Кондратьев А.Н. Диссертация. Глава 6

На основе анализа основных положений русловедения, обзор которых был сделан в главе 2, типов русловых процессов и гипотез о причинах их образования (глава 3), руслоформирующих факторов (глава 4) и этапов развития русловедения (глава 5) делается вывод о том, что на разных системных уровнях влияние отдельных руслоформирующих факторов может проявляться по-разному.

Например, дисбаланс между транспортирующей способностью и поступлением наносов на системном уровне «река–водосбор» может приводить к изменению продольного профиля реки, а на уровне «поток–русло» – к ответной реакции реки, которая будет выражаться в изменении формы русла и русловых процессов.

Для доказательства последнего утверждения рассмотрим составляющие – транспортирующую способность и поступление наносов.

6.2. Транспортирующая способность потока

6.2.1. Определение транспортирующей способности, отличия от расхода наносов

По определению гидрологического словаря (Чеботарев А.И., 1978) «Транспортирующая способность потока – предельный расход наносов, который способен транспортировать поток». Необходимо добавить – без изменения формы русла и, соответственно, типа русловых процессов. Потому что при изменении самого русла соответственно будет изменяться и транспортирующая способность потока, и тогда её невозможно будет однозначно определить. То есть «Транспортирующая способность R_тр численно равна расходу наносов, который поток в состоянии переносить при заданных гидравлических условиях» (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 25).

Более развёрнуто то же самое истолковывает М.Э. Факторович (1970, с. 34): «Транспортирующая способность потока R_тр, есть предельное весовое или объёмное (в плотном теле) количество наносов с заданными физико-механическими характеристиками, которое поток с заданными гидромеханическими характеристиками может перемещать в единицу времени через единицу площади живого сечения потока».

Н.А. Михайлова (1966, с. 12) даёт определение транспортирующей способности и расхода наносов, подчёркивая их отличие: «Под транспортирующей способностью потока понимают количество наносов определённого состава, которое поток может нести при данных гидравлических и морфометрических характеристиках в единицу времени. Твёрдым же расходом называется то количество наносов, которое поток действительно переносит в единицу времени».

Аналогичные определения приводят Н.Б. Барышников и И.В. Попов (1988, с. 193): «Наибольшее количество наносов, которое поток может транспортировать при заданных гидравлических характеристиках, принято называть транспортирующей способностью потока, а количество наносов, которое он переносит в данных конкретных условиях – расходом наносов. В речных потоках расход наносов, как правило, меньше или равен транспортирующей способности потока» и К.В. Разумихина (1966, с. 18): «Под транспортирующей способностью подразумевается способность потока переносить определённое количество наносов, характеризующихся вполне определённым гранулометрическим составом».

«Расход наносов — количество наносов, проносимых потоком» (Чеботарев А.И., 1978). Необходимо добавить: за единицу времени, как у Н.А. Михайловой. Из этих определений транспортирующей способности потока и расхода наносов следует, что расход наносов не всегда равен транспортирующей способности потока. Транспортирующая способность потока (по отношению к несомым рекою наносам) определяется гидравлическими характеристиками потока на этом участке реки и не зависит от количества приходящих наносов с расположенного выше участка реки.

Поэтому необходимо разделить три понятия: 1) поступление наносов на рассматриваемый участок реки с расположенного выше участка), 2) транспортирующая способность потока (сколько наносов может перемещать поток), 3) расход наносов, который представляет собой результирующую величину от поступления наносов и транспортирующей способности потока. «Транспортирующая способность горных рек может во много раз превышать фактический сток наносов» (Виноградова Н.Н., Шевченко Б.Ф., 1983).

Это необходимо подчеркнуть в противовес рассуждениям: «Так как типизация русловых процессов относится к случаю динамического равновесия, то при этом происходят только обратимые деформации, расход наносов равен транспортирующей способности, то есть это одно и то же» и даже: «за последние 10000 лет все реки достигли своего равновесия, поэтому говорить о различии между расходом наносов и транспортирующей способностью нет необходимости». Особенно подобные рассуждения неправомерны в настоящее время, когда антропогенное влияние на реки усиливается, что приводит к изменениям как поступления наносов в реки, так и к изменению транспортирующей способности потока.

При R=R_тр, количество взмываемых и осаждающихся на единицу поверхности дна в единицу времени частиц совпадает, т.е. наблюдается сбалансированный обмен материалом в вертикальной плоскости системы поток-русло. В общем случае . Если R>R_тр, то поток не в состоянии переносить весь объём наносов, и часть из них переходит в состав речных отложений. Противоположные процессы возникают при R<R_тр. Для восстановления равенства R=R_тр поток переводит во взвешенное состояние частицы, находящиеся в составе речных отложений. Изменение соотношения между R и R_тр, таким образом, приводит в действие механизмы, влияющие на возможность переноса минеральных частиц и соответствующие колебания характеристик стока наносов в текущих масштабах времени (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Соотношение между R и R_тр зависит не только от величины R_тр. Не меньшее значение имеет и фактический сток наносов. Колебания стока наносов (при сохранении величины R_тр) приводят к возникновению направленного обмена материалом в системе поток–русло, отвечающего неравенствам R>R_тр или R<R_тр. Поскольку изменение фактического стока наносов зависит от физико-географических условий формирования стока на водосборах и в долинах рек, а транспортирующая способность – от гидравлических и морфометрических характеристик руслового потока, то возникает сложная зависимость стока наносов от определяющих факторов (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Русловые потоки могут переносить определённое количество наносов, которые поступают в них с бассейна реки крайне неравномерно. Так, при подъёме уровней в период пропуска паводков в русло реки с бассейна смывается большое количество частиц наносов, которое поток может в данный момент транспортировать. Избыток наносов в этот период откладывается в русле в основном на перекатах. Противоположное явление наблюдается в период спада уровней, когда в русло с бассейна поступает осветлённая вода. В этом случае количество русловых наносов, поступающих в русло, меньше того, которое поток может транспортировать. Поэтому недостающее их количество поток отбирает из русла, размывая его дно или берега. По-видимому, между этими двумя фазами наблюдается и такое состояние потока, когда количество наносов, поступающих с бассейна в русло реки, точно соответствует тому, которое поток может переносить (Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988).

6.2.2. Размывающая, взвешивающая и перемещающая способность потока

М.Э. Факторович (1970) предлагает разделить понятие транспортирующей способности на несколько составляющих. Например, размывающая способность потока Р_р, по его определению, есть весовое или объёмное (в плотном теле) количество грунта с заданными физико-механическими характеристиками, которое поток с заданными гидромеханическими характеристиками может разрушить и снять с единицы площади русла в единицу времени. Из этого определения следует, что размывающая способность Р_р имеет размерность либо кг/м²·с в весовом исчислении, либо м³/м²·с = м/с – в объёмном.

Вводя понятие перемещающей способности потока, в отличие от общепринятого термина транспортирующей способности потока, М.Э. Факторович пытается полнее отразить характер процесса перемещения наносов, в котором сочетаются и поступательное, и поперечное к нему в вертикальной плоскости перемещения. Первое характеризует перенос наносов в направлении осредненного движения потока и является результатом гидродинамических сил, определяющих транспортирующую способность потока, а второе характеризует перенос наносов в направлении, перпендикулярном осреднённому движению, и является результатом гидродинамических сил, противостоящих или сопутствующих силе тяжести и определяющих взвешивающую или осаждающую способности потока (Факторович М.Э., 1970).

Взвешивающая способность потока Р_в, по М.Э. Факторовичу (1970, с. 34), есть предельное весовое или объёмное в плотном теле количество наносов с заданными физико-механическими характеристиками, которое поток с заданными гидромеханическими характеристиками может перемещать вверх в единицу времени через единицу площади осреднённой поверхности тока с горизонтальной образующей. Определение осаждающей способности потока Р_о повторяет определение взвешивающей способности с тем различием, что вместо перемещения вверх в осаждающей способности учитывается перемещение вниз.

Транспортирующая способность потока R_тp есть предельное весовое или объёмное (в плотном теле) количество наносов с заданными физико-механическими характеристиками, которое поток с заданными гидромеханическими характеристиками может перемещать в единицу времени через единицу площади живого сечения потока (Факторович М.Э., 1970).

В связи с этим следует различать предельный транспортирующий расход через всё живое сечение предельно насыщенного потока и транспортируемый расход через то же сечение потока в состоянии его насыщения, отличном от предельного (Факторович М.Э., 1970).

