3.2. Внутренние водные пути и их транспортно-эксплуатационные характеристики

Роль речного флота в транспортной системе страны определяется протяженностью внутренних водных путей и возможностями их использования для судоходства. Выбор транспортного флота осуществляется

на основе технико-экономических расчетов, и зависит с одной стороны от экономических показателей работы флота, с другой – от характеристик водных путей.

Классификация внутренних водных путей в зависимости от глубины судового хода приведена в табл. 4.

Таблица 4

Классификация внутренних судоходных водных путей

Для каждого класса водного пути наряду с судоходными глубинами нормируются значения радиуса закругления и терты судового хода, от которых также в значительной степени зависят условия безопасного судоходства.

Реки представляют собой водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов.

Вода, поступающая в виде осадков на поверхность бассейна, попадает в русловую сеть посредством поверхностного стекания и фильтрации через грунт. Фильтрация обеспечивает меньшую, но относительно устойчивую слагаемую питания рек. Поверхностное питание может быть трех видов: дождевое, снеговое и ледниковое.

Большинство рек в стране имеют смешанное питание – дождевое и снеговое. Причем доля последней составляющей больше и достигает в среднем 65-80 % от общего объема стока. Дождевое питание преобладающее значение имеет в тропических областях земного шара. На главных реках страны его величина не превышает 15-20 % общей величины стока. Ледниковое питание характерно для рек, берущих начало в горных районах, где имеются ледники. В летний период при повышении температуры нижняя оконечность ледника интенсивно тает, что обеспечивает питание рек водой.

Объем воды, поступающий а реку с поверхности бассейна, в значительной степени изменяется в течение календарного года. Например, равнинные реки России весной преимущественно питаются талыми водами, а в летний период – подземными водами. Осенью, в период дождей, реки получают смешанное питание: поверхностное и подземное. Зимой, когда поверхностное питание прекращается, жизнь реки обеспечивается лишь за счет подземного питания. Его величина составляет в среднем 25-35 % от объема речного стока ив меньшей степени подвержена сезонным изменениям.

Часть земной поверхности, с которой вода стекает в данную реку, называется бассейном или водосбором. Бассейн каждой реки включает в себя поверхностный и подземный водосборы. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Поэтому в расчетах и при анализе явлений стока за величину бассейна обычно принимается только поверхностный водосбор.

Соседние водосборные бассейны отделены друг от друга доминирующими над местностью формами рельефа, называемыми водоразделами. Длина водораздельной линии представляет собой длину проекции водораздела на поверхность Земли.

Размеры водосборного бассейна характеризуются его площадью и длинной водораздельной линии.

Каждая река имеет исток и устье. Истоком реки называется место, где появляется постоянное русло потока. Нередко для крупных рек началом условно считается место слияния рек разного названия.

Устьем реки называется место впадения реки в море, озеро или другую реку. Имеются случаи, когда река не доходит до устья и постепенно теряет свои воды на испарение и просачивание, или полностью разбирается на орошение и водоснабжение.

Длиной реки называется расстояние от истока до устья. Обычно расстояния на карте показывают от устья реки, а в некоторых случаях от того места, откуда осуществляется судоходство.

По длине реки от ее истока к устью площадь водосборного бассейна нарастает, увеличиваясь скачком в месте впадения каждого притока.

Совокупность рек, принадлежащих данному речному бассейну, называется речной сетью бассейна или речной системой. Наиболее крупным

и речными системами являются бассейны рек Амазонки (Ю. Америка), Конго (Африка), Миссисипи (С. Америка). В России в число крупнейших речных бассейнов входят реки Обь, Енисей, Лена, Волга и др.

Река, впадающая в океан, море или озеро, называется главной. Реки, впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка, притоки этих притоков – притоками второю порядка и т.д. Отношение суммарной длины всех водотоков данного бассейна к его площади называется густотой речной сети. Она зависит от целого ряда факторов и в первую очередь от количества осадков и условий их стока. Чем больше осадков выпадает на территорию бассейна, тем сильнее развита речная сеть и тем больше густота. В засушливых районах речная сеть значительно реже, а в пустынях иногда совсем отсутствует.

Извилистость и разветвленность речной сети оценивается с помощью коэффициентов извилистости К_и и разветвленности К_р.

Дельтой реки называется устье реки при впадении её в водоем (рис. 31). С течением времени дельта постепенно увеличивается в размерах,

Рис. 31. Дельта реки и приустьевый бар

выдвигаясь в сторону принимающего водоема. Развитие рельефа дельты и устьевого взморья происходит в результате взаимодействия речных, морских и физико-географических факторов.

Самые мелкие частицы, переносимые речной водой, выпадают за пределами дельты, образуя приустьевой бар. Глубины на баре часто бывают меньше глубин в реке, и это создает затруднения для судоходства.

Под влиянием приливно-отливных течений устья рек, впадающих в моря, формируются в виде воронкообразных эстуариев – заливов, вдающихся в сушу. Эстуарий обычно представляет собой затопленную часть древней долины реки. Впадая в эстуарий, река может образовать дельту.

Дельты рек широко используются в народном хозяйстве. В нашей стране наиболее крупные дельты имеют реки Обь, Лена и Волга.

Формирование рельефа земной поверхности – это необратимый многовековой процесс, осуществляющийся в масштабах геологического времени. Речной долиной, но которой протекает река, называется полая, протяженная форма рельефа с общим наклоном дна от одного конца к другому, выработанная водой, стекающей по поверхности суши. Наиболее глубокую часть в ней занимает русло реки. Ширина долины обычно значительно больше ширины реки.

Долины, по которым протекают современные реки, имеют длительную историю своего формирования и носят на себе отпечатки периодов большой водности. Современный климат и существующая водность рек установились после окончания сброса талых вод последнего оледенения.

Несмотря на влияние тектонических процессов, при своем происхождении, долины большинства рек европейской части страны выработаны потоками воды, формировавшимися при отступлении ледника, и имеют эрозионное образование. Ледниковые долины встречаются на северо-западе нашей страны, тектонические – в горах Кавказа.

Основными элементами речных долин являются следующие: бровка и склон долины, пойма, меженное русло, террасы, аллювий и подошва аллювия.

Бровка и склон долины определяют границу сопряжения долины с поверхностью прилегающей к ней местности.

