ПРОХОДИМОСТЬ РЕК

Туристов-водников в первую очередь интересует проходимость реки — та основная и нелегко уловимая характеристика, которая складывается из многих факторов и которая различна для разных типов рек и разных классов судов.

Проходимость равнинных рек определяется в основном достаточным расходом воды в точке начала сплава и количеством многолетних непроходимых завалов на реке. Проходимость горно-таежных рек зависит от расхода воды в точке начала сплава, уклона и скорости течения, а также от характера долины. Завал имеет уже второстепенное значение. При проходимости горных рек, в особенности с преобладанием ледникового питания, приходится рассматривать не только минимально необходимый расход воды в точке начала сплава, но и максимально допустимый для безопасного сплава (на средних реках).

В средний по климатическим условиям год ориентировочно можно считать равнинные реки страны, текущие в лесной зоне, доступными для плавания на байдарках на расстоянии не менее 40 км от истока (по карте масштаба 1:1000000) или от самого истока, если река служит единственным стоком озера площадью не менее 80 км². Это соответствует меженному расходу воды 3—6 м³/с. На горно-таежных и горных реках минимальный расход воды в точке начала сплава должен быть 7—12 м³/с в зависимости от уклона, скорости течения, характера долины. На горных реках с ледниковым питанием такой расход может достигаться в 10—15 км от истока (на реках Средней Азии иногда непосредственно от ледника), на большинстве горно-таежных рек — в 20—30 км. Чем больше уклон и скорость течения, тем больший расход воды требуется для начала плавания. Однако для обеспечения должного уровня безопасности все эти характеристики ограничиваются сверху, причем с усовершенствованием техники сплава, средств сплава и средств страховки этот уровень постепенно растет. Для наиболее универсальных современных судов — многоместных катамаранов — сейчас доступны реки со средним уклоном до 20 м/км и максимальными уклонами отдельных коротких участков (3—5 км) до 40 м/км при расходах воды от 10 м³/с до 60 м³/с. Для катамаранов с увеличенным запасом плавучести и современных плотов на надувных элементах эти величины могут быть взяты выше на 10%, для каркасно-надувных байдарок — ниже на 20%, для жесткокаркасных байдарок — ниже на 30— 40%.

Однако сам по себе уклон влияет главным образом только на скорость течения реки. Для определения ее проходимости гораздо важнее знать степень разработанности русла и долины, что устанавливается взятым вместе уклоном реки и расходом воды в зависимости от твердости и неоднородности пород русла и долины. Маленький ручеек и большая река, проходя один и тот же перепад уровней, совершают разную работу, следовательно, при одинаковом материале русла и долины, размываются они по-разному. Там, где воды мало, перепад уровней в твердых породах будет срабатываться ступеньками, водопадами, непригодными для плавания; там же, где воды больше, можно ожидать, даже в твердых породах, образования более однородного русла, возможно годного для плавания. Поэтому с точки зрения проходимости важно знать материал и степень разработки русла и долины реки.

Реки со слабо разработанными каньонообразными ущельями менее доступны для плавания. Малая разработанность ущелья говорит о твердости пород или о недостаточной мощности потока: и в том и в другом случае в слабо разработанном ущелье можно ожидать труд непроходимые или непроходимые препятствия в виде водопадов, крутых высоких сливов. В слабо разработанном ущелье трудно также организовать разведку и страховку, прохождение рек с такими ущельями под силу только хорошо подготовленным и специально оснащенным группам.

На речной поток действуют различные силы, прежде всего сила тяжести. Величина ее составляющей, воздействующей на воду в направлении стока, зависит от уклона реки. Чем больше уклон, тем больше эта составляющая, тем выше скорость воды. Скорость течения, в конечном счете - основной фактор, определяющий сложить и опасность реки для туриста. Составляющей силы тяжести противостоят сила трения воды о берега и дно реки и сила внутреннего трения между слоями воды. Эти силы определяются степенью шероховатости материала дна и берегов реки, глубиной и шириной русла. Чем крупнее частицы, составляющие дно и берега, тем больше сила трения.

