образуя крупные острова. Дальнейшая их эволюция может привести к причленению их к берегам из-за обмеления рукавов либо к объединению островов в крупные островные массивы и значительному удалению друг от друга рукавов.

Превращение осередка в остров закрепляет не только разделение потока на ветви течения, но и положение фронта размыва противоположных ему берегов. В результате образование острова сопровождается расширением русла, что способствует дальнейшему развитию разветвления, общему увеличению его размеров в высоту, в ширину и в длину.

Каждое разветвление русла представлено островом и огибающими его рукавами (рис. 2.29).

 

Рис. 2.29. Морфологические элементы и параметры руслового разветвления (пояснения обозначений – в тексте)

 

Длина острова L_о меньше шага разветвления L_разв, которое начинается от точки разделения динамической оси потока на две ветви и заканчивается в месте их соединения. Ширина пояса разветвления В_пр представляет собой сумму ширин рукавов – левого b_л, правого b_п и ширины острова B_о: В_пр = b_л + B_о + b _п . Каждый из рукавов образует излучину, которая характеризуется теми же параметрами, что и излучины русла: радиусами кривизны рукавов r_п и r_л, стрелами прогиба h_и.п и h_и.л, длинами рукавов l_п и l_л (l_рук). Соответственно, безразмерные параметры l_рук/L_рук и r_рук/h_и.рук ‒ степень развитости и коэффициент формы излучины того или иного рукава.

Так как условия развития рукавов в разветвлении обычно неодинаковы, то параметры их различаются, а ось пояса разветвления делит остров на две неравные части. При равенстве всех характеристик разветвление является симметричным. Неравенство параметров разветвления определяет его несимметричность. Показателем степени симметричности разветвления являются углы, образованные направлением динамической оси потока в каждом из рукавов по отношению к оси пояса разветвления α_л и α_п. Если один из рукавов служит прямым продолжением вышележащего участка русла, α_рук ~ 0. При симметричном разделении потока α_л = α_п.

Между длиной элементарного острова и его шириной устанавливается соотношение

                                                          ,                                                (2.25)

где k – коэффициент, зависящий от размеров осередков на данной реке и направленности (вверх или вниз по течению) смещения оголовка острова.

 

Возникающие в русле элементарные острова имеют каплевидную или веретенообразную форму (рис. 2.30,А,Б) в зависимости от структуры потока в узле разветвления и соотношения стока наносов с его транспортирующей способностью.

 

Рис. 2.30. Формы одиночных русловых разветвлений на реках
Обского бассейна: А – при L_o/B_o ~ 3-4– каплевидная; Б – при
L_o/B_o > 3-4 – веретенообразная; В – при L_o/B_o >> 3-4 – удлиненная
с образованием в рукавах разветвлений или излучин второго порядка; Г – L_o/B_o < 3-4 – веерная. 1 – зоны аккумуляции наносов; 2 – зоны
                      размыва берегов; 3 – коренные берега

 

Дальнейшая эволюция разветвления зависит от вида гидравлических сопротивлений, которые возникают возле острова. Согласно исследованиям В.Р. Бейкера [Baker,1977] и Р.Д. Комара [Komar, 1983], каплевидная форма острова обеспечивает минимум сопротивлений при соотношении L_о/В_о = 3-4. Если это соотношение не выдерживается, то остров либо удлиняется (L_o/B_o > 3-4; преобладает сопротивление трения), либо увеличивается в ширину (L_o/B_o < 3-4; преобладает сопротивление, связанное с формой острова).

При сохранении каплевидной формы рост острова (островного массива) ограничивается достижением таких размеров, при которых соблюдаются зависимости радиуса кривизны рукавов r_рук и шага разветвления L_разв от расхода воды Q в них – r_рук = f(Q_рук) или ширины b_рук их русел –
r_рук = f(b_рук), L_рук = f(b_рук), а также оптимальное соотношение длины рукавов l_рук и шага разветвления L_разв, соответствующего шагу излучины каждого рукава l_рук = 1,6L_разв.

При нарушении этих соотношений происходит отмирание одного из рукавов, и процесс образования разветвления начинается снова: в рукаве, в котором сосредоточился весь расход воды возникают осередки, а на их основе – острова. При L_о/В_о > 3-4 один из рукавов активно развивается, в нем сосредотачивается большая часть расхода воды, тогда как второй рукав, будучи более прямым, остается мелководным и мелким.

При l_рук/L_разв > 1,4 происходит развитие более прямого рукава (рис. 2.30,Г-1), в котором со временем начинается формирование нового острова. Если изогнутый рукав полностью не отмирает и продолжает функционировать, то возникает многорукавное (три-четыре рукава) разветвление, в котором рукава расходятся в узле разветвления и сходятся в узле слияния в виде вееров – веерное разветвление (рис. 2.30, Г-2).

Если L_o/B_o>3-4, острова приобретают сложную форму, а в рукавах, из-за их относительной прямолинейности, формируются разветвления второго порядка, либо они меандируют, образуя две-три следующие друг за другом сегментные излучины (рис. 2.30,В).

По относительной длине, значимости в развитии русла и влиянии на условия судоходства разветвления разделяются на протоки, рукава и ответвления.

Протоки отделяются друг от друга осередками, обсыхающими в межень, и функционируют только в эту фазу водного режима. Режимы устья и истока таких проток тесно связаны, так как даже небольшой подпор в узле слияния передается вплоть до узла разветвления. Протоками также называют протоки возле элементарных островов из-за их соизмеримости с протоками возле осередков, отсутствия собственных наименований и относительной молодости по сравнению с островами больших размеров.

Рукава имеют длину, составляющую величину одного порядка с длиной излучин l_рук ~ l, а шаг разветвления соизмерим с шагом излучин L_разв ~ L.

Острова, разделяющие русло на рукава, обычно представляют собой совокупность объединившихся элементарных островов, заросших проток между ними, превратившихся в пойменные ложбины, и причленившихся к ним побочней и кос. С увеличением длины ослабляется зависимость режима истоков (узла разветвления) от режима устьев (узла слияния) рукавов. При неодинаковой пропускной способности рукавов может создаваться значительная разница уровней по обеим сторонам разделяющего их острова.

Рукава реки обусловливают рассредоточение стока; система рукавов, разделенных островами и островными массивами, образует разветвленное русло – русловую многорукавность. В русловых разветвлениях можно выделить также один или несколько главных (основных) и второстепенные рукава. В главных рукавах проходит большая часть расхода воды; их переформирования определяют характер русловых деформаций всего разветвленного русла.

Ответвления (пойменные протоки) – водотоки очень большой длины (до нескольких десятков или даже сотен километров на реках разного порядка. Их русловой режим не зависит от переформирований основного русла реки, а гидравлический режим их истоков не связан с таковым в устье, где ответвления соединяются с основным руслом. Пойменные протоки расчленят пойму и большие островные массивы на отдельные части, образуя в совокупности пойменную многорукавность.

Они представляют собой соединившиеся бывшие староречья, образовавшиеся при спрямлении излучин или на месте бывших рукавов при причленении островов к пойме. Отшнуровывающиеся от русла рукава иногда не отмирают, если руслоформирующий расход наблюдается при затопленной пойме; вдоль некоторых из них концентрируются пойменные потоки, которые обеспечивают их существование.

Раздвоенные русла представляют собой разновидность разветвлений, при которой река на участке большой протяженности течет двумя почти равноценными рукавами, разделенными обширным островным массивом поймы, расчлененным относительно маловодными поперечными протоками, составляющими пойменную многорукавность. Протяженность участков реки с такими разветвлениями изменяется в пределах от 5-15 км при ширине русла 150-200 м и до сотен километров на крупнейших реках.

Примерами раздвоенного русла являются Большая (правый рукав) и Малая (левый рукав) Обь в нижнем течении Оби, разветвления Аргуни, образованные близкими по водности рукавами, Аксай на Дону, Ахтуба на Волге (доля стока последних по сравнению со стоком главной реки невелика: например, Ахтубы – 1,2% в межень, 3,6% в половодье).

Ответвления, образующие раздвоенное русло, отделяясь от реки, проходят в противоположных частях дна долины, часто принимают и отдают часть стока из нее по пойменным протокам но, имея свой собственный водосбор, наряду с питанием из основной реки, характеризуются отличными от главной реки чертами водного и руслового режимов.

В ряде случаев образование рукавов может быть связано со спрямлением излучин, отторжением кос в ухвостьях островов, с заторами льда, вызывающих образование обходных рукавов и др. Во врезанном русле основу островов составляют выступы на дне массивов более прочных (скальных) пород. Такие острова являются скульптурными, имеющим коренной цоколь, сложенный скальными породами.

Острова в течении геологических отрезков времени при врезании реки выходят из под уровня затопления. Таковы разветвления русел Ангары, средней Лены, Алдана, Сухоны. Скальные выступы в русле, воздействуя на скоростное поле потока, «обрастают» аккумулятивными формами, особенно в ухвостье, где возникают косы, по мере зарастания превращающиеся в участки поймы. Таким образом, возникают скульптурно-аккумулятивные разветвления.

Любой остров обусловливает рассредоточение стока по рукавам, которое зависит от соотношения пропускной способности рукавов и уклонов, а также от углов подхода главного течения реки к острову и слияния рукавов. Доля общего расхода воды, поступающего в рукав (ответвление, пойменную протоку и т.д.), его относительная водоность представляет собой важнейшую характеристику, определяющую как развитие самого рукава, так и его роль в развитии всего разветвления.

Изменения относительной водоности рукава во времени (в многолетнем плане) являются показателем направленности развития рукава, которое проявляется в изменении морфометрических характеристик русла. Увеличение водности свидетельствует об активизации рукава, преобладании в нем размывов, его углублении. Наоборот, уменьшение водности сопровождается обмелением рукава вплоть до его полного отмирания.

Расчет распределения расходов воды при незатопленном острове можно проводить на основе соотношений пропускных способностей русла  и модулей расхода  [Проектирование судовых ходов…, 1964; Маккавеев, 1971]. Суммарный расход воды

                                                                                                    (2.26)

где: Q_ли Q_п – расходы воды, соответственно, в левом (л) и правом (п) в рукавах. Падение водной поверхности по длине рукавов Δz – величина, одинаковая для обоих рукавов.

 

Поскольку уклон определяется выражением , где l_рук – длина рукава, расчетное уравнение принимает вид

                                                                     (2.27)

где ω – средняя площадь поперечного сечения;

  С – коэффициент Шези;

   h – средняя глубина;

K_пс – пропускная способность русла.

 

Если состояние русла по рукавам приблизительно одинаково, то
С_л = С_п и уравнение (2.27) упрощается. Рукава с неравномерным сечением следует разделять на расчетные участки и определять средневзвешенную величину пропускной способности.

От величины угла, составленного направлением течения выше острова и продольной осью рукава, зависит гидравлический напор в створе истока и, следовательно, расход воды. В других случаях рекомендуется вводить редукционный коэффициент

                                                                                                                       

где: l_отн – относительная длина рукава (более короткий рукав принимается за единицу); величина δ зависит от угла, составленного осью рукава и стрежнем потока: при 45^о ‒ δ = 0,93, 75^о ‒ δ = 0,85, 90^о ‒ δ = 0,73.

 

Поскольку с изменением уровней воды пропускная способность русла и угол сопряжения с главным течением у каждого рукава меняются неодинаково, доля расхода воды в них не остается постоянной. Этому способствуют также сезонные деформации рельефа русла, которые обычно неодинаково развиваются в каждом из рукавов. В ряде случаев главное течение реки в половодье переходит в тот рукав, который в межень является сравнительно маловодным; в годы с высокими половодьями или в многоводные периоды лет происходит увеличение водности (и развитие) более прямых рукавов; в годы с низкими половодьями активизируются более длинные и искривленные рукава.

Рассмотренная методика дает возможность определять относительную величину соотношения расходов воды в рукавах, используя набор морфометрических характеристик русла. Ф.М. Чернышов видоизменил формулу (2.27), предложив для простого разветвления русла на два рукава систему из двух уравнений

                          ,                 (2.28)

где: Δz – общее падение уровня свободной поверхности в рукаве;

        F – суммарный модуль сопротивлений того или иного рукава;

     l_рук – длина каждого рукава;

     K_ср – средний между сечениями модуль расхода воды ( );

Q_л и Q_п – расходы воды, соответственно, в левом и правом рукавах.

 

Для разветвления русла на три рукава с общим створом деления потока (рис. 2.31) система уравнений приобретает вид:

                                                 

                                                                                                  (2.29)

                                        

(здесь цифровые индексы означают принадлежность параметра к одному из трех рукавов).

Рис. 2.31. Схема к расчету распределения расхода воды

в разветвлении русла по трем рукавам [по Ф.М. Чернышову, 1973]

 

Для вычисления расхода воды в первом рукаве уравнение (2.29) приводится к квадратичному уравнению

                                                                   (2.30)

где

                                                                                           (2.31)

Поскольку модуль расхода , т.е. равен пропускной способности русла, определение модуля сопротивлений F не вызывает затруднений. Используя необходимое программное обеспечение, расчеты, если известны морфометрические характеристики русла, можно производить при большом числе рукавов, ответвлений, пойменных проток, а для меженного русла – и проток возле осередков.

Методика рассчитана как для условий известного наполнения русла, так и при отсутствии этих данных, а также для случаев, если неизвестны сопротивления при искомом распределении расходов воды по рукавам. С этой целью принятая система уравнений дополняется уравнением, выражающими связь между суммарными модулями сопротивлений рукавов и средними отметками свободной поверхности в этих рукавах:

                                                                               (2.32)

здесь индексы α и β означают начало и конец рукава, соответственно.

Распределение расходов воды по рукавам в значительной степени определяется кинематической структурой потока (скоростным полем потока и циркуляционными течениями) в узлах разделения и слияния рукавов. При B_о <0,4b_p свободная поверхность потока перед островом и на всем протяжении разветвления трансформируется, возникают поперечные перекосы водной поверхности, направленные от острова к берегам и от берегов к острову.

Вместе с тем поток в каждом рукаве, огибая остров, представляет собой излучину, в пределах которой формируется определенное поле скорости. Повышение уровня водной поверхности у оголовка острова и образование его понижений у берегов реки вызывают в придонных слоях потока растекание струй от оси русла к берегам. В результате ниже изгибов береговой линии образуются зоны аккумуляции наносов и формируются отмели, а оголовок острова постепенно размывается (рис. 2.32).

 

Рис. 2.32. Схема расположения зон ускорения (1), замедления (2) течения и направления донных струй потока (3) в симметричном разветвлении русла [Проектирование судовых ходов…, 1964]

 

Если разделение русла несимметрично, возникает общий перекос уровня воды в сторону бокового рукава; у противоположного берега в начале этого рукава возникает депрессия водной поверхности, в которой образуется водоворотная зона.

Иной вид имеет рельеф поверхности воды в районе ухвостья острова. Здесь у берегов отметка водной поверхности несколько выше, чем возле ухвостья. Донные струи поэтому направлены от берегов к ухвостью, обеспечивая транспорт влекомых наносов, наращивание ухвостья и формирование косы.

В реальных условиях структура потока в разветвлениях более сложна. Это связано с их несимметричностью, направляющим воздействием на поток неровностей берегов, смещением побочней, периодически надвигающихся на заход то в один, то в другой рукав, изменением во времени конфигурации самих рукавов и т.д. Еще более сложные условия возникают в разветвлениях, образованных островами веретенообразной формы, перемещающимися регрессивно из-за образования отмелей возле оголовка острова, с рукавами, осложненными вторичной извилистостью или разветвленностью.

Гидравлическая структура потока в узлах его разделения и слияния способствуют привлечению наносов в истоки рукавов. Расход наносов делится по рукавам непропорционально расходу воды в зависимости от угла сопряжения осей главного русла и рукавов доля расхода наносов. Поэтому одни рукава являются «наносоотсасывающими» и, как правило, мелкими, тогда как в другие, наоборот, поступает мало наносов. Чем круче отходит рукав от основного русла и чем шире его исток, тем больше в нем относительный расход наносов, поскольку он привлекает к себе донные слои потока, насыщенные наносами.

Нередко заносятся наносами рукава, составляющие прямое продолжение основного русла, и, наоборот, забирают осветленную воду рукава, отходящие от главного русла под большим углом. Рукава выполняют наносоотсасывающую роль, если один из рукавов имеет большую шероховатость русла и, соответственно меньшую пропускную способность. Снижение скоростей течения вызывает подъем уровня воды в истоке рукава, благодаря чему придонные слои потока отклоняются к истоку противоположного рукава. В результате более «деятельный» рукав, т.е. рукав с большими скоростями течения, захватывает непропорционально большой удельный расход наносов и выполняет наносоотсасывающую роль, постепенно заполняется наносами.

В более коротком рукаве по отношению к другим рукавам разветвления отметка водной поверхности обычно ниже в его истоке. Поэтому короткие рукава в межень забирают основную долю наносов. Большое значение имеет характер сопряжения более короткого рукава с потоком на нижележащем участке реки. Если угол подхода рукава к руслу реки в узле слияния велик, то возникает динамический подпор, который может оказать влияние на структуру потока в его истоке. Вместе с тем прохождение волны половодья (паводка) по короткому рукаву опережает ее прохождение по длинному, вследствие чего в подпоре оказывается последний. Это способствует аккумуляции в нем наносов и преимущественному развитию более короткого рукава.

Разделение потока на рукава, отвлечение части стока во второстепенные рукава и пойменные протоки, и соответствующее снижение водности основных рукавов сопровождается общим снижением транспортирующей способности потока. Действительно, если W_тр= f(Q^m), то при Q_o = Q_л + Q_п (здесь индексы обозначают: «о» ‒ общий расход воды в реке перед разветвлением, «л» и «п» ‒ в левом и правом рукавах) W_o >> W_л + W_п, поскольку показатель степени m > 1 и часто m > 2. Свидетельством этого является наличие перекатов в начале рукавов и отчетливо выраженное снижение расходов наносов по длине от створа разветвления вниз по течению. В целом, чем больше степень разветвленности русла, тем больше перекатов в рукавах и тем они мелководнее.

Однако расчеты транспортирующей способности потока в разветвлениях показали [Алексеевский, С.Чалов, 2009], что W_тр увеличивается в рукавах и ниже узла их слияния по сравнению с неразветвленным руслом выше по течению (рис. 2.33).

 

Рис. 2.33. Изменения транспортирующей способности потока W_тр (А) и диаграммы значений W_тр, кг/с (Б) по длине Алтайского разветвления на р. Енисее [Алексеевский, Чалов, 2004]. 1, 2, 3 – номера
              рукавов от правого берега; 4 – значения W, кг/с

 

Физическое объяснение этому несоответствию кроется в изменении поля скоростей потока на его изгибах, образующихся при обтекании им островов. Возникновение в рукавах возле островов зон ускорения и замедления течения и неравномерного поля скорости, аналогичного таковому на излучинах русла, приводит к местному увеличению мощности потока и его транспортирующей способности. Соответственно, наибольший рост W_тр наблюдается в наиболее изогнутых рукавах, тогда как в относительно прямолинейных она существенно ниже.

Поток ниже узла слияния рукавов всегда имеет большую W_тр, чем выше узла разделения на рукава: сказывается общее увеличение расхода воды при соединении рукавов, т.к. W_тр = f(Q^m).

Рост мощности потока и его транспортирующей способности и разветвлениях русле является реакцией саморегулирующей системы «поток-русло» на рост гидравлических сопротивлений при образовании острова и рассредоточение потока по рукавам. Это обеспечивает динамическую устойчивость самих разветвлений как форм русла и создает условия для перемещения потоком наносов, несмотря на создаваемые формами русла гидравлические сопротивления.

Разветвленные русла характеризуются большим разнообразие форм и сложной морфологией, отличаются сложным режимом деформаций и представляют собой, как правило, серьезные затруднения при использовании рек в качестве водных путей.

Тем не менее, все их многообразие можно свести к нескольким разновидностям, определяющим морфодинамический тип разветвленного русла (рис. 2.34).

Главным признаком типа разветвлений является взаиморасположение островов и рукавов, образующих разветвления по длине реки, особенностям распределения в них стока воды, сопряженность переформирований и т.д. По этому признаку выделяются разветвления: 1) односторонние (рис. 2.34,А), в которых имеется один рукав, сосредотачивающий постоянно большую часть расхода воды – главный; острова или группы островов вытянуты вдоль одного из берегов, отделяясь от него маловодными второстепенными рукавами; главный рукав обычно располагается вдоль коренного берега, тогда как острова формируются возле пойменного.

2) чередующихся односторонние (рис. 2.34,Б), характеризующиеся расположением островов в шахматном порядке при сохранении общей прямолинейности очертаний русла в пойменных бровках; главный рукав образует излучины между островами, в вершинах которых он подходит к береговой пойме; 3) одиночные (рис. 2.34,В,Г), образованные отдельными островами – простые (В) или группами островов – сложные (Г); такие разветвления не связаны в своем развитии друг с другом; их разновидность веерные многорукавные разветвления (рис. 2.34,Д), представленные одним относительно прямым рукавом, соединяющим выше и нижерасположенные участки неразветвленного русла, и двумя-тремя, а иногда и большим количеством рукавов разной водности, образующими излучины, все более крутые по мере удаления от прямого рукава; 4) сопряженные
(рис. 2.34,Е,Ж), составленные вытянутой вдоль реки цепочкой островов – простые (Е) или групп островов – сложные (Ж), возле которых основные рукава, проходящие у противоположных берегов, образуют «восьмерки»; отличием сложных сопряженных разветвлений является перемещение части стока в каждой звене по поперечным межостровным протокам из одного основного рукава в другой, в результате чего меняется их роль в распределении расходов воды; 5) параллельно-рукавные (рис. 2.34,З), которые отличаются развитием вытянутых вдоль реки и образующих сплошную

Рис. 2.34. Разновидности русловых разветвлений на реках России:

А – односторонние (р. Обь, Киреевское разветвление), Б – чередующиеся односторонние (р. Лена, разветвления ниже Кангаласского мыса); В – одиночное простое (р. Вычегда, Тимасовское разветвление); Г – одиночное сложное (р. Бия, Бийское разветвление); Д – веерное (р. Обь, у с. Гоньбы); Е – сопряженное простое (р. Обь, Почтовско‒Белоглинское разветвление); Ж – сложное сопряженное разветвление (р. Лена, разветвление ниже слияния с Вилюем); З – параллельно-рукавное (р. Обь, Фоминское‒Усть-Ануйское разветвление); И – разветвлено-извилистое (р. Обь, Тягловские излучины);
К – пойменно-русловое (р. Обь, Вороновское разветвление); Л – разбросанное (р. Катунь, нижнее течение в предгорьях); М – раздвоен-
        ное русло(р. Волга, Волго-Ахтубинское разветвление)

 

цепочку островов, групп островов или островных массивов, разделяющим субпараллельно расположенные рукава, между которыми распределяется основной сток воды; в тех случаях, когда цепочка островов прерывается, акватория посередине реки между ухвостьем и оголовком соседних островов представляет заполнение наносами мелководье; 6) разветвлено-извилистые (рис. 2.34,И), морфология и деформации которых определяются расположением островов у выпуклых берегов излучин русла, составляя шпоры последних; береговая линия русла изогнутая, привершинные части излучин имеют вогнутые очертания, а в самом потоке формируется гидравлическая структура, присущая извилистому руслу; 7) пойменно-русловые (рис. 2.34,К), отличающиеся от одиночных большими размерами и сложной конфигурацией, автономностью развития рукавов и формированием у них своих типов русла; 8) разбросанные (рис. 2.34,Л), характеризующиеся беспорядочным расположением островов разных размеров и рукавов, по которым рассредотачивается расход воды в реке; при этом выделить основные по водности рукава затруднительно; эти разветвления обычно встречаются при выходе рек из гор на предгорные равнины, во внутригорных котловинах, где происходит резкое изменение продольных уклонов рек; 9) раздвоенные русла (рис. 2.34,М), представленные разделением рек на два самостоятельных потока, проходящие часто в противоположных частях дна долины, имеющие очень большую длину, свой набор морфодинамических типов русла, отличный друг от друга гидрологический и русловой режимы.

Степень разветвленности русла определяется количеством рукавов, по которым рассредотачивается большая часть стока реки. В односторонних разветвлениях и разветвлено-извилистом русле всегда имеется один главный рукав, остальные являются второстепенными, маловодными. Остальные типы разветвлений могут быть двухрукавными (сток перераспределяется между двумя главными рукавами, огибающими остров или группу островов посередине реки) либо многорукавными, где в каждом узле разветвления имеется не менее трех рукавов, близких по водности. Наиболее распространены двухрукавные разветвления; четырех – и более рукавные встречаются редко. Наибольшим количеством рукавов характеризуются разбросанные разветвления.

Количество островов, образующих разветвления характеризуют их морфологическую сложность. Основные рукава в узлах разветвления могут разделяться одним большим островом или группой островов разных размеров, составляющих «архипелаги» посередине реки. По поперечным межостровным протокам осуществляется перемещение водных масс между основными рукавами (рис. 2.34,Г,Ж), приводящее иногда к изменению их относительной водности (и, следовательно, гидролого-морфологических характеристик и роли в русловых переформированиях) от начала узла к его концу.

Полный набор морфодинамических типов разветвленного русла встречается на широкопойменных реках (В_п > 3-4b_p); адаптированные русла (b_p < B_п < 3-4b_p) уже не могут иметь некоторые сложные и многорукавные разновидности разветвлений; у врезанных русел (b_p > B_п) встречаются только чередующиеся односторонние, одиночные, сопряженные и параллельно-рукавные разветвления.

Переформирования разветвленных русел заключаются: в попеременном развитии рукавов возле острова; в отмирании одного из рукавов, причленении острова к берегу и последующем образованием нового острова, возле которого процесс повторяется; в разработке второстепенного рукава (а иногда межостровной или прибрежной протоки), становящегося основным, его развитии и отмирании при новом перераспределении стока и т.д. Периодическая активизация то одного, то другого рукава обеспечивает в многолетнем плане динамическую устойчивость каждого разветвления, существующего на протяжении длительных отрезков времени.

Наиболее устойчивы по времени существования разветвления врезанного русла. Врезание реки приводит к превращению аккумулятивных островов в цокольные, а присущий таким рекам дефицит наносов при малой подвижности галечно-валунных наносов не способствует обмелению того или иного рукава.

Характерная причина развития и обмеления рукавов в одиночных разветвлениях – попеременное надвижение на их истоки перемещающихся побочней; это обусловливает перераспределение стока между рукавами, вследствие чего в одни годы главное течение проходит в левом рукаве, в другие – в правом (рис. 2.35).

На Северной Двине и Оби, где скорость перемещения побочней составляет от 100 до 300 м/год, изменение положения главного течения реки в разветвлениях совершается через 8-10 лет. С особенной регулярностью периодическое перемещение главного течения из одного рукава в другой проявляется в симметричных одиночных разветвлениях.

При асимметричном разветвлении русла наиболее благоприятные условия для развития получает более прямой рукав, являющийся продолжением плеса на вышележащем участке.

Обычно такие рукава углубляются в многоводные годы и несколько мелеют в маловодные, т.е. для них характерна периодичность развития, связанная с чередованием разных по водности лет.

При наличии общего изгиба реки или расположении потока вдоль берега, образующего мыс перед одиночным разветвлением его динамическая ось отклоняется в рукав у противоположного берега

В большинстве случаев возле островов наблюдается изгиб потока, вследствие чего развитие рукавов сопровождается увеличением их кривизны. При определенных условиях (l_рук > 1,4L) гидравлическая выгодность извилистой формы рукава утрачивается, и происходит перераспределение стока воды в более прямой рукав. Если вогнутый рукав не отмирает, продолжая функционировать, в прямом рукаве формируется новый остров; в конечном итоге возникает многорукавное разветвление, которое благодаря расположению рукавов в узле их разделения и слияния получило название «веерного». Продолжительность всего цикла переформирований (образование острова – искривление рукава – его отмирание – формирование нового острова) зависит от устойчивости русла, особенностей гидрологического режима и других факторов.

 

Рис. 2.35. Переформирования одиночного разветвления русла р. Оби у о-ва Борошного под влиянием надвигающихся на него побочней

 

В сопряженных разветвлениях переформирования осуществляются по правилу «восьмерки» [Маккавеев, 1955]. Если более многоводным является левый рукав у верхнего острова, то ниже по течению он направляет значительную часть своего расхода воды в правый рукав у следующего острова и т.д.; при изменении развитости рукавов в верхнем звене происходит последовательное изменение положения основной доли стока в каждом следующем звене. Перераспределение расхода воды в верхнем звене системы происходит под влиянием тех же причин, что и в одиночных разветвлениях, но ниже по течению оно вызывает соответствующие изменения водности рукава последовательно у противоположных берегов возле каждого острова (рис. 2.36).

Продолжительность полного цикла перемещения главного течения из одних рукавов в другие колеблется в пределах от 20 до 80 лет, определяясь положением главного течения реки в верхнем звене «восьмерки» относительно высокого коренного берега, наличием выбоин и мысов ведущих берегов; переформированиями перекатов и смещением побочней возле оголовков островов; местные деформации русла по длине рукавов; особенности геологического строения русла и др.

Рис. 2.36. Переформирования сопряженных разветвлений (средняя Обь, участок Уртам-Кожевниково). Положения трассы судового хода: 1 – в начале ХХ века; 2 – современное

 

Специфические особенности переформирований рукавов в сопряженных разветвлениях возникают на реках с неустойчивым руслом и большом стоке руслообразующих наносов. Интенсивное смещение песчаных гряд приводит к тому, что перераспределение стока во всей системе сопряженных рукавов, вызванное переформированием русла в верхнем звене, совершается с некоторой задержкой во времени в нижележащих звеньях.

То же характерно для рек, протекающих в зоне вечной мерзлоты, промерзание грунтов дна в мелководных рукавах служит стабилизирующим фактором в развитии разветвлений, в т.ч. сопряженных. В результате перемещение главного течения реки из одних рукавов в другие совершается не одновременно по всей системе, а последовательно, охватывая значительный промежуток времени. Это связано с тем, что для перемещения главного течения реки необходимо протаивание грунта, которое происходит очень медленно, или время, необходимое для размыва и выноса наносов из бывшего мелководным рукава.

В сложных сопряженных разветвлениях из-за разделения островных массивов каждого звена межостровными протоками, соединяющими основные рукава, водность рукавов сильно изменяется по длине каждого из них, а в ряде случаев маловодный рукав в начале узла становится наиболее многоводным в его конце и наоборот. Вместе с тем перемещение значительной доли расхода из одного рукава в другой по межостровным протокам способствует тому, что в двух соседних звеньях сопряженной системы главное течение реки сосредоточивается при руслоформирующих расходах возле одного и того же берега. В таких условиях рукава, проходящие у противоположных берегов в каждом звене, принимают близкие морфометрические характеристики. Однако изменение водности основных рукавов по их длине приводит к тому, что один из них является более глубоким в верхней части, а второй – в нижней.

Наибольшей сложностью в режиме переформирований характеризуются параллельно-рукавные разветвления (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Параллельно-рукавные разветвления русел верхней Оби, ниже слияния Бии и Катуни (А), Северной Двины, участок Паячных‒Коптельских перекатов (Б) и р. Лены, участок перекатов Сахам (В).

1 – положения основных ветвей потока; 2 – прирусловые отмели;
                                              3 – пойма

 

Общим фоном для их развития является слабая устойчивость или неустойчивость русла, повышенная доля руслообразующих наносов в общем стоке наносов и возникновение вертикальной границы раздела в широком распластанном русле между двумя ветвями течения в разных (левой и правой) частях русла [Кумсиашвили, 2005].

В результате посередине широкого мелководного русла образуется область плавно изменяющегося течения, простирающаяся на десятки километров вдоль реки. Поперек этой области слабо выражен турбулентный и конвективный перенос импульса количества движения и вещества, вследствие чего здесь происходит аккумуляция наносов и образование песчаных гряд посередине русла – осередков. Это способствует повышению устойчивости вертикальной границы раздела двух самостоятельных потоков в русле. Песчаные гряды-осередки, зарастая и закрепляясь растительностью, превращаются в острова, которые располагаются цепочкой посередине широкого и мелкого русла относительно прямолинейных очертаний.

В многоводные фазы режима (на пике половодья) резко возрастают размеры вторичных течений, а, следовательно, поперечный конвективный перенос количества движения и вещества. В местах наибольшего поперечного переноса происходит частичный размыв гряд посередине реки. В результате начинается перемещение водной массы от одного берега в сторону другого, что создает впечатление переформирований русла в соответствии с развитием сопряженных разветвлений. Однако уже на спаде половодья вертикальная граница раздела водных масс восстанавливается, и в русле вновь формируется двухрукавная параллельная система.