Поток в первую очередь размывает и выщелачивает рыхлые водорастворимые массы грунта, обнажая трудноразмываемые породы (Карасев И.Ф., 1975). В несвязных и полусвязных грунтах селективность размыва приводит к образованию естественной отмостки. Её роль в процессах руслоформирования исследована М.А. Михалевым (1976).

6.2.3. Формулы расчёта транспортирующей способности

В особых случаях, но не всегда, а только в тех, когда соблюдается баланс между транспортирующей способностью потока, поступлением наносов на участок и фактическим расходом наносов, что морфологически проявляется в неизменности типа русловых процессов, для расчёта транспорта наносов допустимо применять формулы расчёта транспортирующей способности потока.

Применимость формул транспортирующей способности потока для расчёта фактического расхода наносов обосновывается следующими соображениями. Транспорт наносов и русловые деформации по существу являются двумя сторонами одного процесса. В основе русловых деформаций лежит взаимодействие потока и русла, выражающееся как в виде их динамического взаимодействия, так и в виде взаимообмена потока и русла наносами, т.е. постоянно наблюдающегося осаждения и взмыва наносов с поверхности русла. Таким образом, русловые деформации представляются проявлением эрозионно-аккумулятивных процессов в русле и на пойме реки. При нарушении баланса взаимообмена наносами процесс деформации приобретает однонаправленный характер, т.е. наблюдается либо заиление, либо размыв русла. Такого рода деформации существенным образом изменяют гидравлические элементы потока, что приводит в действие обратные связи. В результате постепенно уменьшается интенсивность одностороннего процесса деформации, и в конечном итоге он затухает (Караушев А.В. и др., 1983, с. 7).

Н.Е. Кондратьев (1968), анализируя формулу для стока донных наносов Г.В. Лопатина (1952), пришел к выводу, что транспортирующая способность, с одной стороны, определяется отношением ширины водотока к его глубине, а с другой – уклоном. Если при переходе от меандрирования к ленточногрядовому типу руслового процесса транспортирующая способность увеличивается за счет уклона («река всё в большей и большей степени использует естественный уклон долины» (Кондратьев Н.Е., 1968), то при переходе от ленточногрядового типа к осерёдковому она возрастает за счёт распластывания русла (Антроповский В.И., 1972а, с. 6).

Существует ряд методов и формул для оценки транспортирующей способности. Одной из наиболее часто применяемых в практике расчётов является зависимость Е.А. Замарина (1951). Имеет практическое применение зависимость, предложенная А.Н. Гостунским (1954), которая основывается на оценке работы сил взвешивания наносов в русловом потоке. (Разумихина К.В., 1966). А.В. Караушевым (1960) предложена эмпирическая зависимость транспортирующей способности потоков.

Кроме этих формул самыми известными и наиболее употребительными формулами расчёта транспортирующей способности потока являются формулы И.И. Леви, Г.В. Железнякова. В.И. Дебольского, А.П. Полад-заде. Многие из зависимостей относятся к условиям среднеазиатских каналов и рек (формулы В.В. Пославского, Г.С. Чекулаева (1955), Г.О. Хорста, А.Г. Хачатряна, С.Х. Абальянца) (Разумихина К.В., 1966).

6.2.4. Транспортирующая способность потока в извилистом русле, на повороте, изгибе

Если целью гидродинамических расчетов является определение транспортирующей способности реки в данном ее состоянии, то в гидроморфологической постановке ставится вопрос, в какой форме будет в данной реке осуществляться транспорт заданного ей количества наносов (Попов И.В., Кондратьев Н.Е., 1971). Характерной особенностью потока на повороте русла является его повышенная размывающая способность. Это свойство потока признается всеми исследователями, но среди них как в нашей стране, так и за рубежом нет единого мнения в отношении причин, обуславливающих это явление (Виноградов В.А., 1973 с. 39).

Поток стремится преодолеть изгиб с наименьшей затратой работы на преодоление неизбежных сопротивлений, почему он и был назван в 1913 г. А.Я. Миловичем нерабочим изгибом. Ряд авторов повышение размывающей способности потока на повороте русла связывает с неравномерностью распределения по длине излучины удельных расходов и скоростей течений (Маккавеев Н.И, 1955), с наличием поперечной циркуляции (Маккавеев В.М., 1938), с повышением турбулентности у вогнутого берега (Алтунин С.Т., 1950) и с отражением струй потока от вогнутого берега (Larbrecht L., 1953). С.Т. Алтунин отмечает, что на р. Амударье наиболее интенсивный размыв вогнутого берега и дна русла наблюдался в месте образования вторичного прибрежного циркуляционного вальца; причем, подмыв берега происходил снизу вверх. Образование вторичного вальца у поверхности на повороте русла подтверждается и лабораторными исследованиями (Розовский И.Л., 1957). Как утверждает Н.Е. Кондратьев (1968), переход от осерёдкового типа руслового процесса (русловой многорукавности) к ленточногрядовому и затем последовательно к свободному меандрированию сопровождается уменьшением транспортирующей способности потока.

В результате теоретических исследований, анализа натурных и лабораторных данных, проведённых в Союзгипроводхозе (Всесоюзном головном проектно-изыскательском и научно-исследовательском институте) выяснено, что наиболее устойчивой формой земляного канал является криволинейная в плане форма с частично укреплёнными откосами. Такой криволинейный в плане канал теоретически транспортирует без заиления в 3-4 раза больше наносов при тех же гидравлических параметрах, как в динамически устойчивом прямолинейном канале. Изучение скоростного поля в прямолинейном и искривлённом в плане руслах показало, что в поперечном сечении искривлённого в плане русла происходит перераспределение скоростей в сторону увеличения осреднённых донных скоростей на вертикалях. Для оптимального варианта искривления русла в плане на основании экспериментов при соотношениях v/v₀ = 1,1-2,0 (v₀ – неразмывающая скорость) получена зависимость , где q_кр – расход наносов криволинейного в плане русла; q_пр – расход наносов в опытах с прямолинейным руслом (Алтунин В.С., 1986, с. 19). Проведён натурный эксперимент на земляных каналах Средней Азии со сложной криволинейной формой дна, который подтвердил такое направление в проектировании каналов с повышенной транспортирующей способностью путём искусственной поперечной циркуляции в придонной области потока.

Позицию В.С. Алтунина поддерживает Н.Б. Барышников в выступлениях на дискуссии V Гидрологического съезда: «Особенно мне понравился доклад В.С. Алтунина. В частности то, что в головном институте Союзгипроводхоз пришли к выводу о целесообразности проектирования и строительства изогнутых, криволинейных в плане каналов, как более устойчивых и транспортирующих большее количество наносов. Это решение «витало в воздухе» и, по-видимому, его можно было найти уже лет 10-15 назад» (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 323).

Возможно, что предлагаемые В.С. Алтуниным извилистые каналы подходят в том случае, когда поток по соотношению поступления наносов и транспортирующей способности готов быть извилистым. Также могут быть случаи, когда поток перегружен, и в таком случае он отложит лишние наносы и изменит свой тип. Поэтому правомернее говорить, что не только извилистые, а разные другие каналы имеют право на существование в разных условиях в зависимости от соотношения определяющих факторов.

Рассматривая разветвлённые реки, Р.С. Чалов (1997) утверждает, что «транспортирующая способность потока, разделённого по рукавам, меньше, чем в неразветвлённом русле».

6.2.5. Особые случаи изменения транспортирующей способности

Существуют некоторые особые случаи, когда транспортирующая способность меняется не в прямой зависимости от изменения скорости, расхода потока или уровня реки. Одним из таких случаев является выход воды в половодье на пойму и возникновение кинематического эффекта. В результате взаимодействия потоков русла и поймы расход наносов также уменьшается, т.е. кинематический эффект снижает транспортирующую способность потока. При дальнейшем росте глубин (расходов) русла и поймы наблюдается возрастание расходов наносов, но темп роста несколько ниже, чем в изолированном русле. Уменьшение расходов наносов и снижение темпа их роста объясняется эффектом торможения руслового потока пойменным. При высокой шероховатости поймы расходы наносов в основном русле могут уменьшаться на 20-25% от соответствующих расходов наносов изолированного русла. Это надо учитывать при расчёте транспортирующей способности потока в руслах с поймами (Железняков Г.В. и др., 1970).

В.Г. Саноян критикует существующие формулы транспортирующей способности, которые относятся к простейшему случаю равномерного движения. Он отмечает, что «русловой поток, как правило, нестационарный и неоднородный». На основании большого количества лабораторных и теоретических исследований им установлена зависимость для транспортирующей способности, пригодная к неравномерному и нестационарному потоку. Согласно этой зависимости, транспортирующая способность может возрастать при уменьшении скорости вдоль потока, и наоборот. Применение этой зависимости совместно с другими уравнениями приводит В.Г. Санояна к заключению, что «стабильное русло может образоваться только при его меандрировании и разделении на рукава» (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 338).

