CC BY
47
УДК 556.551.435.13
Н.И. Алексеевский1, Р.С. Чалов2
ИДЕИ ЛОМОНОСОВА В ИЗУЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД3
Рассмотрены основные идеи М.В. Ломоносова о гидрологии рек и русловедении. Выполнен анализ их роли в развитии учения о круговороте воды в природе, гидрографии, водных исследованиях, гидрометрии, гидрохимии, эрозио- и русловедении. Приведены наиболее значимые цитаты из сочинений ученого. Многие мысли М.В. Ломоносова предвосхитили выводы, полученные через столетия на основе современных научных представлений и обширной натурной информации.
Ключевые слова: история науки, научное наследие М.В. Ломоносова, поверхностные воды.
Введение. М.В. Ломоносов, заложивший основы русской науки, много внимания уделял вопросам гидрологии, водному и ледовому режиму рек, эрозионным и русловым процессам, гидрографическим изысканиям и гидрометрическим измерениям. Однако эта сторона его творческого наследия наименее известна научной общественности, хотя отдельные аспекты «гидрологических» интересов Ломоносова упоминаются в разделах монографий и учебников, посвященных развитию представлений в разных областях гидрологии. Его считают инициатором сбора сведений о реках России [1]. В.Д. Быков и А.В. Васильев [2] полагают, что Ломоносов разработал прообраз современной гидрометрической вертушки. Он был первым русским ученым, обратившим внимание на водную эрозию почв [5]. В книге «О слоях земных» он дал характеристику размыва берегов рек, что можно считать началом изучения русловых процессов на реках России [11]. Перечень гидрологических интересов великого русского ученого лишь подтверждает отсутствие целостного представления о его роли в становлении гидрологии. Наиболее полно вклад М.В. Ломоносова в гидрологию рассмотрен в работе [4]. При анализе истории гидрологических исследований в России Б.Д. Зайков неоднократно упоминает предложения Ломоносова, которые использовались в постановке тех или иных гидрологических задач в ХУ11-Х1Х вв. По-видимому, одна из немногих, если не единственная специальная работа, в которой дается систематический анализ идей Ломоносова в области гидрологии, гидротехники и водного хозяйства, — небольшая статья [7], подготовленная к 250-летию со дня его рождения. Она была опубликована в ведомственном журнале и сейчас малодоступна для широкой географической общественности. В связи с этим авторы попытаются расширить представления о роли Ломоносова в постановке и изучении гидрологического компонента природной среды, разнообразных про-
цессов, связанных с перемещением водных потоков, оценить его научные идеи для современного этапа развития гидрологии.
Изучение гидрологического цикла. Интерес к водным объектам существовал и в доломоносовский период, однако именно Ломоносов сформулировал представления о круговороте воды в природе, близкие к современным. Воду он рассматривал как геологический объект. Отметим, что это мнение сохранилось и в современной геологической науке, рассматривающей воду в качестве особого минерала. Однако постепенная дифференциация наук привела к пониманию, что вода — связующий элемент природных ландшафтов, объединяющий в единое целое компоненты литосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы и в целом ландшафтной сферы Земли. Тем не менее идея Ломоносова оказалась весьма продуктивной, поскольку привлекла внимание к подземным водам, к изучению их связи с поверхностными водными объектами. Одновременно с изучением поверхностной и подземной частей гидросферы стало необходимо учитывать содержание влаги в воздухе, количество атмосферных осадков, поэтому начали изучать все основные звенья круговорота воды, постепенно сформировались теоретические основы метеорологии, гидрологии и гидрогеологии. Проблема взаимодействия поверхностных и подземных вод актуальна и в наше время, поскольку оно определяет условия питания рек в дефицитные периоды года, возможность и необходимость комбинированного использования ресурсов поверхностных и подземных вод при решении водохозяйственных проблем.
По мнению А.М. Никанорова [8], М.В. Ломоносов — первый русский геохимик и гидрохимик. Он рассматривал природные воды в качестве сложного раствора, в котором содержание химических соединений и элементов, их сочетание и генезис определены особенностями природной среды. Ломоносов впер-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, зав. кафедрой, профессор, e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева, профессор, зав. лабораторией, e-mail: [email protected]
3 Выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-05-00221) и гранта Президента РФ для господдержки ведущих научных школ (№ НШ-3284.2010.5).
вые четко разграничил понятия «молекула» и «атом». Он сформулировал базовые положения гидрохимии о генезисе каменной соли, диагенезе осадков и миграции химических элементов [12]. Большим потенциалом обладали его представления о том, что химический состав вод — средство для диагностики химического состава горных пород в земных недрах. Революционными для своего времени были идеи ученого о переносе растворенных веществ в процессе круговорота природных вод.
