Будкин Д.В. Русловые процессы. Расчет показателей деформаций речных русел

М инис т е р с т в о о б р а зо в а н ия и науки Р оссийской Федер ации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) имени И. М. ГУБКИНА Кафедра геологии

Д. В. Будкин

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ РЕЧНЫХ РУСЕЛ Методические указания к практическим работам

Москва 2016

УДК 551.48:528.94

Будкин Д. В. Русловые процессы. Расчет показателей деформаций речных русел: Методические указания к практическим работам. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2016. – 25 с. Рассмотрены основные типы русловых процессов, морфоструктурные элементы речных русел и их морфометрические характеристики. Даны задания для практических работ по данной тематике, основанные на использовании спутниковых снимков, топографических карт и картографических сервисов Яндекс Карты, Google Карты и SASlanet. Пособие рассчитано на студентов направления подготовки 05.03.06. «Экология и природопользование», изучающих курс «Учение о гидросфере».

© Будкин Д. В., 2016 © РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2016

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ РЕЧНЫХ РУСЕЛ Русло реки – наиболее пониженная часть речной долины, выработанная водным потоком, и занятая им в межень – в период низкого стояния воды (иногда называется меженным руслом). Процессы взаимодействия потока и русла, обусловленные действием текучей воды, носят название русловых. Вызываемые этими процессами изменения строения русел и пойм из-за размыва пород, слагающих последние, переноса и аккумуляции наносов, называются русловыми деформациями. Создаваемые русловыми деформациями формы рельефа речного русла и поймы называются русловыми образованиями. По размеру среди этих образований выделяют микро-, мезо- и макроформы. К макроформам относят крупные речные морфологические образования (речные излучины, многорукавные русла), охватывающие русло и пойму, определяющие русловой процесс реки в целом, ее морфологический тип. Мезоформы: крупные грядообразные песчаные скопления в руслах рек (побочни, осерѐдки, пляжи), соизмеримые с шириной русла и определяющие его морфологическое строение. К микроформам относят мелкие, малоинерционные, массовые песчаные образования  небольшие гряды на дне рек, соизмеримые с глубиной потока, определяющие шероховатость русла, отметки дна и расход донных наносов. Схема типизации русловых процессов (рис. 1), разработанная Государственным гидрологическим институтом (ГГИ), выделяют 3   

Рис. 1. Типы руслового процесса по классификации ГГИ (по Н.Е. Кондратьеву, И.В. Попову): 1  ленточногрядовый, 2  побочневый, 3  ограниченное меандрирование, 4  свободное меандрирование, 5  незавершенное меандрирование, 5а  пойменная многорукавность, 1а  русловая многорукавность; λлг  шаг ленточных гряд, λпб  шаг побочней, λн  шаг излучины, 0  угол разворота излучины, SИ  длина излучины, 1  угол входа, 2  угол выхода, 0 = 1 + 2

7 их типов, проявляющихся в характерных макроформах русловых образований:  ленточно-грядовый;  побочневый;  ограниченное меандрирование; 4   

 свободное меандрирование;  незавершенное меандрирование;  русловая многорукавность;  пойменная многорукавность. Между указанными типами существуют переходные и смешанные формы. Ленточно-грядовый тип руслового процесса Этот тип проявляется в формировании в руслах цепочек донных или русловые гряд, которые, в зависимости от относительного размера, относят к микро- или мезоформам рельефа русла. Механизм образования донных гряд сходен с навеванием дюн и барханов при эоловых процессах и объясняется пульсациями скорости в турбулентном водном потоке, возникновением в нем вихрей, приводящих к отрыву, переносу и аккумуляции частиц грунта. Перемещение гряд в русле происходит за счет перекатывания слагающих их частиц с пологого (верхового) склона к основанию крутого (низового). Новые частицы погребают первые до тех пор, пока над ними не начнется перемещение всей гряды, и частицы, оказавшиеся в основании верхового склона, снова не начнут размываться (рис. 2). В плане гряда имеет дугообразную

