Приемы решения научных задач в русловедении

Приемы решения научных задач в русловедении

Кондратьев А.Н.

Русловедение (или теория русловых процессов) – одно из узких научных направлений географии. Каждая из узких научных дисциплин разрабатывает и применяет свои приёмы и методы решения научных задач. В то же время научные методы дрейфуют из одних разделов науки в смежные, а часто и в отдалённые другие разделы науки. 

В русловедении используется набор приемов и принципов, помогающих системно представлять накопленные знания, решать научные задачи и в некоторой степени прогнозировать развитие науки о русловых процессах. Большинство приёмов было в разное время заимствовано из других географических и негеографических наук, в некоторых случаях эта историческая связь забыта, и теперь русловики добросовестно считают эти приёмы “своими”. Их можно использовать в других географических направлениях. 

Некоторые научные приёмы, применяемые в русловедении:

принцип эмерджентности, 

принцип диссимметрии, 

принцип многофакторности и объединение альтернативных гипотез, 

ложная причина. 

Принцип эмерджентности. Этот принцип заставляет подходить к каждому рассматриваемому процессу или явлению системно и выделять в нём иерархию вложенных структурных уровней. Этот принцип заключается в том, что каждый структурный уровень развивается по собственному закону, отличному от законов развития элементов системы. Понять законы, действующие на структурном уровне можно изучая развитие именно этого структурного уровня. 

Например, в русловых процессах – насколько тщательно ни изучалось бы движение песчинок в реке, всё равно не возможно получить законы движения гряд, которые состоят из этого песка. Из законов движения донных гряд никаким образом не получишь схему развития речной излучины. Для того, чтобы понять причины образования какого-нибудь типа русловых процессов (например, русловой многорукавности) безрезультативно изучать именно этот тип русловых процессов и описывать закономерности, по которым развивается этот тип. Для нахождения причины образования любого типа необходимо рассматривать генезис сразу всех типов русловых процессов, перейти на следующий структурный уровень.

В русловедение принцип эмерджентности внесла Н.С. Знаменская [1], опираясь на исследования Швебса в эрозиоведении [7]. Другие принципы системного подхода использовались и ранее Н.Е. Кондратьевым [3] и Н.И. Маккавеевым [4].

Принцип диссимметрии. Это руководящий принцип при поиске причины изучаемого явления. В.В. Митрофанов подробно описал применение этого принципа в разных отраслях науки [5]. Принцип диссимметрии: “Если существует диссимметрия (разность, неравенство, отношение) между частями системы и обеспечивается взаимодействие между этими частями, то должен быть некий эффект”. 

Например: 

разность давлений приводит к ветру, 

разность потенциалов рождает электрический ток, 

разностью поверхностных натяжений при различной обработке поверхностей приводит к изгибу пластинки, 

дерево зацветает из-за возникновения тока соков при положительной разности температур между кроной и корнями, 

любое движение через диафрагму под действием разности давлений, 

работа двигателя под действием разности давлений в разных цилиндрах. 

Диссимметрия является удобным научным инструментом. На основе принципа диссимметрии можно дать советы по поиску новых явлений и объяснению их причин:

Если существует некая разность, то ищи производимый этой разностью эффект; 

Если есть некий эффект, и ты ищешь его причину, то ищи разность, именно она является причиной. 

Получается мощный рывок вперёд: знаешь, что искать.

В русловедении разность между транспортирующей способностью потока (тем, что может транспортировать река) и поступлением наносов (тем, что приходится транспортировать реке), называемая относительной транспортирующей способностью потока, является причиной образования и существования различных типов русловых процессов – извилистых (меандрирующих), прямых и разветвлённых [2]. При увеличении поступления наносов в реку, образуются условия к смене типа русловых процессов – выпрямлению реки и образованию внутрирусловых аллювиальных образований. При увеличении транспортирующей способности потока, например, при спрямлении излучин, река реагирует на изменение руслоформирующих факторов изменением морфологического облика, появлением извилистости русла.

Наш маленький частный пример разности, являющейся причиной образования меандрирующих рек является частным случаем приведённого выше принципа диссимметрии. Эта частная формулировка гласит: “Если существует диссимметрия (разность, неравенство) между тем, что может делать (в самых разных значениях этого словосочетания) сам предмет, и тем, что заставляют делать (предлагают, приходится, нагружают) этот предмет, то результат будет представлять или некую извилистость (изгиб, волнистость, смятие) или разряжение (растяжение, разрыв)”.

Примеры извилистости: транспортировка ткани, трещины, Гольфстрим, дым из трубы, кровеносные сосуды, человек в обществе, мозг, контракция Земли, ДНК, кишки, лёгкие, волосы у негров, змея, походка пьяного, занавеска на окне, дюны, барханы, волны…

Отсюда советы: 

Видишь такую специальную разность > ищи ту извилистость, к которой она приводит. 

Видишь любую извилистость > его причиной является разность между тем, что может, и тем, что приходится выполнять этому предмету. 

