ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 1, с. 31-44
= ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ =
УДК 556.535.6/537(551.435.11)
ОЦЕНКА СТОКА ВЛЕКОМЫХ НАНОСОВ В РЕЧНОМ РУСЛЕ С УЧЕТОМ ДАННЫХ ОБ АКТИВНОЙ И ПАССИВНОЙ ДИНАМИКЕ ГРЯД1
© 2015 г. А. Ю. Сидорчук
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы E-mail: aleksey.sidorchuk@geogr.msu.ru Поступила в редакцию 15.05.2013 г.
Перемещение гряд в речном русле может быть активным и пассивным. Активное перемещение осуществляется волнообразными структурами поля скоростей потока — поток управляет переформированиями русла. В этот период гряды трехмерны, симметричны и движутся без однонаправленного изменения формы. Пассивное перемещение гряд происходит при упрощении структуры потока, когда она определяется только наличием грядового рельефа. Гряды становятся двухмерными, асимметричными, в ходе их перемещения гребни движутся быстрее ложбин и гряды перекашиваются. Для оценки расхода влекомых наносов при активном движении иерархической системы гряд необходимо суммировать расходы наносов, перемещаемых в виде гряд всех порядков, и учитывать транзит влекомых наносов в безгрядовой форме. При пассивном движении гряд достаточно рассчитать расход наносов, перемещаемых в виде гряд только одного порядка плюс транзитный расход влекомых наносов в безгрядовой форме. Теоретические исследования на основе подхода Экснера показывают возможность оценки транзитного расхода влекомых наносов в безгрядовой форме по данным о скоростях пассивного перемещения гряд.
Ключевые слова: активное перемещение гряд, пассивное перемещение гряд, речное русло, влекомые наносы, оценка транспорта наносов.
DOI: 10.7868/S0321059615010137
Оценка стока влекомых наносов — одна из главных задач при изучении динамики речного русла, так как в большинстве случаев именно влекомые наносы определяют переформирования русел рек. Один из признанных способов оценки стока влекомых наносов — анализ морфологии и динамики грядового рельефа дна речного русла [14—16, 22, 25]. Теоретические разработки для гряд впервые были проведены Ф. Экснером [23] и неоднократно уточнялись [6, 8, 9, 20, 27, 28]. Имеется значительное количество измерений динамики гряд в лабораторных лотках (более 700 ссылок на англоязычные статьи в поисковой системе Science-Direct). Существенно меньше разработок по выявлению особенностей активной и пассивной динамики иерархии гряд [10, 20] как в области теории этого явления, так и по наблюдениям в руслах рек.
Активная и пассивная динамика гряд впервые была определена Н.С. Знаменской сначала для ме-зоформ, а затем и для всех типов гряд [10—12]. Гряды перемещаются активно, если их "...перемещение осуществляется при свойственных им гидравлических условиях" [10, с. 83], ".смещение осуществляется путем движения частиц наносов" [12, с. 43]. Пассивное перемещение осуществляется "путем движения вторичных гряд, расположен-
1 Работа выполнена в рамках Программы Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-1010.2014.5).
ных на теле первичной гряды" [12, с. 43], которые образуются в результате действия потока с новыми гидравлическими характеристиками [10, с. 83]. При этом под гидравлическими условиями, свойственными грядам с активной динамикой, понимаются вихревые [6] или волнообразные [7, 20, 26] макротурбулентные структуры потока.
Если разница в характеристиках активного и пассивного движения гряд речного русла реально существует, то она должна приводить к существенным особенностям транспорта наносов в грядовой форме при том или ином типе перемещения. Соответственно, оценка стока влекомых наносов в речном русле по данным об активной и пассивной динамике гряд будет иметь свои особенности. Предмет настоящей статьи — выявление этих особенностей на базе наблюдений в реках и теоретического анализа перемещений гряд.
НАТУРНЫЕ ДАННЫЕ О ТИПАХ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРЯД В РЕЧНОМ РУСЛЕ
Наиболее полные данные о существенных изменениях морфологии и динамики гряд на дне речного русла получены на р. Нигер у Аджаокуты, на участке ниже впадения р. Бенуэ [4, 17, 18]. Таким изменениям способствует гидрологический режим реки в тропиках, определяемый четко выраженными полугодовыми влажным и сухим се-
зонами. Во время влажного сезона формируется мощное половодье. В мае на р. Нигер у Аджаоку-ты начинается подъем уровня воды, который достигает максимума 36.7—40.1 м абс. в конце сентября. Пик половодья с расходом воды до 27 тыс. м3/с может продолжаться до конца октября, когда обычно начинается быстрое падение уровней воды. Период с января по апрель — время глубокой межени, когда уровни воды составляют 28.0—28.5 м, расход уменьшается до 800 м3/с.
На подъеме половодья на дне русла формируются трехмерные дюны, симметричные как в продольном, так и в поперечном направлении, с пологими (6°—8°) выпуклыми верховым и низовым откосами (рис. 1). На участке реки у Аджаокуты их длина на пике половодья составляет 25—40, высота 1.5—2.0 м (табл. 1). Дюны покрыты трехмерными симметричными рифелями длиной 5—10, высотой 0.3—0.5 м. И дюны, и рифели перемещаются вниз по руслу без существенного изменения средних размеров и конфигурации, хотя индивидуальные гряды могут довольно сильно трансформироваться. Не прослеживается также влияние морфологии дюн на рифели — на верховых и низовых откосах дюн рифели имеют примерно одинаковые размеры.
