Гидроморфологическая типизация речных русел и типов руслового процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидроморфологическая типизация речных русел и типов руслового процесса

1. Гидроморфологическая типизация речных русел

В соответствии с основными положениями гидроморфологической теории руслового процесса речные русла могут быть типизированы по степени влияния на русловой процесс ограничивающих условий, определяемых общим морфологическим и геологическим строением дна долины и ее склонов. По степени влияния именно этого фактора все речные русла могут быть разделены на три гидроморфологических типа:

1-ый тип - орографические речные русла, параметры и форма которых даже в меженные периоды полностью определяются склонами долины или коренными или осадочными породами, заполняющими ее дно. Речные русла данного типа могут различаться между собой по степени вертикальной врезанности в дно долины, но основная суть процессов их руслоформирования остается общей. Русла 1-го гидроморфологического типа могут быть разделены на три подтипа.

К первому подтипу относятся морфологически однородные участки речных русел, чаще всего встречающиеся на малых реках и в верховьях рек, у которых дно и береговые склоны меженного русла реки сложены трудно размываемыми коренными или осадочными породами. Пойма на таких участках отсутствует, а извилистость русла носит бессистемный характер, определяемый орографией дна и склонов долины. Ограничивающие условия данного подтипа являются примером наиболее интенсивного, предельного проявления ограничивающего фактора при незначительном расходе донных руслоформирующих наносов. В таких условиях в русле могут происходить лишь локальные и необратимые деформации дна и берегов, не являющиеся проявлением транспорта руслоформирующих наносов и часто связанные с другими эрозионными процессами на склонах долины и берегах рек, которые активизируются в короткие периоды повышенной водности. Перемещение потоком продуктов механического разрушения берегов и склонов долин происходит во взвешенном состоянии, а также в бесструктурной или грядовой форме в зависимости от состава размываемых пород. При этом соотношение долей взвешенных и донных наносов в составе размываемых пород определяет геометрические параметры поперечного сечения русла (малые значения параметра В/Н соотношения ширины и глубины русла) и незначительный объем транспортируемых руслоформирующих наносов. Суть русловых процессов на таких участках заключается в формировании врезанных орографических русел и в транспорте донных наносов в бесструктурной или грядовой форме. Побочни и осередки в таких руслах не формируются, но возможно формирование современных аккумулятивных образований в виде орографических перекатов, кос и пляжей, размеры, форма и местоположение которых определяются плановыми очертаниями и рельефом речного русла. Возможно формирование и отдельных стационарных пойменных массивов, местоположение и размеры которых строго определены строением склонов и дна долины. При таком характере процессов руслоформирования, когда отсутствуют регулярные динамичные формы транспорта наносов, понятие «руслоформирующий расход» не имеет физического смысла.

Ко второму подтипу относятся участки рек, форма и параметры меженного русла которых определяются чехлом аллювиальных отложений на дне речной долины, сформированным потоками значительно большей водности, чем современный поток, и, соответственно, с более крупным гранулометрическим составом. В силу устойчивости унаследованных отложений к действию современного потока, воздействие их как ограничивающего фактора аналогично воздействию на русло коренных пород долины. В этих условиях поступление руслоформирующих наносов в русло также очень незначительно, плановые очертания меженного русла реки определяются орографией аллювиального дна долины, деформации дна и берегов русла локальны и необратимы и не являются проявлением транспорта руслоформирующих наносов. Доля взвешенных наносов в составе унаследованного аллювия незначительна, и русла этих рек незначительно врезаны в аллювиальные толщи. Переформирования в русле представляют собой преимущественно бесструктурное перемещение отдельных фракций унаследованного аллювия и формирование в русле реки аккумулятивных форм руслового рельефа, плановое положение которых определяется конфигурацией устойчивого русла. На участках с достаточным объемом руслоформирующих наносов создаются гидравлические условия, благоприятные для формирования мезоформ. На таких участках чехол унаследованных аллювиальных отложений формирует своеобразную унаследованную стабильную пойму. В связи с этим на таких участках рек руслоформирующим расходом воды (расходом, создающим динамичные и аккумулятивные мезоформы речного русла) следует считать расходы воды, проходящие в бровках этой унаследованной поймы.

