Расчеты изменений речного русла, твердый и растворенный сток рек

До сих пор мы говорили о расчетах, относящихся к области водного баланса и водного режима рек. Но река состоит не только из водного потока, но и из русла и поймы. Все эти три элемента реки находятся между собой в тесном взаимодействии.

Постоянные изменения речного русла и поймы под действием текущей воды (речного потока), называющиеся русловым процессом, неразрывно связаны с транспортом наносов потоком. Каждая река получает в результате эрозии с поверхности своего водосбора определенное количество наносов.

Количество и крупность, или гранулометрический состав, наносов, поступающих в реку, зависят от крутизны склонов водосбора, которая определяет скорость стекания воды, от количества воды, которое находится в зависимости от атмосферных осадков, от сопротивляемости грунтов размыву и множества других факторов. Наносы, полученные с водосбора, поток вынужден транспортировать - переносить вниз по течению. Если условия для их переноса благоприятны, наносы проходят по руслу транзитом. В других случаях наносы временно накапливаются в русле и на пойме, а в последующем размываются и переносятся вниз по течению. Таким образом, любая деформация русла и поймы реки связана с изъятием наносов из потока или с их поступлением в реку. Большое влияние на перенос наносов рекой оказывает ее водный режим и местные препятствия размыву и отложению частиц.

Горная река

В России основоположником учения о формировании речных русел стал видный инженер-путеец, гидротехник и гидролог В. М. Лохтин (1849-1919). Его фундаментальные труды в области руслообразования относятся к концу прошлого века, когда с развитием речного судоходства, и, как следствие, ростом землечерпательных работ усилился интерес к вопросам формирования русел. Пионером систематического изучения наносов и разработки методов их измерений в России был В. Г. Глушков.

В последние годы в Государственном гидрологическом институте создано направление в теории руслового процесса, получившее название гидроморфологического - в нем сочетаются методы, применяемые в. геоморфологии, гидрологии и гидродинамике.

Анализ обширных исследований, огромного картографического материала прежних последовательных наземных съемок, а также аэрофотоснимков отдельных участков речных русел позволил типизировать схемы деформации речного русла и поймы. При выделении типов руслового процесса была разработана система признаков, позволяющих обнаруживать по картографическим и аэрофотосъемочным материалам, по какой схеме изменяется речное русло и пойма на исследуемом участке. Были также разработаны приемы количественной оценки типов руслового процесса. Таким образом, теперь можно заранее предвидеть, как будут развиваться русло и пойма реки, и на этой основе выбирать участки, благоприятные и неблагоприятные для тех или иных сооружений на реках. Это обеспечивают рациональное размещение сооружений на берегах и в поймах рек, подбор их оптимальных конструкций и средств защиты от неблагоприятных воздействий руслового процесса.

Так как, рассчитывая поведение речного русла в месте будущего сооружения, определяют будущее состояние русла, такие расчеты можно относить и к прогнозам.

Говоря об исследовании, расчете и прогнозе изменений речного русла, следует подробнее остановиться на одном, уже упомянутом, факторе руслового процесса - количестве переносимых рекой наносов. Стоком наносов называют суммарное их количество в тоннах, проносимое рекой за определенный промежуток времени, обычно за год. Сток наносов зависит в основном от мутности воды, т. е. содержания взвешенных веществ в единице объема воды (г/м³ или мг/л), и от расхода (водонос-ности) реки.

Мутность рек в СССР увеличивается в общем с севера на юг, в пределах лесной зоны она составляет 10-50 г/м³, а в южных степных районах до 150-500 г/м³, при расчлененном рельефе возрастает до 500-1000 г/м³. Соответственно изменяется и сток взвешенных наносов - у северных рек он сравнительно невелик (у Северной Двины - 10 млн. т в год, у Оби - 13, у Енисея - 17, у Лены - 7), а у южных достигает иногда огромных значений (у Амударьи - 217 млн. т, у Куры - 36, у Терека - 26 и т. д.). Более всего наносов в мире несет Хуанхэ - 1887 млн. т в год, что объясняется в основном тем, что значительная часть ее бассейна сложена легко размывающимся лёссом, а склоны бассейна круты и безлесны. Ганг выносит к устью 1450 млн. т, Амазонка - 548, Миссисипи - 312, Нил - 11 млн. т взвешенных наносов в год.