На воду в реке действуют также центробежная сила (на поворотах русла) и сила Кориолиса, вызываемая вращением Земли. Центробежная сила действует от центра по радиусу поворота, сила Кориолиса в северном полушарии направлена всегда вправо по течению. Эти силы вызывают поперечные течения в реке (течение, вызванное силой Кориолиса, в туристской практике можно не учитывать). Имеется некоторая средняя скорость потока и местная скорость. Местная скорость равна нулю у дна и берегов и максимальна на некоторой линии ниже поверхности воды (соответствующая ей линия на поверхности воды называется стрежнем).

По распределению скоростей в сечении потока различаются потоки ламинарный, турбулентный и с пространственным режимом. Ламинарные потоки, характеризующиеся параллельным перемещением слоев жидкости, редко встречаются в туристской практике: они могут существовать только при очень малых глубинах, скоростях воды и уклонах русла. Так, при глубине реки 20 см ламинарный поток может существовать при скорости течения не более 1 см/с. Турист почти всегда имеет дело с турбулентным потоком, отличающимся образованием вихрей в объеме потока, то есть тем, что различные части жидкости имеют не только продольные, но и поперечные составляющие скорости. Вихри, возникающие у дна и берегов, отрываются и движутся к центру потока. В турбулентном потоке линия максимальных местных скоростей также находится ниже поверхности потока, однако возрастание скорости при удалении от дна происходит неравномерно. У самого дна имеется очень тонкий слой нулевых и малых скоростей, а затем скорости быстро нарастают и могут достигать, например, уже на глубине в одну десятую 40—50% максимальной скорости, а на половинной глубине — 80—90% максимальной скорости. Для турбулентного потока можно вычислить максимальную скорость. Она прямо пропорциональна уклону и глубине реки и обратно пропорциональна шероховатости дна (полудиаметру частиц, слагающих дно) в различных степенях. Ниже приведены графики зависимости максимальной скорости v от уклона i при различных глубинах Н и шероховатости русла Δ (рис. 9) и от глубины при различных уклонах (рис. 10) при условии, что русло принято прямоугольным.

(Рис. 9, 10 и 11)

На рис. 11 дан график постоянных скоростей при изменении уклона, глубины реки постоянной шероховатости русла. Если принять какую-то скорость граничной, например 2 м/с, то можно определить, при каких комбинациях уклона, глубины и шероховатости дна скорость течения будет выше или ниже граничной. Зная, что скорость течения в значительной степени определяет сложность и опасность реки, можно, задавшись определенными граничными скоростями, например 1,5 м/с, 8 м/с, получить из этого графика приблизительные данные, об уклонах и глубинах, при которых река будет несложной, сложной и очень сложной.

Иногда в туристских отчетах сложность и опасность реки оцениваются таким параметром, как произведение расхода воды на уклон. Этот параметр в какой-то степени дает представление о максимальной скорости реки, поскольку она пропорциональна уклону в степени одной второй, а расход воды пропорционален скорости течения. Привлекательность этого параметра в том, что и уклон, и расход воды можно получить из таблиц основных гидрологических характеристик реки. Но пользоваться им надо осторожно. Более точные результаты дает вычисление максимальной скорости реки. Величина максимальной скорости реки в межень приводится также на топографических картах. На скорость течения влияют препятствия в русле. Степень их влияния может быть вычислена. Например, массивные выступы в русле диаметром 1 м, следующие друг за другом с интервалом 5 м, уменьшают скорость течения примерно в 1,8 раза, а густая водная растительность высотой от дна до поверхности воды — до 10 раз.