. Рис. 2. Основные элементы русловой гряды: 1 – верховой (лобовой) откос, 2 – низовой откос, 3 – гребень, 4 – подвалье, 5 – высота гряды, 6 – шаг гряды, 7 – направление потока 5   

форму, с выпуклостью, обращенной в направлении течения (рис. 3). Скорость смещения гряд определяется скоростью потока и обычно не превышает нескольких метров в сутки. Движение гряд приостанавливается только в период низкой межени, когда их вершины, выступая из воды, образуют отдельные осередки (перемываемые островки). Увеличение скорости потока приводит к разрушению гряд и сплошному движению наносов. Этот тип руслового процесса обычно бывает в верховьях рек, в слаборазвитых излучинах и протоках. Гряды здесь обычно вытянуты поперек русла (рис. 3). Расстояние между их гребнями (шаг гряд) в 48 раз превышает ширину меженного русла. Само русло в плане имеет незначительную и неупорядоченную извилистость. Плановые деформации не характерны. Пойма отсутствует или является унаследованной от предшествующей стадии развития реки. В среднем и нижнем течении крупных рек распространение гряд имеет значительно более сложный характер. Ленточные гряды могут возникать и при других типах руслового процесса. Часто гряды меньшего размера накладываются на более крупные, создавая определенную иерархию форм  от дон-

Рис. 3. Ленточногрядовый тип руслового процесса (по А.А. Лучшевой): λ – шаг гряды, Δ – высота гряды, с – скорость перемещения 6   

ной ряби до перегораживающих реку перекатов. Для мелких гряд, осложняющих основную гряду, в этом случае характерно чешуеобразное расположение. Основными морфометрическими параметрами русловых форм при ленточно-грядовом типе русловых процессов являются:  ширина русла B – расстояние между бровками противоположенных берегов;  ширина меженного русла b – расстояние между урезами воды у противоположенных берегов в межень;  шаг гряд λ – расстояние между гребнями смежных гряд по осевой (расположенной на равном расстоянии от берегов) линии русла;  высота гряды Δ – превышение гребня гряды над подошвой подвалья;  скорость перемещения гряды C (м/год)  устанавливается по данным повторных промеров глубин. Побочневый тип руслового процесса Побочнем называется локальное скопление наносов у одного из речных берегов. При этом типе руслового процесса гряды последовательно протягиваются от одного берега к другому наискось русла в виде синусоиды. Речная пойма отсутствует. Подводная часть гряды образует перекат, над которым происходит локальный подъем воды, «перекатывающейся» через это препятствие. Перенос наносов происходит от берега к берегу. По образному выражению, «наносы ползут по реке как змея». Шаг гряд превышает ширину русла. Побочни имеют повышенную низовую часть и постепенно снижаются к верховой. Размыв побочней максимален в половодье, восстановление 7   

происходит на спаде паводка (потеря скорости потока сопровождается осаждением наносов). В межень побочни, а частично и гряды, обнажаются, образуя песчаные отмели. Стесненное побочнями русло в этот момент приобретает плавную извилистость. Выступающие в русло низовые части побочней образует косы, за которыми формируется затоны (рис. 4а, б).

Рис. 4а. Побочневый тип руслового процесса (по А. А. Лучшевой): λ – шаг побочня, В – ширина русла в половодье, b – ширина меженного русла

Рис. 4б. Побочневый тип руслового процесса, река Ачерйок, Кольский полуостров

Основные морфоструктурные элементы рельефа речного русла показаны на рисунке 5. 8

Рис. 5. Морфоструктурные элементы рельефа речного русла. Снизу показан профиль дна реки по линии стрежня

Основными морфометрическими параметрами русловых форм при побочневом типе руслового процесса являются:  шаг побочня λ – расстояние по осевой линии русла между смежными точками перегиба этой линии;  ширина русла в половодье (B) и межень (b);  ширина побочня, соответствующая разности между шириной русла в половодье (B) и межень (b);  высота побочня Δ – превышенье гребня побочня над наинизшей точкой подвалья;  скорость перемещения побочня, C м/год – устанавливается по данным повторных съемок. Для типизации побочневых участков могут использоваться соотношения λ/Β и Δ/Η. Ограниченное меандрирование Ограниченное меандрирование (рис. 6) представляет собой дальнейшее развитие и усложнение побочневого процесса. Оно 9   

выражается в появлении слабоизвилистого русла и возникновении небольших пойменных массивов, приуроченных к излучинам (изгибам русла). Угол разворота излучин при ограниченном меандрировании не превышает 120о. Пойменные массивы размываются с верховой стороны и наращиваются с низовой. Это приводит к сползанию (плановому смещению) излучин и пойменных массивов вниз по течению, однако, без существенного изменения их очертаний и продольного профиля дна.

Рис. 6. Ограниченное меандрирование (по А.А. Лучшевой): λ – шаг излучины, α – угол разворота, b – ширина русла, Вм – ширина пояса меандрирования, mm – участок подмываемого берега

В межень происходит размыв перекатов, а в первую половину половодья – их восстановление; плесы намываются в межень и размываются в половодье. Свободное меандрирование Излучина  участок извилистого русла водотока между двумя смежными точками перегиба его осевой линии или линии наибольших глубин. Один из берегов при этом оказывается вогнутым, другой выгнутым. Иногда при переходе от одной излучины к другой между точками смены кривизны располагаются прямолинейные участки русла. Некоторые авторы рассматривали 10   

излучину как два смежных изгиба, для которых использовался термин «полная излучина». В настоящее время от такого подхода отказались. По форме излучины подразделяются на ряд типов (рис 7).

Рис. 7. Формы излучин в плане: А – сегментные, Б – синусоидальные, В – сундучные, Г – омеговидные, Д – заваленные, Е – сложные

Свободное меандрирование связано с образованием сложных излучин, которые развиваются по замкнутому циклу, состоящему из нескольких стадий. В начальной стадии, после возникновения, излучина сползает вниз по течению; угол ее разворота при этом не превышает 120°. В дальнейшем сползание приостанавливается, но усиливается вытягивание излучины или ее разворот. С увеличением угла разворота излучина становится ассиметричной, и приобретает форму петли; плес ее разделяется перевалом. На завершающей стадии сближение подмываемых берегов смежных излучин, расположенных выше и ниже по течению, приводит к прорыву перешейка и спрямлению русла, а прежнее русло превращается в старицу. Затем цикл повторяется. Свободное меандрирование характерно для широких речных долин, где склоны не препятствуют развитию излучин, речная 11   

пойма широкая, с гривами, старицами и береговыми валами. Гривы – бывшие береговые валы, образованные в ходе развития излучины. Плесы формируются у вогнутого берега. Они углубляются в половодье, тогда-же нарастают перекаты. В межень наблюдается обратный процесс. Старицы, соединяющиеся с рекой при высоком уровне воды, когда поток движется в том числе и по участкам старого русла, иногда именуют староречьями. Схема сопряженных излучин показана на рис. 8.

Рис. 8. Свободное меандрирование (по А.А. Лучшевой): λ – шаг излучины, α1 – угол входа, α2 – угол выхода, α – угол разворота, β – угол сопряжения, φм – высота излучины, ε = tg γ – показатель ассиметрии

Для характеристики ограниченного и свободного меандрирования используются следующие понятия и характеристики (измерители):  осевая линия русла – проходящая на равном расстоянии от урезов воды правого и левого берега;  линия наибольших глубин  проходящая в каждом сечении русла над точками с наибольшей глубиной; 12   