На спаде половодья начинается трансформация дюн (рис. 2). Симметричные дюны становятся асимметричными за счет более быстрого смещения гребня, выполаживания верхового откоса и формирования крутого (до 10°—15°) низового откоса. Длина дюн увеличивается за счет слияния соседних дюн (табл. 1). Одновременно дюны становятся "двухмерными", значительно увеличиваясь по ширине за счет слияния соседних дюн в поперечном направлении. Рифели слабо выражены в начале верховых откосов дюн, достигают максимальных размеров в пригребневой части и практически исчезают на низовых откосах дюн.
Во время межени дюны еще более удлиняются, уменьшается их высота (табл. 1). Верховые откосы становятся практически горизонтальными (0.2°— 0.3°), низовые откосы приобретают крутизну, близкую к углам естественного откоса для песка в воде (20°-30°). Наряду с рифелями в пригребневой части асимметричных двухмерных дюн в плесах формируются вторичные трехмерные симметричные дюны, которые перемещаются вниз по руслу без существенного переформирования (рис. 3).
Сходные характеристики гряд наблюдаются в низовьях р. Терек во время прохождения летних паводков [3, 21].
Таким образом, наблюдения показывают отчетливые различия в морфологии гряд на разных фазах гидрологического режима и наличие двух главных типов динамики гряд. В период увеличения расходов воды, глубин и скоростей потока, а также в условиях установившегося потока происходит начальное формирование на плоском дне иерархии трехмерных симметричных гряд, кото-
рые перемещаются вниз по потоку без существенного изменения формы. Морфология и динамика гряд разных порядков во многом независимы. В период уменьшения расходов воды, глубин и скоростей потока происходит разрушение этой системы, по мере перемещения гряды преобразуются в двухмерные и все более асимметричные донные формы, а в иерархии наблюдается усиление взаимовлияния гряд разных уровней.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ГРЯД И ТРАНСПОРТА ВЛЕКОМЫХ НАНОСОВ
Рассмотрим случай, когда дно русла покрыто грядами и эти гряды образуют иерархический комплекс. Описание перемещения гряд к-го уровня проводится в системе натуральных ортогональных вертикальных и продольных координат гх(к\ привязанной к поверхности более крупных гряд к + 1-го уровня. Самые крупные гряды иерархического комплекса рассматриваются в
базовых координатах г (+и), х(+и), где продольная координата параллельна свободной поверхности потока, а вертикальная ей перпендикулярна.
Если следовать Ф. Экснеру [23], анализ динамики донных гряд каждого из уровней основан на уравнениях баланса наносов и деформации. После осреднения трехмерного уравнения баланса наносов по глубине Б и ширине Жравнорасход-ной струи (по [5]) получим:
ж дго ± дЖ = -дЯ± - дБжв
±
(1)
д? дх дх д? Здесь имеются в виду объемный сток влекомых
Оо
наносов Qs = •
(1 -в)
не концентрация наносов £ =
и объемная средняя по глуби-
(1 -в)
, где и -
соответственно сток влекомых наносов и концентрация наносов, измеренные по их весу, е — пористость донных отложений, qsb — поперечный удельный объемный расход наносов, z0 — вертикальная отметка дна, ? — время.
Если отслеживать перемещение некоторого малого участка дна с неизменной вертикальной отметкой Zo, то полная производная по времени ? при таком перемещении будет равна нулю [8, стр. 227]:
Сго = дго +дг1 с = о
(2)
СИ д? дх Здесь Сг — скорость продольного перемещения такого участка. Изменение расхода влекомых наносов по длине х запишется в виде:
= дЖСгго дЖСг
дх
дх
■г о-
. +
дх
(1+дж удцш = джсго - р
\ дх} д? дх
о
30 м абс.
25 м абс.
50
100
150
200
250 м
Рис. 1. Морфология и динамика комплекса активных гряд (рифели на дюнах) во время половодья 1978 г. на р. Нигер у Аджаокуты, продольник 2, правый борт осередка.
0
Расход влекомых наносов на участке дна с отметкой может быть получен интегрированием (3) по длине потока:
а = ЖС^0 - \р,(х,№ + ДО. (4)
Значение неопределенной функции /(?) находится при условии z0 = 0, т. е. она равна расходу наносов (с учетом трехмерных эффектов) на наиболее низком участке дна — в подвалье гряды. Иногда полагается, что на таком участке расход
I_I_I_I_I_I
0 50 100 150 200 250
м
Рис. 2. Морфология и динамика комплекса гряд (активные рифели на пассивных дюнах) во время спада половодья 1978 г. на р. Нигер у Аджаокуты, продольник 2, правый борт осередка.
влекомых наносов и, следовательно, функция /(?) равны нулю [8, стр. 227]. Это означает, что при грядовом движении наносов невозможен их транзит в подвальях гряд. Однако такое предположение не является общим и может реализоваться лишь в частных случаях, например при движе-
нии гряд с крутыми низовыми откосами. В большинстве исследований по расчету стока влекомых
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.