6.3. Поступление наносов

Второй составляющей результирующего расхода наносов является поступление наносов в реку, а именно, количество поступающих наносов. Транспортирующая способность определяет потенциальную способность транспортирования, а поступление наносов определяет реальный материал, который может реализовываться или не реализовываться транспортирующей способностью.

И.В. Попов (1965, с. 27) утверждает, что: «происходящие в руслах и на поймах рек деформации всегда связаны с поступлением в поток и расходованием из него наносов». Реализация транспортирующей способности потока обеспечивается перемещением наносов во взвешенной, донной (влекомой) форме или их сочетанием, определяемой поступлением в реки материала различной гидравлической крупности. При этом в составе стока взвешенных наносов в одних случаях преобладает транзитная составляющая, в других – руслообразующая. Последнее характерно, например, для рек, пересекающих сложенные лёссами и лёссовидными суглинками территории (например, Хуанхэ, Янцзы, Амударьи, нижнего Терека). Отсюда различия в формах проявления русловых процессов.

На это накладывается влияние крупности руслообразующих наносов и доли в их составе взвешенной составляющей стока, что определяет устойчивость русла и интенсивность их деформаций вплоть до образования блуждающих разновидностей, соответствующих руслам любого морфодинамического типа (например, на р. Хуанхэ выделяют блуждающие прямолинейные неразветвлённое и извилистое русла) (Чалов Р.С. и др., 2000).

Источниками материала, перемещаемого водными потоками, являются: 1) непосредственное воздействие потока на подстилающую поверхность, которое приводит к её размыву (эрозии); 2) поступление твёрдых частиц со склонов вследствие гравитационных процессов (оползни, осыпи, обвалы), эолового переноса, медленного смещения почвы на склонах, солифлюкции и т.д. При определённых условиях последние могут играть решающую роль в формировании стока наносов (например, на горных реках, особенно в районах повышенной селевой активности); в основном же их доля в общем стоке наносов невелика (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997). Другие источники поступления наносов в реку рассмотрены в главе 4 «Руслоформирующие факторы».

Поступление наносов может быть очень значительно. Например, водохранилище ГЭС на реке Хуанхэ, располагаясь ниже пересечения рекой Лёссового плато, где река приобретала свой колоссальный сток наносов, было через 5 лет полностью заилено и перестало существовать (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 61). Река Хуанхэ – мировой рекордсмен по величине модуля смыва и мутности речных вод. Максимальная мутность воды в бассейне Хуанхэ во время половодья зафиксирована в р. Вэйхэ – 1800 кг/м³. (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 76).

Вся система эрозионно-аккумулятивных процессов, по Н.И. Маккавееву (1955), состоит из трёх основных частей, каждая из которых связана с определённым типом водных потоков, является источником наносов для последующей и характеризуется присущими только им закономерностям развития, механизмами функционирования и пространственно-временными соотношениями эрозии, транспорта и аккумуляции наносов: 1) эрозии почв, производимой временными нерусловыми потоками, формирующимися при выпадении дождей и таянии снега; 2) овражной (линейной) эрозии, связанной с деятельностью временных русловых потоков; 3) русловых процессов – совокупности явлений, обусловленных эрозионно-аккумулятивной деятельностью рек. Этот перечень Н.И. Алексеевский и Р.С. Чалов (1997, с. 44) дополняют четвёртой частью – устьевыми процессами – завершающим звеном, развитие которого происходит на фоне направленной аккумуляции наносов при воздействии на него прибрежно-морских явлений. В нижнем течении больших рек, как правило, происходит аккумуляция наносов, причём при большом стоке наносов (реки Китая) она носит катастрофический характер (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 132).

Естественный сток наносов существенно трансформируется при поступлении в реки отходов горнодобывающей промышленности. Оно влечёт за собой многократное превышение фоновых характеристик стока. Наибольшее мощное воздействие, как показали исследования в бассейнах рек Омолой и Вача, испытывают при этом малые реки (Алексеевский Н.И., Сидорчук А.Ю., 1992). Добывающее производство, поставляя в поток мелкие фракции наносов, способно увеличить мутность более, чем на порядок величины. В естественных условиях мутность воды в межень составляет здесь 2-10 г/м³. Разработка россыпей на притоках реки Вача и в её русле привело к увеличению мутности до 43,4 г/м³. К аналогичным последствиям привела переработка аллювия в руслах малых правобережных притоков реки Омолой. При фоновых значениях 5-10 г/м³ мутность на отдельных участках притоков возросла до 50-60 кг/м³. Наиболее мощное воздействие горных работ на сток наносов наблюдается в период прохождения максимальных расходов воды. Минеральные частицы антропогенного происхождения резко увеличивают расход взвешенных наносов; возникает условие R>R_тр. Превышение R над транспортирующей способностью означает активный перевод части взвешенного материала в состав речных отложений. На одном из притоков р. Омолой в состав этих отложений за 20 лет перешло 20 тыс. т мелкофракционного материала (Алексеевский, Сидорчук, 1992). Результирующая баланса наносов на таких участках рек обнаруживает внутригодовую изменчивость, хотя в среднем за год ΔW≈0 (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 122-123).

6.4. Расход наносов

6.4.1. Изучение расхода наносов

А.В. Караушев отмечает исключительную роль советских учёных в развитии учения о речных наносах (Караушев А.В. и др., 1983, с. 4). Среди них в первую очередь необходимо выделить работы В.Г. Глушкова (1961), Г.Н. Лапшина (1936), В.М. Маккавеева и И.М. Коновалова (1940), М.А. Великанова (1948б), И.И. Леви (1948), И.В. Егиазарова (1949), Г.В. Лопатина (1952), Н.И. Маккавеева (1955), Г.И. Шамова (1959), В.С. Кнороза (1960), З.Н. Окуловой (1960) В.Н. Гончарова (1962), Ю.А. Ибад-Заде (1974), К.И. Россинского и В.К. Дебольского (1980), Ш.Р. Позднякова и В.В. Романовского (1983), З.Д. Копалиани. Наиболее полными зарубежными публикациями являются монографии Я. Богарди (Bogardi J., 1974) и В.А. Ванони (Vanoni V.A., 1975).

Применяемая в гидрологии теория транспорта наносов основана на динамической теории турбулентности (Маккавеев В.М., Коновалов И.М., 1940; Караушев А.В., 1960; Маккавеев В.М., 1963), называемой иногда полуэмпирической теорией, поскольку основной параметр – коэффициент турбулентной вязкости – оценивается в этой теории на основе опытных данных или эмпирических формул. В 1963 г. А.В. Караушевым были сформулированы основные аспекты комплекса проблем речных наносов (1963). За истекшие годы многие из задач достаточно полно или частично решены коллективом лаборатории наносов ГГИ; эти решения нашли отражение в монографиях (Караушев А.В., 1977; Сток наносов…, 1977).

Существуют разработки по одновременному применению гидравлических и статистических методов для оценки транспорта наносов (Карасев И.Ф., 1975). В докладе Ш.Р. Позднякова и В.В. Романовского (1988) на V Гидрологическом съезде используется вероятностно-детерминистический подход к анализу механизма взмыва и перемещения частиц наносов. Такой подход даёт возможность учесть как динамическое воздействие осреднённого течения, так и случайный характер воздействия турбулентных пульсаций движения жидкости, характеризующих транспорт наносов (Романовский В.В., Дебольский В.К., 1988).

6.4.2. Расход наносов как результирующая транспортирующей способности потока и поступления наносов

Поскольку транспортирующая способность потока включает в себя понятие предельного насыщения наносами, то удельный транспортируемый расход наносов v_н.тчерез единицу площади живого сечения недонасыщенного или перенасыщенного потока будет отличаться по величине от транспортирующей способности Р_т. Это замечание относится и к удельному взвешиваемому расходу v_в и взвешивающей способности Р_в. В связи с этим следует различать предельный транспортирующий расход через всё живое сечение предельно насыщенного потока и транспортируемый расход через то же сечение потока в состоянии его насыщения, отличном от предельного (Факторович М.Э., 1970, с. 34).

6.4.3. Русловые и нерусловые наносы

Несомые реками наносы делятся на русловые, которые находятся при движении потока в непрерывном обмене с дном русла, причём как влекомые в придонном слое и поднимаемые сальтацией, так и взвешиваемые турбулентной пульсацией, и нерусловые (<0,05 мм), которые не находятся в обмене с руслом и создаются склоновым смывом; они зависят не от русловых условий, а от площади бассейна, интенсивности ливня и наличия на склонах мелких фракций и переносятся в русле транзитом (Егиазаров И.В., 1970, с. 202).

«К нерусловым будем относить те мелкие грунты и наносы, транспорт которых не будет ухудшать условий транспорта более крупных» (Гончаров В.Н., 1962). Наносы крупности k₀ поток может перемещать лишь в количестве, определяемом транспортирующей способностью. В случае подачи в поток этих наносов в количестве N, большем транспортирующей способности g_н, часть их аккумулируется, и поток будет перемещать лишь ту часть, которая равна g_н (Гончаров В.Н., 1962). «Если же к рассматриваемому створу потока подаётся расход наносов N, меньший его транспортной способности g_н, по уравнению транспорта, то поток будет размывать русло, увеличивая этим размывом недостающее количество, равное g_н-N. Так как неравенство N¹g_н неизбежно вызывает намыв или размыв русла, то наносы и грунты этой крупности будем называть далее руслоформирующими или, короче, русловыми. Иначе говоря, грунты и наносы, расходы перемещения которых и концентрация однозначно связаны с основными характеристиками потока и крупностью перемещаемых зёрен, из которых состоит русло, являются русловыми» (Гончаров В.Н., 1962).

Но в процессе перемещения русловых наносов этой крупности поток одновременно может переносить и более мелкие, не ухудшая условий транспорта первых. Причём изменение количества мелких наносов от нулевого до критического наибольшего значения не будет вызывать деформаций русла. И лишь в том случае, когда подача их в поток будет производиться в количестве, большем транспортирующей способности потока по транспорту, будут возникать деформации аккумуляции (Гончаров В.Н., 1962). Наносы и грунты этой крупности будем называть нерусловыми, так как изменение их количества в широких пределах не вызывает деформаций размыва русла. Расход перемещения их не является однозначной функцией главных характеристик потока и крупности этих нерусловых наносов (Гончаров В.Н., 1962).

Эта классификация не заменяет и не отменяет существующей классификации наносов в гидрометрии и водных исследованиях, в которых все наносы делятся на донные (или придонные и влекомые по дну) и взвешенные в зависимости от свойств и различия приборов, которые используются для отбора проб в толще потока и на дне его (Гончаров В.Н., 1962).

6.4.4. Влекомые и взвешенные наносы

«Частицы, передвигаемые короткими и низко расположенными скачками, мы относим к категории «влекомых», частицы же, участвующие в длинных скачках, иногда большой высоты, т.е. располагающиеся, вообще говоря, по всей толще потока, мы относим к категории «взвешенных»» (Великанов М.А., 1948а, с. 420).

6.4.5. Гидродинамическая классификация наносов

Согласно гидродинамической классификации А.В. Караушева (1977), подвижные наносы в зависимости от поведения их в потоке разделяются на четыре категории (табл. 6.1). Критериями являются соотношения между гидравлической крупностью наносов w, м/с и параметрами пульсации: вертикальной составляющей скорости w и w_макс, а также между начальной скоростью влечения частиц v_нач и средней скоростью потока v_ср, м/с.

Гидродинамическая классификация наносов (по А.В. Караушеву, 1977)

Категория	Соотношение между параметрами наносов и потоков	Определение
I	w<w	Наносы, устойчиво взвешенные
II	w<w<w_макс	Наносы, неустойчиво взвешенные
III	w>w_макс; v_нач< v_ср	Наносы, перемещаемые путём влечения
IV	v_нач> v_ср	Непередвигаемые при данном режиме наносы

6.4.6. Причины взвешивания частиц

По Джеффрису (Jeffreys H., 1929), подъёмная сила возникает из-за градиента осреднённых скоростей течения у дна потока. Согласно другой точке зрения (Великанов М.А., 1944; Михайлова Н.А., 1966) отрыв частиц вызывается вертикальными составляющими пульсационных скоростей турбулентных потоков. Большинство же исследователей (Гончаров В.Н., 1938; Bagnold, 1956; Россинский К.И., 1968) видят причину отрыва в несимметричном обтекании частиц у дна. При этом допускается, что отрыв частиц от дна может происходить даже в те моменты, когда направленные вверх вертикальные компоненты скорости отсутствуют. Подскакиванию частиц способствуют удары о дно при их выпадении из потока (Россинский К.И., 1972б).

6.4.6.1. Диффузионная теория

Диффузионная теория движения наносов – теория взвешивания и перемещения потоком наносов, в основе которой лежит общее уравнение турбулентной диффузии. Диффузионная теория наиболее полно развита в работах В.М. Маккавеева.

Процесс распространения в потоке частиц с отличающимся от воды удельным весом рассматривается как диффузионный при особом учёте действия силы тяжести на частицы. Теория изучает условия рассеяния взвешенных (растворённых) веществ в потоке и их переноса из зон бόльшей в зоны меньшей концентрации. Движение частиц рассматривается как состоящее из переносного движения вместе с объёмом воды, участвующим в вихревом турбулентном движении, и поступательного движения поток и их относительного движения под влиянием силы тяжести внутри указанных объектов. Скорость относительного движения частиц принимается одинаковой в потоке и в неподвижной воде и называется гидравлической крупностью частиц. Интенсивность турбулентного перемешивания у взвешенных веществ пропорциональна градиенту их осреднённой (во времени) концентрации. Коэффициентом пропорциональности является коэффициент турбулентной диффузии, находимый по формулам, в значительной мере основанным на эмпирических данных. На основании диффузионной теории получены существенные результаты, позволяющие решать, хотя пока и приближённо, многие практические задачи, относящиеся к движению наносов в реках и водохранилищах и к деформации их ложа (Чеботарев А.И., 1978, с. 91-92).

Изложенная теория представляет собой распространение на движение взвешенных наносов схемы вертикального переноса невесомой субстанции, разработанной В. Шмидтом и хорошо оправдавшей себя на переносе тепла, растворов и других действительно невесомых субстанций. Применение этой теории к весомой субстанции исторически возникло из стремления принять для анализа этого сложного явления уже готовую, хорошо разработанную теоретическую схему. М.А. Великанов (1948а, с. 449) доказывает, «что перенос этой схемы на данное явление было, несомненно, принципиально ошибочным».

Диффузионная теория взвешивания наносов получила широкое распространение в гидрологии и в динамической метеорологии, как в нашей стране, так и за рубежом. В Советском Союзе применительно к гидрологическим объектам указанная теория развивалась, помимо В.М. Маккавеева, М.А. Великановым (1955), а в последующие годы И.И. Леви (1957), А.В. Караушевым (1948, 1951, 1960, 1969), И.Ф. Карасевым (1975) и др., применительно к динамике прибрежной зоны моря Г.С. Башкировым (1961). Из зарубежных работ имеют известность исследования М.П. О’Брайена (1933), В.А. Ванони (1944).

6.4.6.2. Гравитационная теория

Гравитационная теория движения наносов – теория перемещения потоком взвешенных наносов, в которой в явной форме осуществляется учёт работы потока на взвешивание и транспорт тяжёлых частиц в поле действия силы тяжести. Предложена М.А. Великановым в 1944 г.

Гравитационную теорию движения наносов М.А. Великанов (1948а, с. 17) называет «новой и правильной теорией, возникшей на основе представлений теории вероятностей и гидромеханики с использованием всех имеющихся экспериментальных материалов». Эта теория носит название «гравитационной», поскольку в основу её положен учёт энергии, затрачиваемой потоком на перенос тяжёлых частиц во взвешенном состоянии. Решение задачи о транспортирующей способности потока и о распределении наносов по вертикали в гравитационной теория движения наносов осуществляется путём составления уравнения баланса энергии наносонесущего потока с установившейся концентрацией наносов. При этом учитывается количество потенциальной энергии, освобождающейся при переходе массы потока с более высоких отметок на низшие, а также работа сил сопротивления жидкой фазы и работа, затрачиваемая на перенос частиц во взвешенном состоянии (Чеботарев А.И., 1978, с. 77).

6.4.6.3. Критика гравитационной и диффузионной теорий

А.В. Караушев (1977) сообщает, что по поводу теории М.А. Великанова в своё время было высказано много критических замечаний (А.Н. Колмогоровым, И.И. Леви, В.М. Маккавеевым, А.Д. Грешаевым), «с которыми нельзя не согласиться». Весьма существенным замечанием было, например, высказывание А.Н. Колмогорова о том, что работа, затрачиваемая потоком на поддержание тяжёлых частиц во взвешенном состоянии, черпается из пульсационной энергии, а не непосредственно из энергии осреднённого движения, как было принято в гравитационной теории. Замысел М.А. Великанова об учёте обратного воздействия транспортируемых наносов на поток остался в его теории нереализованным, и для взвесенесущего потока он использовал обычные гидравлические соотношения, полученные для чистой воды (Караушев А.В., 1977).

С.М. Анцыферов и В.К. Дебольский (1973, с. 310) пишут, что «обнаружено значительное расхождение экспериментальных данных с гравитационной и диффузионной теориями в придонной области как поступательного, так и волнового потоков при анализе распределения концентрации наносов не очень мелких фракций (Анцыферов С.М. и др., 1969; Виноградова В.И., 1962; Мамедов М.А. 1967; Михайлова Н.А., 1966)». Определено, что максимум концентрации располагается на некотором малом расстоянии от дна (Котков В.М. и др., 1970; Михайлова Н.А., 1952).

6.4.7. Движение частичек наносов

Переносимые турбулентными водными потоками наносы по характеру их движения делятся обычно на три вида: донные (влекомые), перемещающиеся перекатыванием; придонные (сальтирующие), перемещающиеся скачкообразно, так что длина скачка в несколько раз превышает его высоту; взвешенные, перемещающиеся в потоке на сравнительно большие расстояния в виде взвеси (Россинский К.И., Любомирова К.С., 1972, с. 50).

Скачкообразное движение наносов изучено слабее остальных видов их перемещения, хотя впервые о нём упоминал более ста лет назад Дюпюи. Первые экспериментальные исследования сальтирующих наносов были проведены Джильбертом (Gilbert G.K., 1914), а первое теоретическое описание их движения дано Х. Эйнштейном, предложившим статистическую теорию скачкообразного движения частиц (Einstein Н.А., 1942). В этом же направлении работал и М.А. Великанов (1955). Багнольд (Bagnold R.A., 1966) связывал сальтирующее движение с работой, затрачиваемой потоком на преодоление трения, развивающегося на дне вследствие движения воды и соударения частиц. Близкий приём решения задачи предложен и И.В. Егиазаровым (1949). В основу перечисленных работ положены общие представления о механике движения потоков, влекущих наносы, и их содержание ограничено построением аналитических выражений только для расхода влекомых наносов, иногда даже без учёта влияния пульсации скоростей воды (Егиазаров, 1949; Bagnold, 1966). Детали движения частиц при этом не рассматривались. Характерные особенности движения прыгающих частиц, однако без обобщения результатов наблюдений, были показаны П. Данелем, Р. Дюрандом и Е. Кондолионсом (Danel P. et al, 1953) путём экспериментальных исследований (Россинский К.И., Любомирова К.С., 1972).

Н.А. Михайлова (1966) по данным своих лабораторных наблюдений построила кривые распределения высот и длин скачков для песчаных наносов. В работе В. Цушивы (Tsuchiva V., 1969) рассмотрена кинематика прыгающих частиц в предположении, что сальтация происходит в результате их отскакивания при ударе о дно. Для выяснения механизма движения таких частиц использовались также лабораторные данные о гидродинамических силах, действующих на шар, обтекаемый воздухом вблизи от горизонтальной плоскости (Euteneuer G.A., 1969). К.И. Россинским и К.С. Любомировой (1969) была предпринята попытка установить на основании большого экспериментального материала основные кинематические характеристики явления сальтации твёрдых частиц с учётом пульсации скоростей в турбулентном потоке.

6.4.8. Формулы расчёта расхода наносов

Расход донных наносов связывается или с силой влечения (Kreuter, 1914; Einstein, 1942; Егиазаров, 1949; Гончаров В.Н., 1954) или с расходом воды (Schoklitsch A., 1926; Jeffreys H., 1929; Meyer-Peter, Müller, 1948; Никитин Я.А., 1951), или со средней скоростью потока (Гончаров В.Н., 1938; Леви И.И., 1948; Донат Е.Б., 1957; Талмаза, 1963). В основу большинства формул последней группы легли опыты (Дементьев М.А., Вайнович П.А., 1932), показавшие, что средняя скорость качения наносов по дну равна разности между скоростью потока и непередвигающей скоростью.

Известны многие другие формулы расхода наносов, например, авторов: В.М. Маккавеев (Маккавеев В.М., Коновалов И.М., 1940), П.Е. Мейер-Петер (Meyer P.E., Mueller R., 1948), М.А. Великанов (1949), А.В. Караушев (1951, 1960), Г.В. Лопатин (1952), В.Н. Гончаров (1954, 1962), А.Н. Гостунский (1954), И.И. Леви (1957), Г.И. Шамов (1959), И.В. Егиазаров (1964), К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1964), И.Ф. Карасев (1965), Г.В. Железняков и В.К. Дебольский (1968), Хербетсон (Herbrtson J., 1969), С.М. Анциферов и В.К. Дебольский (1969), Р.Г. Вафин (1970), В.Ф. Талмаза (1973), К.В. Гришанин (1974), Коган Л.Б. (Дебольский В.К. и др., 1976), А.Г. Ратнер (1977), Ф.М. Чернышев (1980), Н.И. Россинский Н.И. и В.К. Дебольский (1980), И.Ф. Карасев (1988), Н.С. Знаменская, (1992). Обстоятельный обзор и наиболее полная коллекция формул расхода наносов (несколько сот) сделана А.Б. Швидченко (Shvidchenko A.B., 2000).

Сток влекомых наносов может быть рассчитан по методике Н.И. Алексеевского (Алексеевский Н.И., Гайкович А.Б., 1987; Алексеевский Н.И., 1998), основывающейся на зависимости параметров и скорости смещения гряд от порядка реки с учётом различий в условиях их формирования в основные фазы водного режима (половодье, межень).

Наряду с разработкой большого количества формул по расчёту расхода наносов настолько же велика и критика этих формул другими авторами. Например, М.Е. Аскурава и др. (1988, с. 96) утверждают, что формулы для транспорта влекомых наносов, рекомендуемые в «Руководстве по гидрологическим расчетам…» (1983), а также популярная во всём мире формула П.Е. Мейер-Петера для горных условий непригодны, так как они дают полную транспортирующую способность потока, которой в горных условиях поток почти никогда не достигает, за исключением расходов редкой повторяемости, когда происходит срыв самоотмостки. Сопоставление расчётов по наиболее известным формулам с натурными измерениями расхода донных наносов горных рек Кавказа и Средней Азии (Рухадзе Н.В., 1983) показало, что по формулам расход получается на один-два порядка выше измеренного.

Ввиду трудности переноса экспериментальных результатов с лабораторных лотков на полевые условия, особенно в случае наличия галек и валунов, и практически полного отсутствия надёжных полевых измерений трудно рассчитывать на какое-либо немедленное улучшение этих формул. «В лучшем случае формулы для донных наносов можно использовать в ограниченном диапазоне размеров частиц и условий течения, при которых они были выведены» (Пейнтер Р.Б., 1980, с. 207). Применять же их для прогноза транспорта наносов можно только для коротких участков прямоугольного русла с однонаправленным течением (Пейнтер Р.Б., 1980). Для расчёта расхода влекомых наносов предложено много формул, однако до сих пор не было получено зависимости, достаточно хорошо описывающей процесс срыва и транспортирования крупных фракций наносов в придонном слое (Караушев А.В., Романовский В.В., 1986, с. 14).

Н.С. Знаменская (1992, с. 109) показала, что из-за самой структуры формул результаты по ним могут различаться на порядок. «При попытках использовать эти формулы в других условиях выявлялось их расхождение с натурными данными, что вызывало к жизни новые формулы, с которыми всё повторялось снова». «Проблема расчёта расхода донных наносов из года в год отмечается как одна из важнейших. Думается, что в ней, как и в проблеме гидравлических сопротивлений, нужны какие-то новые подходы, учитывающие те её стороны, которые оставались в тени» (с. 110). Например, возможен подход расчёта расхода наносов не по параметрам русла и потока, а всего водосбора и всей реки, т.е. на более высоком системном уровне.

6.4.9. Способы измерения расхода наносов

В настоящей работе наиболее важны русловые (влекомые) наносы, которые играют более весомое влияние на русловые деформации, чем нерусловые (взвешенные) наносы, поэтому далее описаны способы измерения русловых (по отношению к руслоформирующей деятельности) или влекомых, донных (по способу измерения) наносов.