Изучение водного и ледового режима рек. Для решения многих практических и научных задач необходимы сведения о водных объектах, их состоянии и режиме. Уже в XVIII в. Я.В. Брюс (1724), а затем В.Н. Татищев в 1734 и 1737 гг. составляли и рассылали анкеты, в которых содержались вопросы о водном режиме рек, ответы на которые были необходимы для подготовки географических описаний Сибири и России. В марте 1754 г. Ломоносов получил поручение выполнять «особливое прилежное старание и смотрение» за деятельностью географического департамента Императорской академии наук. В 1760 г. по его указанию были разосланы «Запросы...» во все города и губернии «для соглашения. российского атласа». Они содержали ряд вопросов по гидрографии и водному режиму рек России (цит. по [4]):
«13. И рек по которым есть судовой ход, на которой руке, вниз считая, лежит нагорная сторона и на которой луговая?
14. По рекам, где ходят суда с товарами, не бывает ли где препятствия от подмытых дерев с берегов весною или от летней пересухи?
15. О которую пору по большей части реки при городах замерзают и выходят, и где бывают ветки и осенние наводнения, и как велики».
Полученные ответы были обработаны и опубликованы в 1771—1774 гг., уже после смерти Ломоносова. В результате появились данные о вскрытии и замерзании рек, о максимальных уровнях воды, наводнениях, об устьях притоков и «знатных поворотах русла», засоренности русел рек, размыве берегов, гидротехнических сооружениях, мостах, пристанях, о судоходных условиях на реках в разные периоды годы [7]. Это позволяет считать Ломоносова инициатором выполнения в России водных исследований. В известной мере эти инициативы связаны с реакцией географического департамента на запрос Сената о распределении глубин и скоростей течения рек, изменениях их русел по длине рек Волга, Дон (а также их притоков) для определения «какие по оным суда и в какое время и с каким грузом ходить могут.». Отметим, что Ломоносов, отвечая на запрос, считал решение поставленной задачи невозможным, поскольку даже «река Рен (Рейн. — Прим. авторов), которая против Волги едва десятою долею сравниться может, не описана еще таким образом» [4]. Однако в дальнейшем он предпринял успешную попытку создать подобную анкету; в результате анкета Ломоносова стала не только пер-
вой программой гидрографических исследований рек России, но она, по-видимому, характеризует и первый в мировой практике опыт получения подобных сведений. В 1767 г. (т.е. до публикации материалов анкетирования) было учреждено Главное управление водяных коммуникаций. Оно организовало работы по систематическому описанию российских рек, академические экспедиции П.С. Паласа, И.И. Лепехина, И.Г. Гмелина и др. (1768—1774). Полученные сведения имеют большую ценность и в настоящее время, поскольку позволяют проводить ретроспективный анализ состояния рек, что особенно важно при оценке возможных глобальных климатических изменений.
На основе вопросников Татищева и Ломоносова была составлена первая генетическая классификация рек по их водному режиму [4]. Она включала реки, разливающиеся весной от таяния снега, и реки, разливающиеся осенью от ветровых нагонов (Нева). Особое внимание Ломоносов уделял наводнениям. В сочинении «О слоях земных» он писал: «Великую перемену причиняют на земной поверхности знатные наводнения и потопы, кои коль многократно случались, гласят разные слои земные. Но известно, сколько у нас в России перемен делают по всем великие реки».
Характерно, что и в анкете Ломоносова, и в работе «О слоях земных» разрушительная и созидательная работа водных потоков в период максимального стока рассматривается в одном ряду с ледовыми явлениями: замерзанием и вскрытием рек, разрушением берегов перемещающимися льдинами, например (цит. по [4]): «Морозы и льды показывают силы свои над каменной твердостью, и земля от них, а паче от льдов, много чувствует перемены. Надменные преизобилием вешних вод великие реки поднимают тяжкие свои земные кровли и, отрывая части берегов, тянут на себе вниз быстриною. Упираясь, отираясь и ударяя в берега безмерными силами подрывают и опровергают крутые яры и немалые островки сдирают, ломаясь притом и сами с великим шумом. Отставая от берегов, отрывают от гор и далее с собой вниз относят вмерзлые в них зимою камни». Руслоформирующее значение речного льда на реках России отмечали в дальнейшем и многие другие исследователи, включая наших современников [3, 6, 11]. Однако и в настоящее время оценки влияния льда на состояние берегов рек в основном имеют качественную форму, в гидрологии отсутствуют физически обоснованные методы для оценки разрушающей и транспортирующей способности речного льда. Это не позволяет оценивать ледовый перенос крупнообломочного и мелкодисперсного материала в весенний период, создать методы прогноза появления на участках рек камней-одинцов, представляющих опасность для судоходства.
