Тема 2: основні елементи річкових систем

План

1. Мета, предмет, об’єкт, поняття, методи та задачі курсу.

2. Вплив господарської діяльності на руслові процеси.

3. Коротка історична довідка про розвиток вчення про руслові процеси.

1. Людина завжди освоювала річки в боротьбі з тими явищами, які перешкоджали її господарській діяльності. Особливо яскравим прикладом цього є річка Хуанхе. Китайці постійно зводили на її берегах дамби.

В останні десятиліття велика увага приділяється питанням взаємовпливу людини і довкілля. Людина зрозуміла, що довільні порушення природних зв’язків, якщо не враховуються закономірності взаємодії різних природних процесів, обов’язково призведуть, до несподіваних, часто негативних наслідків. При цьому проявляються така особливість: порушивши одну ланку в житті річок, вона призводить до порушення іншої.

За останні десятиліття антропогенний вплив на річки України значно зріс, що викликало формування нових чинників руслових процесів та ерозійно-акумулятивних. Серед негативних наслідків руслових процесів, можна виділити наступні:

· нераціональне і надмірне розорювання території водозборів, зменшення їх залісеності призводять до активізації процесів замулення русел рівнинних річок;

· спрямлення та поглиблення русел річок, проведення меліоративних робіт на заплавах викликають глибинну руслову ерозію, що призводить до зміни гідрологічного режиму заплав;

· зміна в стійкості русел, деградація та відмирання малих водотоків тощо.

Майбутні фахівці екологи, гідротехніки повинні знати, що гідротехнічні споруди регулюють водний режим і стік наносів, повинні чітко уявляти, як регулювання вплине на всіх ділянках річки, де можуть відбутися зміни, тобто необхідно мати фоновий прогноз руслового процесу на великих ділянках, як головної річки, так і її приток.

Навчальна дисципліна “Руслові процеси” передбачає отримання майбутніми фахівцями екологами необхідних знань з теорії переміщення наносів та методів розрахунку руслових деформацій у річках, а також набуття вмінь аналізувати процеси, що розвиваються у руслах річок, для прийняття об’єктивних рішень щодо забезпечення охорони навколишнього середовища.

При чому прогноз необхідно складати не на кілька років, а передбачати, що буде через 50-100 років і більше. Зазвичай при проектуванні використовують карти 5-8-ми річної давності, а необхідно використовувати майбутні карти ділянки споруди.

Мета дисципліни полягає у вивченні основ руслових процесів.

Предметом вивчення дисципліни є руслові процеси, а основним об’єктом вивчення руслових процесів є річки, які перемішують величезну кількість твердого матеріалу, що надходить з басейну, й обумовлюють розчленування земної поверхні долинами, тим самим формуючи сучасний рельєф. У річках простежується тісний зв'язок між ерозією та акумуляцією, що утруднює визначення їх чистого прояву. Залежно від водності потоку може змінюватися інтенсивність і спрямованість руслових процесів. Разом з тим суттєвий вплив на їх прояв здійснюють породи, що складають річище і впливають на гідравліку потоку.

Для того, щоб зрозуміти і пояснити всі ці явища, які пов’язані з трансформуванням русла треба знати, і клімат, і особливості рельєфу водозбору, умови формування та транспортування наносів потоком.

Ще у 1908 році російський вчений Лохтін відзначав, щоб зрозуміти деформацію русла, необхідно знати як формується стік наносів, тому що деформація русла – це форма транспорту наносів, або спосіб їх перенесення до водоприймача. Через це, для пізнання руслового процесу необхідно вивчати його незалежні фактори, зокрема стік води і наносів, ухили місцевості та породи, що складають водозбір.

Отже, навчальна дисципліна руслові процеси – це наукове відгалуження дисципліни гідрологія суші.

Тому, руслові процеси (за визначенням Р.С.Чалова) можна охарактеризувати як сукупність явищ, що виникають при взаємодії потоку і ґрунтів, які складають річище, а також визначають розвиток різних форм рельєфу русла та режими їх сезонних, багаторічних та вікових змін, що впливають на розмиви дна і берегів річок, транспорт і акумуляцію наносів.

За Мариничем О.М. та Шищенком П.Г. руслові процеси - це процеси та явища, що відбуваються внаслідок дії на русло; русло змінює свій напрямок, у ньому утворюються руслові форми (перекати, острови, гриви та ін.)

Основними методами вивчення руслових процесів є:

1. стаціонарні спостереження на гідрологічних постах за стоком завислих і донних наносів;

2. експедиційні дослідження стоку наносів на річках, де проектуються водогосподарські об’єкти;

3. моделювання ділянок річок з метою прогнозування розвитку руслових процесів під впливом гідротехнічних споруд.

Основними задачами вивчення руслових процесів на сучасному етапі є:

1. дослідження впливу гідротехнічних споруд на руслові процеси;

2. дослідження впливу кар’єрних розробок в руслах річок;

3. вивчення динаміки берегів водосховищ, особливо в зоні вклинювання підпору;

4. дослідження переформування русел в нижніх б’єфах водосховищ;

5. гідроекологічний аналіз руслових процесів (природні фактори руслових процесів, господарська діяльність, руслоформуючі витрати води, руслові деформації, стійкість русел, екологічно допустимі витрати води).

2. Господарська діяльністьвпливає на зміни руслових процесів.Р.С. Чалов запропонував класифікувати господарську діяльність в залежності впливу на саме русло:

· заходи в басейні річки;

· заходи в долинах річок – значне гідротехнічне будівництво (водосховища, регулювання стоку) та освоєння заплав;

· заходи в руслах та на берегах річок:

1. суцільне виправлення, днопоглиблення і спрямлення русел;

2. інтенсивний водозбір та водонадходження;

3. будівництво інженерних споруд;

4. розробка руслових кар’єрів.

Зокрема, зарегульованість стоку річки (водосховища) призводить до зменшення інтенсивності прояву руслових процесів (крім зони нижнього б’єфу, яка прилягає до греблі). Створення на річках (особливо малих) водосховищ і ставків призводить до прискореного замулення їхніх верхніх б’єфів. На зарегульованих річках спостерігається зменшення стоку наносів, особливо на ділянках нижніх б’єфів ГЕС. Ситуація ускладнюється, коли на річці створюється каскад водосховищ (р. Дніпро).

Найкращим індикатором впливу на руслоформування річок є вплив осушувальних меліорацій. Осушувальні меліорації обумовлюють підвищення величин максимальних витрат води, а так і руслоформуючих витрат, зокрема на річках Полісся, що сприяє їх збереженню.

Важливим з точки зору оцінки впливу господарської діяльності на руслові процеси є визначення впливу руслових і заплавних кар’єрів і виправних робіт на зміну руслового режиму рівнинних річок. Часто такі роботи ведуть до просідання рівнів води в річці (днопоглиблення на р. Десна) і активізують руслові деформації та навпаки – ведуть до їх затухання.

3. З 19 ст. почалося активне формування вчення про руслові процеси в самостійну науку. Перші значні роботи з вивчення формування русел, їх морфології і динаміки з’явилися майже одночасно у Західній Європі і в Російській імперії у 1857 році. Цього вимагала практика і інтенсивний розвиток судноплавства на річках.

Значний вклад у розвиток вчення про руслові процеси внесли такі вчені як В.М.Лохтін, М.А.Веліканов, І.І.Левій, В.М.Гончаров, Г.І.Шамов, М.І.Маккавеєв, М.Є.Кондратьєв, І.В.Попов, М.Б.Баришніков, Р.С.Чалов, О.Г.Ободовський, К.О.Нестерович.

Підсумовуючі дані про розвиток вчення про руслові процеси, можна зробити висновок, що значна кількість різних спостережень створили підвалини для двох основних шкіл – ерозійно-акумулятивне вчення (засновники М.І.Маккавеєв і Р.С.Чалов) та гідроморфологічна теорія руслового процесу (засновники М.Є.Кондратьєв і І.В.Попов та ін.).

ТЕМА 2: ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ РІЧКОВИХ СИСТЕМ

План

1. Гідрографічна мережа та схилова ерозія.

2. Річкові долини та структура річкового русла:

2.1. Елементи долини. Типи річкових долин, переріз заплави.

2.2. Гідрографічна типізація заплав. Поперечний переріз заплав.

2.3. Структура річкового русла.

1. Вода, що поступає на поверхню землі у вигляді опадів чи підземних джерел стікає під дією сили земного тяжіння в напрямку зниження – утворює поверхневі водотоки, які можуть бути постійними чи періодично діючими. Постійні і тимчасово діючі водотоки і озера утворюють гідрографічну мережу поверхні суші.

Коли розглядається система постійних і тимчасових діючих водотоків застосовується термін руслова мережа. Частина руслової мережі, що охоплює постійні водотоки об’єднується поняттям річкова мережа.

В будові гідрографічної і руслової мережі виділяють такі основні ланки, що змінюються від верхів’я вниз за течією: улоговини, лощини, суходоли та річкові долини.

Процес формування основних елементів цих ланок здійснюється протягом тривалого часу. Сучасна ерозія продовжує цю роботу утворюючи промоїни, рови, яри на дні та схилах цих ланок.

Улоговина – слабо виражена витягнута впадина водно-ерозійного походження з пологими схилами та рівним увігнутим дном. Улоговини розвиваються при площах водозаборів до 10-15 км² (1км²=100 га, 1 га=100 ар).

Лощина відрізняється від улоговини більшою глибиною врізу, більшою висотою і крутизною схилів, а також появою форм донного та берегового розмиву. Лощини відводять води з площ 10-15 км².

Суходіл – переддолина10-15 км², нижня ланка гідрографічної мережі без постійного водотоку. Характеризується асиметрією схилів та наявністю звивистого русла тимчасового потоку. Суходоли розвинуті при площах водозбору до 20-25 км².

Річкові долини – ланки гідрографічної мережі, що розроблені діяльністю води і характеризуються великою протяжністю і наявністю постійного потоку.

Річкова система – сукупність річок в межах водозабору головної річки, разом з нею. Річки, що впадають в головну річку називають притоками першого порядку.

Витоками річок є струмки, джерела, льодовики, озера, болота. Якщо річка утворюється від злиття двох річок, то вона є початком цієї річки.

За витік необхідно приймати витік річок більшої довжини. У цьому випадку розрізняють гідрографічну довжину річки, і довжину річки даної назви. При аналізі умов формування стоку і наносів до уваги приймається гідрографічна довжина річки. Впадаючи в другу річку, озеро чи море, річка утворює гирло. В гирлах виникають своєрідні процеси, що пов’язані з відкладами наносів і взаємодією вод річки з і водойм, що її приймають. При впадання в озеро чи море, річка відкладає значну кількість наносів, утворює багато рукавне русло, яке називається дельта.

Припливи, відпливи і морські течії часто утруднюють утворення дельт. В цьому випадку річка вливається в море широким руслом, утворюючи естуарії. Особливою формою естуаріїв є лимани, які являють собою затоплену морем гирлову частину річки.

Утворення лиманів утворюється при опусканні берегової смуги. На відміну від лиману, ділянка моря, що прилягає до берега відділена косою називається лагуною. Наноси, що поступають з річками в море і відкладаються за межами гирла утворюють мілководдя – бари.

2.1. Долинами називаються відносно вузькі та витягнуті в довжину переважно звивисті зниження форми рельєфу, що характеризуються загальним нахилом свого ложа до гирла. Долини ніколи не пересікаються, а зливаються разом в одне загальне зниження.

За походженням долини бувають ерозійні, тектонічні, вулканічні, льодовикові. В залежності від геологічного віку та характеру гірських порід річкові долини мають різні поздовжні ухили і обриси в плані та поперечному розрізі.

Долини молоді, які порівняно мало розроблені текучими водами, мають поперечний профіль з прямолінійними вертикальними стінками та вузьким дном. В плані такі долини мають вигляд ламаних ліній, а їх поздовжній профіль часто буває ступінчастим. Вони властиві гірським районам.

