Рис. 1-6. Свободное меандрирование.
л — шаг излучины; 5 — длина излучины; ао — угол разворота; ав — угол входа; ан — угол выхода (по схеме эти индексы дополнены номерами излучин 1, 2, 3); Р — угол сопряжения излучины; ит — высота излучины; lg Y — показатель асимметрии.
1.6.1. Опознавательные признаки. Для свободного меандрирования характерно наличие одного русла, сильно меандрирующего в широкой пойме. Излучины одного и того же морфологически однородного участка могут быть весьма различными по размерам и по углам разворота, которые могут превосходить 250°. Хорошо развитые излучины (с углом разворота более 140°) обычно имеют в плане асимметричную форму.
Внутреннее строение русла сохраняет элементы, присущие всякому меандрированию. На участке перегиба осевой линии русла
размещается перекат, представляющий собой перекошенную затопленную гряду, переходящую в пляж у выпуклого берега нижерасположенной излучины. У вогнутого берега размещается плёсовая ложбина, которая у сильно развитых излучин (большой угол разворота) обычно распадается на две части (рис. 1-6). Поймы свободно меандрирующих рек сохраняют следы перемещения русла в виде остатков береговых валов.
Рис. 1-7. Пойменный массив при свободном меандрировании.
Л — низовая прорва; В, С, D—верховые прорвы; 1, 2, 3, 4 — участки массива с различными высотными отметками в направлении убывания высот от 1 до 4; 5 — линия гребня берегового вала.
Эти валы образуют системы грив — веера блуждания, легко обнаруживаемые на аэрофотоснимках. В поймах часто встречаются серповидно выгнутые в плане озера-староречья, остатки отчленившихся излучин.
В поймах свободно меандрирующих рек часто удается выделить массивы, ограниченные несколькими (обычно 4—6) не слишком сильно развитыми излучинами, из которых крайние своими вершинами приближаются к коренному склону долины или упираются в него. В таких массивах обнаруживается общность и в их морфологическом строении, и в гидравлических схемах их затопления и опорожнения при прохождении паводков. Пример такого массива, несколько схематизированный, показан на рис. 1-
7. Для массива характерно наличие прирусловой приподнятости, иногда приобретающей форму берегового вала и особенно отчетливо выраженной в верховой части массива. Центр массива понижен. Самые низкие участки сдвинуты к низовьям массива и к склону долины. Здесь, у подошвы склона, часто размещаются пойменные озера.
Центральное пойменное понижение представляет собой емкость, наполнение и опорожнение которой происходит через «проpвы» — местные понижения в береговых валах и возвышенностях. Можно выделить два типа прорв: низовые прорвы, расположенные в пониженной низовой части массива, обычно вблизи от склона долины (на рис. 1-7 прорва А), и верховые прорвы, расположенные в верховой части массива на повышенных участках береговых валов (на рис. 1-7 прорвы В, С, D). Гребни последних, в отличие от гребней низовых прорв, могут существенно возвышаться над меженным уровнем воды в реке.
- Ход заполнения и опорожнения пойменного массива. В начале паводка заполнение пойменной емкости происходит через низовые прорвы. Лишь при дальнейшем подъеме уровня воды в реке вода начинает переливаться через гребни верховых прорв. У этих прорв может быть перепад уровней по величине, близкий к падению реки на участке всего массива. Скорости течения в прорвах при этом могут достигать критических и сверхкритических скоростей. После включения верховых прорв увеличивается скорость наполнения пойменных емкостей и увеличивается скорость подъема уровня воды в них. С момента, когда уровень воды в пойме становится выше уровня воды в реке у низовой прорвы, эта прорва начинает работать в обратном направлении. Вода начинает поступать из поймы в русло, и массив начнет (сначала в незначительном размере) участвовать в пропуске паводка.
На спаде паводка уровень воды в реке может оказаться ниже уровня на пойме у верховых прорв. В этом случае верховые прорвы начнут работать в обратном направлении, отдавая воду реке. Этот процесс будет продолжаться до момента обсыхания гребней верховых прорв. После этого сток воды из поймы в реку будет происходить только через низовую прорву и этот процесс может затянуться и иногда продолжаться в течение всей межени (см. приложение IX).
Для пояснения хода затопления и опорожнения пойменного массива введем следующие обозначения:
Qb, Qн — расходы через верховую и низовую прорвы, которые будем считать положительными, когда расход направлен из русла в пойму, и отрицательными, когда расход направлен из поймы в русло;
Qт, Qa — соответственно транзитный расход и расход на заполнение [со знаком плюс ( + )] и на опорожнение [со знаком минус (—)] поймы;
W — изменение объема воды в пойме, положительное при наполнении и отрицательное при ее опорожнении.
Приняв эти обозначения, весь цикл прохождения паводка через пойменный массив можно разбить на шесть этапов, как это показано ниже в табл. 1.1.
Таблица 1-1
1.6.3. Русловые и пойменные деформации. В отличие от излучины ограниченного меандрирования, сползающей вниз по течению без закономерного изменения ее плановых очертаний, излучина свободного меандрирования проходит замкнутый цикл развития, состоящий из следующих этапов.
В начальной стадии развития излучины при углах разворота а, не превышающих 120°, излучина сползает вниз по течению подобно излучине ограниченного меандрирования, но отличается от последней тем, что одновременно со сползанием увеличивается угол ее разворота. При дальнейшем увеличении угла разворота (свыше 120°) сползание излучины приостанавливается, но ускоряется ее разворот.
На следующем этапе развития, который наступает при достижении угла разворота приблизительно в 140°, начинается раздвоение плёса и вместе с тем нарушение симметрии в плановом очертании излучины. Развитие излучины завершается сближением подмываемых берегов выше- и нижерасположенных смежных излучин, прорывом перешейка, образовавшегося менаду подмываемыми берегами, переходом всего потока в прорыв и отмиранием отпавшей излучины.
От этого типичного хода развития излучины могут быть отклонения, вызванные развитием смежных излучин. В частности, этот типичный ход существенно нарушается при прорыве смежной или одной из близлежащих излучин.
Пойменные деформации сводятся к возникновению новых грив, остающихся в результате отступания русла, и к систематическому медленному нарастанию наилка. Более стремительно могут образовываться и развиваться верховые прорвы или возникать отложения в результате размыва верховых прорв или непосредственного выноса песка из русла на береговые валы. Низовые прорвы обычно имеют более устойчивое и врезанное русло, в котором в малом масштабе могут проявляться и меандрирование, и побочный, и ленточногрядовый процессы.
1.6.4. Измерители свободного меандрирования. Свободное меандрирование как сложный гидроморфологический процесс количественно описывается сложной системой измерителей. Для решения различных частных практических задач используются некоторые из них, соответствующие данной задаче. Ниже приводятся те из измерителей, которые в настоящее время освоены или осваиваются в расчетной практике. Плановое очертание излучины определяется следующими измерителями (рис. 1-6).
Шаг излучины — расстояние по прямой между точками перегиба осевой линии русла, ограничивающими излучину.
Длина излучины S м — расстояние между теми же точками, измеренное по осевой линии русла.
Относительная длина излучины — отношение длины излучины к ее шагу.
Угол входа ав — угол, образованный линией шага и вектором, направленным в сторону течения по касательной к осевой линии в верховой точке ее перегиба.
Угол выхода ан — угол, образованный продолжением линии шага и вектором, аналогичным названному ниже, но проходящим через низовую точку перегиба.
Угол разворота а — угол, образованный двумя названными выше векторами и равный сумме углов входа и выхода, т. е. а= = ап + а„.
Угол сопряжения излучин р—угол, образованный продолжением линии шага вышележащей излучины (1) и линией шага рассматриваемой излучины (2). Он равен разности угла входа нижележащей излучины агв и угла выхода вышележащей излучины а1и, т. е. Р=сс2В — 0б1Н. Высота излучины ут — расстояние от линии шага до наиболее удаленной точки осевой линии русла.
Показатель асимметричности излучины е—тангенс угла у, образованного перпендикуляром к линии шага, проходящим через ее среднюю точку, и прямой, соединяющей эту среднюю точку с наиболее удаленной точкой осевой линии русла
Здесь — расстояние менаду верховой точкой перегиба (начало линии шага) и прямоугольной проекцией на линию шага наиболее удаленной точки осевой линии русла.
Скорость развития излучины са — отношение приращения угла разворота к соответствующему интервалу времени
Скорость перемещения береговой линии (подмываемой бровки) Сб. Различается средняя скорость перемещения береговой линии, определенная для отдельного подмываемого участка, соответствующего одной излучине, или средняя скорость, определенная по серии излучин. Кроме того, кинематической характеристикой является наибольшая скорость перемещения, также определяемая по одной излучине или по серии излучин.
Скорость перемещения береговой линии с о изменяется в зависимости от стадии развития излучины и достигает наибольшего значения при угле разворота а, равном приблизительно 160°. При определении величины с<5 по достаточно большой серии излучин такая зависимость для конкретной реки может быть обнаружена и использована в расчетах.
Помимо перечисленных выше измерителен, относящихся к одной излучине или к группе излучин морфологически однородного участка, представляют практический интерес и количественные характеристики пойменного массива, и в первую очередь следующие его измерители:
Длина пойменного массива — расстояние по прямой между крайними верховыми и низовыми точками пойменного массива. За крайние точки принимаются точки береговой линии, через которые осуществляется ощутимый обмен водой между руслом и поймой при прохождении половодья. При четко выраженных прорвах за крайние точки могут приниматься крайние верховые и низовые точки.
Длина русла в пределах пойменного массива SM м — расстояние, измеренное по осевой линии русла между крайними точками пойменного массива.
Падение уровня воды в русле в пределах пойменного массива Az м — падение уровня воды в русле между крайними точками массива, измеренное в период прохождения половодья.
Аккумулирующая емкость пойменного массива выражается графиком зависимости объема воды заполняющего пойму, от отметки уровня воды в пойме ги, т. е. кривой
Относительное положение прорвы на участке реки
— отношение расстояния Sn п-й прорвы от верховой точки массива, измеренное по осевой линии русла, к полной длине русла в пределах пойменного массива 5М. Этот параметр используется для распределения полного падения уровня воды в русле zM между прорвами.
Гидравлическая характеристика прорвы — зависимость расхода воды через прорву от положения уровня воды в русле и в аккумулирующей емкости или в смежных аккумулирующих емкостях, соединяемых прорвой, т. е. зависимость вида Q = f(zn, £n+i).
1.6.5. Определение количественных значений измерителей свободного меандрирования. Морфологические измерители
определяются непосредственно по
картографическим материалам, лоцманским картам, аэрофотоснимкам. По тем же материалам определяются аккумулирующие емкости пойменных массивов и относительное положение прорв на участке русла
. Падение уровня в пределах пойменного массива Az определяется по существующим продольным профилям свободной поверхности или путем специальной нивелировки. Гидравлические характеристики прорв Q = f(zn, z„+l) получаются путем гидравлического расчета (см. приложение IX).
