При проектировании берегоукреплений на реках важно знать теоретические принципы формирования русел рек и законы их динамического изменения во времени.
1 ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ
Продольный профиль реки в общем случае представляет собой кривую, обращенную выпуклостью вниз. Плавность этой кривой нарушается периодическими перекатам, которые образуются из-за выходов на поверхность твердых неразмываемых пород. От истока реки к устью уклон дна постепенно уполаживается, и снижается скорость воды, но растет ее расход. В верховьях реки имеют место высокие скорости воды, которые приводят здесь к интенсивной эрозии — размыву русла и образованию массива наносов (взвешенных и влекомых). По длине реки скорости воды снижаются, что приводит к уменьшению частиц наносов, которые река еще может переносить вниз по течению. Таким образом, малые скорости воды в низовьях ведут к аккумуляции — осаждению наносов, размытых в верховьях. Весь этот процесс постепенно изменяет продольный профиль реки — в верховьях уклон дна ещё больше увеличивается, а в низовьях — еще больше уполаживается (рисунок 1).
Рисунок 1 — Продольный профиль речного русла
Продольный профиль реки в крупном масштабе представляет собой чередование плёсов и перекатов. Плёс — длинный участок с большими глубинами и слабыми уклонами. Перекат — наоборот, короткий участок с малыми глубинами и крутыми уклонами. Таким образом геометрически продольный профиль реки напоминает лестничный марш.
В межень перекаты усиленно размываются. Это происходит из-за того, что из-за малых глубин здесь имеют место большие скорости потока. С наступлением половодья или паводка происходит принципиальное изменение процесса руслоформирования: плёсы ещё сильнее размываются, а смытые с них наносы намываются на перекатах.
2 ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛЬ
Поперечный профиль реки, также, как и продольный профиль, зависит от конкретного участка реки (рисунок 2):
– в верховьях: ущелье;
– в среднем течении: пойма с одной или несколькими террасами
– в низовьях, ближе к устью: в древнем конусе выноса с несколькими протоками, часто с возвышением над окружающей долиной.
Рисунок 2 — Характерные поперечные профили русел рек
а — верховья, б — среднее течение, в — низовья
3 КРИВОЛИНЕЙНОСТЬ РУСЛА
На излучинах реки происходит изменение движения наносов — их поток переходит от выпуклого берега к вогнутому.
Происходящие в периоды половодий и паводков размывы плёсов имеют особенную интенсивность у вогнутых берегов. Это происходит из-за образования здесь повышенных скоростей, вызываемых так называемым свалом течения — с переката на плёс. При этом стрежень реки (линия вдоль реки с максимальной скоростью течения) меняет направление в сторону вогнутого берега (рисунок 3), дно которого и начинает интенсивно размываться. В результате дно у вогнутого берега углубляется, а у выпуклого — мелеет.
В целом весь этот процесс является следствием поперечной циркуляции потока, возникающей на поворотах реки: поверхностные слои воды движутся к вогнутому берегу, а донные — к выпуклому.
Одним из следствий описанной механики движения наносов и воды является тот важный факт, что криволинейные участки рек всегда более устойчивы, чем прямолинейные. С течением времени криволинейность русла на каждом конкретном участке все более увеличивается — вплоть до появления ярко выраженных S-образных кривых (петель). В конце концов края двух соседних S-образных участков касаются друг друга, они сливаются в новое русло с увеличившимся уклоном, после чего весь процесс начинается заново.
Рисунок 3 — Стрежень на излучине реки
4 НАНОСЫ
Если насыщенный наносами поток воды имеет мутность ρ (греческая буква «ро») больше некоторого предельного значения (ρ > ρпред), то происходит выпадение наносов на дно, его заиление и подъем. Если ρ < ρпред, то имеет место обратный процесс — размыв дна с насыщением потока поднятыми со дна наносами. В разрезе года данные два процесса аккумуляции и размыва наносов постоянно чередуются в зависимости от гидрологического режима и мутности.
В зависимости от уклона реки движение наносов может быть совершенно различным. На горных реках, характеризующихся большими уклонами, донные наносы перемещаются в виде отдельных песчинок, которые катятся по дну. На равнинных реках движение донных наносов происходит принципиально по-другому — в виде гряд. Верховой откос гряды всегда пологий, а низовой — крутой. Частицы постепенно вкатываются на гребень гряды, затем сваливаются по низовому откосу, и, останавливаясь у основания откоса, постепенно засыпаются катящимися сверху новыми частицами. Так в виде незаметного вальца каждая гряда медленно движется вдоль реки.