Пойма – часть дна долины, затапливаемая при подъемах уровня воды в реке.

Меженное русло – выработанная потоком пониженная часть дна долины, по которой происходит пропуск стока воды в период низкой водности – межень.

Террасы – уступы со ступенями на склонах долины. Они хранят следы колебаний водности в период отступания ледника. По мере уменьшения водности, выработанные русла заносились и в результате – речные долины заполнились окатанным и перемытым обломочным материалом – аллювием.

Современным рекам приходится прокладывать себе путь в его толще. Под толщей аллювия залегают коренные породы, поверхность которых является подошвой аллювия.

Продольный уклон дна долин обычно постепенно уменьшается от истока к устью. Глубина речной долины бывает различной. У равнинных рек она составляет несколько десятков метров. Долины горных рек иногда имеют глубину в несколько сотен метров. Глубокие и узкие долины горных рек называются ущельями.

Основной сток воды в меженный период происходит в границах речного русла, занимающего наиболее низкую часть речной долины. Русла равнинных рек отличаются сложными пространственными формами. Они характеризуются извилистым очертанием в плане и наличием подвижных скоплений аллювия, формирующих русловые образования. В связи с тем, что русла рек дополнительно извиваются внутри своих долин, они имеют больший коэффициент извилистости, чем сами долины.

Поперечные размеры русла увеличиваются от истока к устью по мере впадения притоков и нарастания водности. Однако даже на участках с постоянной водностью, расположенных между крупными притоками, размеры речного русла также не постоянны и их изменение носит знакопеременный характер.

Основная особенность речных русел состоит в чередовании по их длине глубоких и мелких мест: плесовых лощин (плесов) и перекатов, Перекат представляет собой характерную форму донного рельефа, сформированную отложениями частиц речного аллювия в виде широкой гряды, пересекающей русло реки под некоторым углом к направлению течения. В судоходной практике различают следующие элементы переката: верхний и нижний побочни, корыто и гребень переката, а также верхнюю и нижнюю плесовые лощины (рис.32).

Прибрежные скопления речного аллювия, представляющие собой возвышенные части перекатного вала, называются побочнями – верхним и нижним. Между ними располагается седловина, наиболее низкая часть

Рис. 32. Схема (а) и продольный профиль (б) переката:

1 – верхний побочень; 2 – нижний побочень; 3 – верхняя плесовая лощина; 4 – нижняя плесовая лощина; 5 – корыто переката; 6 – ось судового хода; 7 - урез воды; 8 – изобаты – линии равных глубин, с помощью которых изображается рельеф дна реки; 9 – меженные (затапливаемые) бровки речной долины; 10 - напорный скат переката; 11 - гребень переката; 12 – тыловой скат; 13 - подвалье переката; 14 – свободная поверхность воды

которой называется корытом переката. Через корыто переката проходит судовой ход. Линия, соединяющая наиболее высокие точки перекатного вала, определяет положение гребня переката. Глубокие части русла, расположенные выше и ниже переката, представляют собой соответственно верхнюю и нижнюю плесовые лощины.

Место сопряжения низового ската с дном нижней плесовой лощины называется подвальем.

Благодаря косому расположению перекатного вала в русле реки, линия наибольших глубин, а вместе с ней и судовой ход на участке переката переходит от одного берега к другому. При низких уровнях воды побочни обнажаются, что приводит к увеличению кривизны судового хода в межень.

Частота расположения перекатов по длине реки составляет 5-25 ширин меженного русла. В верховьях реки перекаты встречаются чаще, чем в среднем и нижнем течении.

Существование перекатов в руслах рек обусловлено природой движения воды и является результатом взаимодействия потока с размываемым аллювиальным дном речной долины. Недостаточные глубины на перекатах оказывают серьезное затруднение при судоходном освоении естественных водных путей.

Для выполнения расчетов водопотребления, распределения водных ресурсов и при решении других практических задач в гидрологии используются следующие количественные характеристики стока.

Объем стока - это количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой-либо период времени. Наибольший интерес представляет объем годового стока.

Слой стока - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо промежуток времени, выраженное в виде слоя, равномерно распределенного по площади бассейна.

Расход воды - объем воды, протекающей через поперечное сечение потока (живое сечение) за единицу времени.

Модуль стока - есть частное от деления расхода воды на площадь водосборного бассейна. Модуль стока показывает, какой объем воды стекает с единицы площади водосбора за единицу времени.

Коэффициент стока - отношение слоя стока к слою осадков.

Из этих характеристик в практике инженерных расчетов наиболее широко применяются расход воды и норма стока - средний за многолетие годовой объем стока. Измерения стока, выполняемые на реках длительное время (более 100 лет), показывают, что его величина подвержена значительным колебаниям. При этом расход воды в реке изменяется как в течение календарного года, т.е. существует внутригодовое распределение стока, так и из года в год. Первый вид колебания стока обусловлен в основном питанием реки. Режим стока определяется климатом и группой физико-географических факторов. К ним относятся рельеф, почвенно-грунтовый и растительный покровы, наличие озер и болот на территории бассейна. В последнее время сток испытывает все большее влияние человеческой деятельности.

Основным фактором формирования стока являются климатические условия. Размеры стока и его изменения в течение года и за многолетний период в основном определяются количеством осадков, испарением, влажностью воздуха и др. В областях избыточного увлажнения осадки имеют определяющее значение в формировании годового стока. В районах со значительным испарением зависимость стока от осадков выражается слабее.

Ежегодно речной сток проходит один и тот же цикл изменений. Даты наступления фаз колебаний и значения расходов воды изменяются в многолетнем ряду. Изменяется вместе с ними годовой объем стока. Эти колебания обусловлены значительным числом факторов, и сток может, рассматриваться как случайный процесс. Для определения характерных расходов воды – максимального, минимального и среднегодового используется аппарат математической статистики.

Влияние человеческой деятельности – антропогенное воздействие на, природу приводит к нарушению естественных процессов формирования стока. Водохранилища вносят сильные изменения во внутригодовое распределение стока. Однако при этом уменьшается также средний годовой сток за счет испарения с поверхности воды. Наиболее ощутимо изменение годового стока после создания водохранилищ в засушливых районах. Еще больше потери стока в районах орошаемого земледелия. Сток снижается за счет коммунального и промышленного водоснабжения, а также за счет агролесомелиоративных мероприятий.