Наиболее давним способом измерения расхода влекомых наносов являются батометры, погружаемые на дно реки. Батометры для измерения расхода донных наносов представляют собой металлические ловушки различных конструкций, устанавливаемые на дно потока. «Достаточно надёжной конструкции батометра этого типа ещё не создано» (Чеботарев А.И., 1978, с. 15). Впервые батометр для улавливания влекомых наносов в виде мешка, опускаемого на дно с помощью гидрометрической штанги, был предложен в 1908 г. Ф. Шаффернаком (1938). В Советском Союзе первый батометр был сконструирован в 1925 г. В.Н. Гончаровым (1938). Вскоре появились донные батометры конструкции М.К. Пастрюлина, Б.В. Полякова, Г.И. Шамова, «Дон», А.Б. Клавена, донная ванночка Б.А. Апполова и др. (Чеботарев А.И., 1978). Наиболее удачным прибором оказался батометр, сконструированный в ГГИ в 1947 г. Г.И. Шамовым (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983). Большое количество батометров-ловушек появилось за рубежом, среди которых следует признать наиболее удачными венгерский батометр Кароли и батометр Новака, разработанный в ЧССР (Методика…, 1972).

Все конструкции батометров-ловушек не обеспечивают необходимую точность измерения расходов донных наносов, так как в месте их установки существенно искажается процесс перемещения наносов; не решённым остаётся до сего времени вопрос и о необходимой продолжительности измерения в каждой точке потока: при коротких выдержках измерения не отразится влияние на расход наносов существующей пульсации в их движении, а при длительных не исключена возможность подмыва батометра и движения наносов в обход прибора. Многочисленные исследования убедительно показали, что внесение в поток громоздких батометров-ловушек приводит к весьма значительным искажениям скоростного поля вокруг батометра и изменениям интенсивности движения твёрдых частиц. Последнее обуславливает большие, зачастую недопустимые погрешности измерения. Установлено, что в зависимости от типа батометра и характеристик потока коэффициент эффективности батометров со сплошными стенками составляет 0,02-0,4. Наблюдения водолазов за условиями захвата влекомых наносов лежащими на дне батометрами (наблюдения осуществлены на р. Волге под руководством К.И. Россинского) свидетельствуют о том, что в зависимости от ориентации прибора по отношению к направлению движения гряд и места его расположения на гряде (гребень, подвалье и т.п.) происходит засасывание наносов в приёмное отверстие прибора или, наоборот, движущиеся частицы наносов обходят прибор (Раткович Д.Я., 1966, с. 139). При такой низкой эффективности применение подобных приборов следует считать мало целесообразным, в связи с чем их использование за последние десятилетия существенно снизилось (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983, с. 56). Более совершенными ловушками следует считать батометр-сетки, которые, как правило, используются для измерения расходов влекомых наносов горных рек.

В мировой практике для измерения транспорта наносов всё больше начинают применяться различные физические методы, основанные на использовании телевидения, ультразвука, трассеров и т.д. Однако эти измерения являются косвенными: они основаны на связях между характеристиками транспорта наносов и показаниями физических приборов. Другими существенными недостатками ряда подобных методов являются различные нежелательные помехи, вносящие искажения в полезные сигналы, отражающие движение наносов (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983, с. 57).

Наиболее распространёнными физическими методами следует считать методы, основанные на использовании различного рода трассеров (Sediment transport…, 1974), позволяющих получать информацию о траекториях и скоростях движения частиц влекомых наносов. Применяют несколько видов трассеров. Одними из первых стали применять трассеры в виде тяжёлых минералов. Они вводятся в поток на некотором начальном створе. Через определенные интервалы времени и на различных расстояниях от этого створа отбираются пробы донных наносов, включающих трассеры. Движение тяжёлых частиц отличается от движения основной массы наносов, и поэтому получаемые с помощью такого метода результаты могут только приближённо характеризовать транспорт наносов. Методика применения трассеров недостаточно отработана. С её помощью пока нельзя непосредственно получать расход влекомых наносов (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983).

Акустические методы измерения расхода наносов. Первые эксперименты по созданию приборов для улавливания звуков, производимых движущимися частицами наносов, были выполнены В.Г. Глушковым в начале 30-х годов. Несколько позднее (1942 г.) во Франции был разработан акустический детектор (Bogardi J., 1974; Stichling W., 1969). В 1952 г. М. Джюньет (Stichling W., 1969) разработал акустическую систему, состоящую из первичного преобразователя в цилиндрической оболочке с вилкой на нижнем конце. Вилка прибора погружается на несколько сантиметров в дно потока. Вибрация вилки от ударов частиц воспринимается детектором, передающим сигнал на усилитель и магнитофон. Л. Ивичич и М. Бедеус (Stichling W., 1969) в 1963 г. сконструировали прибор, воспринимающий звуковые колебания, вызываемые соударением друг с другом частиц влекомых наносов. В этом приборе датчиком является вмонтированный в обтекаемое свинцовое тело микрофон, сигналы от которого через усилитель передаются в измерительное устройство, снабжённое частотным фильтром. Прибор подвешивается на небольшом расстоянии от поверхности дна и не вносит заметных искажений в скоростное поле придонной области потока. Прибор применялся на р. Дунае для изучения пульсации расходов влекомых наносов крупнее 1 мм и дал хорошие результаты.

Электрические методы измерения расхода наносов. Электрическое поле в водных потоках формируется под влиянием многих факторов, изменяющихся во времени. Наиболее существенным из них является движение проводящей среды (таковой в данном случае является речной поток) в магнитном поле Земли – образуется электродвижущая сила (ЭДС). Другим фактором образования ЭДС являются электрохимические процессы, происходящие при взаимодействии веществ в водной среде. Кроме того, значительное влияние оказывает контактная ЭДС, которая возникает при резком изменении электропроводности среды (соприкосновение твёрдой и жидкой фаз). Напряжённость электрического поля в потоке благодаря действию выше перечисленных факторов создаётся вполне значительная, и её измерение с помощью современной аппаратуры вполне реально. При появлении в потоке движущихся наносов интенсивность магнито-динамических процессов изменяется. Регистрируется при этом разность потенциалов между двумя точками потока с помощью контактных датчиков-электродов (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983).

Изучению естественного электрического поля потока посвящены весьма обстоятельные работы П.А. Козловского (1934) и В.В. Александрова (1972). Полевые работы проводились на горной р. Талгар у гидроствора Талгар. Расходы воды в реке в период измерений составляли 25-35 м³/с, скорости течения изменялись от 2,0 до 3,0 м/с, ширина реки до 20 м и глубина до 1,3 м. Первичные преобразователи, укреплённые на концах штанг, устанавливались на дно потока в гидрометрическом створе на различном расстоянии друг от друга. Одновременно с записью естественного электрического поля производилось измерение расходов влекомых наносов с помощью батомтеров-сеток. В результате выполненных полевых работ получены записи колебаний разности потенциалов между электродами, расположенными на дне гидроствора. Колебание напряжения естественного поля пропорционально интенсивности движения наносов на гидростворе (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1983).

В 1965 г. в ГГИ Н.Я. Соловьев (1969) разработал регистратор движения частиц крупных наносов массой от 20 до 300 г, движущихся в придонном слое потока. Прибор основан на принципе преобразования в электрический сигнал энергии соударения движущейся в потоке частицы с пластиной прибора. Ш.Р. Поздняков развил этот подход и предложил использовать металлическую штангу, опускаемую на дно потока для регистрации ударов наносов с целью определения расхода наносов.

Метод расчёта стока влекомых наносов по деформации (переформированию) речного дна известен с конца XIX века. Б.В. Поляков (1935) использовал для этого переформирования в системе плёс–перекат. Г.В. Лопатин (1952) при изысканиях на реках Волге, Луге и Кемке в 1934 г. рассчитывал расход влекомых наносов q_s по данным о высоте h и скорости смещения с_г гребней гряд q_s=(1-p)σhc_г, где σ – коэффициент формы гряды (0,5-0,6), p – пористость донных отложений (Сидорчук А.Ю., 1992, с. 70).

Вопросу определения стока влекомых наносов по движению гряд посвящено значительное количество исследований как в лабораторных, так и в натурных условиях – А.К. Проскуряков и Б.В. Проскуряков (1938), К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1950), Г.В. Лопатин (1952), Н.А. Михайлова (1958), В.Е. Любимов (1960), Д.Я. Раткович (1966), Н.С. Знаменская (1974), А.В. Караушев (1977), Б.Ф. Снищенко (Кондратьев Н.Е. и др., 1982), А.В. Караушев и др. (1983), А.Ю. Сидорчук (1992), Н.И. Алексеевский (1998). Например, исследование движения донных гряд было поставлено под руководством Д.Я. Ратковича (1966) в 1953 г. на р. Амударье у пос. Лавак и на головных участках двух крупных ирригационных каналов Кыз-Кеткен и Таш-Сака. Выяснено, что на участке р. Амударьи кучевидные гряды перемещаются со скоростью порядка 1-2 м/час (Раткович Д.Я., 1966).

