Изучение речного потока и его свойств необходимо судоводителю для правильного определения направления и скорости течения, горизонтов и уклонов потока, внутренних течений в потоке, действия их на судно и т. д.
Если мысленно разрезать реку поперек течения вертикальной плоскостью, перпендикулярной к плоскости поверхности воды, то площадь сечения, ограниченная дном, берегом и поверхностью воды, называется живым сечением. Количество воды, проходящее через живое сечение в течение одной секунды, называется расходом воды.
Скорость течения зависит от глубины и формы русла и распределяется по живому сечению неравномерно. Так, например, характер течения на прямых участках отличается от течения в закруглениях, а течение на перекатах — от течения на плесе и т. д.
В разных местах живого сечения скорость течения различна (рис. 9). В любом живом сечении максимальная скорость течения находится над самым глубоким местом около поверхности воды или несколько ниже ее, примерно до одной трети глубины от поверхности воды.
От точки живого сечения, отстоящей на одну треть от поверхности воды, скорость течения уменьшается ко дну реки и от середины реки к берегам.
Рис. 9. Распределение поверхностных скоростей течения в плане:
I — симметричное русло; II — несимметричное русло.
1 — бровка правого берега; 2 — бровка левого берега; 3 — правый урез воды; 4 — левый урез воды; 5 — распределение скоростей течения в плане
Таким образом, наибольшая скорость течения в прямых ; русла находится в середине симметричного русла, а в криволинейных участках — ближе к вогнутому берегу.
Если на отрезке реки, состоящем из криволинейных и прямых участков, мысленно сделать некоторое количество живых сечений, а точки максимальных скоростей течения каждого живого сечения соединить линией, то получим ось динамического потока —стрежень, который близко подходит к вогнутости берегов (если они вогнуты) и идет посередине в прямых участках.
Умение распознать направление и линию стрежня очень важно для судоводителя любого судна.
3. Внутренние течения в потоке.
В живом сечении изгибов русла под действием центробежной силы внутреннее течение направлено по наклонному дну к мелкому выпуклому берегу, а на поверхности течения — к вогнутому глубокому берегу (рис. 10).
Поэтому лед в половодье и течение постоянно размывают вогнутые берега, течение увлекает наносы к выпуклым берегам, где они и оседают. Кроме того, внутреннее течение влияет на повышение уровня воды у вогнутого берега.
Внутреннее течение смежных живых сечений на изгибах русла реки образует винтообразное течение в потоке, направленное к яру, поверхностное течение которого называется прижимным течением. Оно сносит судно с курса в сторону вогнутого берега.
Рис. 10. Внутреннее течение на изгибе русла: 1 — направление течения на поверхности — прижимное течение; 2 — направление течения на дне — донное течение.
При переходе от кривизны одного направления к другой (обращенной в другую сторону) винтообразное течение в изгибе
Русла меняет направление. На прямолинейном участке соединяющем эти два изгиба, винтообразное течение сначала рассеивается, а затем при новом изгибе снова сходится.
4. Неправильности течения.
К неправильностям течения относятся майданы, суводи, толчеи, свальные течения, тиховоды.
Рис. 11. Майданы: I — над подводным препятствием; II — при слиянии потоков
Майданом называется беспорядочное возмущенное течение на поверхности воды, возникающее от подводного препятствия, нарушающего нормальное донное течение воды в русле. Таким подводным препятствием может быть камень-одинец, карча, затонувшее судно.
Майдан обычно образуется несколько ниже подводного препятствия, так как вызванное им возмущение сносится течением. Майдан может быть и в месте столкновения течений двух рек (рис. 11).
Суводью называется вращательное движение воды (водоворот) за подводным или надводным выступом в яру или рынком гор. У левого берега вода в суводи вращается против часовой стрелки, у правого — наоборот.
В таком водовороте-суводи две водные струи часто сильно различаются по скорости или направлению течения (рис. 12). Вдоль вертикальной поверхности Р, направленной по течению и разделяющей эти струи, появляются завихрения (воронки), в центре которых вращающаяся вода силой направляется ко дну реки.
Частицы воды, спускающиеся в глубину, задерживаются речным дном. Отсюда они могут двигаться только в направлении наименьшего сопротивления, т. е. в сторону струи с меньшей скоростью. Вследствие этого водовороты размывают речное дно и могут вырыть в нем ямы глубиной 20 м и более.