Більш старі долини та такі, що складені породами, які легко розмиваються, мають в плані плавно звивистий вигляд. Їх поздовжній профіль характеризується рівномірним зниженням до моря.

В долині розрізняють такі складові:

§ дно або ложе – найнижча частина долини;

§ тальвег – найбільш глибокі точки долинного ложа;

§ русло – частина ложе, що зайнята водами річки в межень;

§ схили долини – підвищені ділянки суші, що обмежують з боків ложе долини;

§ підошва схилів – місце з’єднання дна долини зі склонами;

§ бровка долини – зона з’єднання схилів з прилеглою місцевістю;

§ тераси – відносно горизонтальні ділянки, що розташовуються уступами по висоті в межах дна та схилів долини.

Тераса, що розташована в межах дна долини і затоплюється річковими водами під час паводків та повеней називається заплавою (рис.1).

Рис.1. Схематичний поперечний профіль річкової долини та її основні елементи

2.2. Впоперечному розрізі заплави розрізняють такі частини:

§ прируслову заплаву, яка являє собою підвищену смугу, що безпосередньо прилягає до русла річки;

§ центральну заплаву, що є середньою її частиною, переважно вона більш низька та рівна;

§ притерасна заплава – найбільш знижена частина, що прилягає до корінного берега і має вигляд заболоченої улоговини.

Гідрографічна типізація заплав поділяється:

а) за положенням по відношенню до русла – одностороння, двостороння;

б) за висотою над меженним руслом – висока або низька;

в) за поперечним профілем – прируслова підвищена і розчленована, центральна низька та рівна, притерасна найбільш низька та часто заболочена;

г) за рельєфом поверхні – рівна розчленована, помірно розчленована, розчленована, хвиляста;

д) за характером рослинності – лучна суха, лучна заболочена, чагарникова або лісова суха, чагарникова або лісова заболочена, або болотна.

2.3. Руслом називають частину дна долини, по якій здійснюється стік води та переміщення наносів. Розрізняють русла: корінні або меженні та заплавні.

В плані русла річок мають, як правило, звивисту форму. Звивини річкового русла виникають внаслідок розмивної діяльності потоку та внаслідок пристосування потоку до звивин долини. Формування звивин під впливом розмивної діяльності потоку в межах дна долини називають процесом меандрування (назвою звивистої річки Меандр в Туреччині).

Крім чітко виражених обрисів, річкове русло в процесі свого розвитку може розгалужуватись на рукави, з утворенням островів, або при нестійких грунтах, швидко переміщуватись по дну долини з періодичним обвалюванням берегів на ділянках значної протяжності.

Явище обвалювання берегів русел називають дейгени.

Звивиста форма є найбільш стійкою для річок, що протікають в грунтах, які легко розмиваються. Розвиток звивин та збільшення кривизни русла в плані збільшує силу ударів струменів у ввігнутий берег. Це в свою чергу сприяє подальшому збільшенню кривизни. Цей процес продовжується безперервно до тих пір, поки річка по всій довжині не набуде звивистої форми.

Рівнинні річки представляють собою чергування глибоких ділянок (плеса) та мілководних ділянок (перекатів). Плеса відповідають ввігнутим ділянкам, а перекати – прямолінійні ділянки між плесами.

Перекатом називають більш-менш стійке утворення в руслі, переважно у вигляді скошеного поперечного валу із наносів, що перетинає русло (рис.2.).

Рис.2. Русло в плані

Основними елементами перекатів є:

§ верхня коса або верхній боковик;

§ нижня коса або нижній боковик;

§ верхня плесова улоговина;

§ нижня плесова улоговина;

§ сідловина або гребінь – найбільш підвищена частина валу із наносів, що з’єднує верхню та нижню коси перекату;

§ корито перекату – найбільш глибока частина сідловини, де проходить фарватер (лінія, що з’єднує точки з найбільшими глибинами вздовж річки у плані);

§ напірний або верхній скат – верхова частина сідловини перекату, що нахилена до верхньої плесової улоговини;

§ підвалля – низова, більш крута, ніж напірний скат, частина сідловини перекату, яка лежить нижче валу перекату і звернена в сторону нижньої плесової улоговини.