Русло реки вырабатывается таким образом, чтобы на перемещение воды расходовалась наименьшая энергия. Это условие выполняется обычно на реках с хорошо разработанным руслом и в межень. Реки с недостаточно разработанным руслом (в молодых горных районах), а также в паводок переносят много частиц разных размеров, и закономерности, указанные выше, не всегда действуют (идут так называемые русловые процессы, то есть формирование русла). Эти закономерности не действуют и в местах сужения реки. В подобных случаях может наблюдаться совершенно иной по типу поток с пространственной структурой, характеризующийся сильным смещением линии максимальных скоростей в глубину, а также, наличием устойчивого поперечного течения по поверхности реки от берегов к середине русла и по дну от середины к берегам. Такая структура не имеет видимых отличительных признаков и может встретиться в порогах, каньонах, щеках, вообще в слабо разработанных руслах при высоком расходе воды. Турист узнает эту структуру потока, когда судно сильно затягивает в струю, когда выход из струи требует значительных усилий экипажа. Пространственный режим потока — один из случаев устойчивой поперечной скорости течения воды в русле. Поперечные скорости, достигающие 30—40% максимальной скорости течения и направленные от берега к середине реки, возникают также за счет вихреобразования у берегов турбулентного потока. Эти скорости имеют случайное распределение во времени, и в пространстве.

Устойчивая поперечная скорость возникает на повороте реки за счет центробежной силы. На повороте всегда есть циркуляционное течение. На поверхности вода смещается от внутреннего берега поворота к внешнему. У внешнего берега скорость воды направлена от поверхности ко дну, а вдоль дна вода смещается от внешнего берега поворота к внутреннему (рис. 8в). Максимальная величина поперечной скорости достаточно велика (она может достигать 30—50% средней скорости потока) и ее необходимо учитывать при преодолении поворотов. Поперечная скорость приводит к смещению стрежня потока к внешнему берегу поворота.

Циркуляционное течение на поворотах вызывает размыв внешнего берега и образование отмелей у внутреннего. На горных реках с высокой скоростью течения на крутых поворотах циркуляционное течение вызывает навал воды на внешний скальный берег (прижим). За счет циркуляционного течения на крутых поворотах высокоскоростных рек образуется заметный поперечный уклон поверхности воды. Заметные поперечные скорости возникают также при быстром паводковом подъеме или спаде воды. При подъеме воды река как бы вспухает, середина потока поднимается, поперечное течение по поверхности направлено от середины русла к берегам. При спаде воды середина потока проваливается, поперечное течение по поверхности направлено от берегов к середине реки (рис. 8а, б).

При обтекании препятствий в русле также образуются области поперечных и даже обратных течений. Обтекание потоком препятствий, как и течение в русле, может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное обтекание без нарушения структуры потока с плавным раздвижением и смыканием струй наблюдается либо при очень малых скоростях потока, либо при идеально обтекаемой форме препятствия. Оба случая в туристской практике почти не встречаются. Турбулентное обтекание препятствий характеризуется нарушением структуры потока.

Если препятствие выступает над водой (камень, выступ берега), то нарушение структуры потока происходит главным образом в горизонтальной плоскости. Перед препятствием образуется зона повышенного давления, за счет чего возникает водяная «подушка» (вода поднимается, и создается поперечное течение вдоль лобовой части препятствия). За препятствием появляется зона пониженного давления (так называемая водоворотная зона) за счет того, что струя срывается с препятствия. В зависимости от скорости течения, формы и размеров препятствия срыв струи происходит с боковой или почти с лобовой поверхности препятствия. Протяженность водоворотной зоны может превышать поперечник препятствия в 10 раз. За большими выступами берега водоворотная зона образует иногда участок с регулярным круговым движением воды — уже знакомым нам уловом (рис. 7). При раннем срыве струи вблизи лобовой части препятствия возникают косые стоячие валы, расходящиеся в стороны от него. Область стоячей воды за надводным камнем часто называют скоростной, или просто «тенью» камня.

Если препятствие подводное и с ровным гребнем (большой камень, подводная гряда, уступ русла, плотина), то нарушение структуры потока происходит главным образом в вертикальной плоскости. В зависимости от скорости течения и относительной (к глубине реки) высоты, препятствия за ним образуется либо система стоячих волн, параллельная гребню препятствия, либо вертикальная водоворотная зона с противоположным потоку движением поверхностного слоя воды (водяная яма, или бочка, — рис. 5).