В естественных условиях уровень воды в реках существенно изменяется с течением времени. Под уровнем воды понимается положение водной поверхности относительно условной плоскости, имеющей постоянную высотную отметку.

Главной причиной колебания уровней воды в реках и водоемах являются колебания стока. С увеличением расхода воды уровни воды растут. В пределах меженного русла до выхода воды на пойму связь между расходами и уровнями является однозначной – каждому значению расхода воды соответствует свое значение уровня воды. Эта зависимость называется кривой расходов. В том случае, если размеры поперечного сечения в створе наблюдений не изменяются во времени, кривая расходов представляет стабильную характеристику гидрологического режима. Эта зависимость имеет нелинейный характер, причем с ростом уровня воды расход растет все быстрее.

Кривая расходов воды является характеристикой конкретного створа реки. Непостоянство размеров русла по длине реки, а также разнообразие русловых форм, приводят к различию между режимом расходов и уровней воды в отдельных пунктах реки. Если под действием текущей воды с течением времени изменяется рельеф дна в створе измерения расходов воды, то в результате изменяется характер связи между расходами и уровнями воды. В ряде случаев однозначность кривой расходов нарушается. При наступлении высоких уровней воды происходит затопление поймы.

Существенное нарушение связи между расходами и уровнями воды происходит в зимний период при установлении ледового покрова. В это время появляется дополнительное сопротивление движению воды. Поэтому в зимний период расходы воды всегда меньше, чем летом при соответствующих значениях уровня воды.

Сильное влияние на изменение уровней воды в реке оказывают крупные притоки. В главной реке выше створа впадения притока происходит местное повышение уровней воды – подпор, который распространяется вверх по реке. Его величина и протяженность зависят от соотношения расходов воды. Если уровни воды в главной реке выше, чем в боковом притоке, то в этом случае приток находится в подпоре от реки. Подпор возникает также при возведении подпорных гидротехнических сооружений на реках.

Кроме этого, явление подпора наблюдается в естественных условиях в меженный период, когда перекаты подпирают движение воды в вышележащих плесовых лощинах.

В озерах и водохранилищах, и на устьевых участках рек уровни воды изменяются вследствие ветровых нагонов и сгонов. В результате длительного воздействия ветра со стороны моря водные массы перемещаются в направлении устья реки, что приводит к повышению отметок уровня воды в прибрежной области – нагон. На вышележащем участке реки создается подпор, который распространяется вверх по реке на несколько десятков километров.

Под воздействием ветров обратного направления в прибрежной области наблюдаются явления сгона воды.

В устьях рек, впадающих в море, на уровни воды влияют приливы и отливы. Эти явления представляют собой периодические колебания уровня моря, которые происходят два раза в сутки. Они связаны с изменением взаимного расположения Земли, Солнца и Луны. Колебания уровней воды и другие сопутствующие явления в устьях рек, обусловленные приливами и отливами, аналогичны нагонам и сгонам. Амплитуда колебания уровней воды в северных морях достигает 1 – 2 метра и более сильно зависит от характера приустьевого морского побережья. Во внутренних морях амплитуда этих колебаний составляет 0.1 – 0.2 метра и не оказывает существенного влияния на судоходные условия в устьях рек.

Наблюдения над уровнями воды ведутся ежедневно в специальных пунктах, которые называются гидрологическими постами. Они заключаются в периодической или непрерывной фиксации высоты уровня в определенных пунктах водного объекта. Уровни, наблюдаемые на гидрологическом посту, выражаются в превышениях над особой плоскостью сравнения, которая называется нулем графика поста.

Наблюдения за стоком показывают, что его случайные колебания имеют положительную асимметрию: годы с отрицательным отклонением от нормы (маловодные) встречаются чаще, чем годы с положительными отклонениями (многоводные). Крайние положительные отклонения по своей абсолютной величине превосходят крайние отрицательные отклонения.

К числу характерных уровней в течение года относятся:

- максимальный уровень весеннего половодья;

- минимальный уровень летней межени;

- минимальный уровень за зимний период;

- уровни весеннего и осеннего ледоходов;

- максимальные уровни летних и осенних паводков;

- максимальный и минимальный навигационные уровни воды.

Заблаговременное предсказание сведений о режиме водных объектов называют гидрологическим прогнозом. Основными характеристиками гидрологического режима, по которым составляются прогнозы, являются: высота уровней воды, расход воды и сток, глубины на перекатах, сроки вскрытия и замерзания рек и др.

Прогнозы режима рек и водоемов представляют интерес для энергетики, речного транспорта, водоснабжения и других водопользователей. Прогнозы на судоходных реках имеют большое значение для эффективного использования транспортного и технического флота. На основе прогнозов планируются сроки открытия и закрытия навигации, определяются осадка и загрузка судов транспортного флота, планируются путевые работы на реках, Составление и публикацию данных гидрологических прогнозов в стране осуществляет Гидрометцентр.

Различают фоновые и локальные прогнозы. К первым относятся такие, которые охватывают районы значительной площади (например, бассейн реки). Если прогнозы относятся к определенному пункту или небольшому участку реки, то они называются локальными.

По срокам заблаговременности предсказаний прогнозы подразделяют на долгосрочные и краткосрочные. К долгосрочным относятся прогнозы с заблаговременностью более 15 суток (месяц, год и более). Краткосрочные прогнозы предсказывают наступление явлений от нескольких часов до 10 – 15 суток.

Долгосрочные прогнозы позволяют предсказать объем стока в половодье и максимальные расходы воды.

Для водного транспорта наибольший интерес представляют краткосрочные прогнозы. Они охватывают следующие элементы гидрологического режима: уровни (глубины на перекатах) и расходы воды, вскрытие и замерзание рек, озер и водохранилищ и отдельные ледовые явления. Кроме того, с заблаговременностью от нескольких часов до нескольких суток предсказывается наступление штормов, наводнений и других гидрологических явлений. Прогнозы вскрытия и замерзания используют при планировании перевозок, прогнозы отдельных ледовых явлений – при зимнем отстое судов и гидротехническом строительстве. Прогнозируя уровни воды на перекатах в межень, можно предсказывать судоходные глубины.

Водные массы рек, озер и других водоемов получают тепло из окружающей среды и отдают его обратно. В результате этого теплообмена происходят суточные и годовые колебания температуры воды.

