Течения в водяной яме и водосбросе Течения в прижиме на реке с быстрым течением

Рис. 4. Течения в водосбросе и водяной яме, или бочке

Рис. 5. Течения в прижиме

Характерное препятствие для реки с быстрым течением - прижим. Он образуется в местах резких поворотов русла и происходит оттого, что река упирается в трудно размываемую породу (граниты, базальты) и поворачивает в сторону. При этом большая часть воды наваливается на препятствие. Вблизи места контакта воды с препятствием создаются сложные движения потока. Если водность реки значительна, а поворот довольно крут, у самого берега образуются отбойные валы. Распределение течений в прижиме в этом случае будет иметь вид, представленный на рис. 5б. При высокой водности рек, но менее крутых поворотах, а также при отрицательной крутизне берега под водой отбойный вал может не возникнуть. Тогда распределение течений будет иметь вид, приведенный, на рис. 5а. Аналогичная картина возникает в прижиме на достаточно крутом повороте в потоке с малым расходом воды.

На реках нередко встречаются повышения дна, уменьшающие глубину в отдельных местах и образующие мели, - галечные, песчаные, илистые. Создаются они в результате отложения в местах с относительно медленным течением продуктов размыва берегов. Основное условие образования мелей - реэкое падение скорости течения. Возникают они у выпуклых берегов на извилинах и излучинах, на некотором расстоянии за сливами. Расположение мелей часто меняется после подъема воды.

Еще одно существенное препятствие для туриста-водника - перекат. На повороте есть поперечное течение. Оно размывает внешний берег и переносит продукты размыва к внутреннему, где в области замедленного течения они откладываются. Около внутреннего берега растет отмель. Такая же отмель растет у внутренного берега следующего поворота, направленного в другую сторону. Приближаясь друг к другу, эти отмели и образуют перекат, который может быть каменистым, галечным или песчаным. Единственный узкий проход между отмелями (косами) - корыто переката. Перекаты, в отличие от мелей, медленнее меняют свое место и форму после паводков и половодий. В общепринятой судовой лоции перекаты делятся на нормальные (рис. 6), сдвинутые и россыпи (с несколькими гребнями).

На реках с быстрым течением могут образоваться противотоки в плоскостях, параллельных дну реки - yловы (рис. 7). Возникновение их связано с отрывом течения от берега по тем или иным причинам (чаще всего из-за выступов берега). Уловы создаются у прижимов, вблизи перекатов, при резких расширениях русел, на отмелях и при резких ускорениях отдельных струй, например при слиянии двух потоков. Попав в улов, бывает иногда трудно из него выбраться, ибо нужно успеть уйти из струи, образующей улов, пересекая ее за малый промежуток времени.

Необходимо отметить и такое препятствие на реке, как граница противоположных течений или течений с разными скоростями, возникающее при впадении притоков в реку (особенно, если притоки сравнимы по расходу с основной рекой), при обтекания потоком крупных надводных препятствий (камни, скалы, плита). Эти границы очень малы по протяженности (иногда длина перехода от одной скорости к другой составляет 30-50 см) и опасны тем, что туристское судно, имеющее скорость одного потока, внезапно отдельными своими частями попадет в поток с другими скоростями, мгновенно испытывая действие разнообразных сил. Если команда не примёт необходимых мер (разгон, торможение, разворот судна, откренивание), дело может кончиться плачевно.

Нормальный речной перекат

Рис.	6. Нормальный перекат 1 и 2 - верхняя и нижняя плесовые лощины; 3 - 4 - верхняя и нижняя коса; 5 - гребень

Течения в улове

Рис. 7. Течения в улове

На воду в реке действуют различные силы, и прежде всего сила тяжести. Величина ее составляющей, воздействующей на воду в направленни стока, зависит от уклона реки. Чем больше уклон, тем больше эта составляющая, тем выше скорость воды.

Скорость течения, в конечном счете, - основной фактор, определяющий сложность и опасность реки для туриста. Составляющей силы тяжести противостоит сила трения воды о берега, дно и внутреннего трения между слоями воды. Эта сила определяется степенью шероховатости материала дна и берегов, глубиной и шириной русла. Чем крупнее частицы, составляющие дно и берега, тем больше сила трения.

На воду в реках 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. Имеются некоторая средняя скорость потока и местная скорость. Местная скорость равна нулю у дна и берегов и максимальна на некоторой линии ниже поверхности воды (соответствующая линия на поверхности называется стрежнем).

По распределению скоростей в сечении потока различают 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 быть при скорости течения не более 1 см/сек.

Турист почти всегда имеет дело с турбулентным потоком, отличающимся образованием вихрей в объеме потока, т. е. 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 удалений 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 H и шероховатости русла Delta (рис. 8) и от глубины при различных уклонах (рис. 9) (русло принято прямоугольным).
Рис. 8

Рис. 9

На рис. 10 дан график постоянных скоростей при изменении уклона, глубины реки и шероховатости русла. Если принять какую-то скорость граничной (например, 2 м/сек), то можно определить, при каких комбинациях уклона, глубины и шероховатости русла скорость течения будет выше или ниже граничной. Зная, что скорость течения в значительной степени определяет сложность и опасность реки, можно, задавшись определенной граничной скоростью, получить из этого графика приблизительные данные об уклонах и глубинах, при которых река будет несложной или очень сложной.

Рис.10

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. Привлекательность подобного 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 на топографических картах.

На скорость течения влияют препятствия в русле. Степень влияния может быть вычислена. Например, массивные выступы в русле диаметром 1 м, следующие друг за другом через 5 м, уменьшают скорость примерно в 1,8 раза, а густая водная растительность высотой от дна до поверхности воды - до 10 раз.

Русло 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 различных размеров, и закономерности, указанные выше, не всегда действуют. Эти закономерности не действенны и в очень узких местах реки, где русло слабо разработано.

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 поверхностн реки от берегов к середине русла и по дну от середины к берегам. Такая структура не имеет видимых отличительных признаков в может встретиться в порогах, каньонах, «щеках», вообще в слабо разработанных руслах при высоком расходе воды.

Пространственный режим потока - один из случаев устойчивой поперечной скорости в русле. Поперечную скорость сообшает воде также сила Кориолиса, но эта скорость незначительна. Поперечные скорости, достигающие 30-40% максимальной скорости течений и направленные от берега к середине реки, возникают за счет вихреобразования у берегов турбулентного потока. Эти скорости имеют случайное распределение во времени и 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 (см. рис. 1).

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. 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.

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 бывает, 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 (см. 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 (см. рис. 4).

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, поворачивающие вспять реки в приустьевой части на протяжении 30-50 км (на некоторых реках Архангельской области, впадающих в Баренцево и Белое моря). Такие особенности рек должны быть выяснены и учтены при подготовке похода.

Вид на правобережную часть села Ковда на Белом море   Приустьевый участок реки Ковда, во время прилива образует обратное течение

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 сказать, 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, «щёки», шиверы. Для участков с преобладанием аккумулирующей деятельности свойственны перекаты, наносные шиверы и особенно завалы. Конечно, 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, каньоны в граните и известняках на реке Белой на Западном Кавказе. Обычно «щеки» изобилуют порогами, ибо в массе одной горной породы встречается довольно много неоднородностей. Кроме того, в «щеках» часты обвалы, также способствующие возникновению 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 замедления течения.

Где же эти места в русле? Если на реке есть остров, то течение замедляется при разделении проток и сбивке струй из проток т. е. 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 долгжно быть меньше, поскольку река постепенно засорила ее. Можно ожидать, что наиболее засоренным будет выход 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 и мели.

Отмеченные выше участки с большим уклоном (преобладание размывающей деятельности) и с меньшим уклоном (преобладание аккумулирующей деятельности) легко 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 большого 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.

Воздействие потока на плывущий предмет происходит в пределах глубины его погружения. Любой свободно плывущий предмет движется со скоростью текущей воды или быстрее. Чем больше вес предмета, уклон реки и чем меньше площадь соприкосновения поверхности предмета с водой, тем больше его скорость отличается от скорости течения.

Наиболее интересны для туриста воздействия на байдарку или лодку уже упоминавшихся противоположно направленных течений (граница улова и струи, течения в стоячих волнах и т. п.). Общая закономерность - чем меньше осадка судна и больше его размеры, тем слабее воздействие на него местных течений. В области стоячих волн это воздействие выражается в возникновении (за счет различного направления поверхностных течений на скатах стоячих волн) вращающего момента, стремящегося поставить судно поперек течения (лагом). Подобные же силы возникают, когда корма и нос попадают и области течений с разными или даже противоположно направленными скоростями. В этом случае момент сил, противоположно действующих на нос и корму, может быть достаточным не только для разворота лагом, но и для переворота узкого и длинного судна, например байдарки. Вертикальные составляющие течения, например в водоворотах, притапливают и кренят суда в зависимости от того, на какую часть их действует вертикальное течение. Очень большие водовороты могут переворачивать малые суда. В потоках с пространственной структурой наблюдается затягивание судна в область максимальных скоростей (в струю) под действием поперечной составляющей скорости течения.