Обратные течения могут возникать и под действием внешних сил, например ветра или прилива. Известен ветровой нагон воды в устье Невы, вызывающий наводнения, а также приливные волны, поворачивающиеся вспять реки в приустьевой части на протяжении 30— 50 км (на некоторых реках европейского Севера, впадающих в Белое и Баренцево моря). Такие особенности рек должны быть выяснены при подготовке похода.

Река, протекая в своем русле, с одной стороны, размывает его, а с другой — откладывает материал размыва в местах, где течение замедляется. Чем больше уклон, тем выше скорость течения, тем больше размывающая деятельность реки в паводок преобладает над аккумулирующей. Можно считать, что для некоторого участка реки, там, где уклон больше среднего, преобладает размывающая деятельность, а там, где уклон меньше среднего, — аккумулирующая. Участкам с преобладанием размывающей деятельности свойственны пороги, щеки, шиверы. Для участков с преобладанием аккумулирующей деятельности свойственны перекаты, наносные шиверы и особенно завалы. Это не обязательное правило, но господствующая тенденция.

При прорыве рекой массы однородных горных пород образуются щеки, причем не только в мягких породах, но и в достаточно твердых. Известны сланцевые каньоны-щеки на Восточном Кавказе, щеки тувинской реки Ка-Хем в лавовом массиве и другие. Обычно щеки изобилуют порогами, ибо в массе одной горной породы встречается много неоднородностей. Кроме того, в щеках часты обвалы, также способствующие появлению порогов. Пороги, щеки и шиверы, встречающиеся на участках реки с большим уклоном, имеют индивидуальный характер, и линия движения в них должна определяться в зависимости от строения каждого препятствия после, его разведки.

На участках с меньшим уклоном, с преобладанием аккумулирующей деятельности реки можно уже выделить некоторые закономерности образования и строения препятствий, однозначно определяющие выбор линии движения. Река переносит материал различного размера — от взвешенного в воде песка до так называемых влекомых наносов (камней до 1—2 м в поперечнике). Закономерности отложения таких наносов сходны: все они откладываются в местах, где происходят замедления течения.

Где же эти места в русле? Если на реке есть остров, то течение замедляется при разделении проток и сбивке струи из проток, то есть в голове и хвосте острова, где образуются вытянутые отмели — косы. Если две протоки неравной длины, то в более длинной течение медленнее, ибо в ней меньше уклон. Значит, и забита она наносами больше, да и воды в ней должно быть меньше, поскольку река постепенно засорила ее. Можно ожидать, что наиболее засоренным будет выход более длинной протоки: именно на выходе вода ее сильно тормозится подпором более быстрой воды короткой протоки. Нередко, особенно на горных реках, более длинная протока кончается крутым и очень мелким спадом из нанесенного водой галечника. Массу наносов несут притоки особенно круто падающие, и эти наносы выпадают у устья притока — там, где течение его замедляется подпором воды основной реки. В местах впадения притоков создаются обычно наносные шиверы или отмели.

Отмеченные выше участки с большим уклоном (преобладание размывающей деятельности) и меньшим уклоном (преобладание аккумулирующей деятельности) хорошо различаются на карте и на местности. Они отличаются, прежде всего, характером долины. На участках с большим уклоном долина узкая, типа ущелья, русло обычно одно, без проток. На участках с меньшим уклоном долина широкая, река нередко делится на протоки. Места перехода от одних участков к другим и места перелома профиля также хорошо видны на местности. В месте перехода от большего уклона к меньшему течение замедляется, поэтому в конце сложного участка с большим уклоном можно ожидать длинную наносную шиверу. Замедление воды перед порогом типа простой ступени тоже может привести к образованию предпорожной наносной шиверы.

Поиск по сайту: