Речные наносы: виды, порядок расчета

 

Речными наносами называются твердые частицы, которые переносятся потоком и формируют русловые и пойменные отложения рек.

Количество переносимых рекой наносов в течение некоторого периода времени (сутки, месяц, год) называется твердым стоком реки, который выражают в кг или тоннах.

Количество наносов, переносимых рекой в единицу времени через живое сечение реки, называют твердым расходом кг/сек.

Изучение твердого стока (стока наносов) рек имеет большое практическое значение, особенно при решении целого ряда водохозяйственных задач с участием различных гидротехнических сооружений.

Особо важное значение имеет количественный учет наносов при расчетах заиления водохранилищ, при решении вопросов рационального размещения и проектирования водозаборных сооружений и каналов, отводящих воду из реки на нужды орошения и водоснабжения.

В зависимости от характера транспортирования водами рек выделяют две категории наносов: взвешенные, распределенные по всему живому сечению потока и донные, перемещаемые в придонном слое.

Взвешенные наносы распределяются в толще потока весьма неравномерно. Наиболее крупные движутся в нижних слоях, наиболее мелкие распределяются по всей глубине, однако количество их уменьшается от дна к поверхности.

Сток наносов определяется преимущественно взвешенными наносами.

Донные наносы составляют лишь незначительную часть твердого стока, обычно не более 5-10%.

Взвешивание твердых частиц с удельным весом больше удельного веса воды объясняется наличием вертикальных составляющих скоростей при турбулентном движении воды в речном потоке.

На твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в турбулентном потоке, будут действовать две силы:

1) скорость струи потока - ʋ, направленная под некоторым углом вверх;

2) вес частицы – P, направленный вниз.

Под влиянием этих двух сил частица будет двигаться по направлению какой-то равнодействующей R (рис. 9. 2. 1. а).

 

R

υ

υВ

R

P

υГ

 

а) б)

Рис. 1. Силы, действующие на твердые частицы в потоке.

 

Разложим равнодействующую R на две силы: ʋ_в – вертикальную и ʋг- горизонтальную (рис. 9. 2. 1 б)

Вертикальная сила является силой, поддерживающей твердую частицу во взвешенном состоянии. Она составляет 1/12 – 1/20 от горизонтальной силы и достигает максимума у дна и минимума у поверхности. Величина вертикальной составляющей скорости возрастает с увеличением средней скорости потока. Для оценки ее величины рассмотрим процесс падения частиц в стоячей воде.

Твердая частица, попавшая в спокойную воду, через некоторое время (2- 3 секунды или даже более секунды) будет падать равномерно, что объясняется равенством силы тяжести частицы и силы сопротивления ее движению.

Эта равномерная скорость падения частицы в спокойной воде при 15⁰С называется гидравлическим размером или гидравлической крупностью (w, мм/с). Гидравлическая крупность зависит от диаметра и плотности частиц, а также от плотности воды. Для взвешивания твердой частицы, попавшей в турбулентный поток, необходимо, чтобы величина вертикальной составляющей скорости потока ʋ_в была больше или равна гидравлической крупности этой частицы, т.е. ʋ_в ≥ w.

При ʋ_в < w частицы оседают на дно.

На взвешивание мелких илистых наносов (меньше 0,001мм) при малых скоростях течения, кроме вертикальной составляющей скорости, влияет также наэлектризованность частиц, приобретаемая ими при трении жидкости. Заряженные одноименным электричеством частички приобретают способность отталкиваться друг от друга и переходить во взвешенное состояние.