Третий подтип орографических русел. Непосредственно воздействующим на меженное русло реки видом ограничивающего фактора являются также заболоченные поймы или заболоченные днища долин, когда основная толща пойменных массивов сложена торфами. На этих регулярно затапливаемых территориях процессы болотообразования по интенсивности преобладают над процессами руслоформирования, связанными с транспортом руслоформирующих наносов. В этих условиях формируются врезанные русла, плановый рисунок которых определяется локальными особенностями ландшафта пойменного болотного массива. Источники поступления донных руслоформирующих наносов в русла рек на таких участках практически отсутствуют ввиду отсутствия соответствующих фракций в структуре речных берегов и пойменных массивов. Деформации берегов, сложенных торфяной толщей, подстилаемой плотными суглинками, незначительны. Транспорт донных, как правило, песчаных наносов, перемещаемых в бесструктурной или (редко) грядовой форме, также мало интенсивен. Пляжи, косы или перекаты практически не встречаются. На таких участках рек руслоформирующим расходом воды, осуществляющим основной транспорт донных наносовисоздающим динамичные грядовые или редкие аккумулятивные формы русла, следует считать расход, проходящий в бровках заболоченной поймы.

2-ой тип - речные русла, формирующиеся в условиях, когда склоны долины, определяют параметры и форму паводочного русла реки, транспорт руслоформирующих наносов в которых осуществляется в виде мезоформ паводочного русла. При этом характер и форма меженного русла таких рек определяются формами транспорта донных руслоформирующих наносов в пределах паводочного русла, а пойма реки или отсутствует или развита локально.

Процессы руслоформирования в реках 2-го типа развиваются по схемам, соответствующим следующим типам руслового процесса, принятым в гидроморфологической типизации ГГИ:

ленточно-грядовый тип;

побочневый тип;

осередковый тип;

долинное блуждание горных рек.

3-ий тип - речные русла с поймами, которые формируются в собственных аллювиальных отложениях. Русла этого гидроморфологического типа могут быть разделены на два подтипа:

к первому подтипу относятся морфологически однородные участки рек,формирующиеся в условиях, когда склоны долины оказывают некоторое ограничивающее влияние на формирование пойменных массивов;

ко второму подтипу относятся участки рек, формирующиеся в условиях, когда склоны долины практических не оказывают влияния на формирование пойменных массивов.

Процессы руслоформирования в реках 3-го гидроморфологического типа развиваются по схемам, соответствующим известным типам руслового процесса, принятым в гидроморфологической типизации ГГИ:

в реках первого подтипа?ограниченное меандирование и русловая многорукавность,

в реках второго подтипа?свободное меандрирование, незавершенное меандрирование и пойменная многорукавность.

2. Гидроморфологическая типизация руслового процесса

Все возможные схемы деформаций русла равнинных рек, включающие начальную, промежуточную и конечную стадии развития, в соответствии с гидролого-морфологической теорией руслового процесса ГГИ следует подразделять на семь типов, представленных на рисунке 1. Стрелки на этом рисунке показывают предполагаемое направления увеличения транспортирующей способности потока. Ниже представлено описание каждого типа.

Рисунок 1 - Типизация руслового процесса ГГИ (по Н.Е. Кондратьеву и И.В. Попову): 1 - ленточно-грядовый тип, 2- побочневый тип, 3 - ограниченное меандрирование, 4 - свободное меандрирование, 5 - незавершенное меандрирование, 6 - пойменная многорукавность, 7 - осередковый тип или русловая многорукавность, 4>1, 1>7 - увеличениетранспортирующей способности потока, 4>6 - уменьшение транспортирующей способности потока

1 - ленточно-грядовый тип руслового процесса распространен на средних и малых равнинных реках, сложенных из средних и крупных песков, а также на горно-предгорных участках русел и в отдельных протоках крупных и средних равнинных рек. Ленточные гряды легко выявляются при продольном эхолотировании русла, а также при аэровизуальной разведке и на аэрофотоснимках меженного русла. Как самостоятельный тип руслового процесса на равнинных реках встречается редко. Характеризуется отсутствием поймы (плановые деформации берегов русла невелики и носят нерегулярный локальный характер) и наличием в реке одиночных, занимающих всю ширину русла песчаных гряд, длина которых составляет 6-8 ширин русла, а высота 0,15-0,30 глубины в плесе при высоких уровнях воды менее 10%-ной обеспеченности. Основные деформации русла выражаются в сползании ленточных гряд по реке, вызывающем местные периодические колебания отметок дна в фиксированном створе: при прохождении гребней ленточных гряд - повышение и при прохождении подвалий - понижение.

2 - побочневый тип руслового процесса широко распространен на равнинных и горно-предгорных реках, сложенных из наносов любой крупности. Встречается в основном как самостоятельный тип руслового процесса на прямолинейных и слабоизвилистых участках рек, а также в отдельных рукавах при пойменной многорукавности и в меандрирующих руслах. Характеризуется отсутствием поймы (плановые деформации берегов несущественны и не имеют закономерного характера) и наличием в русле крупных отмелей, расположенных в шахматном порядке, занимающих в меженный период большую часть ширины русла и частично обсыхающих в межень. В период паводков побочни покрываются водой, и русло приобретает прямолинейный вид. В межень обсохшие побочни придают руслу извилистость в плане. Пониженные затопленные части русла между побочнями образуют перекаты, а против выпуклых краев побочней в русле располагаются плесы. Русловые деформации сводятся к сползанию побочней вниз по течению, которое отмечается преимущественно в периоды половодий и паводков. Высота побочней составляет около 0,3глубины в плесе, соответствующей уровню бровок русла, а длина побочней составляет (4ч8) средней ширины русла между бровками.

3 - ограниченное меандрирование - тип руслового процесса, распространенный чаще на равнинных реках. Характеризуется извилистым руслом, сохраняющем извилистость и во время паводка, и углом разворота излучин до 120?. Осевая линия русла имеет форму, близкую к синусоиде.Свободное развитие плановых деформаций русла ограничено наличием неразмываемых склонов долины. По обоим берегам за границами русла между неразмываемыми склонами долины располагаются чередующиеся обособленные пойменные массивы, систематически подмываемые потоком с верховой и наращиваемые с низовой стороны. В целом это процесс выглядит как сползание излучин без существенного изменения их плановых очертаний. Внутрирусловые деформации такие же, как при побочневом типе руслового процесса. Перекаты размываются в меженьи намываются в половодье. В плесах размыв приурочен к половодью, а намыв - к межени. Деформации поймы выражаются в постоянном нарастании пойменного массива в высоту в результате отложения наилка, образуемого преимущественно взвешенными наносами. Наиболее мощный наилок образуется в верховой части пойменного массива, в результате чего она повышена.

4 - свободное меандрирование - самый распространенный тип руслового процесса на равнинных реках. Развивается в широких речных долинах, склоны которых не ограничивают свободное развитие плановых деформаций излучин. Характеризуется наличием одного действующего русла, сохраняющем при сползании свои размеры и плановые очертания. Механизм переформирования русла значительно сложнее и разнообразнее, чем при ограниченном меандрировании. В начальной стадии развития (при углах разворота менее 90?) излучины свободного меандрирования сползают вниз по течению по схеме ограниченного меандрирования, постепенно увеличивая угол разворота. По мере увеличения угла разворота сползание излучины замедляется, и меняется ее форма (излучины вытягиваются). При углах разворота, близких к 140є, происходит разделение плесовой ложбины и нарушение плановой симметрии излучины в результате преимущественного развития одного из плесов. Дальнейшее развитие излучины завершается сближением подмываемых берегов выше и ниже расположенных смежных излучин и прорывом перешейкамежду ними. После прорыва возникает новая излучина, что нарушает нормальный ход развития смежных излучин. Скорости деформаций в зоне прорыва возрастают. Общий ход глубинных деформаций в многолетнем разрезе подчинен характеру развития плановых деформаций. Глубинные деформации в пределах фиксированных плановых очертаний русла носят сезонный характер и сводятся к нарастанию перекатов и размыву плесов в период половодья и к противоположным деформациям в период межени. При наличии базального слоя предельная возможная глубина размыва плесов определяется этим слоем, а выступы коренных пород в русле, останцы на пойме и другие виды проявления ограничивающего фактора в плане вносят существенные изменения в циклическую закономерность развития плановых деформаций. Процессы на пойме проявляются в деформациях пойменных массивов, каждый из которых образуется несколькими излучинами. Рельеф поймы имеет гривистый характер. Гривы представляют собой образованные в ходе плановых деформаций береговые валы. В пойме свободно меандрирующей реки сохраняются староречья - изолированные от действующего русла отпавшие излучины, находящиеся в различной стадии отмирания, соединяющиеся с рекой при высоком уровне воды.