Суводи образуются также у различных гидротехнических сооружений: устоев мостов, плотин, дамб и т. д. Особенно много больших суводей с сильным вращательным движением воды бывает во время половодья.
Толчея — скопление беспорядочных коротких и довольно высоких волн, находящихся все время на одном месте. Причина образования толчеи — отражение волн от берегов, причалов, в местах большого движения судов. В устьях рек толчея возникает от перебоя поверхностного течения встречным ветром с моря.
Свальное (косое) течение — поперечное или направленное под углом отклонение течения или его части от своего нормального положения в реке по стрежню.
Свальное течение бывает на перекатах, когда направление слива воды не совпадает с корытом переката у мостов, дамб, в порожистых местах и т. п.
Разновидностью свального течения следует считать затяжное течение, направленное из главного русла в сторону прорана или воложки.
Тиховоды — участки рек со слабым течением, а иногда и вовсе без него; образуются за отлогими наносами; характерны для выпуклых берегов. Границы тиховодов различают по пенящейся полоске воды.
К неправильностям течения относятся майданы, суводи, толчеи, свальные течения, тиховоды.
Рис. 11. Майданы: I — над подводным препятствием; II — при слиянии потоков
Рис. 12. Суводь
Майданом называется беспорядочное возмущенное течение на поверхности воды, возникающее от подводного препятствия, нарушающего нормальное донное течение воды в русле. Таким подводным препятствием может быть камень-одинец, карча, затонувшее судно. Майдан обычно образуется несколько ниже подводного препятствия, так как вызванное им возмущение сносится течением. Майдан может быть и в месте столкновения течений двух рек (рис. 11).
Суводью называется вращательное движение воды (водоворот) за подводным или надводным выступом в яру или рынком гор. У левого берега вода в суводи вращается против часовой стрелки, у правого — наоборот.
В таком водовороте-суводи две водные струи часто сильно различаются по скорости или направлению течения (рис. 12). Вдоль вертикальной поверхности Р, направленной по течению и разделяющей эти струи, появляются завихрения (воронки), в центре которых вращающаяся вода силой направляется ко дну реки. Частицы воды, спускающиеся в глубину, задерживаются речным дном. Отсюда они могут двигаться только в направлении наименьшего сопротивления, т. е. в сторону струи с меньшей скоростью. Вследствие этого водовороты размывают речное дно и могут вырыть в нем ямы глубиной 20 м и более.
Суводи образуются также у различных гидротехнических сооружений: устоев мостов, плотин, дамб и т. д. Особенно много больших суводей с сильным вращательным движением воды бывает во время половодья.
Толчея — скопление беспорядочных коротких и довольно высоких волн, находящихся все время на одном месте. Причина образования толчеи — отражение волн от берегов, причалов, в местах большого движения судов. В устьях рек толчея возникает от перебоя поверхностного течения встречным ветром с моря.
Свальное (косое) течение — поперечное или направленное под углом отклонение течения или его части от своего нормального положения в реке по стрежню. Свальное течение бывает на перекатах, когда направление слива воды не совпадает с корытом переката у мостов, дамб, в порожистых местах и т. п.
Разновидностью свального течения следует считать затяжное течение, направленное из главного русла в сторону прорана или воложки.
Тиховоды — участки рек со слабым течением, а иногда и вовсе без него; образуются за отлогими наносами; характерны для выпуклых берегов. Границы тиховодов различают по пенящейся полоске воды.
В принципе, для безопасного плавания по крупным рекам и водохранилищам в большинстве случаев достаточно знания общих правил и элементарной дисциплины. К сожалению, водных путей, оборудованных по всем нормам знаками навигационного ограждения, с каждым годом становится все меньше (что там говорить, освещаемая обстановка исчезла даже на Оке!). Это во-первых. Во-вторых, магистральные реки частенько используются водномоторниками лишь как транзитные на пути к живописным, рыбным и глухим притокам 2-4 порядка, на которых обстановки или вообще никогда не было, или она сгинула в пятидесятых-шестидесятых годах вслед за речным министром Берией. Безопасное передвижение по таким водоемам во многом зависит от опыта судоводителя и знания им основ речной лоции и гидрологии.
Общие сведения и терминология
Внутренние водные пути разделяются на естественные и искусственные.
Естественными внутренними водными путями называются реки и озера, где регулярное судоходство осуществляется с помощью дноуглубления и выправительных работ.
