5.8.1. Взвешенные и влекомые наносы

Реки транспортируют огромное количество твердого материала (речные наносы), образующегося при размыве (эрозии) склонов долин и русел. Заметную роль в формировании речных наносов играет также выветривание горных пород и почв. Часть этого материала откладывается в поймах рек, в русловых зонах, а часть выносится в океаны и внутренние во­доемы. Водная эрозия является наиболее важным процессом при форми­ровании стока наносов рек. Интенсив­ность водной эрозии зависит в первую очередь от энергии текучих вод. Вода, стекающая по земной поверхности, производит работу (кгм/с)

W = γQΔH, (5.23)

где γ – объемный вес воды, равный 1000 кг/м³; Q – расход воды (м³/с); ΔH – падение участка реки (м). Отсюда легко определить мощность потока в киловаттах. Очевидно, мощность пропорциональна расходу и уклону. Эрозия увеличивается при возрастании Q, т.е. в периоды паводков и половодий.

Однако существуют и факторы, препятствующие размыву русел. Это – свойства почвы, растительный по­кров, состав грунтов и др. К факторам, формирующим сток наносов, отно­сятся также особенности водосборов (разме­ры, уклоны, рельеф и т.п.). Важную роль играют антропогенные факторы (уничтожение раститель­ного покрова, создание водохранилищ). Это приводит к увеличению эрозии, интенсивному смыву почв и возрастанию стока наносов. Поступившие в русла наносы транспортируются водным потоком вниз по течению.

Факторы формирования твердого стока можно разделить на климатические (зональные), к которым в первую очередь относятся увлаж­ненность территории и зависящие от нее состав почв и состав раститель­ности. К азональным фак­торам относятся рельеф, местные почвенные различия, уклоны и т. п. К антропогенным факторам – всевозможные агролесомелиоративные мероприятия. Тем не менее, климат является важнейшим фактором образования наносов, по­этому интенсивность эрозии в общем изменяется по климатическим зо­нам. В зоне избыточного и достаточного увлажнения почвы скреплены травяным и лесным покровом и эрозия затруднена, а наносы формируются главным образом при размыве русел. В зоне недостаточ­ного увлажнения увеличивается сухость почв, снижается залесенность. Здесь возрастает вероятность выпадения ливней, во время которых эрозия усиливается и сток наносов увеличивается.

Речные наносы в зависимости от их веса, скорости течения воды и ха­рактера их движения в потоке разделяют на взвешенные и влекомые.

Взвешенные наносы - твердые частицы размером не более 1-3 мм, переносимые потоком во взвешенном состоянии. Частицы стремятся осесть на дно под действием силы тяжести, но в потоке воды всегда есть вертикальные пульсационные составляющие. Чем более турбулентен поток, тем больше эти составляющие, тем в большей степени преодолевается сила тяжести и, соответственно, тем более крупные частицы оказываются во взвешенном состоянии.

По мере продвижения вниз по реке из за общего умень­шения скорости течения размеры взвешенных частиц уменьшаются, часть твердого материала осаждается и некоторое время движется по дну, а за­тем аккумулируется. Итак, любой поток обладает транспорти­рующей способностью - способностью переносить определенное коли­чество наносов данной крупности при определенных уклонах, скоростях, глубинах. Поэтому и величина мутности значительно меняется как по жи­вому сечению реки, так и по ее длине. Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну главным образом за счет крупных фракций. Непостоянна мутность и во времени - как правило, она возрас­тает в периоды прохождения паводков и половодий и уменьшается в ме­женные периоды. Массовое строительство водохранилищ способствует задержке нано­сов и тем самым уменьшению их поступления в океаны.

Влекомые наносы – твердые частицы, перемещающиеся в придонном слое потока. На частицу, лежащую на дне, действует сила гидродинами­ческого давления, зависящая от скорости течения и размеров частицы и стремящаяся ее сдвинуть. Этому противодействует сила трения частицы о дно, пропорциональная силе тяжести. В случае превышения силы гидро­динамического давления над силой трения частица начинает двигаться. Эта закономерность описывается уравнением Эри, согласно которому масса частицы, которая может быть перенесена потоком, пропорциональна шестой степени скорости придонного течения. По уравнению Эри, при увеличении скорости течения в 3 раза масса частицы, передвигающейся при этой скорости, увеличивается в 729 раз. Поэтому в равнинных реках, имеющих небольшие скорости те­чения, влекомые наносы состоят преимущественно из песка, а в горных – из более крупных (гравий, галька, валуны). Движение частиц в придонном слое потока происходит в виде перекатывания, перескакивания, скольжения, причем в этом слое некоторое время наиболее мелкие частицы могут находиться во взвешенном состоянии, а наиболее крупные из взвешенных частиц могут становиться влекомыми. Поэтому граница деления наносов на взвешен­ные и влекомые условна.

Расход влекомых наносов также зависит от водности рек, поэтому ве­личина расхода возрастает в период прохождения половодий и паводков, одно­временно увеличивается и крупность наносов. По мере продвижения в низовья рек крупность влекомых наносов уменьшается, часть их аккумулируется и вместе с отложившимися взве­шенными наносами они образуют обширные дельты, рост которых все время продолжается.

Боль­шая часть взвешенных наносов является транзитной, а влекомые, передви­гающиеся по дну, участвуют в переформировании русла. Для крупных рек доля влекомых наносов чаще всего не превышает 5%, и только для горных рек эта величина в от­дельных случаях может достигать 50%.

Существуют различные количествен­ные характеристики твердого стока. Непосредственно в реках измеряется расход наносов (Q_H кг/с) – количество наносов в весовых единицах (Р), проносимых рекой через поперечное сечение в единицу времени Т: Q_H = P/T. Расход наносов за время Т (сутки, месяц, год и т. д.) представляет собой сток наносов. Эта величина может быть представлена в весовых единицах (кг) (Р = Q_HT) или в объемных (м³/год) (V_H = Q_HT /γ_н), где γ_н –объ­емный вес наносов, принимаемый чаще всего равным 2,6 кг/м³. Количество взве­шенных наносов, содержащихся в единице объема смеси воды V и твер­дых частиц Р, называется мутностью (г/м³), ρ = 10³Р/V.

Важной харак­теристикой твердого стока является распределение наносов по фракциям, т.е. их гранулометрический состав. Все осадочные горные породы, фор­мирующие твердый сток, можно разделить на группы по крупности: валуны, галька, гравий, песок, пыль, ил, глина. Средняя крупность наносов характеризуется средневзвешенным диа­метром частиц.