В реках в силу условий движения воды происходит постоянное перемешивание водных масс. Благодаря этому температура оказывается выровненной по глубине, и по ширине потока. В больших водоемах имеется различие – градиент температуры по глубине.

Годовой ход температуры воды в реках характеризуется следующими особенностями. В течение зимних месяцев температура воды остается близкой к 0 °С. Весной с повышением температуры воздуха и очищением реки ото льда вода быстро прогревается. Максимального значения температура воды достигает в июле – августе. Осенью по мере понижения температуры воздуха температура воды убывает. Характерным является то обстоятельство, что примерно первую половину периода, свободного ото льда, температура воды в большинстве случаев остается ниже температуры воздуха, а во вторую – несколько выше.

Суточный ход температуры воды наблюдается только в теплое время года. Причем амплитуда колебания температуры в течение суток на северных реках, как правило, меньше, чем на южных. Обусловлено это большей продолжительностью светового дня летом в северных районах страны.

По длине реки изменение температуры связано с общим направлением течения. На реках, текущих с севера на юг, температура воды постепенно возрастает к устью реки. Реки, имеющие ледниковое питание, характеризуются наиболее низкими значениями температуры воды в своих верховьях.

Началом зимнего периода считается время установления устойчивых отрицательных температур, а концом – момент окончания весеннего ледохода. Зимний режим включает в себя три характерных периода: замерзание, ледостав и вскрытие.

Первым признаком замерзания воды следует считать появление заберегов – неподвижных тонких ледовых образований в приурезовой области реки. При быстром течении забереги развиваются медленно. В этом случае в русле реки образуются тонкие пластинки льда округлой формы, плывущие по реке – сало.

В связи с равномерным охлаждением температуры по глубине ледообразование происходит не только на поверхности воды, но и в толще потока. Внутриводный лед скапливается в виде студенистой массы – шуги. Часть его всплывает на поверхность воды, другая часть уносится течением и перемещается в толще потока.

По мере движения вниз по течению ледовые образования увеличиваются в размерах и, смерзаясь между собой, образуют льдины. Льдины постепенно увеличиваются в размерах за счет замерзания воды в промежутках между ними. В момент, когда свободного пространства на поверхности воды становится совсем мало, движение льда прекращается и образуется сплошной ледяной покров – ледостав. В некоторых случаях на малых реках со спокойным течением воды ледостав может происходить за короткое время без ледохода.

После замерзания реки первое время в воде содержится много шуги. В стеснениях русла и на мелких перекатах шута может накапливаться и забивать поперечное сечение потока. Это явление называется зажор. В результате затрудняется движение воды подо льдом и на вышележащих участках, происходит подъем уровней воды.

Ледовый покров в начале зимы имеет сравнительно небольшую толщину. Дальнейший рост толщины льда происходит под действием отрицательных температур воздуха. Интенсивность ледообразования зависит от продолжительности стояния низких температур воздуха и их абсолютных величин. Чем ниже температура воздуха и чем длиннее зимний период, тем больше толщина льда в реке. Сдерживающее влияние на увеличение толщины льда оказывает снеговой покров, грунтовые воды и скорость течения воды в реке. В некоторых случаях влияние этих факторов настолько велико, что на отдельных участках река не замерзает в течение длительного периода времени, а иногда в течение всей зимы. Такие незамерзающие участки реки называются полыньями. Они встречаются в местах выхода трутовых вод, в нижних бьефах плотин гидроэлектростанций, в истоках рек, вытекающих из озер. В полыньях происходит образование внутриволного льда и шуги.

С усилением солнечного излучения весной рост толщины льда прекращается. Увеличивается сток талых вод с водосборного бассейна и происходит подъем уровней воды. Вследствие этого лед вспучивается на середине реки и отрывается от берегов. В ледяных полях образуются трещины, и начинаются первые подвижки льда. Крупные ледяные поля разрушаются на отдельные льдины. По мере увеличения уровней воды вся масса льда приходит в движение – так начинается весенний ледоход. В некоторых местах образуются заторы льда, которые представляют собой скопление ледяных полей, препятствующих движению воды. При заторах льда уровни воды в реке поднимаются до некоторой величины, пока не происходит прорыв. В результате прорыва затора вниз по течению с большой скоростью устремляется масса скопившегося льда. Это может привести к повреждению гидротехнических и других сооружений на реках.

Весенний ледоход заканчивается с очищением реки ото льда. Период свободного состояния реки с момента окончания весеннего ледохода до начала наступления осеннего ледохода называется продолжительностью физической навигации. Фактическая продолжительность навигации – это период времени между проходом по реке первого и последнего судов транспортного флота. Обычно она меньше продолжительности физической навигации. В случаях, когда это целесообразно, на внутренних водных путях практикуется продление навигации за счет использования ледокольного флот

а и специальных средств, ускоряющих таяние льда.

Течение воды в реках возникает, когда появляется продольная составляющая у силы тяжести. Это имеет место, если на рассматриваемом участке реки отметки уровней воды, измеренные oт общей плоскости сравнения, понижаются по ее длине от истока к устью. Обычно в качестве плоскости сравнения при определении высоты уровня в РФ используется ноль Кронштадского футштока, т.е. уровни воды измеряются в Балтийской системе. Разность высот уровня в двух соседних пунктах называется падением уровней воды. Отношение величины падения к длине участка реки между этими пунктами называется уклоном свободной поверхности.

Уклон является одной из важнейших характеристик течения воды. Его величина у равнинных рек обычно невелика и составляет 5-20 см/км. Падение и уклон свободной поверхности воды, во-первых, зависят от местоположения створа наблюдения по длине реки. В верховьях реки уклоны воды больше, чем в среднем течении и на устье. Обусловлено это рельефом речной долины. На границе водосбора в районе истока реки отметки земной поверхности повышаются при приближении к водоразделу. Поэтому уклон свободной поверхности постепенно уменьшается от истока реки к устью. Кроме этого, величина уклона воды изменяется также по длине реки вследствие чередования перекатов и плесовых лощин. В меженный период практически все падение свободной поверхности воды в реке сосредотачивается на перекатах, где наблюдаются наибольшие уклоны воды.