5 - незавершенное меандрирование является разновидностью свободного меандрирования, когда задолго до завершения полного цикла развития излучины на пойме возникает и развивается спрямляющая протока, со временем превращающаяся в главное русло. По мере развития спрямляющей протоки деформации главного русла ослабевают. Спрямляющая протока разрабатывается постепенно (на малых реках быстрее, на больших медленнее). По ней происходит интенсивное движение скоплений наносов в виде ленточных гряд, осередков, побочней. После того как спрямляющая протока примет основную часть расхода воды в реке, прежнее главное русло начинает превращаться в старицу и цикл возобновляется. Этот тип руслового процесса легко опознается на картах и аэрофотоснимках участков рек достаточно большого протяжения по наличию спрямляющих проток, на ранних стадиях развития излучин (до угла разворота примерно 120є).

6 -пойменная многорукавность является дальнейшим развитием и усложнением незавершенного меандрирования, при котором спрямляются не только отдельные излучины, но и группы смежных излучин. Характеризуется широкой поймой. Русловой процесс в отдельном рукаве может развиваться по схеме любого типа руслового процесса. Выделить основное русло среди многочисленных проток бывает непросто и даже невозможно. Острова, образованные протоками, представляют собой участки поймы и обладают значительной плановой устойчивостью. Деформации на участке в целом сводятся к развитию, отмиранию и возобновлению спрямляющих проток, с соответствующим перераспределением расхода воды между рукавами. В периоды половодий и паводков на пойме возникают вторичные протоки, не связанные с развитием незавершенного меандрирования. При анализе материалов участков русел с пойменной многорукавностью требуется фрагментирование всех основных проток по типам руслового процесса.

7-осередковый тип руслового процесса (русловая многорукавность) распространен на участках равнинных и горно-предгорных рек с интенсивным движением донных наносов в условиях перегрузки потока наносами. Характеризуются распластанным руслом, по которому в паводочный период перемещаются мезоформы: осередки, побочни и ленточные гряды, в разной степени обсыхающие в период межени и создающие многрукавный облик русла. В периоды межени и низких половодий на участках русел, сложенных из мелких наносов, происходят внутрирусловые плановые деформации контуров мезоформ. На горно-предгорных реках и равнинных реках с крупным и средним составом аллювия мезоформы сохраняют свою форму, управляя меженным потоком. При такой разновидности осередкового типа и редко повторяющихся больших паводках поверхность мезоформ может закрепляться растительностью и осередки иногда превращаются в осередки-острова. Если поток характеризуется большим содержанием взвешенных наносов, в результате их осаждения на спаде половодий и паводков и интенсивного отложения наилка осередки становятся менее подвижными. Однако при высоких паводках редкой повторяемости, особенно на горных реках, эти образования приходят в движение.

На участках русел рек горно-предгорной зоны кроме ленточногрядового, побочневого и осередкового типов руслового процесса распространены типы, свойственные только горным рекам (рисунок 2):

8 - горная пойменная многорукавность (пойменное блуждание);

9 - долинное блуждание.

