Многолетние переформирования перекатов
Многолетние переформирования перекатов заключаются: 1) в смещении перекатов или составляющих их гряд (побочней) по длине перекатных участков; 2) в изменениях размеров и положения морфологических элементов при относительной приуроченности к формам русла; 3) в обмелении седловины в одни годы при одном положении морфологических элементов, развитии и углублении корыта в другие годы при ином расположении элементов.
Смещение перекатов в пределах перекатных участков – наиболее яркое проявление многолетнего режима деформаций перекатов. Скорости смещения перекатов обычно составляют от 20-30 до 300-500 м/год в зависимости от устойчивости русла и водоносности реки [Чалов, 1963; Проектирование судовых ходов…, 1964]. Смещаясь к нижнему концу перекатного участка, они либо размываются, если русло сужается, происходит слив в русло с поймы затопивших ее в половодье (паводок) вод, вследствие чего увеличивается транспортирующая способность потока, либо их побочни надвигаются на относительно стабильные перекаты, расположенные на излучинах или в узлах разветвлений русла на рукава.
На фоне общего смещения перекатов или относительно стабильного положения они испытывают периодические переформирования, связанные с надвижением на них более интенсивно смещающихся побочней с вышележащего участка, миграцией в течении ряда лет корыта переката (оно соответствует положению динамической оси потока в межень) от верхнего побочня к нижнему и в обратном направлении, отторжением ухвостья верхнего побочня, деформациями форм самого русла (излучин, разветвлений), в результате чего трансформируется структура потока и т.д.
|
|
|
В результате при смещении перекатов происходят изменения конфигурации русла, размеров побочней, их взаимного расположения, отметок дна русла (и, соответственно, глубины потока) вследствие размывов или аккумуляции наносов на них. На темпы и формы проявления этих деформаций оказывают влияния многолетние колебания стока воды и наносов, переформирования смежных перекатов, техногенные воздействия на русла в целом и на сами перекаты, многие другие факторы.
На смещение перекатов и их побочней на реках обратил внимания еще в конце ХIХ века Н.С. Лелявский [1948], описавший это явление на р. Днепре у г. Александровска (современный Запорожье). Первое полноценное исследование динамики перекатов выполнил Н.И. Маккавеев [1955]. Он установил, что скорости смещения перекатов Сп определяются руслоформирующим расходом воды Qф и устойчивостью русла Л (число Лохтина):
(2.49)
|
|
|
Г.И. Шамов [1959] трансформировал формулу Н.И. Маккавеева (2.49), заменив число Лохтина 
(здесь Н – километрическое падение, м/км; d – средний диаметр частиц наносов, мм) составляющими его элементами, километрическое падение безразмерным выражением уклона I, a Qф – средним максимальным расходом воды
(2.50)
К.В. Гришанин [1974] считал подвижность побочней перекатов функцией стока, характеристик наносов и гидравлических особенностей потока. Решая уравнения динамики русловых потоков совместно с уравнением деформации в виде 
(здесь х – продольная координата; W = sQ – объемный расход наносов; s – средняя объемная концентрация влекомых и взвешенных руслообразующих наносов; Q – расход воды; z = H ‒ h – отметка дна; Н – высота уровня водной поверхности; h – средняя глубина; bp – ширина русла; Σ ‒ пористость грунта русловых отложений), он получил два выражения для скорости смещения побочней (в м/с):
и 
(2.51)
где: m – показатель степени в формуле расхода наносов ( W~ Qm);
Vпол – скорость течения в половодье.
|
|
|
Сопоставляя результаты расчета с фактическими данными, К.В. Гришанин пересчитал последние, выраженные в м/год, на среднегодовую скорость смещения в м/сут, а затем – на продолжительность (в секундах) половодья (паводка), во время прохождения которого происходит смещение побочней. Приведенные им результаты показывают хорошую сходимость натурных и расчетных данных.
На Вычегде и Северной Двине средние скорости смещения перекатов соответственно равны 90-100 и 150-200 м/год: на Северной Двине Л < 2,8, на Вычегде Л колеблется от 3,4 до 5,6. В верхнем течении Оби, где устойчивость русла близка к северодвинской, скорости перемещения перекатов достигают 300 м/год. В этом случае сказывается различие в гидрологическом режиме: на Северной Двине – короткое высокое половодье и продолжительная межень; на Оби – растянутое половодье и короткая межень. На нижней Лене скорость перемещения перекатов составляет 200-300 м/год, и только в относительно маловодных рукавах (20% от общего расхода) – до 100 м/год и менее.
