Скорость рек и циркуляционные течения

Движение воды в реках возникает в результате действия силы тяжести и, кроме того, оно зависит от силы Кориолиса, количества переносимого обломочного материала и других причин. Скорость движения потока пропорциональна уклону реки – чем больше уклон, тем больше скорость, следовательно, больше и эрозионная способность реки. Малейшее изменение уклона (тектоническим движением, наносами, врезанием) русла немедленно отражается на скоростном режиме водотока. Горные реки имеют большую скорость, равнинные – текут медленно, меандрируют, широко разливаются. Скорость реки определяется известной формулой Шези:

v=c R i,

где: с – коэффициент Шези, зависящий от сил сопротивления в речном русле; R – гидравлический радиус (отношение площади живого сечения водотока к смоченному периметру русла), который в естественных потоках практически соответствует их средней глубине; i – уклон реки. Гидравлический радиус характеризует форму русла. Наименьших значений он достигает в очень широких, но неглубоких руслах, ширина которых более чем в 10 раз превышает глубину. В таком случае вода испытывает сильное торможение за счет трения о дно и берега русла и течет медленно. Быстрое течение наблюдается у потоков с наибольшим гидравлическим радиусом, которые при одном и том же сечении и уклоне имеют наименьший смоченный периметр. Поэтому всякая концентрация потока в узких руслах приводит к увеличению его скорости и усилению его эрозионной способности. Движение йоды вызывает непрерывную эрозию и аккумуляцию и, следовательно, постоянное изменение рельефа русла реки. Линия наибольшей поверхностной скорости потока называется стрежнем, который обычно совпадает с линией наибольших глубин (фарватером). В зависимости от изгибов реки по течению стрежень попеременно переходит от одного берега к другому.

От массы воды и ее скорости зависит кинетическая энергия и, следовательно, эрозионная и транспортирующая способность потока. Эта энергия расходуется на преодоление сопротивлении движению воды, на перенос взвешенных частиц твердого вещества, на перемещение обломков по дну реки и на ускорение течения потока. От скорости потока также в большой степени зависят величина обломков и общая масса транспортируемого рекой материала. Согласно закону Эри, вес тела, влекомого потоком, пропорционален шестой степени его скорости, т. е. если скорость потока увеличивается в два раза, то вес увлекаемых им обломков – до 64 раз. Такой же закономерности подчиняется и общий объем переносимых наносов. При увеличении скорости, например, в 4 раза масса транспортируемого материала увеличивается в 4е, т. е. в 4096 раз. Поэтому неудивительно, что горные реки, перемещающие в межень по дну лишь небольшие гальки, во время половодья транспортируют громадные валуны и большое количество наносов. Однако эти же валуны и наносы останутся лежать спокойно на дне мощной, но медленно текущей равнинной реки.

Поскольку величина обломков речных отложений зависит от массы и скорости потока, по составу осадков можно судить о характере русловых процессов древних рек. Если в обнажениях сверху лежат крупные обломки, внизу – тонкие частицы, то эрозия постепенно усиливалась, при обратном соотношении – происходили ослабление ее и аккумуляция.

Вода и русло всегда взаимосвязаны, поэтому в каждом русловом потоке существует два основных взаимодействия: с одной стороны русло управляет потоком, а с другой – поток руслом. В первом случае рельеф русла вызывает изменение скоростного режима реки; во втором – меняется форма самого русла под влиянием размывающей деятельности потока. Например, на расширенных участках русла поток распластывается, теряя скорость, или на сужениях реки поток увеличивает скорость, интенсивно размывает русло, меняя рельеф долины. Если дно реки сложено устойчивыми коренными породами, то как поток, так и русло становятся более устойчивыми. Однако поток, находясь в постоянном взаимодействии с руслом, постоянно стремится к некоторым более или менее устойчивым формам движения, что, по М. А. Великанову (1958), находит объяснение в стремлении его к наименьшей затрате энергии на преодоление всех сопротивлений при движении, по принципу диссипации (связанной с потерей энергии) руслового потока. Такой устойчивой формой движения реки является меандрирование.

Читайте дальше: