Движение потока на изгиберусла.

Рассмотрим движение массы воды (m) на повороте русла (рис. 3.28, а,б). Пусть v – продольная скорость течения, r – радиус закругления.На изгибе рус­ла на массу m действует центробежная сила F_c=mv²/r. Так как у поверхности скорость течения больше, чем у дна, центробежная сила у поверхности приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный уклон водной поверхности.

 

 

Рисунок 3.27. Кривые связи расходов и уровней воды в реке: а – однозначная, б – с паводочной петлей. Точки измерения; 1 –на подъеме, 2 –на спаде паводка. Моменты максимума: 3 – расхода, 4– уровня воды.

 

В результате у вогнутого берега возникает избыток гидростатического давления, что вызывает течение в придонном слое, направленное в сторону выпуклого берега. Следовательно, поверхностные струи воды направлены в сторону вогнутого берега, а донные струи – в сторону выпуклого. Суммируясь с продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают винтовое движение воды на изгибе речного русла – поперечную цир­куляцию.

Рассмотрим баланс сил на изгибе речного русла. Поток будет находиться в равновесии лишь в том случае, если цент­робежная сила, действующая в плоскости вращения, параллельной водной поверхности (F_c=mv²/r), будет равна поперечной составляющей силы тяжести, обусловленной поперечным уклоном (F_g= mgi_п), где i_п – поперечный уклон, равный синусу угла наклона водной поверхности к горизонту; g – ускорение силы тяжести. Следовательно, (mv²/r)= mgi_п, откуда

. (3.36)

Эта формула означает, что поперечный уклон водной поверхности на изгибе потока тем больше, чем больше скорость течения и меньше радиус изгиба.Разница отметок урезов воды (Dz) между вогнутым и выпуклым берегами при ширине реки В составит

. (3.37)

Рис. 3.28. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока в плане (а) и по­перечном разрезе (6): 1 – поверхностные струи; 2– придонные струи

Деление потоков.

Тема 3

Речные наносы.

Основные источники поступления наносов в реки – поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и русловая сеть, где развиваются процессы боковой и глубинной эрозии. Водная эрозия почв и грунтов на поверхности водосборов – процесс разру­шения верхних, наиболее плодород­ных слоев почвы и подстилающих по­род талыми и дождевыми водами. Она проявляется прежде всего на распаханных землях. В целом от эрозии почв на распаханных землях утрачивается больше плодородных земель, чем вновь осва­ивается.

В естественных условиях эрозия почв – очень медленный процесс. Например, снос поверхностными водами 20 см почвы под пологом леса происходит за 174 тыс. лет, под лугом – за 29 тыс. лет. Эрозия резко усиливается при искусственном или естественном нарушении целостности верхнего слоя почвы, например, при распашке земель [6].

В сельском хозяйстве, при правильных севооборотах, поля теряют 20 см почвы за 100 лет (в 290 раз быстрее, чем под лугом), а при монокультуре кукуру­зы – всего за 15 лет (в 1930 раз быстрее). В последних двух случаях скорость разрушения почвенного покрова намного превышает скорость почвообразования [6].

Механическая (агротехническая, техногенная) эрозия почв это 1) систематический сдвиг почвы вниз по склону в результате работы с.-х. машин и орудий при пахоте и др. видах обработки земель, ярче всего выраженный при холмистом рельефе местности; 2) любые виды эрозии почв под воздействием их обработки.

 

Таблица 3.10

Классификация почв по классам эрозионной опасности

Класс	Наименование
	– с незначительной эрозионной опасностью (до 3 т/га год); –слабой эрозионной опасности (до 3,1 - 10 т/га год); – средней эрозионной опасностью (до 10,1 - 20 т/га год); – сильной эрозионной опасностью (до 20,1 - 40 т/га год); – очень сильной эрозионной опасностью (более 40 т/га год); – намытые земли.

Интенсивность эрозии выражается в мм/год или в тоннах/га·год смытого (унесенного ветром) слоя почвы. В среднем масса 1 мм слоя почвы на площади 1 га равна одной тонне.

Скорость естественного процесса почвообразования изменяется в зависимости от условий ландшафта от 0.15 до 0.03 мм/год. Уничтожение почвы за счет эрозии происходит на порядки быстрее. В чрезвычайных ситуациях (катастрофические ливни на крутых распаханных склонах) снос почвы может достигать 5 -15 мм за период действия ЧС. По скорости эрозионного разрушения, почвы группируются согласно табл. 3.10.

Эрозия речных русел тем интенсивнее, чем больше скорости тече­ния в реках и менее устойчивы грунты, слагающие их дно и берега. Наносы могут поступать в русло рек не только со склонов, но и при абразии берегов крупных рек, озер и водохранилищ (т.е. при раз­рушении берегов с участием ветровых волн). Наносы, слагающие дно рек, называют донными отложени­ями или русловым аллювием. В период разлива рекпроисходит отложение мелких фракций наносов в пределах пойменных участков (пойменный аллювий) [12].

Мутность воды (концентрация наносов в воде) можно представить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), так и в абсолютных величинах (µ, г/м³, кг/м³)

µ = m/V, (3.38)

где m – масса наносов в объеме потока V.

Реки с паводочным режимом, протекающие в условиях засушливого климата и легкоразмываемых грунтов, имеют наибольшую мутность воды. Это реки Терек, Сулак, Кура, Амударья, Ганг, Хуанхэ. Средняя годовая мутность рек Терека, Амударьи и Хуанхэ в условиях естественного режима составляла соответственно 1,7; 2,9 и 25,8 кг/м³. В половодье максимальная мутность воды Хуанхэ достигала 250 кг/м^3.. После создания водохранилищ мутность рек в нижних бьефах (на участках рек ниже плотин) уменьшается вследствие аккумуляции наносов в водохранилищах.

Плотность и гранулометрический состав наносов. Следует различать плотность частиц (ρ_н, кг/м³), из которых сложены наносы, и плотность отложений (плотность грунта) (ρ _отл, кг/м³). Последняя зависит от плотности частиц и пористости грунта. Первая для наиболее распространенных кварцевых песков равна 2650 кг/м³, вторая для илистых отложений на дне рек обычно со­ставляет в среднем 700–1000 кг/м³, песчаных 1500–1700, сме­шанных 1000–1500 кг/м³.

Путем механического анализа в лаборатории по гранулометрическому составу (диаметру частиц или крупности) наносы делят на фракции (табл. 3.11). Наносы в речном потоке и донные отложения представляют собой смесь наносов раз­личной крупности. Их классифицируют с уче­том преобладающих фракций (песчанистый ил, илистый песок и т. д.).

 

Таблица 3.11. Классификация наносов по размеру частиц (мм)

 

Градация	Фракции
Глина	Ил	Пыль	Песок	Гравий	Галька	Валуны
Мелкие Средние Крупные	< 0,001	0,001-0,005 – 0,005-0,01	0,01-0,05 –– 0,05-0,1	0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1	1–2 2-5 5-10	10-20 20-50 50-100	100-200 200-500 500-1000

 

Среднюю крупность наносов D _ср в такой смеси определяют по формуле

D _ср = (3.39)

где п – число фракций; D_i,и P_i – средняя крупность наносов каждой фракции и ее доля по массе (%) во всей пробе.

Результаты анализа крупности на­носов обычно представляют в виде суммарной кривой механиче­ского состава пробы (рис. 3.29). Для построения графика массу от­дельных фракций вычисляют в процентах от общей массы пробы. Далее полученные проценты последовательно суммируют, начиная с массы фракций наимень­шего диаметра, откладывая эти суммы по ординате графика. На абсциссе в логарифмическом масштабе откладывают соот­ветствующие значения диаметров фракций. По полученным точкам проводят кривую механиче­ского состава пробы, по которой можно определить содержание в пробе любой фракции и получить наглядное представление о сте­пени однородности состава наносов в пробе (рис. 3.29).

В практических расчетах средний размер частиц заменяют медианным (D₅₀) значением размера, обеспеченным на 50% по кривой гранулометрического состава, а также пользуются различными коэффициентами неравномерности, например в виде отношения , где D₉₀ – размер частиц, обеспеченных на 90%.

 

Гидравлическая крупность наносов () – это скорость их падения в неподвижной воде. Она зависит от их геометриче­ской крупности. Наносы крупнее 1,5 мм осаждаются при турбулентном режиме падения – с по­вышенными скоростями и по извилистым, винтообразным траекто­риям.Дляэтого случая связь гидравлической и геометрической крупности выража­ется формулой , где и – соответственно плотность наносов и воды, – коэффициент, зависящий от формы частиц, по И.И. Леви равный 1,20.

 

 

Наносы мельче 0,15 мм осаждаются в неподвижной воде в ламинарном режиме (медленно и практически вертикально), в этом случае , где – кинематический коэффициент вязкости, зависящий от температуры воды.

В диапазоне крупности наносов 0,15–1,5 мм режим осаждения частиц переходный, а связь между и D описывается более сложными эмпирическими формулами.

Таким образом, для относительно крупных наносов гидравли­ческая крупность растет пропорционально корню квадратному из диаметра частиц, а для мелких наносов гидравличе­ская крупность увеличивается пропорционально квадрату диаметра частиц наносов и уменьшается с возрастанием вязкости воды при уменьшении ее температуры. Ниже приведена гидравлическая крупность частиц при темпе­ратуре 15 °С (по А. В. Караушеву):

Диаметр

частиц, мм 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001

Гидравлическая

крупность, мм/с 100 60 21 8 2 0,08 0,03 0,0008

Неразмывающая скорость.