Перемещающиеся перекаты характерны для неразветвленных, относительно прямолинейных или слабоизвилистых русел. На таких участках они встречаются группами, и их побочни расположены в шахматном порядке. Побочни, смещаясь вниз по участку с пологими излучинами, увеличивают размеры в нижних крыльях у выпуклых берегов и уменьшаются в размерах вплоть до отторжения или размыва у вогнутых берегов. На реках с разветвленным руслом встречаются отдельные перемещающиеся перекаты, развивающиеся на участках незначительного протяжения между перекатами, занимающими постоянное положение на реке (например, между одиночными разветвлениями или в рукавах между перекатом в начале каждого рукава или в его конце перед слиянием с другим рукавом).
|
|
|
Смена периодов интенсивного и замедленного смещения перекатов вниз по течению связана также с колебаниями водности рек в период половодья. Эти связи демонстрирует рис. 2.67, на котором представлен график смещения побочней перекатов на нижней Вычегде (Туглимского–Верх. Княженского), совмещенный с графиком колебания максимальных уровней воды на гидрологическом посту Яренек [Чалов, 1963, 1979 с дополнениями].
Рис. 2.67. Перемещение побочней перекатов на р. Вычегде (Туглимские–Верх. Княжинский перекаты): А – график перемещения перекатов; Б – план русла (по съемке 1959 г.); В – график колебаний максимальных уровней по гидрол. посту Яренск. 1 – приверх побочня;
2 – приверх осередка; 3 – ухвостье побочня; 4 – ухвостье осередка;
5 – изменение положения правобережных побочней; 6 – то же лево-
бережных побочней; 7 – то же осередков
Пределом развития этой группы перекатов является стабильный перекат ЖИ (Верх. Княженский). Смещаясь к нему, каждый перекат претерпевает значительные переформирования: происходит отчленение левобережного побочня, и образующийся таким образом осередок Ж со временем причленяется к нижнему правобережному побочню И переката ЖИ, увеличивая его размеры. Одновременно приближение смещающегося переката к стабильному (на крутой излучине, в узле разветвления, на подходе реки к коренному берегу) сопровождается общим снижением их скоростей.
В результате происходит своеобразное «сжатие» динамической оси потока на следующих друг за другом перекатах; радиусы ее кривизны уменьшаются в 2-2,5 раза, а фарватер искривляется, огибая побочни.
При этом создаются благоприятные условия для естественного отторжения побочня: l/L>1,6, где l – длина русла по стрежню потока, L – шаг побочня [Маккавеев, 1955; Проектирование судовых ходов, 1964], которое следует использовать при путевых работах (нередко перевод фарватера в побочневый проток может быть осуществлен без землечерпания. Такая цикличность и характер переформирований должны учитываться при планировании путевых работ.
Перекаты, осложненные осередками, имеют такие же динамические характеристики, но на фоне общего смещения наличие осередка обусловливает попеременное развитие то правой, то левой проток, причем отмирание правой бывает вызвано более интенсивным смещением верхнего правобережного побочня, закупоривающего заход в нее (рис. 2.68).
Рис. 2.68. Сопоставленные планы смещающегося сложного (с осередком) переката (р. Северная Двина, Верх. Корбальский перекат)
Начало развития правой протоки совпадает с приближением к перекату нижнего побочня вышерасположенного переката. Полный цикл таких переформирований совершается за 20 лет.
За это время развиваются и отмирают последовательно обе протоки, и завершение цикла совпадает с размывом переката, оказавшегося уже на несколько километров ниже места возникновения.
Временной интервал от формирования переката в начале перекатного участка до его размыва или надвижения на относительно стабильный перекат зависит от его длины и скорости смещения побочней. В приведенном примере (см. рис 2.67) перекатный участок имеет длину около 13 км; при средней скорости смещения 80-90 м/год каждый перекат проходит этот путь в течении около 150 лет. При этом образование в начале участка нового переката и надвижение переката на стабильный в вершине развитой излучины происходит в среднем через 20-30 лет.