Другим фактором, от которого зависит уклон свободной поверхности, является величина наполнения русла. Так как она меняется в течение года, то происходит изменение уклонов воды. С ростом уровней воды в реке влияние перекатов на уровенный режим уменьшается, и это приводит к ослаблению неравномерности изменения уклонов по длине. Средние уклоны свободной поверхности в реке при этом возрастают.

У горных рек уклоны воды значительно больше, чем у равнинных. Их величина составляет от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров на километр. Течение воды в таких реках становится бурным. На каменистых участках с трудноразмываемым ложем, возможно образование порогов и водопадов. В связи с этим использование горных рек для судоходства сильно затруднено.

Размеры речного русла изменяются по длине реки. Поперечное сечение (живое сечение) характеризуется шириной по зеркалу воды В, площадью сечения с максимальной глубиной Т_mах и средней глубиной h_ср (рис. 33).

Рис. 33. Поперечное сечение речного потока

Площадь поперечного сечения в плесовых лощинах в межень больше, чем на перекатах. Изменение ширин и глубин обычно следует обратному закону: ширина русла в плесовых лощинах, как правило, меньше, чем на перекатах, а глубина, наоборот, больше. Такая картина наблюдается при низких уровнях воды. При наступлении высоких уровней неравномерность изменения площадей поперечного сечения по длине реки выравнивается. На перекатах при большом наполнении русла площадь поперечного сечения часто становится больше, чем в плесовых лощинах.

Одна из основных особенностей естественных русел заключается в том, что их ширина всегда значительно больше глубины потока. Это значение изменяется по длине реки и кроме того зависит от величины наполнения русла. С ростом уровней воды в плесовых лощинах его величина убывает. На перекатах наблюдается обратная картина. У больших рек его значение больше, чем у малых рек и ручьев.

Движение воды в реках происходит в общем случае под действием трех сил: силы тяжести, силы трения и кориолисовой силы инерции. Последняя обусловлена вращением Земли вокруг собственной оси. Величина ее мала и в практических расчетах обычно не учитывается.

Основной характеристикой движения воды является скорость течения.

Скорости течения воды в равнинных реках обычно невелики и составляют в среднем 0,5-1,5 м/с в различные периоды времени. Наибольшие их значения в реках наблюдаются в половодье, а также на перекатах в межень. В горных потоках движение воды характеризуется значительными скоростями течения.

Движение реальных жидкостей в природе бывает ламинарным (слоистым) и турбулентным (беспорядочным). Первый вид движения встречается при течении вязких жидкостей: смолы, вазелина, смазочных масел, а также при просачивании воды в грунт. Скорости ламинарного течения очень малы.

В естественных руслах всегда наблюдается развитое турбулентное движение воды. Это проявляется в том, что частицы воды, перемещаемые в речном потоке, испытывают случайные отклонения от общего направления течения; в результате «чего происходит интенсивное перемешивание водных масс в реке. Измерения, выполненные на реках, показали, что скорость течения в любой точке испытывает пульсацию по величине, и во времени. А в практике расчетов оперируют осредненными во времени скоростями, относительно которых происходят колебания мгновенных скоростей. При этом фактическая скорость течения в любой момент времени может быть представлена как сумма осредненной и пульсационной скоростей

Осредненные скорости течения являются достаточно устойчивыми величинами и используются при вычислении расхода воды. Для их получения необходимо выдерживать измерительные приборы в каждой точке наблюдений не менее 2 - 3 минут. Это достаточный период времени для осреднения пульсационных скоростей.

В том случае, если осредненная скорость не изменяется с течением времени, такое движение называют установившимся. В естественных потоках это встречается крайне редко, например, в течение непродолжительного времени в меженный период. Обычно в результате изменения стока за год движение воды в реках имеет неустановившийся характер. Наиболее сильно это проявляется на зарегулированных реках, в частности, в нижних бьефах гидроэлектростанций.

Если осредненная скорость не изменяется по длине реки, то такое движение считается равномерным. В реках иногда встречается движение, близкое к равномерному. Оно наблюдается в глубоких прямолинейных плесовых лощинах. Однако в целом по длине реки в силу изменения площади поперечного сечения русла скорость течения изменяется, и движение воды является неравномерным.

Таким образом, в общем случае движение воды в реках является неустановившимся и неравномерным. Установившееся равномерное течение представляет собой частный случай режима движения воды.

Течение воды в реке появляется, когда у силы тяжести возникает продольная составляющая, т. е. при наличии уклона. В случае равномерного движения величина продольной составляющей силы тяжести полностью уравновешивается силой трения.

Средние скорости течения изменяются по длине реки в силу непостоянства размеров поперечного сечения русла. В конкретном поперечном створе средняя скорость находится путем осреднения местных скоростей, измеренных в отдельных точках потока но глубине и ширине реки. В свою очередь, местные скорости в различных точках потока существенно различаются между собой. У поверхности они обычно больше, чем у дна, а у берегов, наоборот, меньше, чем в средней части реки. На это распределение сильно влияет форма поперечного сечения русла и условия движения воды на участке. Наличие растительности или другой дополнительной шероховатости у дна реки приводит к уменьшению придонных скоростей течения воды. Образование ледового покрова на свободной поверхности зимой создает дополнительное сопротивление движению воды. В результате этого поверхностные скорости течения уменьшаются, а максимум скоростей перемещается в толщу потока. Это приводит к тому, что средние скорости в поперечном сечении реки зимой также уменьшаются, по сравнению с летним периодом времени при прочих равных условиях.

В каждом конкретном случае распределение скоростей течения по вертикали и по ширине русла зависит от условий движения воды на участке. Обычно максимум поверхностных скоростей потока и наибольшие средние скорости течения на вертикалях наблюдаются в районе максимальных глубин в живом сечении русла. На перекатах эпюра средних скоростей течения выравнивается по ширине реки по сравнению с плесовыми лощинами. Наибольшая неравномерность распределения скоростей, по ширине реки наблюдается на участках поворота русла. В этом случае максимальные скорости течения сосредотачиваются у вогнутого – прижимного берега реки (рис. 34).

Рис. 34. Распределение средних на вертикалях скоростей течения на

перекатном участке реки

Анализ распределения скоростей течения по ширине реки показывает, что на стрежне потока, в наиболее глубокой части русла, фактические скорости течения воды всегда больше, чем средние по живому сечению. Поэтому, при выполнении технико-экономических расчетов вводится понятие эксплуатационной скорости течения.

