О гипотезах и причинах формирования русел

О гипотезах и причинах формирования русел

Сейчас в науке о русловых процессах основными руслоформирующими факторами считаются транспортирующая способность потока [1] и отношение отметки максимума руслоформирующего расхода к отметке поймы [2, 3]. 

Каждым из этих факторов объясняются фактически одни и те же типы русловых процессов (одни и те же типы располагаются на каждой из этих руслоформирующих осей, причем некоторые типы располагаются на этих отдельных осях удачно, некоторые – нет). Какие же типы русловых процессов не объясняются при учете только одного руслоформирующего фактора? Во-первых, изменение транспортирующей способности или расхода наносов не приводит к разработке пойменных проток и образованию пойменной многорукавности, а превышение отметкой руслоформирующего расхода уровня поймы приводит к разработке пойменных проток [2]. Во-вторых, русловая многорукавность не объясняется относительным положением максимума руслоформирующего расхода и “линии осередков”, а логично объясняется перегрузкой русла наносами.

Противоречие заключается в разных определяющих факторах, выделяемых для одних и тех же типов русловых процессов. В то же время у каждого из этих руслоформирующих факторов есть свои преимущества. Поэтому целесообразно рассмотреть совместно два эти руслоформирующих фактора. Для этого расположим все типы русловых процессов сразу на две оси и получим рисунок, в которой по горизонтали отложена степень затопления поймы, по вертикали – относительная транспортирующая способность потока (рис. 1). 



Рис. 1. Типы русловых процессов широкопойменных рек, представленные в виде таблицы по определяющим руслоформирующим факторам. В первом столбце расположены неразветвленные русла, формируемые при малой затопляемости поймы: а – осередковый тип, б – побочневый тип, в – ограниченное меандрирование, г – свободное меандрирование. Во втором столбце расположены разветвленные русла, формируемые при большой затопляемости поймы: д – осередки в разветвленном русле, е – побочневый тип в разветвлённом русле, ж – прорванное (незавершенное) меандрирование, з – меандрирование рукавов разветвленного русла. Увеличение относительной транспортирующей способности потока происходит сверху вниз.

Таким образом, для равнинных широкопойменных рек можно выделить два фактора руслоформирования, каждый из которых независим и по-своему определяет тип русловых процессов. Первый из них – относительная транспортирующая способность потока – увеличивается при переходе по такой цепочке типов русловых процессов: русловая многорукавность, ленточно-грядовый тип, побочневый процесс, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование. Второй фактор – отношение отметки руслоформирующего расхода к отметке поймы. Для руслоформирующего уровня, меньшего, чем отметка поймы, характерна вышеперечисленная цепочка типов русловых процессов, (в неразветвленном русле), а для пика большего отметки поймы – те же типы руслового процесса, только в разветвленном русле. 

Стоит обратить внимание на то, что именно в таком порядке, как в первом столбце, происходит смена этих типов русловых процессов как в классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова, так и в классификации Б.Ф. Снищенко [1]. Противоречие между этими классификациями обусловлено введением в них разветвленных русел.

Второй столбец начинается типом, который соответствует сочетанию пойменной и русловой многорукавности. По транспортирующей способности он соответствует русловой многорукавности (также перегружен наносами), а по условиям образования проток – пойменной. Такой тип русловых процессов наблюдается на Амуре у Хабаровска и противоречит обеим упомянутым типизациям, в которых русловая и пойменная многорукавность разнесены на разные концы классификации. 

Рассматриваемая двухфакторная схема типов русловых процессов (рис. 1) дает возможность прогнозировать изменение типа при изменении руслоформирующих факторов. Например, при перегрузке потока наносами согласно рисунку можно прогнозировать изменение руслового процесса и появление островов. Такой прогноз подтверждают изменения, отмеченные на Зее, которая в низовье, подойдя правым берегом к Белым горам из песчаника, стала их размывать. Поток перегрузился наносами. Тип процесса на десятках километров изменился, извилистое русло выпрямилось, и в нем появилось много островов. При увеличении же транспортирующей способности согласно рисунку можно прогнозировать противоположный процесс (размыв берегов, появление извилистости реки), отмеченный, например, на Миссисипи при широкомасштабных спрямлениях излучин. 

При уровнях руслоформирующего расхода выше отметки поймы согласно рисунку можно прогнозировать улучшение условий для образования пойменных проток (например, р. Тулва в низовье в результате подпора от Воткинского гидроузла изменила свой тип русловых процессов со свободного меандрирования на разветвленное русло (по типу пойменной многорукавности)). И наоборот, при снижении руслоформирующего уровня и отмирании второстепенных проток можно прогнозировать постепенное формирование неразветвленного русла.