 длина излучины (русла на излучине, излучины по руслу) – расстояние между ограничивающими излучину точками перегиба кривизны по руслу;  шаг излучины – расстояние по прямой между ограничивающими излучину смежными точками перегиба осевой линии русла;  ширина пояса меандрирования – расстояние между линиями, огибающими в плане вершины левых и правых по течению реки излучин;  ось меандрирования  определяется как линия, проходящая через точки перегиба русла между несколькими смежными излучинами, или ломаная линия, образованная линиями шага излучин;  длина пояса меандрирования по его оси равна сумме шагов смежных излучин (рис. 9);  вершина излучины – участок русла, наиболее удаленный от линии шага излучины;  крылья излучины – участки русла, расположенные по разные стороны её вершины. Крыло, находящееся выше по течению называется верхним, ниже по течению – нижним;

Рис. 9. Участок русла Гарроны (по Н.И. Маккавееву. «Русло реки и эрозия в ее бассейне») 13   

 шпора – пространство суши внутри излучины, со стороны выгнутого берега;  высота излучины – расстояние по перпендикуляру от середины шага излучины до осевой линии русла;  стрела прогиба h – расстояние по перпендикуляру от линии шага излучины до максимально удаленной точки осевой линии русла. Данная характеристика используется некоторыми авторами вместо понятия «высота излучины»;  степень развитости (выраженности) излучины l/λ– отношение длины излучины по руслу l к величине ее шага λ;  показатель асиметричности излучины ε = tgγ, где γ – угол, образованный перпендикуляром, проведенным от середины линии шага и направлением на вершину излучины (точку, наиболее удаленную от центра осевой линии) (Л);  радиус излучины – им описывается кривая геометрической оси русла на большей части протяжения излучины (при сегментной или петлеобразной форме излучины) либо ее привершинной части (при синусоидальной форме);  ширина русла – определяется для ряда характерных точек на крыльях, в створе перегиба, в середине излучины, в ее вершине и по граничным створам примыкающих прямолинейных участков для условий половодья и межени;  угол входа αвх – образованный линией шага и вектором, направленным в сторону течения по касательной к осевой линии в верховой точке перегиба;  угол выхода αвых – образованный продолжением линии шага и вектором, направленным в сторону течения по касательной к осевой линии в низовой точке перегиба (характеризуют углы, под которыми русло на входе в излучину и на выходе из нее ориентировано к линии шага); 14   

 угол разворота излучины α = αвх + αвых – характеризует смену направления русла в излучине (углы входа и выхода должны относиться к одной излучине!);  угол сопряжения излучин β – образованный продолжением линии шага вышележащей излучины и линией шага нижней (разность углов выхода верхней излучины и входа нижней), показывающий изменение направления линии шага при переходе русла из одной излучины в другую. Для облегчения восприятия углов входа, выхода, разворота и сопряжения излучин эти характеристики показаны на рис. 10; Углы входа

Углы выхода

Углы сопряжения

Углы разворота

Рис. 10. Углы входа, выхода, разворота и сопряжения излучин 15   

 коэффициент извилистости  определяют для протяженных участков речного русла, где сохраняется общее направление течения. Он представляет собой отношение истинной длины русла L (измеряется по снимку, длине судового хода, карте – с введением поправок) к длине прямой, соединяющей концы этого участка l (рис. 11). Средневзвешенное значение коэффициента извилистости для нескольких отрезков определяется по формуле k1n = (k1L1 + k2L2 + …+ knLn)/(L1 + L2 + … +Ln). При разделении русла на рукава, расчеты ведут по главному (более полноводному) руслу.

Рис. 11. Расчет коэффициента извилистости (по М.А. Жарскому, Г.Н. Рудковской)

Незавершенное меандрирование При незавершенном меандрировании (рис. 12) развитие русла идет по схеме свободного меандрирования, но до достижения излучиной формы петли. При этом образуется новый спрямляющий проток, который может отчленить сразу несколько излучин. Условиями возникновения такого протока (протоки) являются: сильное затопление поймы в половодье, несовпадение осей пото16   

ка в половодье и межень, высокая скорость потока и характер грунтов, позволяющие ему выработать в пойме новое русло. Изза большей скорости течения в протоке происходит интенсивное движение скоплений наносов в виде ленточных гряд, осерёдков, побочней.

Рис. 12. Незавершенное меандрирование (по А.А. Лучшевой)

После того как спрямляющая протока превратится в главное русло, прежнее русло начинает превращаться в старицу и цикл возобновляется. Этот тип руслового процесса легко опознаётся на картах и аэрофотоснимках участков рек достаточно большого протяжения по наличию спрямляющих проток, находящихся в разных стадиях развития. Основными параметрами русловых форм при незавершенном меандрировании служат те же, что и при побочневом. Дополнительно используются:  степень незаверенного меандрирования к = Sпр / Sр, где Sпр  длина спрямляющего протока по прямой, проведенной через точки его начала и конца; Sр – длина главного русла по средней линии;  степень затопляемости поймы – отношение глубины затопления поймы к глубине русла при затопленной пойме. 17   

Русловая многорукавность Русловая многорукавность возникает на реках, перегруженных донными наносами. В местах расширения русла и снижения его глубины скорость потока падает, что приводит к уменьшению его транспортирующей способности и активной аккумуляции наносов, вследствие чего в русле образуются беспорядочно расположенные и перемещающиеся гряды, вершины которых в низкую воду образуют осередки, а при закреплении растительностью – островки. Перемещение гряд, осередков приводит к значительным плановым русловым деформациям, выражающимся в переформировании сети проток и изменении границ русла. Русловая многорукавность характерна для предгорных районов и устьевых областей рек. Для русел горно-предгорных рек в качестве разновидности русловой многорукавности выделяют горную пойменную многорукавность (пойменное блуждание) и долинное блуждание (рис. 13). Суть процесса блуждания состоит в хаотичном перемещении русла по пойме или дну речной долины. Эти типы руслового процесса распространены в расширениях горных долин или при выходе рек из горной в предгорную зону. Долинное блуждание характерно для малых горных рек, а на средних реках наблюдается как долинное, так и пойменное блуждание. Для характеристики русловой многорукавности используются:  плотность осередков ко = f/F  отношение площади осередков на определенном участке русла (f) к общей площади этого участка (F);  густота осередков n – число осередков на участке, протяженность которого равна щирине русла;  средняя относительная площадь осередков для данного 18   

участка – плотность осередков на данном участке, деленная на их количество;  скорости смещения гряд, осередков и береговой линии.

Рис. 13. Типы руслового процесса на участках рек горно-предгорной зоны: а – горная пойменная многорукавность (пойменное блуждание); б – долинное блуждание

Пойменная многорукавность Пойменная многорукавность является дальнейшим развитием и усложнением незавершённого меандрирования, при котором спрямляются не отдельные излучины, а группы смежных излучин. Она характеризуется сложной системой проток, без четко выраженного основного русла. Острова, образованные протоками на пойме, обычно крупные и устойчивые. Протоки протяженные, главные из них соединяются с вто19   

ричными, пойма широкая и заливается на большую глубину. В протоках может наблюдаться весь спектр русловых процессов. В целом, деформации русла при этом типе руслового процесса сводятся к медленному развитию спрямляющих протоков, их отмиранию и возрождению, сопровождающемуся перераспределением расхода воды между рукавами. При анализе пойменной многорукавности рассматриваются русловые процессы, происходящие в каждой из основных проток.

20   

ЗАДАНИЯ Задание 1 Проиллюстрировать схему типов руслового процесса серией спутниковых снимков, указав на них элементы речных долин и имеющиеся типы русловых образований. Задание 2 Используя топографические карты или спутниковые снимки, рассчитать для выбранного участка реки значение коэффициента извилистости. Для расчетов использовать программу SAS Planet или сервис Яндекс-карты. Задание 3 Используя топографические карты или спутниковые снимки определить для выбранного участка реки тип руслового процесса и его количественные характеристики. Составить схему строения выбранного участка речной долины, иллюстрирующую определение характеристик руслового процесса. Дать краткое описание исследованного участка. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу 1. Пример рабочего варианта схемы излучин приведен на рисунке 14. Данная схема представляет собой изображение экрана SAS Planet, доработанное в редакторе Word. Для выполнения данной работы удобно использовать программу SAS Planet, позволяющую работать как с картами, так и со спутниковыми снимками, и определять истинные длины отрезков и их азимуты.