Под действием текущей воды речной поток непрерывно преобразует очертания своего русла. Совокупность явлений образования и последующих переформирований ложа реки называется русловым процессом. Взаимодействие осуществляется по схеме: поток по руслу.

Поток вырабатывает свое русло и видоизменяет его с течением времени. В свою очередь, характеристики потока – скорость течения и уклон свободной поверхности – в силу действия этой взаимосвязи устанавливаются в соответствии с характеристиками речного русла. По мере изменения размеров русла изменяются также характеристики течения воды в реке.

Частицы аллювия, перемещаемые текущей водой в реках, называются речными наносами. По природе своего происхождения наносы бывают внерусловые и русловые. Первые попадают в реку в результате смыва почвы с территории бассейна в период таяния снега и дождевых паводков. Как правило, это наиболее мелкие частицы. Попадая в речной поток, они переносятся водой на большие расстояния и осаждаются на устьевых участках рек.

Русловые наносы образуются в результате размыва берегов и аллювиального ложа реки. Перемещение этих наносов представляет процесс переотложения. При определенных условиях некоторая часть русловых наносов может откладываться на гребнях перекатов, создавать побочни и другие русловые образования. Затем, по прошествии времени, частицы наносов вновь могут прийти в движение. Этот процесс продолжается в течение десятков и сотен лет пока частица, попавшая в русло реки, не будет доставлена потоком к ее устью.

Речные наносы классифицируются по своей крупности. Величина крупности наносов существенно различается, на разных реках и изменяется в пределах от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Этот диапазон делится на ряд интервалов, называемых фракциями грунта.

По форме частицы наносов бывают шарообразные, эллипсоидальные и пластинчатые. Частицы песка и мелкого гравия имеют шарообразную форму, среди частиц крупного гравия больше эллипсоидальных. Частицы гальки обычно пластинчатой формы.

Главным условием транспорта речных наносов является турбулентный характер течения воды в реках. Захват частицы с речного дна происходит под действием вертикальной составляющей пульсационного движения, величина которой зависит от скорости течение воды на вертикали. Речные наносы обычно представляют смесь частиц различной крупности. Поэтому по мере увеличения скорости течения в движение будут приходить все более крупные частицы, лежащие на дне.

В зависимости от способа перемещения различают взвешенные и влекомые наносы.

Основная часть наносов в реках перемещается во взвешенном состоянии в толще потока воды. Обычно это наиболее мелкие фракции грунта.

Важнейший факт транспорта влекомых наносов состоит в том, что донная поверхность реки имеет волнообразный характер. Эти волны называются рифелями и грядами. Они отсутствуют на речном дне лишь при крайне малых и при очень больших скоростях течения. В первом случае транспорт наносов не наблюдается. Во втором – происходит смыв волн, и частицы наносов движутся во взвешенном состоянии.

Продольный профиль донных волн несимметричен. Они имеют пологий напорный и крутой тыловой скаты. На гребне донной волны поток отрывается от поверхности дна, и за тыловым скатом волны формируется водоворотная область. В пределах водоворота придонная скорость направлена против основного течения, в конце водоворота придонная скорость равна нулю. Далее, вниз по течению, она быстро увеличивается и достигает максимума на гребне гряды. Под действием течения напорный скат гряды размывается потоком. Частицы грунта поступают на гребень гряды и скатываются вниз в ее подвалье. Размыв верхового и намыв тылового скатов создают эффект движения гряды вниз по течению.

Размеры донных волн различны на реках и изменяются с течением времени. На малых реках и в ручьях чаще встречаются рифели. Высота рифелей не превышает 0.1 глубины потока, а длина их составляет 1-3 глубины. Дно реки, покрытое рифелями, имеет чешуйчатый вид.

В средних и больших реках дно покрывается более крупными волнами – донными грядами. Длины гряд измеряются десятками глубин потока. Их высоты обычно составляют 0.1-0.3 глубины.

Размеры гряд изменяются с уровнем воды. При высоких уровнях раз- меры гряд больше, чем межень. Часто на реках встречаются одновременно рифели и гряды. Причем рифели перемещаются по поверхности гряд с большей скоростью.

Образование рифелей и гряд и регулирование их размеров является одним из свойств естественных русел. Увеличивая или уменьшая размеры донных волн, речной поток регулирует шероховатость своего дна, а тем самым управляет режимом уклонов и скоростей течения. Таким образом, расход влекомых наносов в реках зависит от размеров донных волн и скорости их перемещения. Скорость движения донных гряд невелика и составляет несколько метров в сутки.

Наносы, переносимые речным потоком, составляют твердый сток реки. Годовой сток наносов рек земного шара, впадающих в мировой океан, составляет около 16 млрд т. Благодаря этому поверхность суши ежегодно понижается в среднем на 0.1 мм.

Транспорт русловых наносов имеет большое значение для практики. Зная характеристики твердого стока, можно прогнозировать русловые деформации – изменение размеров русел с течением времени. От величины стока зависят также судоходные условия на реках и необходимые затраты на их поддержание.

В связи с изменением размеров, формы русла и шероховатости дна по длине реки скорости течения воды не остаются постоянными. Это приводит к тому, что по длине реки изменяется величина расхода русловых наносов. На участках снижения скоростей происходит частичное осаждение наносов – намыв, а при увеличении скоростей – размыв ложа реки. На одном и том же участке реки в различные периоды времени эти процессы чередуются друг с другом. Такие знакопеременные деформации русла имеют сезонный характер.

Кроме сезонных деформаций, русла рек испытывают многолетние однонаправленные переформирования. В некоторых случаях они заключаются в том, что все русловые образования – острова, побочни, перекаты и плесовые лощины с течением времени изменяют свои размеры и плановые очертания. Размывая одни участки русла, и откладывая наносы в других местах, речной поток создает иллюзию смещения всех русловых образований вниз по течению. В других случаях русла рек с течением времени существенно изменяют свои размеры в плане за счет размыва одного берега и отложения наносов у другого.

В природе можно выделить три основных типа руслового процесса.