Очевидны преимущества рис. 1 в решении практических и научных задач.

Обычно меандрирование разделяется на ограниченное и свободное. На рис. 1 показано, что ограниченное и свободное меандрирование различаются по величине относительной транспортирующей способности потока. Подчеркивая различное происхождение типов меандрирования, возможно, следовало бы назвать их иначе (например, развитое и неразвитое меандрирование). Дополнительно необходимо подразделять разные виды меандрирования по степени проявления ограничивающих условий. В случае большой относительной транспортирующей способности потока реке следовало бы развиваться по типу свободного меандрирования. Но в узкой долине из-за ограничения ширины пояса меандрирования русло может развиваться только по типу ограниченного меандрирования. Может быть противоположная ситуация – в случае меньшего превышения транспортирующей способности по сравнению с поступлением наносов река будет развиваться по схеме ограниченного меандрирования даже в широкой пойме с достаточным пространством для размещения развитых излучин свободного меандрирования. 

Это заключение позволяет положительно ответить на вопросы: могут ли существовать ограниченное меандрирование без ограничивающих условий и прямое русло без ограничивающих факторов (рис. 2)?



Рис. 2. Виды меандрирования в зависимости от определяющих факторов. При малой относительной транспортирующей способности: а – “неразвитое” меандрирование в узкой долине, на узкой пойме (которое можно назвать “ограниченным” (ограничение есть, но не оно определяет тип)), б – “неразвитое” меандрирование в широкой долине, на широкой пойме (ничем не ограничено). При большой относительной транспортирующей способности: в – “потенциально свободное” меандрирование в узкой долине (ограниченное меандрирование (ограничение есть и действует)), г – свободное (“развитое”) меандрирование в широкой долине (это настоящее свободное меандрирование). 

Таким образом, двух терминов (“ограниченное” и “свободное”) для характеристики меандрирования как процесса недостаточно. В гидроморфологической теории [1] подразумеваются только варианты, соответствующие рис. 2в и 2г. Можно предположить, что следует использовать двойную классификацию: по степени ограничения (ограниченное или свободное меандрирование) и по генетической причине (например, “развитое” и “неразвитое”).

Вывод: ограничивающие условия – это третий независимый руслоформирующий фактор. Одновременно нельзя ограничиваться только отношением ширины поймы к ширине русла как единственным определяющим фактором для всех типов руслового процесса. В широких долинах на широких поймах могут быть не только извилистые реки, но и прямые, и разветвленные.

Рассмотрим таблицу морфодинамических типов русловых процессов, предложенную Р.С. Чаловым [3], имеющую две размерности. Значит, размещенные в ней типы русел обусловлены двумя руслоформирующими факторами. Вертикальная ось представляет собой ограничивающее условие – отношение ширины поймы к ширине русла. Действительно, в широком русле может быть и прямое, и извилистое, и многорукавное русло. На горизонтальной оси расположены извилистые, прямые неразветвленные русла и русловая многорукавность. На рис. 1 показано, что определяющий фактор для такого ряда типов – относительная транспортирующая способность потока. В этой таблице типы расположены по двум руслоформирующим факторам: 1 – относительная транспортирующая способность и 2 – ограничивающие условия. 

Следующий шаг – объединение не двух, а сразу трех руслоформирующих факторов: относительной транспортирующей способности; относительного затопления поймы; относительной ширины поймы. На плоскости затруднительно отобразить получающийся куб типов русловых процессов по этим трем руслоформирующим факторам. На рис. 1 представлена двухфакторная таблица –проекция трехмерного куба руслоформирующих факторов на две оси: относительную транспортирующую способность по вертикали и относительное затопление поймы по горизонтали; а двухфакторная таблица Р.С. Чалова [3] – это проекция того же трехмерного куба на плоскость с двумя другими руслоформирующими факторами: относительная транспортирующая способность и относительная ширина поймы.

Прием объединения альтернативных гипотез плодотворен [4]. Он позволяет использовать лучшее из каждой гипотезы и лишает каждую из отдельных гипотез присущих им недостатков. Применение такого объединения гипотез для решения проблем формирования типов русловых процессов дает возможность прогнозировать изменения типов русловых процессов при изменении нескольких независимых руслоформирующих факторов.

Список литературы

Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 272 с. 

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 346 с. 

Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М.: МГУ, 1988. 264 с. 

Митрофанов В.В. От технологического брака до научного открытия. СПб.: Ассоциация ТРИЗ Санкт-Петербурга, 1998. 395 с.