Возможно, что этой причиной можно объяснить существование и других извилистых (волнообразных) форм рельефа. “Яркие примеры их – дюны, барханы и эоловые гряды, подводные береговые валы, солифлюкционные натечные террасы, валы на поверхности лавовых, оползневых, курумовых, грязекаменных потоков, гряды на залесённых крутых склонах, морщины на теле грязекаменных глетчеров, изгибовые дислокации верхних слоёв литосферы в плейстоценовых областях катастрофических землетрясений, волны ряби на дне водоёмов” [6]. Добавим: гряды, дюны, бары, побочни на дне рек.

Такую извилистость лучше не называть словом “волна” в смысле колебательного движения, при котором частицы описывают замкнутые орбиты. “Волна” даже в значении переноса масс также имеет динамическую сущность. В перечисленных примерах извилистость есть скорее не процесс, а результат (относительно стабильный) некоего уже произошедшего события.

Принцип диссимметрии эффективен при поиске причины рассматриваемого явления. Идею о разности как движущей силе природный явлений привлекательно распространить на все геоморфологические процессы. Например: разность (между чем?) приводит к образованию гор, какая разность приводит к выравниванию поверхности и т.д.

Принцип многофакторности или объединение альтернативных гипотез.

Все явления в природе многофакторные. Действенным приёмом в познании существа природных явлений является объединение различных, пусть даже на первый взгляд противоположных гипотез о причинах рассматриваемого явления. Чаще бывает не “или-или”, а “и-и”.

Например:

1) В XIX веке на основе теории Дюбуа о “влекущей силе” считалось, что по дну реки движется сплошной толстый слой песка с уменьшающейся скоростью вниз от слоя к слою. Эта теория была в XIX веке общепризнанна. На её основе проектировались все гидротехнические сооружения на реках. Но в 1911 году Край доказал с помощью опытов, что такая картина не имеет ничего общего с действительностью. Наносы двигаются не послойно, а скачкообразно, грядами.

Вот две альтернативные, противоположные и, вроде бы, взаимоисключающие гипотезы. Теперь общеизвестно, что обе теории верны. При скоростях выше некоторого предела, песчаные волны разрушаются. Движение принимает массовый характер.

2) Второй пример по объединению альтернативных гипотез: французский врач Пуазейль изучал движение крови в венах. В 1841 году он опубликовал формулу (сопротивление пропорционально скорости течения в первой степени). Одновременно Дарси проектировал и строил водопровод. Он провёл свои знаменитые эксперименты по течению воды в трубах и выяснил, что сопротивление пропорционально квадрату скорости. Оба они были правы! Одни учёные повторяли эксперименты Пуазейля и доказывали, что он прав. Другие учёные доказывали правоту Дарси. Они исследовали два режима движения жидкости – ламинарное и турбулентное.

В русловедении выделяются не сколько руслоформирующих факторов. Известно, что не только относительная транспортирующая способность потока является причиной формирования и существования различных типов русел. Руслоформирующими факторами также являются относительная затопляемость поймы, относительная ширина долины и др. Интересно, что перечисленные факторы являются отношениями, то есть тоже диссимметриями. Получается n-мерный куб с n осями, каждая из которых является руслоформирующим фактором. Существующие одномерные (линейные) Н.Е. Кондратьева [3] и Б.Ф. Снищенко [3] или двумерные (табличные) Р.С. Чалова [4] и автора [2] типизации русел являются проекциями n-мерного куба на ограниченное количество осей.

Ложная причина. При поиске причины любого явления нужно осторожно подходить к выбору способа нахождения определяющих факторов. Нельзя действовать по принципу: был фактор – было явление, нет фактора – нет явления, значит этот фактор и есть причина этого явления. Существует опасность принятия ложной причины за истинную. Это происходит в случаях, когда на изучаемое явление действуют несколько определяющих факторов. Один из них является порождающей причиной, другой фактор – пассивный, ограничивающий. 

Например, в гидроморфологической теории получилась ошибка в классификации типов русловых процессов [3]. По отсутствию извилистых русел в относительно узких речных долинах (где извилистость не может проявиться из-за стесняющего действия близких бортов долин) был сделан ложный вывод, что причиной существования извилистых русел являются относительно широкие долины рек (где может свободно поместиться извилистая река). То есть сдерживающий фактор выдавался за генетический, а настоящий движущий фактор был утерян. Опровержением такого неудачного вывода является и двухфакторная классификация русел Р.С. Чалова, где показано, что в широких долинах не обязательно должно развиваться извилистое русло, а могут быть и прямые русла [4]. 

Призываем применять в географических науках описанные приемы решения научных задач.

Список литературы

Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1992. 

Кондратьев А.Н. Причина образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Известия АН. Серия географическая, 2000, № 4, с. 42-44. 

Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. – Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 

Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. – М.: МГУ, 1988. 

Митрофанов В.В. От технологического брака до научного открытия, Спб., 1998. 

Уфимцев Г.Ф., Тимофеев Д.А., Симонов Ю.Г. и др. Генезис рельефа. – Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. 

Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. – Киев; Одесса: Вища школа, 1981.