К искусственным водным путям относятся реки, в которых уровень воды для обеспечения судоходства поднят плотинами, а суда проходят через шлюзы. Эти реки называются зарегулированными. Искусственными водными путями считаются также каналы, соединяющие различные реки, и обходные каналы вокруг озер и водохранилищ.
Плавание транспортных судов происходит на всем протяжении рек, озер, водохранилищ, но не по всей их ширине, а только в определенной части, называемой судовым ходом или фарватером, для указания которого служит плавучая и береговая судоходная обстановка. Реки, озера, водохранилища или участки их, на которых выставлена судоходная обстановка для движения транспортных судов, называются внутренними судоходными путями.
Речная лоция, или лоция внутренних водных путей, разделяется на общую и специальную.
Общая речная лоция рассматривает общие для всех рек свойства водного потока, его русло и различные естественные и искусственные препятствия для судоходства, очертания берегов и отложения в русле, прибрежную местность, их взаимосвязь и расположение при различных условиях плавания (ночью, днем, в половодье, в межень, в ледостав). Речная лоция, кроме того, изучает судоходную, береговую и плавучую обстановку и взаимодействие судна и водного потока. Хорошее знание общей лоции помогает судоводителю надежно овладеть техникой визуального ориентирования и выбору фарватера на любой реке, в том числе на несудоходной, где часты перекаты и другие препятствия, где нет судоходной обстановки и специальных лоций.
Специальная речная лоция изучает фарватер одной реки или ее участка с прибрежной местностью, характерными течениями, судоходной обстановкой и дает рекомендации по выбору курса и управлению судном по данной реке или ее участку.
Основные сведения о реках
Уровень воды в реке зависит от наличия гидротехнических сооружений, нагонно-сгонных явлений под действием ветра, а также приливов и отливов в устьях рек.
Движущийся речной поток все время пробивает себе дорогу: размывает места со слабым грунтом и откладывает наносы в других местах в виде осередков, островов и чаще всего в виде кос. Так образуются изгибы русла реки, размыв которых усиливается с увеличением течения на поворотах. Особенно интенсивны размывы берегов и отложения наносов в период ледохода.
Изгибающиеся в разные стороны извилины, излучины, колена реки иногда соединяются небольшими прямолинейными участками. Здесь в поперечном разрезе русло относительно симметрично. С судна, находящегося на середине реки в криволинейном участке русла, хорошо видно, что один из берегов относительно обрывист, подмывается течением, и около него глубина значительная. В плане (вид сверху) этот берег имеет вогнутость и носит название вогнутого берега.
Противоположный берег, наоборот, пологий, вдоль него откладываются наносы, глубина около этого берега незначительна и постепенно увеличивается к середине реки. Течение слабое. Этот берег называется выпуклым.
Речной поток
Если мысленно разрезать реку поперек течения вертикальной плоскостью, перпендикулярной к плоскости поверхности воды, то площадь сечения, ограниченная сверху уровнем воды, а снизу периметром русла, называется живым сечением. Количество воды, проходящее через живое сечение в течение одной секунды, называется расходом воды.
В разных местах живого сечения скорость течения различна. В любом живом сечении максимальная скорость течения находится над самым глубоким местом около поверхности воды или несколько ниже ее (примерно до 1/3 глубины от поверхности воды). Скорость течения уменьшается по мере приближения к берегам и дну реки.
Неровности дна и водная растительность вызывают перераспределение скоростей в потоке. В местах сжатия потока, например между устоями моста, скорость течения увеличивается, особенно в придонной части.
Умение распознать направление и линию стержня очень важно для судоводителя.
Внутренние течения в потоке
К неправильным течениям относят майданы, суводи, водовороты, толчеи, свальные течения, тиховоды.
Майданом называется беспорядочно-возмущенное вращательное движение воды в виде подвижных вихрей размером от нескольких сантиметров до нескольких метров в поперечнике. Майданы образуются над крупными подводными препятствиями при небольшой глубине над ними из-за нарушения нормального донного течения воды в русле. Таким подводным препятствием может быть затонувшее судно, камень-одинец, карча. Майдан обычно возникает несколько ниже подводного препятствия, так как вызванное им возмущение сносится течением, но может образоваться и в месте столкновения течений двух рек.
Разновидностью свального течения следует считать затяжное течение, направленное из главного русла в его ответвление (протока, проран и т. д.).