Водность рукавов параллельно-рукавных разветвлений во все фазы водного режима остается примерно одинаковой, колеблясь в пределах 15-30% по их длине благодаря частичному перемещению части расхода воды по поперечным протокам между островами. Это определяет близкие гидролого-морфологические характеристики рукавов, проходящих у противоположных берегов. Различия заключается только в величинах радиусов кривизны, бóльших у рукавов, в которых проходит главное течение реки при руслоформирующих расходах воды верхнего интервала, и меньших у рукавов, развивающихся на спаде паводка и при высокой межени (средний или нижний интервалы Q_ф). При этом в каждом из рукавов там, где динамическая ось потока отклоняется от ведущего берега к середине русла, вершины излучин обоих рукавов сближаются, а цепочка островов сужается, а иногда даже прерывается, и оба рукава образуют единую акваторию. Однако и в этом случае смешения вод обоих рукавов не происходит.

На Оби формирование русла этого типа происходит на фоне взаимодействия в едином русле потоков сливающихся рек – Бии и Катуни. Особенно отчетливо граница раздела между их водными массами видна визуально в межень, когда мутность обеих рек различается в 10 раз на участке реки длиной 60 км. Границы раздела прослеживается по скачку мутности воды на поперечниках. Возле островов, разделяющих рукава, происходит миграция границы раздела катунского и бийского потоков, положение которой определяется соотношением расходов воды сливающихся рек: при преобладании стока Катуни она смещается в правый рукав, Бии – в левый.

На нижней Лене формирование параллельно-рукавных разветвлений связано с очень большой шириной реки (до 20 км вместе с островами) и преобладанием неустойчивого или слабоустойчивого русла. На Северной Двине развитию параллельно-рукавных разветвлений способствуют особенности геологического строения русла (оно формируется в мощной толще песчаных отложений, подстилаемых трудно размываемой мореной, по кровле которой «скользит» поток), его слабая устойчивость и высокая доля стока влекомых наносов (35% от общего).

Наиболее сложным является Паячное-Коптельское-Рубежское параллельно-рукавное разветвление, формирующееся непосредственно ниже подмываемых правобережных уступов 20-метровой песчаной террасы – Толоконной горы, размывы которой составляют 15-20 м/год при фронте размыва несколько километров, в условиях пересечения под острым углом осей потоков половодья и межени при затопленной пойме и подпора потока во время половодья от сужения дна долины. Развитие правых рукавов происходит в половодье, левых – в летне-осеннюю межень, что соответствует примерно равноценному влиянию Q_ф верхнего и нижнего интервалов на их развитие. Вследствие этого распределение расходов воды по основным рукавам разветвления сохранением неизменным на протяжении всей второй половины ХХ в.

Во врезанном русле параллельно-рукавные разветвления характеризуется тем, что оба рукава разделяются крупными островами, между которыми имеются лишь редкие поперечные протоки. Подобные разветвления встречаются на средней Лене, Мезени и Северной Двине. На Лене ширина реки (вместе с островами) составляет от 3-5 до 9 км, занимая все дно долины. Правый рукав – галечный, имеет скальное ложе, левый – песчаный. Цепочка островов посередине русла является по существу границей раздела двух потоков наносов в широком русле – песчаного и галечно-валунного.

На Ангаре параллельно-рукавные разветвления формируются в условиях ярко выраженного дефицита наносов в скальном русле. Острова на Ангаре являются скульптурными и скульптурно-аккумулятивными. Очевидно, что развитие такого параллельно-рукавного русла связано с врезанием реки в скальное ложе возле берегов, где в поток поступает крупнообломочный материал с берегов и из притоков, оказывающий в процессе перемещения корродирующее воздействие на дно.

Внешнее сходство с параллельно-рукавными имеют односторонние разветвления. Они формируются при расположении русла вдоль ведущего коренного берега. Водность второстепенных прибрежных рукавов колеблется в широких пределах. В низкую межень они иногда полностью пересыхают, но в половодье доля стока возрастает до 20-30%. В многолетнем плане эти рукава иногда активизируются под влиянием формирующихся в основном русле побочней перекатов, отклоняющих поток от коренного берега к пойме, в маловодные годы – из-за усиливающихся воздействий на поток неровностей (выступов и мысов) ведущего берега, в результате образования оползней на его уступе.

Односторонние разветвления характеризуются направленным смещением русла параллельно самому себе, в сторону коренного берега. Причины таких смещений те же, что у прямолинейных неразветвленных русел. В многолетнем плане это сопровождается отмиранием прибрежных рукавов, причленением островов к пойме и формированием в припойменной части новых островов.

Чередующиеся односторонние разветвления формируются в слабоустойчивом русле, располагаясь по степени устойчивости между параллельно-рукавными и сложно сопряженными разветвлениями. Основной рукав, в котором сосредотачивается до 60-80% суммарного расхода воды в реке, огибает отдельные прибрежные острова или группы островов, расположенные в шахматном порядке, последовательно подходя к противоположным берегам реки. Количество островов и разделяющих их второстепенных рукавов колеблется от 1-3 до 10 и более, вследствие чего водность каждой из проток находится в пределах от долей процента до 10-12%.

На перевале потока основного рукава от одного берега к другому обычно находится сложный мелководный участок. Из-за оттока воды во второстепенные рукава каждого разветвления у оголовков островов формируются отмели, частично обсыхающие в межень, в ухвостьях островов формируются косы. Отмели у оголовков островов периодически отторгаются от них или размываются. В результате происходит продольное смещение всех звеньев, составляющих чередующиеся разветвления вниз по течению (подобно сегментным излучинам). На этом общем фоне стрежень потока блуждает среди отмелей и кос, отторгая их от островов и превращая в осередки.