Рисунок 2 ? Типы руслового процесса горно-предгорной зоны: а) горная пойменная многорукавность, б) долинное блуждание

гидроморфологический орографический русло горный

На дне горной речной долины выделяются два характерных элемента рельефа: пойма и паводочное русло. Характерным признаком поймы является наличие растительности, стабильность которой зависит от стабильности субстрата (грунта) на поверхности поймы и определяется режимом стока воды и гидравликой паводочного русла. В отличие от рельефа равнинных пойм, формирующихся в результате постоянного перемещения русла в плане, пойменный рельеф горных рек является результатом прерывисто происходящих во времени процессов стабилизации, зарастания и временной консервации подвижных русловых образований.

Паводочное русло горной реки представляет собой часть долины, систематически затапливаемую паводками средней повторяемости, в пределах которой регулярно, каждый год во время паводков поддерживается процесс переотложения наносов. Это широкое галечно-валунное пространство, в значительной степени обсыхающее в меженный период. Растительность в пределах паводочного русла практически отсутствует. Рельеф обсохшего паводочного русла горной реки состоит из пологих гравийно-галечных россыпей - мезоформ. Мезоформы паводочного русла выступают как формы регулярного перемещения наносов. Частично или целиком обсыхая в межень, они обусловливают извилистость и разветвленность русла в плане.

При установившемся режиме течения и полной подвижности донных отложений русловой процесс на горных реках при значениях относительной гладкости потока Н/d ?30 выражается перемещением русловых мезо- и микроформ. В условиях колебаний водности установившиеся формы транспорта наносов периодически перестраиваются. На реках горно-предгорных зон с присущей им неравномерностью режима стока воды в многолетнем разрезе и внутри года инерционность русловых образований сравнительно невелика. Подвижные структуры, оставленные высокими (редкими и выдающимися) паводками, резко перестраиваются только такими же паводками, повторяющимися 1 раз в 20-30 лет. В относительно маловодные периоды продолжительностью 3-10 лет подвижные крупные формы частично зарастают и превращаются в пойменные пространства. В промежутке времени между редкими паводками транспорт наносов осуществляется на уровне структур меньших порядков.

При описанной многопорядковой структуре руслового рельефа функционирование каждого порядка форм связано с соответствующим диапазоном расходов воды, а процесс в целом в многолетнем и внутригодовом разрезе воспринимается как блуждание русла реки по пойме или долине, соответствующее типу горной пойменной многорукавности (на средних горных реках) или долинному блужданию (на малых горных реках).

Перечисленные типы в гидрологоморфологической теории руслового процесса имеют количественное выражение.

На рисунке 3 представлена зависимость типов руслового процесса от факторов, их определяющих: стока воды (горизонтальная ось), стока наносов и ограничивающих условий. В данном случае речь идет о свободном развитии русел без ограничивающих факторов, а на вертикальной оси отложен уклон дна долины - величина, однозначно связанная со стоком наносов.

Рисунок 3 - График связи среднего многолетнего максимального расхода воды и уклона дна долины по данным В.В.Ромашина

График В.В. Ромашина составлен в тех же координатах, что и построенный ранее график Леопольда и Вольмана. Но вместо 32 точек, относящихся к трем типам русел - прямолинейным, извилистым и разветвленным на рукава - в графике Ромашина В.В. использованы данные по 250 участкам рек СССР (равнинным, предгорным и горным) с пятью типами руслового процесса по классификации ГГИ: свободного, ограниченного и незавершенного меандрирования, русловой и пойменной многорукавности в диапазоне уклонов дна долины 0,01-14‰ (в безразмерном выражении 0,00001-0,014) и среднемноголетних максимальных расходов воды от 28 до 133000 м3/с.

На рисунке 4 представлена классификация тех же типов руслового процесса по Б.Ф.Снищенко. В этой классификации каждому типу руслового процесса соответствует свое числовое значение, демонстрирующее характер и эффективность использования рекой того или иного типа уклона дна долины: от неэффективного (свободное меандрирование А=36,6 до наиболее эффективного (русловая многорукавность А=1,97).

Рисунок 4 - Классификация типов руслового процесса равнинных рек (по Б.Ф.Снищенко)

Размещено на Allbest.ru