Берега и образования в русле
Пойменный вогнутый берег, обрывистый из-за постоянного подмыва его прижимным течением, называется яром. У яра глубина всегда больше, чем у противоположного выпуклого берега. Это дает возможность судоводителям проводить суда с большой осадкой «по яру», т. е. около вогнутого берега. Яр начинается (и кончается) в том месте, где вогнутый берег переходит в прямой участок реки или в выпуклый берег. Начало яра называется верхним плечом, а окончание, находящееся ниже по течению,- нижним плечом.
Не менее серьезными препятствиями для судоходства, которые к тому же почти невозможно определить по внешним признакам рельефа местности и потока, считаются палица и побочень. Палицей называют горизонтальную площадку из неразмываемого грунта в яру под водой. Местонахождение палицы должно быть известно судоводителю, на ней меняется горизонт воды. Снять судно с печины и палицы обычно гораздо труднее, нежели с песчаной отмели, т.к. держащая сила глинистого грунта весьма высока, а глубины вокруг чаще всего не позволяют экипажу применить некоторые эффективные приемы снятия судна с мели.
На криволинейных участках русла реки винтообразным течением размывается вогнутый берег, и отмытые от него частицы грунта перемещаются ко дну. Затем донным течением они влекутся к выпуклому берегу. Там частицы грунта осаждаются, образуя наносы. Кроме того, наносы течением перемещаются вниз по реке и оседают в местах со слабым течением, к примеру, по всей ширине русла на прямых участках.
Наносные образования, отложившиеся в русле, образуют песчаные гряды, создающие неровное, волнообразное песчаное дно реки. Значительное отложение наносов у выпуклых берегов образует низкий отлогий песчаный берег без растительности, называемый песком. Форма песка обычно соответствует очертанию противоположного яра.
Основным видом отложения наносов (песка) является коса, которая имеет значительные размеры и треугольную форму. Основанием коса примыкает к выпуклому берегу и вершиной постепенно переходит из надводного состояния в подводное. Коса незначительных размеров, примыкающая к другой косе или непосредственно к выпуклому берегу, называется закоском.
Песок или коса под действием течения могут размываться и становиться обрывистыми около верхней по течению своей части, ввиду чего здесь обычно по глубокому месту проходит фарватер. Такой песок или косу называют обрезным. Группа подводных кос, незначительных по своим размерам, называется застругами. Заструги располагаются в русле в виде крупных гряд и примыкают к песчаному берегу, косам, закоскам. Залив в реке между косой и берегом называется затониной.
Кроме наносов возле выпуклого берега и побочней в яру, в русле реки имеются и другие наносные образования, окруженные водой, как подводные, так и надводные. К ним относятся осередки, острова, высыпки, шалыги.
Осередком называется надводная отмель, окруженная со всех сторон водой и не имеющая никакой растительности. От размыва подводной части косы может появиться и подводный осередок; он может возникнуть также ниже мыса стрелки, образующейся от слияния двух рек, в тиховоде, за рынком гор, на различных подводных препятствиях. Осередки ограничивают ширину судового хода, изменяют направление течения воды.
Шалыгой называется подводное наносное отложение у борта корпуса крупного судна, ставшего на мель поперек корыта переката. После снятия судна с мели течение обходит шалыгу, размывая ее. Постепенно шалыга может сноситься течением ближе к подвалью переката и изменить его, образуя затруднительный для судоходства перекат с выпуклым подвальем. Шалыга может также задерживать наносы, увеличиваясь по форме и превращаясь в осередок.
Высыпкой называется отложение наносов, выносимых из притока (речки, ручья, оврага и пр.) в устье или ниже его. Высыпка состоит из гравия, песка, гальки, а иногда из камней. Если приток впадает с вогнутого берега, то высыпка, находящаяся в яру около устья этого притока, является одновременно и побочнем. Если приток впадает с выпуклого берега, то отложение наносов у этого берега усиливается. Судоводитель-любитель должен предвидеть возможность образования высыпки и при подходе к берегу ниже притока или при заходе в него вести судно на малом ходу, измеряя глубину наметкой (метрштоком).
Неразмываемые препятствия
В реке может быть большое количество неразмываемых препятствий. К ним относятся:
Перекаты
Вал, или седловина переката, при пересечении со стрежнем размывается и в нем образуется углубление, называемое корытом переката, где находятся самые большие на перекате глубины. По корыту переката проходит судовой ход.
