Proces kształtowania koryt rzecznych Proces kształtowania i przeorażania koryt rzecznych zależy od wzajemnych relacji między: reżimem przepływu wody i transportem rumowiska Proces ten opisał Lane za pomocą związku przyczynowo skutkowego (nie jest to równanie), który wyraża stan równowagi dynamicznej: Q J ~ Q r d 50 Q natężenie przepływu przy stanie wody rzegowej J spadek hydrauliczny (spadek zw. wody) Q r natężenie transportu rumowiska d 50 średnica przeciętna materiału korytowego Rzeka dąży do zachowania stanu równowagi dynamicznej jeżeli następuje zmiana któregokolwiek z czynników wywołuje to zmianę pozostałych tak, ay rzeka uzyskała nowy stan równowagi. Zmiany mogą yć wywołane czynnikami: naturalnymi długookresowymi zmianami klimatycznymi i geologicznymi antropogenicznymi: współczesne zmiany klimatyczne (np. efekt cieplarniany wzrost przepływów) zmiany użytkowania i zagospodarowana zlewni: o zmniejszenie retencji - wzrost Q (zmniejszenie powierzchni lasów, mokradeł, wzrost powierzchni uszczelnionych zaudowa, drogi) o zwiększenie dopływu rumowiska ze zlewni wzrost Q r (wzrost powierzchni gruntów ornych i terenów zuranizowanych) o (regulacja techniczna, owałowania, udowle hydrotechniczne (ziorniki retencyjne) zmienia się Q, Q r, J, d 50 ; o eksploatacja rumowiska (kruszywo dla udownictwa) zmniejsza się Q r. Wpływ poszczególnych czynników Wpływ poszczególnych czynników: Wzrost przepływu rzegowego Q spowoduje wzrost ilości transportowanego rumowiska w wyniku erozji koryta: Q B, h, λ, J - - koryto zwiększy swoja szerokość i głęokość, - wzrośnie długość meandrów, - zmniejszy się spadek. Wzrost ilości transportowanego rumowiska Qr spowoduje zwiększenie przekroju poprzecznego koryta i przepływu rzegowego: Q B, h -, J, λ, S - r - koryto zwiększy swoja szerokość i zmaleje głęokość, - wzrośnie spadek (prędkość), - wzrośnie długość meandrów, ale zmniejszy się krętość rzeki. Zmniejszenie przepływu rzegowego spowoduje zmniejszenie ilości transportowanego rumowiska nastąpi akumulacja w korycie rumowiska wleczonego: Q B -, h -, λ -, J - koryto zmniejszy swoja szerokość i głęokość, - zmaleje długość meandrów, - wzrośnie spadek. Zmniejszenie ilości transportowanego rumowiska spowoduje zmniejszenie przepustowości koryta zmaleje przepływ rzegowy: Q r B -, h, λ -, J -, S - koryto zmniejszy swoja szerokość, ale wzrośnie głęokość, - zmaleje spadek (prędkość), - zmaleje długość meandrów, ale wzrośnie krętość rzeki. Wzrost przepływu rzegowego i ilości transportowanego rumowiska : Q, Q r B, h ±, λ, J ±, S - koryto zwiększy swoja szerokość, głęokość ędzie podona, - wzrośnie długość pętli meandrów, ale zmniejszy się krętość rzeki, - spadek nie zmieni się. Zmniejszenie przepływu rzegowego i wzrost ilości transportowanego rumowiska:
Q, Q r B ±, h -, λ ±, J, S - koryto zachowa swoja szerokość, ale zmaleje głęokość, - wzrośnie spadek (prędkość), - długość meandrów podona, ale zmniejszy się krętość rzeki. Koryto rzeczne może ulec przeorażeniu również w wyniku źle wykonanej regulacji technicznej. W przeszłości nie zawsze zdawano soie sprawę z możliwych konsekwencji związanych z przeudową koryta, gdy wpływ regulacji zwykle ujawniał po wielu latach. Przykładowo, w wyniku zmiany układu poziomego nastąpiło skrócenie odcinka rzeki, co spowoduje wzrost spadku:l proj < L rz J proj > J n Wzrośnie wówczas wartość iloczynu Q J, a więc musi wzrosnąć Q r koryto ędzie erodowane przekrój poprzeczny powiększy się (erozja rzegowa), może zwiększyć się głęokość koryta (erozja wgłęna dna) Wpływ owałowania rzeki wzrośnie przepływ rzegowy Q w korycie wód wielkich (w przekroju międzywala)wzrośnie wówczas wartość iloczynu Q J, a więc musi wzrosnąć Q r następuje erozja koryta - zwykle erodowane jest koryto główne, tj. koryto wód średnich i niskich; erozja może również wystąpić w międzywalu. Stailność rzek Wskaźniki stailności rzek Wskaźniki stailności pozwalają w najprostszy sposó ocenić podatność odcinków rzeki na przeorażenia koryta w wyniku: - erozji rzegowej i wgłęnej dna, - akumulacji rumowiska. Jednostkowa moc strumienia: g Q J ps = ρ Bd p s jednostkowa moc strumienia, (W m -2 ), ρ gęstość właściwa wody, (kg m -3 ), g przyspieszenie ziemskie, (m s -2 ), Q natężenie przepływu rzegowego (m 3 s -2 ), J spadek dna koryta, (-), B d szerokość dna koryta, (m). Ze względu na wartość p s podział rzek jest następujący: - rzeki o małej mocy strumienia gdy p s 35 W m -2 duża stailność koryta - rzeki o dużej mocy strumienia gdy p s > 35 W m -2 mała stailność koryta Wskaźnik Łochtina: d η Ł = J Wskaźnik Makkaveeva: d η M = B J 1000 w których: d średnica osadów tworzących dno koryta, (mm), J spadek dna koryta, (%), B szerokość koryta, (m). Klasyfikacja koryt rzecznych Wskaźnik stailności Stopień stailności koryta η Ł η M Koryto niestailne < 2 < 6 Koryto o małej stailności 2 5 6 15 Koryto dość stailne 5 10 15 20 Koryto stailne 10 50 20 100 Koryto asolutnie stailne > 50 > 100 Bilans transportu rumowiska Jest to najlepszy sposó oceny stailności zwłaszcza w przypadku sprawdzania skutków projektowanej zmiany koryta (regulacji lu renaturyzacji) alo zaudowy rzeki (udowli wodnych). Warunkiem stailności jest niezmienność natężenia transportu rumowiska na rozpatrywanym odcinku rzeki:
co oznacza, że ilość rumowiska dopływającego do przekroju początkowego Qr P (w m 3 /s) jest równa ilości rumowiska odpływającego przez przekrój końcowy Qr K. x Przekrój K - Qr K Przekrój P - Qr P Jeżeli Qr P Qr K mamy dwa przypadki: gdy Qr P > Qr K na odcinku występuje akumulacja rumowiska gdy Qr P < Qr K na odcinku występuje erozja koryta Należy pamiętać, że całkowite natężenie transportu rumowiska Qr [m 3 s -1 lu kg s -1 ] jest sumą Qr = Qru Qrw Qru natężenie transportu rumowiska unoszonego Qrw natężenie transportu rumowiska wleczonego W ocenie stailności rzek wyróżnia się: Równowagę statyczną Równowagę dynamiczną Równowaga statyczna występuje wtedy gdy: występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (sedymentacja) rumowiska unoszonego, nie występuje ruch rumowiska wleczonego, stąd cechy morfologiczne koryta nie ulegają zmianie Warunkiem stailności statycznej jest: u = Równowaga dynamiczna występuje wtedy gdy: występuje ruch rumowiska unoszonego występuje ruch rumowiska wleczonego (najczęściej okresowo) występują zarówno procesy erozji jak i akumulacji rumowiska wleczonego stąd występują okresowe zmiany cech morfologicznych: o układu poziomego rzeki, o układu pionowego rzeki, o przekrojów poprzecznych, ale podstawowe parametry koryta: o szerokość, o średnia głęokość, o spadek podłużny, w długim okresie czasu (kilku-, kilkunastu lat) nie ulegają zmianie. Warunkiem stailności dynamicznej jest: = ( Qru Qrw) Qr zmienia się zależnie od natężenia przepływu Q Qr Qr = f(q) Q Natężenie transportu rumowiska wleczonego i unoszonego określa się na podstawie: pomiarów terenowych lu wzorów empirycznych Następnie olicza się wielkość transportu rumowiska w ciągu roku w ou przekrojach Gr P i Gr K (m 3 rok -1 ). W ten sposó uwzględnia się zmienność natężeń przepływu w ciągu roku i zmienność ruchu rumowiska. Porównanie wielkości Gr P oraz Gr K pozwala ocenić stailność odcinka rzeki. Jest to metoda najlepsza, uwzględniająca ezpośrednio wszystkie czynniki wpływające na stailność rzeki tj.:
reżim hydrologiczny rzeki hydrauliczne warunki przepływu zmienność ruchu rumowiska Metoda jest najlepsza, ale w praktyce dość trudne jest określenie zależności Qr = f(q) dla przekrojów oliczeniowych ponieważ: ruch rumowiska, zwłaszcza wleczonego, charakteryzuje się dużą zmiennością nawet w warunkach przepływu ustalonego wynika to z przemieszczania się form dennych o zmiennych kształtach i wymiarach; materiał denny charakteryzuje się zróżnicowanym uziarnieniem pod względem wielkości ziaren i udziałem poszczególnych frakcji; konieczności wykonania pomiarów wleczenia i zmącenia w pełnym zakresie zmienności przepływów od minimalnych do maksymalnych; w przypadku korzystania ze wzorów empirycznych dopasowanie odpowiedniej formuły do danych warunków hydraulicznych i uziarnienia rumowiska. Metody pośrednie (uproszczone) Z względu na trudności w sporządzaniu ilansu ruchu rumowiska, w ocenie stailności stosuje się również metody pośrednie (uproszczone) polegające na porównaniu: V prędkości przepływu lu τ naprężeń stycznych z odpowiednimi wartościami charakteryzującymi warunki stailności. Ocena stailności według kryterium prędkości polega na porównaniu prędkości przepływu z prędkościami charakteryzującymi warunki początku ruch rumowiska oraz intensywność tego ruchu. 1. Ruch rumowiska unoszonego charakteryzuje: V n prędkość niezamulająca jest to minimalna średnia prędkość przepływu, przy której cząstki rumowiska unoszonego są zawieszone w toni wodnej i nie opadają na dno koryta. 2. Ruch rumowiska wleczonego charakteryzują: V gr prędkość graniczna (nazywana również zrywającą lu krytyczną) przy której pojedyncze ziarna materiału dennego zaczynają się toczyć (przesuwać) po dnie jest to prędkość początkowa wleczenia; V d prędkość dopuszczalna (nierozmywająca) przy której występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego; V m prędkość rozmywająca (masowego ruchu rumowiska wleczonego) prędkość intensywnego wleczenia, powoduje erozję koryta. Wielkość prędkości V n, V gr, V d i V m zależą od: wielkości cząstek rumowiska charakteryzowanych przez średnicę d m (miarodajną) lu średnią d 50 głęokości wody h temperatury wody T (lepkości wody) Prędkości V n, V gr, V d i V m określa się z: ezpośrednich pomiarów wykresów tael ze wzorów empirycznych Równowaga statyczna występuje wtedy gdy: występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (sedymentacja) rumowiska unoszonego nie występuje ruch rumowiska wleczonego u = Stąd warunek stailności statycznej według kryterium prędkości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący: V n < V < V gr V jest rzeczywistą prędkością przepływu wody w korycie Równowaga dynamiczna występuje wtedy gdy: występuje ruch rumowiska unoszonego występuje ruch rumowiska wleczonego
= ( Qru Qrw) Stąd warunek stailności dynamicznej według kryterium prędkości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący: V gr < V V d Warunek ten oznacza, że: występuje ruch rumowiska unoszonego (rak sedymentacji) występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego (nie powstaje erozja koryta) Ocena stailności według kryterium naprężeń stycznych polega na porównaniu naprężenia stycznego na dnie z wartościami naprężeń stycznych zapewniających stailność koryta. Naprężenie styczne τ jest to jednostkowa siła oddziaływania strumienia na dno koryta (tzw. siła poruszająca), równa sile tarcia na jednostkowej powierzchni dna (Pa = N m -2 ). W ruchu jednostajnym średnie naprężenie styczne jest równe: w przekroju - τ = ρ w g R J w pionie - τ = ρ w g h J ρ w gęstość wody (kg m -3 ) g przyspieszenie ziemskie (m s -2 ) R promień hydrauliczny (h głęokość wody) (m) J spadek hydrauliczny (spadek zw. wody) (-) 1. Warunek stailności statycznej dna: τ < τ gr τ gr naprężenie graniczne (krytyczne) naprężenie po przekroczeniu którego rozpoczyna się ruch ziaren materiału dennego (rumowisko wleczone) τ gr = f(d, T, ρ w, ρ r ) ρ r gęstość materiału dennego 2. Warunek stailności dynamicznej dna: Τ gr < τ < τ d τ d naprężenie dopuszczalne naprężenie przy którym ruch rumowiska wleczonego jest umiarkowany nie powstaje erozja koryta τ d = f(d materiału dennego, ilości rum. unoszonego) Wartość τ gr i τ d określa się według: ezpośrednich pomiarów wykresów (lu tael): τ gr na podstawie wykresu Shields a (lu innych autorów adań) τ d według Lane a wzorów empirycznych Zamiast porównywania naprężeń stycznych często porównuje się spadki zwierciadła wody: Jeżeli przyjmiemy τ = τ gr to ze wzoru τ = ρ w g R J (τ = ρ w g h J) mamy wzór na spadek krytyczny: τ gr τ gr J gr = lu J gr = ρwgr ρwgh Jeżeli przyjmiemy τ = τ d mamy wzór na spadek dopuszczalny: τ d τ d J d = lu J d = ρwgr ρwgh 1. Warunek stailności statycznej dna: J < J gr 2. Warunek stailności dynamicznej dna: J gr < J < J d