Водно-технические исследования. Ломоносов понимал, что необходима количественная характеристика водных потоков, скоростей течения и глубины рек, считая это составной частью их гидрографических описаний. Он разработал схему прибора, кото-
рый можно считать первой гидрометрической вертушкой. Фиксация скорости течения воды в этом приборе основана (как и в гидрометрической вертушке) на учете вращения лопасти прибора под влиянием большей или меньшей скорости течения водного потока. В 1759 г. Ломоносов предложил оптический прибор «батоскоп», с помощью которого «много глубже видеть можно, нежели видим просто». Это изобретение стало первой попыткой создания оптического инструмента для подводных наблюдений [7].
М.В. Ломоносов организовал первую в России (1748) научно-исследовательскую химическую лабораторию. В этой лаборатории он провел количественные определения растворимости солей из различных соляных озер. В планах ученого было исследование растворов солей в невской воде. Эти планы позже реализовал в диссертации «Химическое исследование речной воды Невы, через Петербург протекающей» У.-Х. Сальхов (1760) [12].
Исследования эрозионных и русловых процессов. Изучение весенних половодий и осенних дождевых паводков на реках России привлекло внимание Ломоносова к размывающей деятельности нерусловых водных потоков. Он писал: «Дожди. размывают земли и легкий ил сносят, оставляя тяжелые минералы», вследствие чего «проливные дожди. во мгновении ока плодоносные поля опустошают» (цит. по [5]). В этих утверждениях содержится оценка ущерба, который наносит эрозия сельскому хозяйству (плодородие почв — категория не только биологическая, но и социально-экономическая), обращено внимание на селективность процесса воздействия потоков на частицы грунта, на формирование слоя крупных частиц (отмостка), препятствующего или снижающего интенсивность дальнейшего процесса смыва. Главную роль в смыве почв независимо от сезона года Ломоносов отводил дождевым водам: «Дожди, а особливо долговременные, каковы бывают весенние и осенние в нашем климате. промочив глубоко земную поверхность, смывают и открывают ее внутренность. Кроме сих густые громовые тучи с наводнящими ливнями, наподобие как реки течением не только верхний слой земли смывают, но и камни весьма тяжкие с мест далече переваливают. прорывают борозды и новые протоки» (цит. по [5]).
В последнем заключении содержатся важные научные мысли, раскрытие сути которых в дальнейшем стало содержанием гидрологической и геоморфологической науки, например о равноценности эрозионного воздействия стока воды, формирующегося за счет выпадения длительных моросящих осадков или кратковременных ливневых дождей. В зависимости от генезиса поверхностного стока доминирующим фактором эрозии становится продолжительность воздействия временных потоков и промачивания почвы или мощность этих потоков. Другая идея состоит в возможности перемещения ливневыми потоками крупных камней. Лишь через два с лишним века это
явление объяснил Н.И. Маккавеев [7] — аблювиаль-ный эффект возникает в условиях паводков при совместном влиянии на крупные обломки горных пород скоростного и гидростатического напора.
Наконец, Ломоносов более чем за 100 лет до В.В. Докучаева, В.И. Масальского и Э.Э Керна определил главную естественную причину формирования оврагов — выпадение ливневых осадков и эрозионная работа временных водных потоков, создающих «борозды и новые протоки». Еще более глубокие мысли Ломоносова касаются процессов трансформации русел рек. Предвосхитив основополагающие идеи В.М. Лохтина, Н.С. Лелявского, М.А. Великанова, он обратил внимание на взаимодействие потока и русла, отдавал ведущую роль в изменении русел рек максимальному стоку, перемещению наносов по участкам рек. В труде «О слоях земных» он писал: «Обитатели больших рек тому свидетели, коль великие перемены в берегах и стражах их течение воды, наипаче вешнее, причиняет. Не упоминаю песков, кои всякая весна и осень перемывает; ни лугов, которые быстрина, отнимая от переднего конца, наращивает к заднему; но токмо чем внутренность земная открывается, представляю яры крутые, которые великие звена иногда с огородами и строениями отседают и в реки опровергаются, будучи подмыты. Нередко видим набережные горы части опустившиеся на самой берег, где стоят как некоторый прилавок прямо с лесом. Инде беспорядочная осыпь опрокинулась. Висят великие дубы и ели вниз вершинами, держась только за крутизну некоторыми кореньями. Иные деревья торчат горизонтально, и то еще дивно, что немалое время зелены. Таким образом открываются слои земные повсягод-но, разными цветами и разными свойствами отличные. Оторванные части от горы размывает вода, что может; твердые камни остаются по берегам, подви-жены зрению и испытанию. Много подземных тай-ностей открывает сим образом натура!». И далее: «Но больше представляемые в бешенстве сильные Гиганты (большие реки) переворачивают слоев земных, или натуральнее сказать, все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не опровергнут камней во сто лет, сколько одною весною разрушают оных льды и быстрина беспримерных вод России.» (цит. по [4]).