Кроме взвешенных наносов, реки выносят в море и растворенные вещества - соли; это так называемый ионный сток рек, или сток растворенных веществ, который выражается обычно в тоннах за год.

Речная вода, как и все природные воды, не бывает химически чистой, в ней всегда содержатся вещества, с которыми она соприкасается в процессе своего круговорота, стекая по почве ли просачиваясь через нее. Вообще речная вода, как правило, ало минерализована, в ней никогда не наблюдается такого количества солей, как в некоторых озерах засушливых и полупустынных областей (например, в озере Эльтон и в Мертвом оре солей содержится около 260 г/л). Это объясняется быстрой сменой воды в речных руслах, происходящей в среднем (во всем мире) через каждые 16 дней, в то время как упомянутые озера - бессточны. Минерализация речных вод в течение года резко меняется - она больше всего летом, в межень, когда реки переходят на питание подземными водами, и меньше весной, в половодье, при обильном питании рек слабоминерализованными талыми водами.

Так же, как и мутность, минерализация речных вод увеличивается в общем с севера на юг. Например, минерализация воды Невы поставляет 49 мг/л, Печоры - 40, Яны - 47, Северный Двины - 24, но на юге минерализация Эмбы достигает 1641 мг/л, Ишима - 1212, Калауса даже 7904 мг/л, т. е. около 8 г солей на 1 л.

Вода, в которой содержится менее 1 г растворенных солей на литр, считается пресной водой, а вода, в которой содержится от до 50 г/л,- соленой. При содержании более 50 г/л солей получается рассол.

Сток растворенных веществ в устьях крупных рек СССР достигает многих миллионов тонн в год, например: у Северной Двины - 17 млн. т, Невы - 3, Волги - 46, Оби - 30, Лены - 41 млн. т и т. д. Всего с территории Советского Союза реки выносят около 335 млн. т растворенных веществ в год, а со всей суши - около 3 млрд. т!

От количества наносов в реках зависит не только характер изменения их русла, но и скорость заиления водохранилищ.

Заилением называется процесс заполнения водохранилища наносами, принесенными впадающими в водохранилище реками. Наносы отлагаются в водохранилище оттого, что скорость течения воды перед плотиной, образующей водохранилище, уменьшается и вода не может больше поддерживать наносы во взвешенном состоянии. Заиление уменьшает, а иногда совсем уничтожает емкость водохранилищ, ради которой их сооружают. Процесс этот, в особенности у водохранилищ, в которые впадают реки с большой мутностью, протекает довольно быстро, например, водохранилище Земо-Авчальской ГЭС объемом 12 млн. м³ за 6 лет заполнилось наносами на 60%, после чего процесс заиления прекратился.

Растворенный сток рек, химический состав речной воды, степень ее минерализации, насыщенность ее органическими веществами, ее цвет, прозрачность - от всего этого зависит использование реки в народном хозяйстве (многие отрасли производства, в частности такое водоемкое, как бумажное, очень требовательны к качеству воды). Очень серьезная проблема - "агрессивность" проточных вод, т. е. их способность разрушать строительные материалы (бетон, металлы, известковую кладку и др.), воздействуя на них растворенными солями и газами или выщелачивая их составные части. Значение агрессивного действия воды на бетонные сооружения, например на плотины гидростанций, камеры шлюзов и т. п., настолько серьезно, что в настоящее время при всех крупных гидростроительствах производятся специальные гидрохимические исследования.