Переформирования разветвлено-извилистых русел связаны с развитием излучин, на фоне которых происходит образование разветвлений. Наличие проток, расчленяющих шпоры, составленные островами, благоприятствуют спрямлению излучин при достижении ими соотношения l~1,4L.

Пойменно-русловые разветвления присущи относительно устойчивым руслам с большим стоком наносов (они встречаются на средней Оби, Томи, Киренге, Амуре, Северной Двине), формируясь там, где русло переходит от одного борта долины к другому как следствие несовпадения осей руслового и пойменного потоков в многоводную фазу режима, а также при слиянии близких по водности рек (Оби и Томи, Амура и Уссури). Нередко они встречаются на меандрирующих реках (Кеть, Чулым, Вычегда, Ока, верхняя Обь выше Барнаула). В этом случае оба рукава меандрируют, образуя излучины меньших размеров в соответствии с их водностью. При этом параметры излучин рукавов составляют единые гидролого-морфологические зависимости типа r = f(Q) c параметрами излучин на неразветвленных участках.

В вершинах крутых излучин рукавов благодаря встречному отступанию их вогнутых берегов или размыву перешейка водами половодья разделяющий их остров расчленяется. Это процесс может проявляться неоднократно, вызывая каждый раз перераспределение стока между меандрирующими рукавами и увеличивая их число (рис. 2.38). Рукава соединены между собой поперечными извилистыми протоками, забирающими до 30% общего расхода воды.

Рукава в пойменно-русловых разветвлениях меандрирующих рек обычно близки по водности, если узел их разделения симметричен.

Рис. 2.38. Переформирования рукавов Рассказихинского пойменно-руслового разветвления на участке извилистого русла верхней Оби

Если к узлу смещается излучина, то преимущественное развитие получает тот рукав, который сопрягается с нижним крылом этой излучины. Перераспределение стока между рукавами может быть вызвано также смещением побочней.

В пойменно-русловых разветвлениях на немеандрирующих реках один рукав обеспечивает «короткий» перевал потока от одного борта долины к другому, следуя наибольшему уклону водной поверхности, возникающему благодаря размыву и углублению русла возле коренного берега при сливе в него вод с выклинивающейся поймы.

Второй рукав образует «длинный» перевал; его развитие поддерживается пойменным потоком, следующим вдоль уклона дна долины. Преимущественное развитие получает в многоводные годы рукав, обеспечивающий длинный перевал потока, в маловодные – короткий. По мере меандрирования более активного рукава происходит его удлинение и перераспределение стока в более короткий рукав с последующим его развитием.

Раздвоенные русла характерны для нижнего течения многих больших и крупнейших рек, динамически устойчивы, сохраняясь морфологически и по своей водоносности в течение исторических и даже геологических отрезков времени.

Отношение среднего значения ширины дна долины на участках реки с раздвоенным руслом к средней ширине неразветвленного русла перед узлом разветвления составляет в среднем 15. Каждый рукав характеризуются своими особенностями переформирований, обусловленных их водностью, особенностями водного режима, перераспределением стока между основными рукавами в разные фазы водного режима и при затопленной пойме между ними. Главным является практически полная независимость руслового режима рукавов.

Русловые разветвления, как и любые другие формы русла, характеризуются устойчивыми соотношениями между морфометрическими и морфологическими параметрами и показателями стока воды, наносов, устойчивости русла и т.д. Объективность выделения разновидностей разветвленных русел поэтому подтверждается их зависимостью от показателей устойчивости русла и связью относительной ширины островов В_о/b_p с удельными среднемаксимальным расходом воды q

                                                    ,                                          (2.33)

в которой значение k и свободного члена Y закономерно возрастают по мере увеличения степени сложности разветвлений и различны на разных реках, т.е. связи имеют региональный смысл.

Полученные закономерные изменения связи (2.33) подтверждают также вывод о том, что увеличение ширины русла и, соответственно, снижение удельного расхода воды сопровождается увеличением разветвленности русла вследствие разделения потока на все большее число динамических осей, между которыми при достаточном стоке наносов происходит формирование осередков и островов.

В.Н. Михайлов [1971] показал, что для стабильных рукавов, не испытывающих направленные деформации (активизацию или обмеление), устанавливается определенные гидролого-морфометрические соотношения:

                      , , ,             (2.34)

где: b_p, h, V и I – стабильные значения, соответственно, ширины, глубины, скорости течения и уклона;

            α и А – показатели степени и коэффициенты, зависящие от принятых параметров формы русла и гидравлических сопротивлений. При этом A_b + A_h + A_V =1, α_b + α_h + α_V = 1.

 

Вместе с тем, поскольку вариации значений уклона по длине участка с однородным морфодинамическим типом русла на несколько порядков меньше изменения величины Q_ф в рукавах, последним уравнением в системе (2.34) можно пренебречь. В стабильных, не испытывающих направленные переформирования разветвлениях, расчетные значения параметров в формулах (2.34) должны совпадать с фактическими для каждого рукава (протоки, ответвления), т.е. b_факт = b_расч, h_факт = h_расч, V_факт = V_расч. Напротив, в развивающихся рукавах b_факт < b_расч, h_факт < h_расч, V_факт < V_расч, в отмирающих (мелеющих) ‒ b_факт > b_расч, h_факт > h_расч, V_факт > V_расч

 

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1484; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!