На верхней Оби циклы, связанные со смещением перекатов на участках длиной 10-12 км, продолжаются от 10 до 40-50 лет. При этом побочни и осередки перемещаются со скоростью до 200-500 м/год [Сурков, Чалов, 2002]. Цикличность в их развитии заключается в том, что на месте сместившегося вниз переката возникает новый, и процесс смещения повторяется. Например, у с. Белово периодически смещается перекат, возникающий в 9-10 км выше по течению. Весь цикл продолжается 20-25 лет.
Так как разрыв по времени образования перекатов в несколько раз меньше, чем время их перемещения по длине участка, то на участке одновременно существует 6-8 смещающихся перекатов с шагом 1-1,5 км. На средней Оби, имеющей более устойчивое русло, смещение перекатов происходит со скоростями в 2-3 раза меньшими. Например, Верх. Монастырский перекат с 1955 по 1998 гг. сместился на 2600 м (скорость смещения
70 м/год). Обычно такие перекаты имеют побочни, расположенные в шахматном порядке, и надвигаются на относительно стабильные перекаты на излучине или в узле разветвления русла. При этом происходит сжатие динамической оси потока, огибающей побочни, и отторжение нижнего из них (рис. 2.69).
Рис. 2.69. Извилины динамической оси потока на Базанаковских перекатах р. Оби выше разветвления русла о. Битеневым (1 – положение на период съемки русла, 1959 г.; 2 – положение после отторжения побочня в 1960 г.; А, Б, …. – индексы излучин и побочней
(сверху вниз по течению)
Режим перекатов, формирующихся на неразветвленных участках, где русло проходит вдоль высокого берега, находится в зависимости от формы ведущего берега и геологического строения русла и берегов [Проектирование судовых ходов…, 1964; Чалов, 2011]. Смещаясь на участок ниже мыса коренного берега, побочень переката замедляется и растет в высоту. При этом корыто его оказывается под направляющем воздействием на поток мыса и углубляется. При дальнейшем смещении переката вниз по течению это воздействие ослабевает, поток на корыте переката распластывается, и оно мелеет. Одновременно в тыловой части побочня, вдоль коренного берега, из-за искривления стрежня потока возле него формируется побочневый проток, что еще больше способствует обмелению корыта переката. В итоге в побочневый проток, перемещается главное течение реки и перекат перестает существовать.
При последовательном расположении смещающегося переката возле выступов коренного берега и у выровненных его отрезков периоды углубления корыта переката чередуются с периодами его обмеления. На Вяткинских перекатах верхней Оби (рис. 2.70) в начальный период побочень имеет ширину 100-120 м. Через 2-4 года, сместившись ниже плеча левого коренного берега, он трансформируется в крупную гряду шириной до 400 м, пересекающую русло под углом 20-30о.
Огибая такую гряду, стрежень потока образует крутой изгиб. Почти одновременно у левого берега в тыловой части побочня возникает побочневый проток, ширина и глубина которого со временем (2-3 года) увеличиваются. Когда отношение длины изгиба к его шагу достигнет 1,5-1,6, происходит отторжение гряды от берега. На месте побочня образуется осередок, который отклоняется к противоположному берегу, наращивая расположенные там отмели. Подобные циклы имеют продолжительность
9-10 лет; за это время перекат смещается вниз по течению на 2,5-4 км.
Переформирования относительно стабильных перекатов вне зависимости от их положения на реке заключаются в удлинении верхнего побочня или росте косы в его ухвостье, образовании затонской части и миграции в течении ряда лет корыта переката от верхнего побочня к нижнему и затем быстром его перемещения (за одно половодье или паводок) к верхнему в направлении наибольшего поперечного уклона водной поверхности
(рис. 2.71).
Причиной этого является рост косы или удлинение ухвостья верхнего побочня и подзастружное течение в подвалье переката, направленное от верхнего побочня к нижнему.
Это сопровождается обмелением корыта возле нижнего побочня, усилением его подпорного воздействия на поток в верхней плесовой лощине и ростом поперечного уклона между ней и верхней частью нижней плесовой лощины или затонской частью переката.
Перемещение корыта в верхнее положение сопровождается размывом или отторжением ухвостья верхнего побочня с образованием осередка, частичной или полной ликвидацией затонской части переката и объединением ее с нижней плесовой лощиной.