Однако, выяснено, что непосредственное применение формулы без введения поправок не всегда удачно, потому что «частицы «перескакивают» через 2-3 рифеля» (Лапшенков В.С., 1999, с. 23). В лаборатории q_тр может быть измерен по разности объёмов наносов, аккумулирующихся в отстойнике и транспортируемых в форме гряд. По данным 96 экспериментов (Simons D.B. et al, 1965), где расход наносов измерялся по наполнению отстойника q_факт и рассчитывался по формуле – q_расч в 57% случаев q_факт>q_рассч, т.е. наблюдается транзит наносов. При этом q_факт превышал q_рассчв 50% экспериментов с песком диаметром 0,93 мм, когда частицы наносов не взвешивались, а перемещались только во влекомом состоянии. В экспериментах коэффициент транзитности наносов K_тр=(q_факт-q_рассч)/q_факт достигал 0,85. (Сидорчук А.Ю., 1992, с. 72).

На основании обзора методов измерения расхода влекомых наносов можно сделать вывод, что «приборы для надёжного измерения расходов влекомых наносов отсутствуют» (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1988, с. 54). «Измерить суммарное количество донных наносов возможно только при помощи траншеи, устраиваемой в дне реки. Попавшие в траншею наносы должны непрерывно извлекаться и взвешиваться. Последнее обстоятельство по экономическим соображениям позволяет применять этот метод только на малых реках» (Пейнтер Р.Б., 1980, с. 201). «Достоверную информацию о расходе наносов можно получить только при непрерывном отборе проб» (Нордин К.Ф., 1987).

Непрерывное измерение донных наносов проводилось на реке Ост-Форк в США (Leopold L.B., Emmet W.W., 1965). Отбор проб донных наносов осуществлялся ловушкой, спроектированной для непрерывного отбора проб по всей ширине потока при низких и средних расходах воды и по отдельным сегментам поперечного сечения при высоких расходах воды. Донные наносы, поступившие в ловушку, переправлялись на берег с помощью приводного ремня и опрокидывающихся бункеров, где они собирались и непрерывно взвешивались.

6.5. Эксперимент по определению параметров расхода наносов

6.5.1. Описание эксперимента

Эксперимент, в котором был воспроизведён осерёдковый тип руслового процесса, осуществлён автором и М.М. Гендельманом в 1996 году в отделе русловых процессов ГГИ (Kondratyev A.N., 1998). Эксперимент проводился в лотке со стеклянными стенками. Ширина лотка 2,0 м. Длина 50 м. Первоначально вода подавалась из нижнего резервуара в верхний при помощи насоса с производительностью 80 л/с. В лоток вода подавалась из верхнего бака. Расход воды регулировался вентилем на головном баке лотка с водосливом треугольного профиля, габионами и пенопластовыми волногасителями в отстойнике. Лишний расход из основного бака переливался через верх, что обеспечивало постоянство напора и, соответственно, подаваемого на лоток расхода воды. Ноль бака лотка был определён объёмным способом, а затем величины расходов воды высчитывались через напор на водосливе по формуле Кинга. В нижней части установка оборудована регулируемым горизонтальным сливом. На стёклах были приклеены 40 миллиметровок через 1 метр, нули которых определялись по горизонтальной поверхности стоячей воды. Перед началом эксперимента дно было выложено из песка средним диаметром 0,33 мм и выглажено под плоскость с уклоном 0,0022 вручную рейкой по двум направляющим у стекол, которые выставлялись по миллиметровкам, наклеенным на стёкла лотка. Заполнение лотка водой на выложенный песок производилось снизу небольшим расходом до глубины около 3 см в верхней части лотка. Затем по пяти продольникам через метр по длине линейкой были проведены контрольные промеры глубин. Эксперимент был проведён при постоянном расходе воды, равном 10 л/с.

6.5.2. Пульсации расхода наносов во времени

В нижней части лотка вплотную друг к другу были установлены 8 батометров для улавливания донных наносов. Батометры представляют собой прямоугольные ящики шириной 25 см. Верхний край ящиков располагался ниже подвалий перемещающихся гряд. Через каждые 2 часа производилось измерение объема песка, поступившего в батометры.

Эксперимент продолжался 300 часов. На рисунке 6.1 показан ход значений суммарного расхода влекомых наносов. Видна его временная неравномерность.

Рис. 6.1. Пульсации суммарного расхода влекомых наносов.

Обнаруженные на модели пульсации суммарного расхода влекомых наносов имеют значение для определения необходимого времени выдержки батометра для получения репрезентативного значения расхода влекомых наносов. В таблице 6.2 приведены статистические характеристики наносов при различном периоде осреднения.

Статистические характеристики влекомых наносов при различном периоде осреднения

При увеличении периода осреднения максимальные и минимальные измеренные значения расхода влекомых наносов приближаются к среднему значению. Например, при периоде осреднения 10 часов минимальное измеренное значение меньше среднего в 2,7 раза, и максимальное больше среднего в 1,6 раза. При периоде осреднения 50 часов минимальное измеренное значение меньше среднего в 1,7 раза и максимальное больше среднего в 1,26 раза. Даже при таком значительном периоде измерения – 50 часов – измеренные расходы наносов значительно отличаются от среднего расхода наносов. Из анализа рисунка 6.1 и таблицы 6.2 можно сделать вывод, что время измерения расхода влекомых наносов должно быть большим и значительно превышать то, которые обычно используется при измерении расхода влекомых наносов. Соответственно можно предположить, что большинство существующих данных об измеренных расходах влекомых наносов имеют недостаточную точность за счёт малого периода выдержки батометра.

Существование пульсаций мутности как в естественных, так и в лабораторных условиях было известно давно (Великанов М.А., 1958). «Руслоформирующий поток в результате взаимодействия с руслом характеризуется в общем случае изменением расхода перемещаемых наносов во времени и пространстве» (Факторович М.Э., 1970, с. 33). «Для процессов транспорта русловых грунтов и наносов характерны значительные пульсации расходов перемещения по длительности и амплитуде. Они тем больше, чем меньше расходы перемещения» (Гончаров В.Н., 1962, с. 262). Экспериментальных исследований пульсаций мутности в естественных потоках мало (Михайлова Н.А., 1966), хотя знание её представляет определённый научный и практический интерес. «Пульсация твёрдого расхода, связанная с продвижением отдельных песчаных волн, была отмечена ранее и другими исследователями» (Михайлова Н.А., 1966).

Г.В. Лопатин, которому принадлежит обширная монография «Наносы рек СССР» (1952), оценивает допускаемую погрешность нормы твёрдого стока в 15-20%. Он указывает также на то обстоятельство, что пределы колебания твёрдого стока существенно больше, чем жидкого, если учесть к тому же, что ряды наблюдений стока наносов, как правило, относятся к коротким, то не приходится удивляться значительной погрешности в определении нормы стока.

Исследование пульсации движения влекомых наносов во времени и их распределение по ширине потока с целью оценки погрешностей выполнялось Ш.Р. Поздняковым и В.В. Романовским (1988) на ряде рек Северного Кавказа и Заилийского Алатау. Проведённые ими исследования показали, что вследствие пульсации расходов влекомых наносов в точке (на вертикали) относительные погрешности их измерений могут достигать 800% и более. В результате исследований пульсаций расходов влекомых наносов на вертикали обнаружена довольно хорошо выраженная периодичность, составляющая 35-40 мин. Внутри этих периодов прослеживается более высокочастотная пульсация расходов с периодом, равным 5-10 мин. Относительная ошибка определения единичного расхода влекомых наносов в точке (одной пробы) составила 350%. При осреднении проб за 5-10-минутный период погрешность измерения расхода влекомых наносов в точке снижается до 200%, а при осреднении за 40-минутный период погрешность измерения расхода влекомых наносов составляет около 100%. Таким образом, погрешности измерения расходов влекомых наносов в точке путём отбора проб с помощью батометра-сетки чрезвычайно велики и даже при сравнительно большом периоде осреднения они остаются значительными (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1988).

