Характеристика речных наносов. Гидравлическая крупность наносов. Движение взвешенных и влекомых наносов

Наносы, — твёрдые частицы, переносимые водным или воздушным потоком.

Главными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком.

Наиболее важные характеристики наносов следующие: геометрическая крупность, выражающаяся через диаметр частиц наносов (D, мм); гидравлическая крупность, т.е. скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде (w, мм/с, мм/мин); плотность частиц (p_н, кг/м³), равная для наиболее распространенных кварцевых песков 2650 кг/м³; плотность отложений (плотность грунта) (p_отл, кг/м³), зависящая от плотности частиц и пористости грунта; концентрация (содержание) наносов в потоке, которую можно представить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), так и в абсолютных величинах; в последнем случае используют понятие мутность воды (s, г/м³, кг/м³), которая вычисляется по формуле , где m – масса наносов в пробе воды; V – объем пробы воды.

Классификация наносов по размеру частиц (мм)

Гидравлическая крупность наносов зависит от их геометрической крупности по-разному для мелких и крупных частиц.

Наносы крупнее 1,5 мм осаждаются в неподвижной воде с повышенными скоростями по извилистым, винтообразным траекториям (такой режим падения частиц назван турбулентным); для этого случая связь гидравлической и геометрической крупности выражается формулой , где p_н и p – плотность наносов и воды. Наносы мельче 0,15 мм осаждаются в неподвижной воде медленно и практически по прямой линии (такой режим падения частиц назвали ламинарным), в этом случае связь w и D будет иная: , где – кинематический коэффициент вязкости. В диапазоне крупности наносов 0,15 – 1,5 мм режим осаждения частиц переходный, и связь между и D описывается более сложными формулами.

Таким образом, для относительно крупных наносов гидравлическая крупность растет пропорционально корню квадратному из их геометрической крупности, а для мелких наносов гидравлическая крупность увеличивается пропорционально квадрату диаметра частиц наносов и уменьшается с возрастанием вязкости воды при уменьшении ее температуры.

По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных типа – взвешенные и влекомые.

Влекомые наносы – это наносы, перемещающиеся речным потоком в природном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны).

Чтобы оценить влияние различных факторов на движение влекомых наносов, в специальных разделах гидрологии рассматривают условия равновесия лежащей на дне реки частицы диаметром D. В направлении, параллельном дну, на частицу действуют две силы: сила лобового давления текущей воды, стремящаяся сдвинуть частицу и пропорциональная квадрату природной скорости течения и площади сечения частицы, и противоположно направленная сила трения, удерживающая частицу на дне.

Формула «начальной скорости», при которой частица на дне теряет свою устойчивость:

, где – коэффициент, зависящий от плотности частицы и воды, формы частицы, коэффициента трения и др. Таким образом, критерием начала движения влекомых наносов в реках является условие , где – фактическая природная скорость течения.

Зависимость между «начальной скоростью» и объемом или весом перемещающихся частиц: . Эта формула получила название закона Эри, утверждающего, что вес влекомых наносов пропорционален шестой степени скорости течения.

Взвешенные наносы – переносятся в толще речного потока. Условием такого перемещения служит соотношение , где - направленная вверх вертикальная составляющая вектора скорости течения в данной точке потока; – гидравлическая крупность частицы наносов.

Важнейшие характеристики при движении взвешенных наносов в реках – это мутность воды s ( ), и расход взвешенных наносов: , где в кг/с, s в кг/м³, в м³/с. Если мутность задана в г/м³, то в формулу должен быть введен множитель 10^-3.

Взвешенные наносы распределены в речном потоке неравномерно: в придонных слоях мутность максимальная и уменьшается по направлению к поверхности, причем для взвешенных наносов более крупных фракций быстрее, для наносов мелких фракций – медленнее.

Рис. Типичное распределение мутности воды по глубине речного потока при крупности взвешенных наносов: 1 – наибольшей, 2 – средней, 3 – наименьшей