Тема 5: формування річкових наносів

План

1. Механізм ерозійного процесу.

2. Види переміщення річкових наносів.

3. Зависання наносів.

4. Гідравлічна крупність твердих частинок.

1. Річкові наноси – тверді частки, що утворюються в результаті ерозії водозборів і русел, які переносяться водотоками і формують їх ложе.

Водна ерозія (від латинського erosio – роз’їдання) – це частина процесу денудації, який складається із руйнування, переміщення і відкладання часток грунту та порід під дією дощу і текучої води.

Ерозійні процеси відбуваються на фоні транспортування наносів, які утворились у верхніх ділянках гідрографічної мережі.

Здатність потоку до руйнування гірських порід і перенесення твердих часток залежить від його гідравлічних характеристик та ступеня стійкості ґрунтів до розмиву. Остання визначається крупністю окремих часток, їх формою, силами зчеплення між ними, однорідністю грунту, швидкістю і характером вивітрювання гірських порід.

До основних факторів ерозії відносять: характер ґрунтового покриву, кількість, інтенсивність і вид опадів, характер рельєфу, рослинний покрив, величина і режим стоку. Зокрема, крім опадів для формування стоку необхідною умовою є наявність похилу. Властивості ґрунтів визначають їх водопроникність і протиерозійну стійкість, чим менші ці показники, тим більша небезпека для виникнення ерозії.

Механізм ерозійного процесу складається із основних груп сил: 1) сили, які гальмують відрив твердих часток від дна; 2) сили, які зумовлюють відрив твердих часток від річища.

До першої групи відносять: силу тяжіння, що діє на частинки грунту та силу щеплення між частинками. Сила тяжіння суттєво впливає на стійкість грунту, що складений крупними частинками, а сила зчеплення проявляється у частинок з діаметром d<0,1 мм.

Ґрунти, у яких розмір частинок в середньому перевищують 0,05 мм відносять до незв’язних (пісок та лес). Якщо d<0,05 мм, такі ґрунти відносять до зв’язних (глини, суглинки, скельні ґрунти - граніти).

Кінцевим етапом всіх стадій ерозійних процесів є руслова ерозія, тобто руслові процеси.

Сили, що зумовлюють відрив та переміщення частинок грунту в потоці охополюють три основні складові:

1) сили швидкісного напору, F_н;

2) підйомну силу, F_п;

3) пульсацію швидкостей.

1) Сила швидкісного напору F_н створює лобовий тиск на частинку:

(1)

де - густина води, г/см³; - коефіцієнт форми поперечного перерізу; - середній діаметр частинок, мм; - швидкість течії, м/с.

2) Підйомна сила F_п зумовлюється градієнтом швидкостей струменів, що обтікають підвалину та вершину частинки (становить від 30% до 75% сили лобового тиску). Зростання шорсткості дна і швидкості потоку збільшує висоту, на якій підйомна сила має суттєве значення.

3) Пульсація швидкостей зумовлена турбулентністю потоку і призводить до розкачування часток та відриву їх від дна. Умова стійкості часток на дні визначається із рівноваги діючих сил:

, (2)

де - сила тяжіння, Н або кг·м/с²; - коефіцієнт тертя частинки об дно; k - коефіцієнт стійкості (k =1,0 – гранична рівновага, k >1,0 – нестійкий стан; k <1,0 – стійкий стан рівноваги).

Виходячи з рівняння (2) можна стверджувати, якщо сила швидкісного напору , то маємо граничну умову рівноваги частинки на дні потоку. Виходячи із цих положень визначають критичну нерозмивну швидкість.

Так, сила тяжіння описується рівнянням:

, (3)

де - густина відповідно частинки і води, г/см³; - середній діаметр частинок, мм; - коефіцієнт форми.

Підставимо у рівняння (3), що , тоді отримаємо:

. (4)

Із рівняння рівноваги (4) отримуємо критичну нерозмивну швидкість потоку:

, (5)

де - об’єднаний коефіцієнт, що залежить від величини коефіцієнтів k₁, k₂; g – прискорення вільного падіння (g =9,81), м/с²; k_с – додатковий коефіцієнт, який залежить від зусилля, яке необхідно прикласти для того, щоб відірвати частинку від дна; - густина води ( =1000 кг/м³); - густина твердих часточок, г/см³.

В момент, коли швидкість течії перевищує величину критичного нерозмивного значення, починають рухатись лише окремі частинки.

Масовий рух частинок відбувається тоді, коли потік досягає розмивних швидкостей:

. (6)

де V_н – критична нерозмивна швидкість, м/с.

Критичні швидкості розмиву знаходяться в залежності від глибини:

, (7)

де величина ступеня n коливається в межах від 0,15 до 0,35.

У деяких випадках, зокрема при значному антропогенному впливі на басейн річки та в малих річках глибиною 0,7…1,0 м (за дослідженнями Холоденко В.С., Данилова - Данильяна В. И. Болгова М. В., Дубініної В. Г., Ковалевського В. С.) критична нерозмивна швидкість падає до 0,1- 0,2 м/с. Оптимальна швидкість течії на початку вегетації фіто- і зоопланктону становить 0,5…0,6 м/с. Для знешкодження розвитку макрофітів необхідно підтримувати швидкість течії водного потоку на рівні не менше 0,3 м/с.

Чим більша глибина, тим вище значення критичної швидкості, яка необхідна для приведення частинки грунту в рухомий стан.

Структура розрахункових формул для визначення критичних нерозмивних V_н, або розмивних V_р швидкостей включає такі параметри:

, (8)

де g і d – параметри часточок грунту; h – глибина потоку, м.

При вирішенні рівнянь (7) і (8) різні автори отримали суттєво різні формули для розрахунку критичних швидкостей, але всі вони досить широко залучаються до розрахунків.

Найбільш обґрунтованими та поширеними є формули В.М. Гончарова, І.І. Леві, Г.І. Шамова, Ц.Є. Мірцхулаві та інших.

2. Наносами називають тверді частинки різного розміру, які переносяться водними потоками – струмками, річками, течіями у водосховищах – і є продуктами руйнування гірських порід, ґрунтів і продуктами органічного походження.

Усю сукупність наносів прийнято поділяти на завислі та донні.

Завислі наноси транспортуються по всій глибині потоку, а донними є наноси, які пересуваються або перекочуються по дну.

Між цими двома основними формами руху виділяється перехідна форма – сальтація, або стрибкоподібне переміщення частинок.

Третя форма руху – це грядове переміщення.

Співвідношення між завислими і донними наносами змінюється в широких межах. Разом з тим, більша їх кількість переноситься в завислому стані. Зокрема, на рівнинних річках стік завислих наносів складає понад 90% загального їх стоку.

На гірських річках стік донних наносів переважно складає 20-30%, а на окремих річках сягає 70% і залежить від складу порід, поширених в басейнах річок.

Розподіл наносів за їх крупністю в конкретному створі здійснюють за допомогою графіка В. Крессера (рис.1). Суть побудови даного графіка полягає в тому, що у системі координат будується інтегральна крива фракційного складу донних відкладів та крива фракційного складу проб завислих наносів .

Узагальнюються вони горизонтальною шкалою (lgd). Між цими кривими проводиться плавна лінія, яка перетинає горизонтальну лінію розподілу кривих.

Точка перетину приймається за межу між ділянками завислих і донних наносів. Незважаючи на умовність, графік В. Крессера дає уявлення про важливу властивість транспорту наносів, яка полягає в тому, що дрібні фракції значно переважають у стоці завислих наносів і дуже мало представленні у донних відкладах.

Рис.1. Розподіл донних та завислих наносів (за В.Крессером)

3. Наявність у воді в завислому стані часток, що мають значно більшу питому вагу, ніж вода, пояснюється існуванням сил, які призводять до відриву частинок грунту від дна та берегів русла, піднімання їх в товщу води та затримання на тривалий час їх випадіння (рис.2). Зокрема, це підйомна сила, яка виникає в наслідок несиметричності обтікання потоком частинки, що лежить на дні.

Рис.2. Схема переміщення завислих наносів на дні потоку

Несиметричність обтікання проявляється в тому, що внаслідок дуже великого градієнту швидкостей, в природному шарі швидкість рідини над верхньою поверхнею частинки може бути значною, тоді як внизу частинки вона дорівнює “0”.

Внаслідок цього в зоні великих значень швидкостей виникає область пониженого тиску, а в місцях нульових швидкостей течії діє сила гідростатичного тиску.

Крім цього на грань частинки, що звернена на зустріч течії діє “лобова” сила, а з тильною сторони виникає область пониженого тиску.

Вихори, що виникають при обтіканні потоком різних перепон, мають на своїй осі обертання області пониженого тиску, тому захоплюють в середину себе відірвані від дна частинки наносів і піднімають їх в товщу потоку.

Воронки, які ми спостерігаємо під час повеней на поверхні води відповідають цим вихорам і супроводжуються виникненням значної кількості наносів.

4. Умови зависання визначаються також гідравлічним режимом, від якого залежить вплив потоку на його дно, та складом грунту дна, тобто крупністю, формою та питомою вагою частинок.

Встановлено, що величина підйомної сили пропорційна квадрату природної швидкості потоку і постійно коливається в кожній точці дна у відповідності з пульсацією швидкості.

При рівномірному режимі русло буде замулюватися або розмиватися в залежності від того, як змінюються швидкості течії.

Якщо швидкості вздовж потоку зменшуються, то буде спостерігатися процес замулення русла, оскільки в кожному наступному перетині русла здатність потоку переносити наноси буде меншою, ніж в попередньому.

Якщо швидкості зростають, то відбувається розмив русла, оскільки в попередніх перетинах розмивна здатність потоку буде меншою, ніж в наступних.

Важливим фактором зависання і переміщення наносів є гідравлічна крупність твердих часток. Швидкість рівномірного падіння частинки в спокійній воді називається гідравлічним розміром або гідравлічною крупністю (w). Між гідравлічним розміром частинки (d) існує зв'язок:

. (9)