Для получения точного значения расхода наносов требуется непрерывное или очень долгое время измерения. Этот вывод подтверждает заключение о том, что существует мало верных значений измеренных расходов влекомых наносов.

6.5.3. Неравномерность распределения расхода наносов по ширине потока

В экспериментах М.М. Гендельмана и А.Н. Кондратьева (Kondratyev A.N., 1998) батометры для определения расхода влекомых наносов представляли собой восемь вплотную приставленных ящиков одинаковой ширины, что позволило выявить изменения расхода влекомых наносов по ширине лотка. Результаты измерений, приведенные на рисунке 6.2, позволяют проследить изменение расхода влекомых наносов по ширине. Около 100 часов подавляющая часть наносов поступает в какие-либо 3-4 соседних ящика ближе к краю. В остальные ловушки наносы вообще не поступают или поступают в ничтожных количествах. Затем примерно на 10 часов суммарное количество наносов уменьшается, и наносы беспорядочно распределяются по ширине. Следующие часы почти все наносы начинают поступать теперь уже в другие 3-4 ящика у противоположной стенки лотка.

Совместный анализ временного изменения значений расходов влекомых наносов одновременно по всем 8 батометрам приводит к выводу о неравномерном распределение транспорта влекомых наносов по ширине лотка. Неравномерность эта очень большая: за период между измерениями (2-3 часа) в нескольких батометрах измеренный расход наносов может оказаться равным нулю, в то время как в каком-либо одном ящике может сосредоточиться более 50% от суммарного расхода влекомых наносов за этот период.

Рис. 6.2. Ход расхода влекомых наносов, измеренный каждым батометром.

Подобное распределение расхода наносов по ширине потока получено и Ш.Р. Поздняковым и В.В. Романовским (1988, с. 55). Результаты их измерений показали, что транспорт влекомых наносов распределяется в пределах живого сечения русла крайне неравномерно и носит так называемый струйный характер, т.е. наносы в придонной области перемещаются струями, которые обтекают встречающиеся на их пути препятствия. Чаще всего эти пути проходят в понижениях дна русла меженной части потока. Выявлено «блуждание» струй с большим количеством наносов и при неизменном уровне воды на створе. Явление «блуждания» струй потока с повышенной концентрацией подтверждает данные Э.В. Костюченко и А.Н. Крошкина (1964), которые проводили синхронные измерения расходов влекомых наносов и констатировали полное отсутствие корреляционной связи между расходами на соседних вертикалях. Расходы наносов, вычисленные на основании эталонного расхода по сокращённому вдвое количеству вертикалей (по чётным и нечётным), могут различаться между собой более чем в 4 раза (Поздняков Ш.Р., Романовский В.В., 1988).

Для проверки расчётных формул расхода донных наносов необходимы натурные материалы, полученные по разным рекам, расположенным в разных географических зонах, характеризуемых разными уклонами местности, грунтами в долинах рек и условиями питания, обусловливающими различие их водного режима и русловых процессов (Н.С. Знаменская, 1992, с. 118).

Эталон необходимо усовершенствовать, чтобы в дальнейшем точнее проверять существующие формулы. Н.С. Знаменская полагает, что для этой цели неплохо бы использовать отвергнутые в середине века батометры. Погрешности, получающиеся при их использовании за счёт искажения местных скоростей течения, равны процентам или десяткам процентов. Неучёт же пространственной изменчивости расхода донных наносов по участку приводит к погрешностям в тысячи процентов. Одновременное использование десятков батометров в зависимости от размеров объекта позволит устранить влияние пространственной изменчивости на средний расход наносов и получить надёжный эталон для проверки формул. Следует иметь в виду изменчивость расхода донных наносов вдоль гряды при активном её смещении и уменьшение расхода донных наносов при неравномерном течении за счёт уменьшения скорости течения (Н.С. Знаменская, 1992, с. 125).

6.5.4. Связь пульсаций наносов с прохождением мезоформ

С целью определения причины типов русловых процессов изучена связь распределения расхода влекомых наносов по ширине потока с прохождением мезоформ. В рассматриваемом эксперименте наблюдался осерёдковый тип русловых процессов. Из наблюдений было выяснено, что при этом типе в передней и центральной части осерёдка движения песка нет, и расход влекомых наносов равен нулю. В понижении у противоположного берега в это время до прихода следующей мезоформы сосредоточен почти весь сток наносов. Описанная схема транспорта влекомых наносов отличается от той, которая существует при побочнях. При побочневом типе руслового процесса, наоборот, бóльшая часть расхода влекомых наносов идёт по периферии побочня, а в плёсе транспорт слаб.

Таково качественное различие распределения расхода влекомых наносов по ширине русла при побочневом типе руслового процесса и русловой многорукавности. При русловой многорукавности максимум влекомых наносов идёт по понижению между осередками. При побочневом типе руслового процесса, наоборот, в плёсах наблюдается минимум расхода влекомых наносов.

Эта различие в свойствах связана с разными видами обтекания мезоформы, качественно различным распределением скоростей течения над побочнем и осерёдком. Если высота возвышения небольшая, то поток легко перетекает через него, и над таким возвышением происходит увеличение скорости. Если высота возвышения значительная, то поток не может “перескочить” через него, обтекает мезоформу, и над ней происходит уменьшение скорости. При русловой многорукавности поток обтекает осерёдок, и максимум как скоростей течения воды, так и расхода влекомых наносов приходится на понижения. При побочневом типе русловых процессов, наоборот, поток сжатым сечением перетекает через побочень, максимум скоростей приходится на побочень, что приводит к активному транспорту наносов по такой мезоформе.

При русловой (осерёдковой) многорукавности наносы, находящиеся в теле осерёдка, фактически не принимают участия в переотложении, они представляются лишними для потока и обтекаются потоком. При побочневом типе поток активно транспортирует наносы, находящиеся на поверхности побочня.

Рассмотрение с энергетической точки зрения приводит к выводу о том, что при русловой многорукавности транспортирующей способности потока не хватает на транспорт всех наносов, поступающих на рассматриваемый участок реки. При побочневом типе русловых процессов транспортирующей способности потока хватает для активного транспорта всех наносов, подаваемых на этот участок верхним створом. При побочневом типе руслового процесса энергии, транспортирующей способности много, наносов относительно мало. При русловой многорукавности, наоборот, энергии для транспорта наносов мало, транспортирующая способность потока относительно мала, наносов относительно много. Можно предположить, что русловая многорукавность является противоположностью побочневого типа.

Это является подтверждением гипотезы о том, что русловая многорукавность является результатом перегрузки русла наносами, а побочневый тип является противоположностью русловой многорукавности.

6.6. Выводы

Анализ сущности транспортирующей способности потока и расхода наносов позволило выяснить, что эти величины, в общем случае, не равны друг другу. Расход наносов является результирующей от сочетания величин транспортирующей способности потока и поступления наносов на рассматриваемый участок реки.

Обзор методов измерения влекомых наносов показал, что на сегодняшний день не существует приборов или методов для точного определения расхода влекомых наносов. Определение расхода наносов по параметрам гряд также может иметь неточности из-за неучёта коэффициента транзитности наносов. Ошибки измерений могут достигать тысяч процентов. На основе экспериментов выявлены пульсации расходов наносов. Выявлена значительная неравномерность в распределении расхода влекомых наносов по ширине потока.

Обзор существующих формул показывает, что не существует формулы расхода наносов, которая обеспечивала бы достаточную точность вычислений расходов наносов. Одной из причин этого также является отсутствие надёжных данных по натурным измерениям расходов наносов.

Возможно, необходим другой подход к оценке расхода наносов, который может быть основан не на параметрах потока и частиц наносов, т.е. на системном (структурном) уровне «наносы–поток», а по параметрам водосбора и реки в целом, т.е. на системном уровне «водосбор–река».

Абсолютные значения величин расхода наносов, транспортирующей способности, поступления наносов плохо измеряемы, и знание их конкретных величин мало даёт для практики. Для оценки изменений параметров русла и типов русловых процессов более важны относительные значения.

Необходимо опираться на начальные условия формирования русел, т.е. существующие формы руслового процесса и соответствующие им начальные, пусть неизвестные количественно сведения о главных руслоформирующих факторах.

Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешнего воздействия, а более важно знать направление (вектор, степень) изменения руслоформирующих факторов. Например, сведения о том, что каким-либо образом произойдёт увеличение поступления наносов с водосбора или верхнего участка даёт сведения о превышении поступления наносов над прежней транспортирующей способностью, на основе чего можно сделать прогноз изменения морфологических образований.

6. Транспортирующая способность потока и расход наносов

6.1. Формулировка гипотезы