Распределение взвешенных наносов. Для характеристики содержания взвешенных наносов в воде и для сравнения их количества по различным рекам удобно выражать содержание наносов в виде отношения твердого расхода (R, кг/с) к расходу воды (Q, м³/с), которое носит название мутности (s, г/м³), т. е.

s=1000R/Q. (48)

По данным Г. И. Шамова среднегодовое количество взвешенных наносов некоторых рек СССР характеризуется следующими величинами (табл. 9. 2. 1):

 

Таблица 5. Среднегодовое количество взвешенных наносов рек СССР (по данным Г. И. Шамова)

Река	Площадь, км^2	Расход, кг/с	Мутность, г/м^3	Сток, млн. т.
Волга у г. Дубовка				25,5
Днепр у г. Киев				1,8
Енисей с. Игарка			18,8	10,8
Аму-Дарья г. Керпи

 

Распределение наносов по живому сечению реки имеет неравномерный характер: причем наибольшая мутность наблюдается у дна и берегов за счет взвешенных частиц более крупных размеров. Чем больше в составе наносов крупных частиц, тем неравномернее они распределены по вертикали. В том случае, когда материал наносов состоит из мелких фракций, наблюдается наиболее равномерное распределение фракций по глубине. Количество наносов обычно возрастает от истока к устью.

Наибольшая мутность рек равнинных районов наблюдается во время весеннего половодья. Взвешенные наносы в условиях равнинных рек достигают 90 - 98% общего количества.

На горных реках количество влекомых наносов может превышать взвешенные. На реках с зарегулированным стоком (водохранилища), сток взвешенных наносов резко уменьшается и делается более равномерным в течение года.

Установление нормы стока взвешенных наносов производится различными способами в зависимости от степени изученности реки в отношении стока наносов. При наличии длительного ряда наблюдений по стоку взвешенных наносов (не менее 20 лет) норма стока наносов определяется аналогично вычислению нормы жидкого стока.

При более коротком ряде используется связь:

 

R_о=Q_о R_.ср./Q_ср, (49)

 

где, Q_o-норма расхода воды; Q_ср и R_ср – средние расходы воды и наносов за ограниченный период наблюдений.

Сток взвешенных наносов заданной обеспеченности вычисляется в следующем порядке. С эмпирической кривой обеспеченности годового стока наносов снимают значения R_н 5, 50, 90% обеспеченности и вычисляют коэффициент скошенности кривой:

 

S= R_.5%+R_.95%-2R_.50%/R_.5%-R_.95%. (50)

 

Коэффициент вариации равен:

 

C_vн=у_н/R_о, (51)

 

где

 

у_н= R_5%-R_95%/Ф_5%-Ф_95%. (52)

 

Средний многолетний расход взвешенных наносов (норма) равен:

 

R_о =R_50%-у_нФ_50%. (53)

 

Годовые расходы взвешенных наносов заданной обеспеченности равны:

 

R_р%=R_50%-у_нФ_(P.S). (54)

 

В практике гидрологических расчетов чаще приходится иметь дело с короткими рядами наблюдений. В этом случае пользуются построением графической связи между средне годовыми расходами воды Q_.ср и наносов R_ср.

В случае прямолинейной связи норма стока взвешенных наносов определяется по среднему многолетнему расходу воды.

При очень коротком ряде наблюдений (1-2 года) норма стока взвешенных наносов может быть определена по соотношению, где годовая величина взвешенных наносов прямо пропорциональна годовому стоку воды, т. е.

 

R_i /Q_i=R_o/Q_o, (55)

 

откуда

 

R_o=Q_o/Qi Ri, (56)

 

где; Q_i и R_i- сток воды и наносов за наблюдаемые годы; Q_o- норма стока.

Второй способ возможен в том случае, если имеется ряд наблюдений за стоком воды, позволяющим вычесть C_v, и наблюдения за стоком взвешенных наносов за 1-2 года.

Допуская, что сток воды и сток взвешенных наносов имеют одну и ту же обеспеченность, зная C_v воды, определяют C_vн взвешенных наносов:

для равнинных рек C_vн=1.61C_v;

для горных рек C_vн=3,45C_v;

для рек промежуточного типа C_vн=2.22С_v.

При отсутствии гидрометрических данных следует пользоваться Картой средней мутности рек и Картой модуля стока взвешенных наносов рек.

Влекомые (донные) наносы. Количество и крупность влекомых наносов, перемещаемых реками, определяются гидравлическими условиями режима рек и зависят от физико - географических характеристик их бассейнов. В основном характер движения донных наносов определяется их крупностью и величиной скорости течения.