Один из важнейших вопросов практического проведения похода - ориентирование на реке. Основные задачи его - определение своего местонахождения (точки стояния) на карте, сличение карты с местностью, ориентирование карты. Неверное определение своего местоположения приводит зачастую к неожиданному входу в порог, на сложный участок и нередко чревато несчастным случаем.

В распоряжении туристов имеются разнообразные карты: политико-административные, гипсометрические, карто-схемы, выкопировки из различных карт. Наиболее предпочтительны гипсометрические карты масштаба 1 : 100000, 1 : 200 000 или скопированные с них кроки ходовых участков. Карты более мелких масштабов, например 1:1000000, требуют уточнения из-за генерализации подробностей. Вполне подходят, особенно для несложных походов, туристские карто-схемы и политико-административные карты районов, но они также нуждаются в корректировке.

При пользовании картами, особенно мелкомасштабными, необходимо помнить, что на них опущены многие подробности гидросети: затопляемые острова, протоки, мелкие притоки, повороты реки.

Особенность ориентирования на воде заключается в том, что группа движется по линейному ориентиру. Поэтому задача сводится к определению своего места на реке, что упрощает работу с картой.

Двигаясь по реке, нужно ориентироваться непрерывно. При этом используются два приема. Первый из них - «наплывание» на ориентиры - заключается в следующем: штурман похода, определив отправную точку, намечает ближайший ориентир и примерное время достижения его. Достигнув ориентира, тут же намечает ближайший очередной и т. д. Через 1-1,5 часа ходового времени производится тщательная проверка правильности ориентирования по характерным местным предметам (при приближении к препятствию такие проверки делаются чаще). Второй метод (менее предпочтительный) состоит в запоминании ориентиров при движении и нахождении их на карте через 10-20 мин. плавания. Можно использовать оба метода ориентирования: первый - на более сложных и богатых ориентирами участках, второй - на более простых.

Ориентирами на реке могут служить: вершины, видимые с реки и нанесенные на карту, характерные повороты русла, обрывы и бомы, притоки, острова, мосты и переправы, населенные пункты и отдельные дома. Особенно важно уметь находить свое место на карте при потере ориентировки. В таких случаях используют методы, известные из военной топографии:

1) установление пройденного расстояния от точки, в которой гарантированно не была потеряна ориентировка, и нанесение пройденного расстояния на карту;

2) засечки по ориентирам (не менее чем по двум) в пределах видимости. Оба метода используются совместно.

Основные ошибки при ориентировании на воде, ведущие к потере ориентировки, связаны, как правило, с обилием ориентиров на местности и отсутствием их на карте. К ним относятся неуказанные притоки, острова, повороты, даже населенные пункты. Большим подспорьем здесь служат данные о пройденном к моменту ориентирования расстоянии. Расстояния определяют на основе знания средней скорости движения по реке и известного времени движения, а среднюю скорость - по замерам скорости прохождения отдельных участков между ориентирами, расстояние между которыми заранее известно.

Огромное значение для безопасности водных походов имеет привязка препятствий к ориентирам - выбор ориентиров на подходе к препятствию, сложному участку. При установлении подобных ориентиров необходимо помнить, что их должно быть несколько (определенная комбинация) и они должны быть такими, чтобы исключалась возможность спутать их с похожими.

Рис. 11. Примерная схема препятствия

При разведке н просмотре препятствий, составляются схемы на основе глазомерной съемки по правилам, принятым в топографии. Схемы выполняются в масштабе примерно 1:10000, 1:5000. Для более точной привязки самые важные расстояния указываются в числовых величинах (метрах, шагах). На схемах даются главные и вспомогательные ориентиры, привязки на берегу и воде (если они есть) на всей длине препятствия, а также элементы, влияющие на безопасность его прохождения группой: надводные н подводные камни, стоячие валы, сливы, направление течения, уловы. На схеме обозначается путь группы. Типовая схема препятствия дана на рис. 11. Условные обозначения элементов, принятые среди туристов, приводятся на рис. 12.

Схемы препятствий прилагаются к отчету о путешествии. Кроме того, в нем помещаются фотографии препятствий, снятые с разных точек (точки съемки фотографий и зоны препятствий, отраженные на них, обязательно указываются на схемах).

Рис. 12 Условные обозначения элементов, принятые у туристов.