21   

 

 

22 3

2

1

0

1

Точка

В

Б

А

2

Излучина

36

132

357

129

3

Азимут русла, град

85

91

65

4

47

94

64

5

49

41

68

6

6

29

7

96

135

132

8

1810

1345

3755

9

22 

2385

2373

4892

10

1,32

1,76

1,30

11

560

600

560

12

174

0

154

13

130

333

96

14

44

27

58

15

Параметры излучин р. Москвы на участке дер. Устье – Саввинская слобода

Азимут шага излучины, град Угол входа, град Угол выхода, град Угол сопряжения излучины, град Угол разворота излучины, град Шаг излучины λ, м Длина излучины L, м Степень развитости (выраженности) излучины L/λ Высота излучины, м Азимут высоты излучины, град Азимут на вершину излучины, град Угол между азимутами (13 и 14) γ, град

0,96

0,51

1,60

16

590

800

814

17

Таблица 1

Показатель асимметричности излучины ε = tg γ Стрела прогиба излучины, м

Порядок выполнения задания На спутниковом снимке отметить точки перегиба русла, пронумеровать их. Смежные точки перегиба соединить прямыми линиями, получив шаги излучин. Информация о длине шагов излучин и их азимутах занести в таблицу (столбцы 9 и 4). От каждой точки перегиба русла отрисовать линии, соответствующие направлению течения (касательные к осевой линии русла). Направления этих линий (азимуты) отмечаем в таблице в столбце 3. Длину излучины определяем путем ее аппроксимации ломаной линией, каждая точка которой располагается на осевой линии русла или на линии стрежня (если его положение очевидно). Длина аппроксимирующих отрезков выбирается с учетом минимальных расхождений между ломаной линией и кривой, проведенной по осевой линии русла. Результаты заносим в столбец 10. Углы входа, выхода, сопряжения и разворота излучин рассчитываем как разницу между соответствующими азимутами. Результаты расчетов отмечаем в столбцах 5, 6, 7, 8. Определив положение центра линии шага излучины и восстановив из этой точки перпендикуляр до пересечения с линией русла, получим высоту излучины (столбец 12). Определим также азимут этой линии (столбец 13). Проведя из центра линии шага линию на вершину излучины, запишем азимут этой линии в столбце 14. Разность азимутов высоты и направления на вершину – угол γ (столбец 15). Тангенс этого угла – показатель асимметричности излучины (столбец 16). В столбце 17 отмечаем величину стрелы прогиба – расстояние по перпендикуляру от линии шага излучины до наиболее удаленной точки линии русла.

23   

24

Рис. 14. Схема излучин реки Москвы на участке дер. Устье-Саввинская слобода

Литература 1. Лучшева А.А. Практическая гидрология.  Л.: Гидрометеоиздат, 1976.  440 с. 2. Наумов Г.Г. Антропогенные воздействия на русловые процессы на переходах через водотоки.  М.: МАДИ, 2012.  105 с. 3. Рекомендации по учету деформаций речных русел при проектировании инженерных сооружений на реках зоны Байкало-Амурской железнодорожной магистрали.  Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 4. Рекомендации по использованию аэрокосмической информации при изучении руслового процесса.  Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

25   

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

БУДКИН Дмитрий Владимирович

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ РЕЧНЫХ РУСЕЛ

Редактор Л. А. Суаридзе Компьютерная верстка: И. В. Севалкина

Подписано в печать 30.12.2016. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. п. л. 1,5. Тираж 30 экз. Заказ № 643

Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, дом 65 тел./факс: (499) 507 82 12