Донные наносы обычно передвигаются не по всей ширине русла, а лишь по ее части, называемой действующей шириной, зависящей от водности реки, и проходящей у выпуклых берегов и по участкам сопряжения излучин.

Скорости, при которых частицы определенных размеров начинают двигаться и начинается размыв дна не одинаковы: чем больше глубина, тем при больших скоростях начинают передвигаться донные наносы. Из этого следует, что чем меньше глубина потока, тем при меньших скоростях происходит размыв донных отложений в потоке, чем мельче наносы, тем меньшие скорости течения их могут переносить.

Для характеристики движения твердых частиц по дну потока, которое обусловливается величиной скорости и размерами частиц, установлена определенная зависимость между весом частиц, влекомых по дну, и скоростью, при которой они движутся. Эта зависимость может быть выражена формулой ЭРИ:

 

P=A ʋ, (57)

 

где P- вес частицы; А- коэффициент, зависящий от формы удельного веса частицы; ʋ- скорость, при которой частицы начинают двигаться.

По формуле Эри веса влекомых частиц прямо пропорциональны шестой степени скоростей течения ʋ.

Исследования Великанова по определению связи между потоком и диаметром частицы, находящейся в движении под действием этой скорости, позволили ему составить следующую зависимость:

 

ʋ²/gd=15+6/d; (58)

 

ʋ=√g(15d+0.006), (59)

 

где ʋ- средняя скорость потока, м/с; g- ускорение силы тяжести, 9,81 м/с²; d- диаметр частицы, мм.

Формула Великанова применима при d= 0,1-5мм, а для частиц d>5мм дает преувеличение значения предельной скорости.

При расчетах твердого стока величину среднего стока влекомых наносов часто принимают в долях от величины среднего стока взвешенных наносов.

Средняя многолетняя величина стока влекомых наносов:

W_т=К R₀, (60)

 

где R₀- взвешенные наносы; К- коэффициент, применяемый для равнинных рек 0,05- 0,1, для горных рек - 0,10- 0,50.

Для расчета расхода влекомых наносов Г.И. Шамов вывел следующую зависимость:

 

R_э=k (ʋ/ʋ_нп)³ (ʋ - ʋ_нп)(d₀/h_ф)^1/4В, (61)

где R_э - расход влекомых наносов; ʋ- ср. скорость поток, м/с, ʋ_нп- ср. непередвигающая скорость (она меньше неразмывающей скорости):

 

ʋ_нп=3,7d₀^1/3h_ср.^1/6, (62)

 

где d₀- ср. взвешенный диаметр частиц донных отложений, м; В- ширина потока; k-коэффициент, учитывающий не однородность состава влекомых наносов (k=0,95√d₀).

Селевые потоки. Сель – кратковременный мощный паводок на горных реках с очень большим (до 75% общей массы потока) содержанием минеральных частиц и обломков горных пород, возникающий в результате интенсивных ливней или бурного снеготаяния в условиях накопления большого количества продуктов выветривания и значительных уклонов.

Селевые потоки состоят из жидкой части (грязевая масса) и твердой (щебень, гравий, крупные камни, обломки скал).

Основным селеобразующим фактором для водосбора горной реки является способность горных пород, слагающих его склоны, к выветриванию, эрозии и образованию на склонах и в руслах рек большого количества обломочного материала. Другими факторами являются: 1) крутизна склона; 2) густота речной сети, площадь и форма бассейна; 3) длина русла; 4) растительный покров и другие.

 

Русловые процессы

 

Изменение морфологического строения русла ведется под действием текущей воды и называется русловым процессом. Русловый процесс – это постоянно происходящие изменения форм речного русла и русловых образований под действием текучей воды. Степень воздействия русла на поток и потока на русло зависит от устойчивости твердой среды и скоростного режима потока. При подвижных малоустойчивых грунтах и быстром течении влияние потока на русло значительно сильнее, чем русла на поток. В таких реках наблюдается ярко выраженный процесс взаимодействия между жидкой средой и твердой. Устойчивость таких рек очень мала.

У рек с устойчивыми, трудно размываемыми грунтами русла русловый процесс протекает медленно и создаваемые в ходе этого процесса русловые формы будут четко выражены и относительно стабильны.

В формировании русл рек и каналов с земляными руслами есть много общего, но есть и существенные различия. Каналы являются инженерными сооружениями, запроектированными на пропуск регулируемых расходов воды с заданной амплитудой. В реках амплитуда расходов воды неизмеримо больше, чем в каналах. Сочетание этого с наличием поймы реки и обусловливает главное различие в формировании русл рек и каналов. В каналах русловый процесс протекает менее активно и не все типы русловых образований могут проявляться. Внешнее питание каналов ограничено или совсем отсутствует. Каналы имеют более устойчивое русло, чем реки.

Устойчивость русла можно охарактеризовать количественно через факторы, способствующие и препятствующие размыву. Одним из таких показателей является коэффициент устойчивости русла В. М. Лохтина:

 

К_л = D/ ΔH (63)

 

где D – крупность донных наносов, мм; ΔH – километрическое падение уровня, м / км. Следовательно, увеличению устойчивости русел способствует повышение крупности частиц наносов и уменьшение скоростей течения, косвенной характеристикой которых служит величина падения. Устойчивые русла, по Лохтину, в которых отсутствует постоянное движение наносов, имеют К_л более 15 – 20, у относительно устойчивых русел с постоянным перемещением влекомых наносов К_л ≈5 и, наконец, у неустойчивых с весьма подвижным дном русел К_л менее 2.

Устойчивые русла характерны для верховий рек, берущих свое начало в предгорных и горных районах (Алдан, Лена, Енисей, Белая, реки Северного Кавказа). Наименее устойчивы речные русла, сложенные мелкопесчаным материалом (реки Средней Азии).

Большой интерес представляет морфологическое соотношение между шириной и глубиной потока. Ширина реки В во много раз превышает глубину h, т.к. боковая эрозия (размыв берегов) отличается большей свободой своего динамического развития, чем глубинная эрозия. При этом для песчаных грунтов соотношение В/ h больше, чем для глинистых.

Следовательно, в несвязных грунтах формируются более широкие водотоки, чем в связных. Это одно из важных положений гидроморфологии. Когда поток и русло взаимодействуют как саморегулирующая система без существенных русловых деформаций в течение длительного времени, считается, что русло находится в динамическом равновесии. Такие русла называются также равновесными – размеры русла и его положение в плане изменяются в небольших пределах при наличии транспорта наносов.

Вопросы для самоконтроля

1. Водная эрозия.

2. Речные наносы.

3. Виды речных наносов в зависимости от характера их транспортировки водами рек.

4. Распределение взвешенных наносов.

5. Порядок расчета взвешенных наносов.

6. Влекомые (донные) наносы.

7. Селевые потоки.

8. Русловые процессы.

 

Список литературы

Основная

1. Михайлов, В. Н. Гидрология. [Текст]: учеб. для вузов / В. Н. Михайлов, А. Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 463 с. - ISBN978-5-06-005815-4.

2. Бондаренко, Ю. В. Методы полевых гидрологических и метеорологических исследований. [Текст]: учеб. пособие / Ю. В. Бондаренко. – 2-е изд. доп. и исп. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2011. – 202 с. - ISBN 978-5-9999-0885-8.

3. Кожемяченко, И. В. Гидрометрия. [Текст]: учеб. пособие / И. В. Кожемяченко, Ю. В. Бондаренко, О. В. Гуцол, О. Н. Жихарева. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010. – 160 с. - ISBN978-5-7011-0603-9.

 

Дополнительная

1. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1997 г.

2. СП 33-101-2003. Определение основных гидрологических характеристик [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 2004 г.

3. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения [Текст]. – М.: Госстандарт СССР, 1988 г.

4. Бондаренко, Ю. В. Климатология, метеорология и гидрология. [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Афонин В. В., Желудкова С. В. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010 – 183 с.

5. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru;

- научная электронная библиотека - http://еlibrary.sgau.ru/;

- электронные данные Росгидромета: http://meteorf.ru;

- электронные данные Государственного гидрологического института - http://www.hydrology.ru.

ЛЕКЦИЯ 10