Рис. 2.70. Развитие побочня за выступом коренного берега и его отторжение (Вяткинские перекаты на верхней Оби). 1 – коренной берег; 2 – пойма; 3 – побочни и осередки; 4 – изобата 1,4 м; 5 – стре-
жень потока
В этом положении на корыто переката поступает меньше наносов, и оно углубляется. Возникающей в ходе этих переформирований осередок со временем причленяется к нижнему побочню. На Северной Двине полный цикл таких переформирований составляет 5-10 лет, на Вычегде – около 20 лет, на верхней Оби – от 2-3 до нескольких десятков лет.
У перекатов при слиянии рукавов (в ухвостьях островов) продолжительность циклов – от 3-5 до 20-22 (в среднем 10-12) лет. Нередко наибольшие глубины наблюдаются при смещении корыта к нижнему побочню, поскольку здесь оно располагается в зоне ускорения течения на извилине динамической оси потока, огибающего побочень переката. Однако наличие затонской части, развитой в ухвостье верхнего побочня, возникающее поэтому веерное расхождение струй потока на седловине переката, а также подзастружное течение быстро нейтрализуют гидравлическую выгодность нижнего положения корыта.
Рис. 2.71. Многолетние изменения положения корыта
переката Верх. Тоемский р. Северной Двины
Строгой периодичности в переформированиях перекатов обычно не наблюдается, т.к. на рост косы влияют мощность половодья, надвижение на перекат сверху побочней и осередков, а также направляющее воздействие на поток ведущего берега непосредственно выше переката в верхней плесовой лощине. В годы с высокими половодьями преимущественное развитие при прочих равных условиях, получает корыто переката в нижнем положении, которому соответствует больший радиус кривизны динамической оси потока; наоборот, низкие половодья благоприятствуют углублению и закреплению корыта возле верхнего побочня.
Направляющее воздействие ведущих берегов наиболее отчетливо проявляется в состоянии перекатов на меандрирующих реках (развитые и крутые, сегментные, петлеобразные излучины). Как правило такие перекаты характеризуются малой изменчивостью положения корыта, на которое направляется поток вогнутых берегов, и его относительно большими естественными глубинами. Такой стабильностью отличаются перекаты на малых и средних реках. На излучинах больших рек, имеющих широкое русло (до 1000 м и более), направляющее влияние ведущих берегов ослабевает, и перекаты здесь характеризуются цикличностью в своих многолетних переформированиях.
У перекатов в местах перегиба русла между смежными излучинами побочни располагаются у выпуклых берегов, но корыто перекатов постоянно меняет свое положение в зависимости от высоты половодья, роста кос в ухвостье верхнего побочня, развития затонской части и т.д. Приближаясь постепенно к выпуклому берегу, оно попадает под влияние циркуляционных течений, привлекающих к нему наносы, и мелеет. Поток прорезает новое корыто ближе к верхнему побочню, после чего снова начинается процесс смещения корыта к нижнему побочню у выпуклого берега. В годы с высокими половодьями на перекатах этого типа создаются благоприятные условия для углубления корыта у нижнего побочня, тогда как в годы с низким половодьем оно здесь заносится наносами [Русловые процессы и водные пути…, 2001].
Переформирования, связанные с изменениями положения корыта переката, занимающего относительно постоянное положение в узле разветвления русла, обусловливают периодический размыв и образование побочня у оголовка острова. Во время высоких половодий динамическая ось потока спрямляется и проходит вдоль оголовка острова, где углубляется смещающееся сюда корыто переката и размывается сам оголовок. Этому способствует смещение ухвостья верхнего побочня, находящегося перед заходом в рукав, или развитие здесь косы, закрепляющее корыто переката в нижнем положении. В маловодные годы, наоборот, корыто переката возле оголовка острова мелеет из-за увеличения кривизны динамической оси потока и отторжения части или всего верхнего побочня; динамическая ось потока и корыто переката перемещаются в верхнее положение (рис. 2.72,А).
Если ведущий берег (особенно если это – коренной высокий берег) на смежном вышележащем участке образует мыс, отклоняющий поток в сторону рукава, происходит размыв корыта переката, которое становится сравнительно глубоким как в верхнем, так и в нижнем положении в зависимости от конфигурации ведущего берега. Периодическое обмеление таких перекатов наблюдается, когда корыто переката смещается ниже линии плеча ведущего берега, его направляющее воздействие на поток ослабевает, а само корыто оказывается в зоне «скоростной тени»
(рис. 2.72,Б).
Если ведущий берег направляющее воздействие на поток не оказывает, то перекат на заходе в пойменный рукав отличается наименьшими глубинами и неустойчивым положением корыта, меняющимся в зависимости от высоты половодья, местных размывов берегов, перемещения побочней, развития кос и т.д.
Переформирования относительно стабильных перекатов, связанные с периодическими надвижением на них побочней, смещающихся с вышерасположенного участка, также отличаются определенной цикличностью. На перекатах в узлах разветвления, обычно имеют отмель у оголовка острова, и побочни, находящиеся на заходе в каждый рукав. Надвижение на них побочней с вышележащего участка приводит к их росту и удлинению со скоростями 200-250 м/год (на Северной Двине), 400-500 м/год (на Оби) и до 700-800 м/год (на Лене). В результате происходит последовательное обмеление и развитие обоих рукавов, т.е. многолетние переформирования перекатов в конечном счете отражаются в режиме разветвлений русла.
Рис. 2.72. Переформирования перекатов в узлах разветвления русла: А – без направляющего воздействия ведущего берега (перекат Омулагин на р. Лене); Б – при направляющем воздействии плеча ведуще-
го берега выше по течению (Чичканский перекат на р. Оби)
Периодическое надвижение на узел разветвления побочней, смещающихся вдоль берега, со стороны которого находится заход в основной рукав, сопровождается резким искривлением динамической оси потока и смещением корыта переката в нижнее положение. Побочень у оголовка острова может быть полностью размыт, а судовой ход прижимается к оголовку острова. На Фокинском перекате верхней Оби (рис. 2.73) надвижение побочня, его отторжение, образование осередка, причленение осередка к оголовку острова совершается за 6-8 лет, после чего цикл повторяется [Сурков, Чалов, 2002].
| 
| |
| Рис. 2.73. Переформирования переката в узле разветвления русла (у оголовка острова), связанные с последовательным надвижением побочней на заход в основной (судоходный) рукав (Фокинский пере- кат на верхней Оби) | Рис. 2.74. Переформирования переката в узле слияния рукавов, под влиянием смещения кос, развивающихся в ухвостьях островов, расчлененных межостровными протоками (Белогорские перекаты на р. Лене) |
Надвижение побочней с вышележащего участка вызывает существенные цикличные переформирования перекатов, расположенных на развитых или крутых излучинах. На крутых вынужденных излучинах, где нарушено условие безотрывного обтекания берегов (r<2,5bp), смещение побочней с вышележащего участка к выпуклому берегу приводит к общему обмелению переката, поскольку его корыто оказывается в зоне аккумуляции наносов у вогнутого берега. Если это совпадает с экстремальными высокими половодьями, когда сливающиеся с поймы воды оказывают на поток в верхнем крыле излучины подпорное воздействие, обмеление переката наиболее существенно. Однако прорези у выпуклого берега устойчивы, и после их разработки в течение ряда лет на перекате не требуется выполнения дноуглубительных работ.
Режим относительно стабильных перекатов в узлах слияния основных рукавов, разделенных группой островов, определяется смещением кос в ухвостье каждого острова.
Различная интенсивность развития кос, связанная с неодинаковой водностью межостровных проток, обусловливает постепенное искривление динамической оси потока на перекате по мере ее смещения в нижнее положение; корыто переката при этом мелеет, поскольку часть потока отвлекается в затонины между косами, образующими верхний побочень.
Со временем происходит отторжение кос и объединение затонин в единую ложбину, сосредоточивающую в себе основной расход воды на перекате, динамическая ось потока прижимается к ухвостьям островов, происходит ее выпрямление и углубление корыта переката. Эти переформирования нередко сопровождаются общим трансгрессивным смещением всего разветвления, вследствие чего возвращение динамической оси (и судового хода) в верхнее положение (к ухвостьям островов) становится невозможным, т.к. развивающиеся косы закрепляются растительностью. В результате перевал фарватера на перекате смещается постепенно в нижнее положение, становится более глубоким и менее извилистым (рис. 2.74).
Рассмотренные закономерности многолетних переформирований перекатов являются наиболее характерными, в той или иной мере повторяющимися при наличии местных особенностей практически у всех перекатов. Знание их позволяет прогнозировать происходящие изменения и учитывать при трассировании прорезей, используя при этом естественные тенденции переформирований перекатов.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 580; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!