Первый тип – побочневый – развивается на относительно прямолинейных и слабо изогнутых участках русла с узкой поймой. Он характеризуется наличием побочней, расположенных в шахматном порядке по длине реки (рис. 35). Перекаты следуют один за другим с интервалом в 5-7 ширин русла. Каждый побочень участвует в образовании двух перекатов: для одного он является верхним, а для другого нижним. Многолетние переформирования русла здесь заключаются в постепенном смещении всех русловых форм – побочней, перекатов и плесовых лощин вниз по течению. Скорость перемещения русловых образований составляет несколько десятков метров в год. Обычно все переформирования происходят в весенний период при высоких уровнях воды.

Рис. 35. Схема движения побочней в русле реки:

- плановые очертания русла на момент времени t; 2 – то же на момент времени t + Δt; 3 - образование осередка в русле реки

Когда побочни обсыхают, их смещение приостанавливается. Если скорости перемещения двух смежных побочней различны, то с течением времени происходит искривление судового хода. В ряде случаев при движении крупного, сильно перекошенного побочня возможно отторжение его от берега весенним потоком по наиболее низкой прикорневой части Это приводит к образованию осередка – отделенного от берега скопления наносов в русле реки. Осередок имеет продолговатые очертания в плане.

Если на нем будет происходить отложение наносов и с течением времени появится растительность, то это приведет к образованию острова в русле реки. В других случаях осередок длительное время может развиваться самостоятельно или примкнуть к побочню у противоположного берега реки, существенно увеличивая тем самым его размеры.

Второй тип руслового процесса формируется на широких речных поймах. Не стесненная бортами долины река свободно извивается, образуя излучины большой кривизны. Такие русла называются меандрирующими, а процесс развития и переформирования излучин называется меандрированием (рис. 36, а). Эти термины происходят от названия греческой реки Меандр, имеющей очень извилистое русло.

Рис. 36. Общая схема изменения меандрирующего русла реки

В процессе своего развития каждая излучина проходит один и тот же цикл переформирований. На начальной стадии русло реки может иметь лишь незначительную кривизну (рис. 36, б). Вследствие изгиба под действием центростремительного ускорения создается поперечное течение воды, направленное к вогнутому берегу. Скорость течения у этого берега возрастает, и происходит его размыв. Одновременно у выпуклого берега происходит отложение наносов, данный процесс усиливается по мере увеличения кривизны русла. Излучина в результате увеличивает свою длину, а перешеек между соседними излучинами уменьшается. Это заключительная стадия искривления – образование петли (рис. 36, в). Во время прохождения высокого половодья вода размывает перешеек между вершинами излучин и разрабатывает себе новое русло – спрямляюший проток. Некоторый период времени на этом участке вода течет двумя рукавами (рис. 36, г). Однако отторгнутая при прорыве перешейка старая излучина постепенно отделяется от основного русла. В ее истоке откладываются наносы, и образуется старица (рис. 36, д). Через некоторое время кривизна спрямленного участка начинает увеличиваться и процесс меандрирования повторяется снова.

Третий тип руслового процесса – ветвление, т.е. разделение русла на рукава. Встречается русловая и пойменная многорукавность. В первом случае острова образуются в русле реки. Во втором случае сеть рукавов прорезает пойму, образуя протяженные протоки. Многолетние переформирования на разветвленных участках заключаются в постепенном развитии одних и отмирании других рукавов. Кроме этого происходит постепенное смещение островов и осередков вниз по течению. На рис. 37 приведена схема многорукавного участка реки.

Рис. 37. Схема многорукавного участка реки

Главное затруднение для судоходства на внутренних водных путях представляют перекаты в естественных руслах рек в связи с ограниченными глубинами судового хода.

Перекаты по длине реки обычно располагаются группами, образуя так называемые перекатные участки. В пределах перекатного участка отдельные перекаты разделяются друг от друга короткими и неглубокими плесовыми лощинами. Между перекатными участками обычно находятся протяженные, устойчивые и глубокие плесы. На реках с различными типами руслового процесса эти сочетания проявляются по-разному.

Для своего образования перекаты нуждаются в наличии наносного материала. Поэтому на реках, где больше расход наносов, перекаты встречаются чаще. Примером этого могут служить побочневые русла. На этих реках транспорт наносов происходит интенсивнее, чем в меандрирующих руслах. Поэтому на многих участках рек с побочневым процессом перекаты следуют один за другим. У меандрирующих рек они отделены друг от друга протяженными плесовыми лощинами.

Наибольшие расходы русловых наносов в реках наблюдаются в весенний период времени. В это же время происходят основные переформирования перекатов. Группа перекатов образуется там, где на значительной длине русла во время половодья преобладает процесс отложения наносов. Это возможно в том случае, если скорости течения воды по длине участка реки уменьшаются.

Питание перекатного участка наносами происходит за счет размыва берегов на вышележащем участке реки. Важным источником пополнения реки наносами являются также боковые притоки.

Долины рек обычно состоят из чередующихся расширений и сужений. К началу каждого большого расширения поймы приурочена группа перекатов. Группы перекатов встречаются также выше резких сужений поймы.

Перекаты часто образуются в местах возникновения подпора и на участках впадения притоков.

На образование и последующие переформирования перекатов оказывает влияние большое число факторов. Плановые очертания русла на перекатах различных рек весьма разнообразны. Можно выделить основные преобладающие типы наносных образований: перекаты – перевалы, перекаты с затонской частью, сложные перекаты и перекаты – россыпи (рис.38).

Наиболее благоприятными для судоходства являются перекаты- перевалы. Они образуются в реках с побочневым типом руслового процесса. Характеризуются высокими побочнями и хорошо развитым корытом переката. Судовой ход на таких участках плавно переваливает от одного берега к другому.

Перекаты с затонской частью отличаются заходящими друг за друга плесовыми лощинами. Побочни у этих перекатов имеют более низкие отметки, корыто переката развито меньше. В нижней плесовой лощине образуется затонская емкость.

Рис. 38. Типы перекатов:

а - перевал; б – с затонской частью; в – сложный; г – россыпь

На участках русловых разветвлений всегда образуются перекаты. В коротких двухрукавных разветвлениях обычно располагается пара перекатов – у приверха острова в одном рукаве и у ухвостья острова в другом рукаве. Затруднения для судоходства в данном случае возникают потому, что расходы воды, распределенные между рукавами, оказываются недостаточными для поддержания необходимых глубин.

По мере развития одного из рукавов возникает необходимость переноса судового хода в этот рукав. Поддержание судоходных условий в многорукавных руслах оказывается еще более сложным.