Верхняя по течению пологая часть седловины переката называется напорным скатом. Нижняя по течению часть седловины обрывиста и называется подвальем. Над подвальем находится наименьшая на перекате глубина. Самая верхняя часть подвалья называется гребнем. От формы подвалья, глубины, направления и скорости течения на перекате зависит степень трудности проводки судов по перекату.
Глубоководный участок реки, прилегающий к перекату, называется плесовой лощиной и является началом или окончанием очередного плеса.
Когда судоводитель-любитель ведет свое судно по несудоходной реке или реке, где осуществляется сплав леса, только его умение определить корыто переката, форму подвалья, слив воды с него и знание судоходных качеств переката позволяет провести судно без посадки на мель и без аварий.
Перекаты очень разнообразны, они отличаются один от другого расположением в русле, элементами в плане и профиле, гидрологическим режимом. Степень трудности проводки судов по перекатам зависит от их свойств. Существует несколько судоводительских классификаций перекатов.
Перекатом с ровным подвальем называется перекат, вал которого расположен поперек реки по всей ширине корыта по прямой от верхней косы переката к нижней. Течение одинаково равномерно по всей ширине корыта переката. Судоходные качества переката благоприятные. Суда, идущие снизу, должны вводиться на подвалье переката так, чтобы диаметральная плоскость судна совпадала с направлением течения, для чего выход судна на прямой курс к корыту переката нужно осуществлять как можно раньше.
Перекат с выпуклым подвальем образуется чаще всего там, где водой переносится много наносов, где происходит размыв русла и особенно яров. Отложение наносов в средней части подвалья приводит к его выпуклости в плане и профиле. Эта выпуклость происходит за счет более или менее значительного подвального осередка в центре подвалья, где обычно находятся самые малые глубины. Поэтому течение на перекате веерообразное и нет ярко выраженной главной струи-стрежня. Судоходные качества такого переката плохие, так какв течение навигации фарватер может менять свое направление и проходить то с одной, то с другой стороны выпуклости подвалья. Веерообразное течение сбивает суда с курса к границам фарватера (к берегам).
Перекат-россыпь располагается преимущественно на расширенных участках русла, в низовьях рек. Образуется застругами кос, лежащих на противоположных берегах, и шалыгами. Перекат-россыпь не имеет определенной формы, так как песчаные отложения, непрерывно перемещаясь, изменяют форму переката. Корыто не имеет ясно выраженного углубления. Подвальев бывает несколько и обычно они неправильной формы. Заструги, шалыги, осередки образуют неправильное течение, что вызывает рыскливость судов. Из-за нечетко выраженного подвалья проход судов по такому перекату затруднителен и идти по нему рекомендуется, непрерывно замеряя глубину.
Устьевые перекаты возникают во время половодья, когда вода из главной реки заходит в приток, занося свои наносы. Кроме того, подпор основной реки задерживает движение воды в притоке, чем способствует осаждению наносов. Со спадом воды после половодья эти наносы образуют в притоке, выше его устья, устьевые перекаты, которые иногда тянутся на несколько десятков километров. Появляются также косы, надводные и подводные осередки, острова, которые вода притока не может смыть в межень. Устьевые перекаты обычно очень затрудняют проход по ним судов. Владелец судна может начать свой туристский поход на мелководном несудоходном притоке, который впадает в полноводную реку. Поэтому важно знать, есть ли в устье притока устьевые перекаты, какова их глубина и возможно ли провести маломерное судно через эти перекаты. Если в межень через эти перекаты пройти в судоходную реку нельзя, следует скорректировать сроки начала похода, чтобы пройти через устьевые перекаты до минимального горизонта воды над ними.
Глубоководный участок реки, прилегающий к перекату, называется плесовой лощиной и является началом или окончанием очередного плеса.
выпуклости в плане и профиле. Эта выпуклость происходит за счет более или менее значительного подвального осередка в центре подвалья, где обычно находятся самые малые глубины. Поэтому течение на перекате веерообразное и нет ярко выраженной главной струи-стрежня. Судоходные качества такого переката плохие, так какв течение навигации фарватер может менять свое направление и проходить то с одной, то с другой стороны выпуклости подвалья. Веерообразное течение сбивает суда с курса к границам фарватера (к берегам).