Здесь явно или косвенно использована современная терминология теории русловых процессов, касающаяся неустойчивости и деформируемости речных русел («великие перемены в берегах и стрежах»), транспортировки наносов в форме смещения русловых форм («песков, как всякая весна и осень перемывает»), формирования и развития морфодинамических типов русла, излучин и островов («которые быстрина, отнимая от переднего конца, наращивает к заднему»). Одновременно дана оценка роли прибрежной растительности, неоднородности геологического строения берегов в их размыве и разнообразных деформаций русла, которыми занимается современное русловеде-ние. Совмещение проблем размыва пойменных бере-
гов и обрушения их в воду «иногда с огородами и строениями» можно рассматривать в качестве первой попытки анализа русловых процессов с позиций их влияния на уязвимость населения, социальных и промышленных объектов — научной концепции, которая получила развитие лишь в конце ХХ в.
Особое значение имеет гипотеза Ломоносова о большом стоке влекомых (донных) наносов крупных рек («гигантов»), характеризующая влияние размера рек на сток влекомых наносов, ее нередко замалчивают или дискутируют даже в современной гидрологической литературе. М.В. Ломоносов, рожденный на берегах Северной Двины в районе ее слияния с Пине-гой, в юности мог видеть, что русла этих двух больших северных рек в межень буквально «утопают» в песках. Побочни и осередки на этих реках перемещаются на десятки и сотни метров за одно половодье, а русло существенно изменяет морфологию, конфигурацию и морфометрические характеристики. Проблема оценки реального стока влекомых наносов связана с отсутствием надежных гидрометрических приборов, а также с дефицитом или отсутствием данных о батиметрии участков рек в разные фазы водного режима, которые необходимы для косвенной оценки стока влекомых наносов по изменению отметок продольного профиля дна. В этом отношении, несмотря на внедрение современных технологий проведения промерно-съемочных работ, позволяющих относительно быстро получать батиметрические съемки русла, мы недалеко ушли от эпохи Ломоносова из-за нерешенных проблем их совмещения во времени и пространстве. Лишь методы расчета стока наносов, основанные на учете смещения русловых форм (или гряд), что также является идеей Ломоносова («пески, кои всякая весна и осень перемывает»), позволяют с некоторым приближением оценить сток влекомых наносов.
Ломоносов считал важной характеристику поперечного профиля речной долины и самого русла. Он обращал внимание на асимметрию речных долин: «Когда течение знатных рек рассмотрим, везде почти найдем, что одна сторона у них нагорная, другая — луговая, т.е. одна состоит из берегов крутых и высоких, другая из низких песчаных и луговых мест; а следовательно, оные реки, с одной стороны приглубы, а с другой — отмелы» (цит. по [4]). Через 100 лет эту закономерность объясняли влиянием силы Кориолиса — в соответствии с «законом» Бэра—Бабине зоны максимальных глубин формируются у правых крутых и высоких берегов рек, находящихся в Северном полушарии, а зона мелководий — у левых низких берегов. Однако пример Северной Двины и ее притоков дал М.В. Ломоносову основание составить собственное мнение по этому поводу: существует много участков рек с высоким левым и низким правым берегом (и соответствующим распределением глубин), причина состоит не во влиянии силы Кориолиса, а в особенностях поперечного изменения гидравлического состояния водного потока во время половодья при
наличии высокого берега и односторонней поймы [10]. В связи с этим отметим вывод Ломоносова о связи асимметрии долин и русла: у высоких берегов глубина рек больше, а у низких — меньше. Эта закономерность не только объясняет направление смещения относительно прямолинейного русла в сторону коренного высокого берега, но и лежит в основе одного из методов выправления русел судоходных рек — приведение трассы фарватера к ведущему берегу [9], который с успехом применяется на Вычегде, Северной Двине и других реках России.