Взаимодействие потока с подвижным ложем переката обусловливает непрерывные переформирования наносных образований. Сезонные деформации плесов и перекатов заключаются в изменении отметок дна реки в течение года. В плесовых лощинах и на перекатах сезонные переформирования происходят по-разному.

При высоких уровнях воды скорости течения на перекатах становятся меньше, чем в плесовых лощинах. Поэтому в половодье на перекатах происходит отложение наносов, и отметки их повышаются. В плесовых лощинах в это время наблюдается обратный эффект – размыв дна. В период спада уровней эта картина изменяется. Гребни перекатов начинают размываться, а в плесовых лошинах происходит аккумуляция наносов.

Величина сезонных деформаций переката зависит от водности года, устойчивости русла и размеров реки. На крупных реках с размываемым дном толщина слоя отложения в весенний период имеет порядок от 0.5 до 2.5 м. Чем больше водность реки и выше степень подвижности дна, тем больше наносов откладывается на перекатах. На реках с устойчивым руслом изменение отметок дна на перекатах составляет 10-20 см.

Транспорт русловых наносов в реках и, как следствие этого, наличие сезонных деформаций перекатов и многолетних переформирований речного русла необходимо учитывать при обеспечении судоходных условий на внутренних водных путях.

На внутренних водных путях движение судов допускается не по всей ширине водного пространства, а только по той части, которая подготовлена для судоходства и обозначена на местности специальными знаками – навигационным оборудованием. Эту часть называют судовым ходом. Основные размеры судового хода – глубина h_cx, ширина и радиус закругления R_cx являются габаритами водного пути. Чем больше габаритные размеры судового хода, тем выше пропускная способность пути. Минимальные габариты, поддерживаемые при проектном уровне путевых работ, называются гарантированными габаритами судового хода. Их размеры устанавливаются на основании технико-экономических расчетов.

Для обеспечения безопасности плавания, габариты судового хода устанавливают таким образом, чтобы при прохождении наибольших судов, допущенных к плаванию по данному водному пути, обеспечивались минимальные запасы воды под днищем, запасы по ширине при расхождении и обгоне судов и необходимые радиусы закругления.

Глубина судового хода складывается из осадки судна и запаса воды под днищем, определяемого согласно Правилам плавания.

Ширина судового хода при одностороннем движении определяется как сумма ширины расчетного судна иди состава и запаса ширины до кромки судового хода.

При двустороннем движении ширина судового хода складывается из значений ширин расчетных судов низового и верхового направлений, запаса ширины до кромки судового хода и запаса между бортами судов при их расхождении (рис. 39).

Рис. 39. Схема определения минимальных габаритов судоходного хода

Самые выгодные или оптимальные габариты судового хода для участка пути получили название экономически-целесообразных. Для их определения при конкретном грузообороте на исследуемом участке реки рассматривается несколько вариантов гарантированных габаритов пути с различными значениями глубины и ширины . Для каждого варианта подсчитываются капитальные вложения и эксплуатационные расходы по транспортному флоту и пути.

Под навигационным оборудованием внутренних водных путей подразумевают систему береговых и плавучих навигационных знаков, обеспечивающих безопасное и беспрепятственное судоходство.

В состав навигационного оборудования входят различные по своему назначению навигационные, знаки, которые устанавливают по определенной системе в зависимости от судоходных характеристик водного пути (габаритных размеров судового хода, наличия подводных препятствий, грунтов дна, скорости течения и др.).

Навигационными знаками обозначают положение судового хода, его оси и кромок, места поворотов и разветвлений хода, а также участки со свальными течениями.

С помощью навигационных знаков указывают судоходные пролеты мостов и их габаритные размеры, местоположение подводных препятствий, места пересечения судового хода подводными и надводными линиями связи и электропередач, границы акваторий портов, пристаней й рейдов; регулируют судоходство на участках с односторонним движением.

Количество навигационных знаков, устанавливаемых на водном пути, состав и основные требования к их расстановке зависят от интенсивности судоходства, габаритов судового хода, размеров транспортного флота, а также от особенностей гидрологического и руслового режимов водного объекта.

По месту расположения навигационные знаки подразделяются на береговые и плавучие. Береговые знаки делятся на две категории, знаки обозначения положения судового хода и информационные.

В состав береговых знаков обозначения положения судового хода входят створные, перевальные, ходовые, весенние, а также знаки для указания оси и кромок судового хода пролетов мостов и знак «Ориентир».

Береговые информационные знаки служат для информации судоводителей об особенностях (состоянии) участка водного пути и условиях плавания. Они включают три группы знаков: запрещающие, предупреждающие и предписывающие, указательные.

К плавучим навигационным знакам относятся буи, бакены и вехи.

Береговые навигационные знаки являются основными вследствие их большей надежности, лучшей сохранности и удобства обслуживания. Плавучие знаки, хотя и более точно указывают положение судового хода и расположение отдельных навигационных опасностей, но менее надежны в работе и поэтому имеют вспомогательное значение.

На внутренних водных путях предусматривается содержание следующих видов навигационного ограждения: освещаемого, светоотражающего и освещаемого.

Для обеспечения на водных путях с интенсивным движением круглосуточного судоходства, навигационные знаки оборудуются светосигнальными приборами, создающими навигационный огонь определенного цвета и характера (режима) горения. На светящихся знаках применяются огни белого, красного, зеленого и желтого цветов. Светосигнальные огни позволяют судоводителям правильно ориентироваться в темное время суток и опознавать навигационные знаки по цвету и характеру огня. Кроме того, навигационные огни предназначены для: регулирования движения судов при проходе через гидротехнические сооружения и участки пути, с односторонним движением; указания оси и высоты судоходного пролета неразводных мостов; указания разводного пролета наплавных мостов.

На водных путях с небольшой интенсивностью судоходства (в ночное время регулярно проходит 1-2 судна) обычно применяют светоотражающие знаки, которые оборудуются специальными световозвращающими покрытиями. При освещении таких знаков лучом судового прожектора они отчетливо видны и обеспечивают достаточную надежность их опознания.

На путях со слаборазвитым судоходством, где движение судов происходит только в светлое время суток; применяют несветящие навигационные знаки.

Указания, порядок расстановки, вопросы содержания навигационных знаков и огней и т. п. определяются Инструкцией по содержанию навигационного оборудования внутренних водных путей.