В конце жизни Ломоносов подготовил схематичный план (рисунок) сложноразветвленного участка русла р. Северная Двина в районе г. Холмогоры (у противоположного берега на о-ве Куростров находится родина ученого — д. Денисовка, ныне с. Ломоносово). Этот план — единственное документальное свидетельство, позволяющее судить об изменениях структуры разветвления, которые произошли с первой половины XVIII в.: активизировался крайний правый рукав, который в настоящее время превратился в основной (судоходный) рукав. На плане Ломоносова этот рукав показан мелководным водотоком, в русле которого много мелей. Многоводные же ранее рукава разветвления в настоящее время стали маловодными. К ним, в частности, в настоящее время относятся водотоки между островами и в левой части русла реки. Эти переформирования связаны с колебаниями водности реки за период между съемками русла, а также с перемещением крупных форм руслового рельефа вдоль левого берега выше участка разветвленного русла Северной Двины.
Заключение. Завершая обзор идей и мыслей М.В. Ломоносова о гидрологии подчеркнем их общетеоретическую и прикладную направленность. В частности, одним из объектов приложения гидрологиче-
Схема русла р. Северная Двина в районе г. Холмогоры, составленная М.В. Ломоносовым в 1764 г. [7]
ских знаний Ломоносов считал водные пути России, которым он придавал большое значение в развитии экономики страны. Именно поэтому в опросных анкетах, предназначавшихся для описания российских рек, большинство вопросов связано с оценкой условий судоходства. Впечатляет следующее эмоциональное высказывание Ломоносова: «Изобильнейшие воды окружают повсюду пашни и сенокосы, прерывающиеся несколькими лесами и многочисленными холмами, которым наибольшую придают живость близлежащий город, великое множество погостов и многочисленных разных родов селения. Трудолюбие многолюдных поселян, великое плавание судов вверх и вниз по Двине, по Куропалке и по разливам, звон и шум городской и селений, к тому же изобилие рыб, птиц и всяких для жизни потребностей должны составлять наипрелестнейшую картину, когда натура облачается в радостную одежду приятной весны.» (цит. по [4]).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Близняк Е.В. Водные исследования. М.: Речиздат, 1952. 52 с.
2. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. Л.: Гидроме-теоиздат, 1972. 148 с.
3. Водные пути бассейна Лены. М.: МИКИС, 1995. 600 с.
4. Зайков Б.Д. Очерки гидрологических исследований в России. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 328 с.
5. Заславский М.Н. Эрозия почв. М.: Мысль, 1979. 248 с.
6. Карягин П.М., Симонов Ю.Г. Ледово-половодный морфолитогенез в долине р. Котуй (бассейн р. Хатанги) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2008. № 2. С. 43—50.
7. Маккавеев Н.И., Калинин А.М. О перемещение крупнообломочного материала в логах // Метеорология и гидрология. 1968. № 8. С. 61—68.
Ломоносов видел важность организации межбассейновых соединений рек с помощью судоходных каналов (например, канала, связывающего Волгу и Дон). Для определения их местоположения предполагалось использовать данные анкет о состоянии рек, в которых содержался вопрос о расположении волоков между реками.
В поле зрения выдающегося русского ученого находились многочисленные практические аспекты использования научных знаний в области мелиорации, защиты почв от эрозии, регулирования стока. На всемерное укрепление связи теоретических исследований с решением практических задач (в частности, в области гидрологии и русловедения) ориентируют ученых крылатые слова М.В. Ломоносова: «Из наблюдений установить теорию, через теорию направлять наблюдение есть лучший способ изыскания правды» (цит. по [4]).
8. НиканоровА.М. Гидрохимия. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 444 с.
9. Проектирование судовых ходов на свободных реках / Тр. ЦНИИЭВТ. Вып. 36. 1964. 262 с.
10. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. 232 с.
11. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Т. 1. Русловые процессы: факторы, механизмы, форма проявления и условия формирования русел. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 608 с.
12. Широкова В.А. История гидрохимии: поверхностные воды суши России (начало XVIII — середина XX в.). М.: Изд-во ЗАО «Полиграфия», 1998. 196 с.
Поступила в редакцию 17.01.2011
N.I. Alexeevsky, R.S. Chalov LOMONOSOV'S IDEAS FOR THE RESEARCH OF SURFACE WATERS
Principal ideas of M.V Lomonosov about river hydrology and channel studies are discussed. We analyzed their importance for the evolution of the concept of natural water cycle, hydrography, water studies, hydrometrics, hydrochemistry, erosion and channel studies providing relevant citations from the works of this prominent scientist. Many Lomonosov's ideas went far ahead of the conclusions made centuries later on the basis of modern scientific concepts and extensive observation data.
Key words: water cycle, hydrology, channel studies.
