CC BY
49
ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ
УДК 551.4 Р. С. Чалов1
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СООТНОШЕНИЙ И ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ2
Проанализированы пространственные соотношения в развитии процессов врезания, транспорта и аккумуляции наносов на разных структурных уровнях проявлений русловых процессов, выявлены закономерности смены русловых процессов (горных, полугорных, равнинных) и морфодинамических типов русел от истоков до устьев рек. Изменением русловых процессов во времени обусловлены текущие, сезонные, многолетние, вековые (исторические) и геологические деформации речных русел. Показано, что изменение природных факторов русловых процессов вызывает их периодические разномасштабные флуктуации, что создает очень пеструю, но прогнозируемую картину как горизонтальных, так и вертикальных русловых деформаций.
Ключевые слова: русловые процессы, пространство, время, русловые деформации, продольный профиль.
Введение. Русловые процессы — совокупность явлений, возникающих при взаимодействии русловых потоков с грунтами, которые слагают ложе реки, следствие эрозии, транспорта и аккумуляции наносов, приводящих к образованию различных форм русла и форм руслового рельефа, их текущим, сезонным, многолетним и вековым изменениям [9], «рассматриваемых в пространстве и времени, во взаимосвязи с определяющими факторами» [6, с. 83]. Однако пространственно-временной аспект развития речных русел остается слабо освещенным в русло-ведческой литературе. Обычно изучение морфологии и динамики речных русел ограничивается анализом их современного состояния или моделированием механизма развития и эволюции тех или иных форм русел (горизонтальные, или плановые, русловые деформации) или грядовых форм руслового рельефа. При таком подходе верхним пределом является пойма, нижним — «русловые микроформы», которые «представляют песчаные или гравелистые скопления наносов в виде гряд <...>, покрывающих все дно реки» [4, с. 168]. Впервые Н.И. Маккавеев [6], а затем его последователи и ученики [1, 2, 14, 17] стали рассматривать иерархию проявлений русловых процессов — от частицы наносов до продольного профиля реки — как составную часть единого эрозионно-аккумулятивного процесса в речном звене водных потоков, их взаимосвязи и взаимозависимости на всех структурных уровнях, в различном масштабе времени (вплоть до исторических и геологических отрезков времени) и на фоне пространственных изменений природных факторов, как прямых основных (сток воды и наносов, геолого-геоморфологическое строение бассейнов рек и речных долин), так и косвенных второстепенных, в той или иной мере оказывающих влияние на фор-
мирование русел (растительность, ледовый режим, вечная мерзлота и др.).
Тем не менее четкие формулировки пространственно-временных соотношений и изменчивости русловых процессов, несмотря на широкий спектр их оценок в рамках научной школы Н.И. Маккавеева, практически отсутствуют. Это определяет задачу настоящей статьи — показать пространственно-временные соотношения между основными формами проявления русловых процессов, характеризующихся своими особенностями и закономерностям развития (в том числе из-за огромных различий в размерах водных потоков), а также их изменчивость во времени вследствие стадийности развития русловых форм, периодических и направленных изменений природных факторов.
Результаты исследований и их обсуждение. Формы проявлений русловых процессов. Внешними проявлениями русловых процессов являются: 1) морфологическое строение русла в целом и форм руслового рельефа; 2) постоянно происходящие русловые деформации, связанные с движением речных наносов, эволюцией форм русла и продольного профиля реки, разномасштабными изменениями факторов русловых процессов, в первую очередь стока воды и наносов. Морфология русла проявляется в форме продольного профиля реки, самого русла (излучины, разветвления или относительно прямолинейные участки), макро-(гряды А, Б по номенклатуре Н.И. Алексеевского [1]), мезо- (гряда В) и микроформах (гряды Г, Д) рельефа русла, составляющих соответственно перекаты, по-бочни, осередки, соизмеримые с размерами самого русла, и гряды малых размеров вплоть до ультрами-кроформ («песчаной ряби»), размеры которых составляют сотые и тысячные доли от глубины и ширины русла. Промежуточное положение занимают участки
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра гидрологии суши географического факультета, научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева, проф., зав. лабораторией, e-mail: [email protected]
2 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-05-00221) и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-790.2008.5).
верхнего, среднего и нижнего течения рек (их аналоги — малые, средние, большие и крупнейшие реки), бесприточные и морфологически однородные участки рек. К этой же категории относится пойма, представляющая собой производную русловых деформаций (следствие зарастания обсыхающих или отмелых частей крупных форм руслового рельефа в ходе развития излучин, разветвлений или смещения относительно прямолинейного неразветвленного русла) и аккумуляции взвешенных наносов на ее поверхности.
Русловые деформации могут быть: а) вертикальными (врезание реки или аккумуляция наносов), приводящими к изменению отметок дна русла, соответствующему понижению/повышению уровня воды в реке и трансформации ее продольного профиля; б) горизонтальными, вызывающими размывы/намывы берегов, смещение и изменение форм русел, что сопровождается местными изменениями отметок дна вследствие его размыва или накопления наносов в ходе эволюции излучин, развития, обмеления или отмирания рукавов, а также образованием поймы, а при размыве коренных или террасовых берегов — и расширением дна долины; в) деформации в виде образования, смещения, размыва или закрепления и превращения во фрагменты поймы повышенных, обсыхающих в межень частей крупных грядовых форм руслового рельефа (макроформ — гряд А и Б), а также формирования и движения гряд меньших размеров (мезо- и микроформ — гряд В, Г и Д), обусловливающих постоянные изменения отметок дна; г) элементарные деформации, заключающиеся в отрыве частиц отложений на дне или слагающего его грунта, их перемещения и остановки (накопления).
Пространственные изменения русловых процессов проявляются на всех структурных уровнях их развития через сопряженность эрозии, транспорта и аккумуляции наносов. Русловые деформации, связанные со смещением аллювиальных гряд, по существу складываются из взаимосвязанных вертикальных деформаций противоположного знака — размыва верхового склона гряды и аккумуляции наносов в ее подвалье (рис. 1, А). Вместе с элементарными деформациями — отрывом частиц и их перемещением — они определяют большую динамичность руслового рельефа. Ультрамикро-, микро- и отчасти мезоформы руслового рельефа представляют собой временные образования, которые возникают, смещаются и размываются по мере изменения положения в русле, относительно более крупных грядовых форм или форм самого русла, существуют в течение дней, недель, месяцев и не отражаются в морфологии русла в целом. Лишь макроформы и отчасти мезоформы, т.е. гряды А, Б и В, по Н.И. Алексеевскому [1], будучи сопоставимы с размерами русла реки и влияя на структуру потока по всей его глубине и ширине, сказываются в развитии форм русла (закрепляясь у выпуклых берегов излучин, надвигаясь на заход в один рукав и направляя поток в другой; отклоняя
Рис. 1. Пространственная сопряженность эрозии, транспорта и аккумуляции наносов на разных структурных уровнях проявлений русловых процессов: А — движения гряд в русле; Б — смещения излучин; В — формирования поймы; Г — развития продольного профиля реки
1 — размыв берегов, дна русла и т.д.; 2 — аккумуляция наносов в русле; 3 — аккумуляция наносов на пойме; 4 — перемещение наносов потоком; 5 — уровни воды в реке; 6 — уровень приемного
бассейна
стрежень потока к противоположному берегу, что вызывает его размыв и т.д.).
Уже на уровне микро- и ультрамикроформ руслового рельефа проявляется пространственная изменчивость условий их развития и существования. Самые малые грядовые образования перемещаются по верховому (напорному) склону микроформ (гряд Г и Д) и, попадая на их гребень, размываются, а входящие в их состав наносы сваливаются в подвалье, обусловливая временную пульсацию интенсивности накопления здесь наносов и скорости смещения этих гряд. При этом попавшие на подвалье гряды наносы выходят из транзита до тех пор, пока не окажутся вновь в зоне смыва на верховом (напорном) склоне гряды. Вместе с тем полная иерархия грядовых форм перемещения наносов имеет место обычно на перекатах — наиболее крупных и сложных по морфологии и режиму переформирования грядах (грядах А, по Н.И. Алексевско-му). В плёсовых лощинах могут развиваться только грядовые микро- и отчасти мезоформы; в меженный период, когда смещение макроформ прекращается, микро- и мезоформы, перемещающиеся в активной зоне русла, надвигаются на гребень больших гряд, вызывая здесь обмеление русла (повышение отметок дна) [16]. Если этого не происходит, гребни макроформ размываются, формируя седловину или корыто переката, либо, наоборот, намываются из-за поступления сюда продуктов размыва с вышележащего смежного переката.
Горизонтальные русловые деформации осуществляются вследствие пространственной обособленности зон размыва и аккумуляции также в пределах форм самого русла. Так, речные острова смещаются вдоль реки за счет размыва их оголовков и роста косы в ухвостье; излучины смещаются вследствие синхронного размыва вогнутого (внешнего) берега и аккумуляции наносов у выпуклого внутреннего) (рис. 1, Б). В результате, по Н.И. Маккавееву: «... формы русла можно рассматривать как одну из форм перемещения твердого вещества текущей водой <...>. Скопления наносов, образующие такие формы, как луки меандр, перекаты, гряды, обычно перемещаются вниз по течению, т.е. являются одним из видов твердого стока реки» [6, с. 139]. Вместе с тем такое расположение зон размыва и аккумуляции наносов сопровождается формированием поймы и накоплением слагающих ее аллювиальных отложений, основу которых составляют обсыхающие в межень и закрепляющиеся растительностью прирусловые отмели (побочни, осередки, косы) (рис. 1, В).
Реки, протекающие в областях распространения легкоразмываемых пород, имеют широкопойменные слабоустойчивые русла, отличающиеся интенсивными деформациями. Наряду с транспортом наносов в руслах и их консервацией в формирующихся пойменных массивах происходит размыв пойменных берегов, в результате чего осуществляется постоянный массообмен между потоком наносов, русловыми отложениями и отложениями поймы. При этом на пойме при ее затоплении в многоводную фазу режима происходит отложение взвешенных наносов, которые образуют пойменную фацию аллювия; при размыве поймы эти отложения вновь служат источником взвешенных наносов. Таким образом, по Н.И. Мак-кавееву: «скопления пойменного аллювия являются . одной из форм, в которой осуществляется твердый сток реки» [6, с. 236].
В макромасштабе пространственная обособленность эрозии и аккумуляции прослеживается в общих особенностях формирования продольного профиля рек. Крупнейшие из них осуществляют перенос вещества на расстояния, соизмеримые с поперечниками (Амазонка) или половиной поперечника материков (крупнейшие реки Европы, Азии, Африки). При этом благодаря образованию и развитию форм русла, аккумулятивных форм руслового рельефа и поймы дифференциация по длине реки зон эрозии, транспорта и аккумуляции обычно затушевывается, и на всем протяжении реки происходит многократное переотложение перемещаемого материала, часть наносов аккумулируется в русле и на пойме, вплоть до их консервации и образования аллювиальных толщ. Систематическое накопление наносов свойственно нижним течениям рек (рис. 1, Г), где регрессивная аккумуляция является следствием их устьевого удлинения, колебаний уровня моря (базиса эрозии) или тектонических прогибов земной коры. Такая
аккумуляция наносов реками прослеживается в течение вековых и геологических отрезков времени и на ее фоне осуществляются периодические русловые деформации, обусловливающие многолетние или сезонные размывы и намывы берегов и дна рек. Наоборот, в среднем и особенно в верхнем течении рек на фоне сложно переплетающихся во времени и пространстве процессов эрозии, транспорта и аккумуляции наносов в течение геологического времени происходит преимущественно их направленное врезание, т.е. здесь эрозия преобладает над другими составляющими единого процесса. Так как от истока вниз по течению увеличиваются водность рек, мощность речных потоков и их транспортирующая способность, то продольные профили имеют вогнутую форму, соответствующую приуроченности максимума врезания к среднему течению рек [8] и последовательному расположению зон преимущественного врезания, транзита наносов (на фоне сначала очень медленного врезания — доли миллиметра в год), а затем столь же слабой аккумуляции. Границы между зонами мигрируют во времени из-за вековых и более продолжительных колебаний водности и, наконец, постоянной направленной аккумуляции в низовьях рек, обусловленной устьевым удлинением рек, прогибанием приморских территорий и снижением уклонов.
На фоне этой общей закономерности в масштабе геологического времени, определяющей временной тренд развития вертикальных деформаций, глубину вреза и террасированность долин рек, может происходить неоднократная смена их направленности и смещение границ участков с разным знаком деформаций (врезание, аккумуляция) по длине речных систем, связанная с глобальными климатическими изменениями, сменой знака или интенсивности тектонических движений, колебаниями уровня Мирового океана. Это обусловливает существование погребенных долин, несоответствие их положения современным, а иногда и перестройку речных систем.
Различия в крутизне продольного профиля реки от истока вниз по течению и соответствующее увеличение по длине рек их водоносности, транспортирующей способности потока и стока наносов отражается в пространственной изменчивости (по длине рек) самих русловых процессов, отражающих взаимодействие потока и русла, кинематику потоков и формы транспорта руслообразующих наносов, и морфологическое строение русел. Вследствие общей вогнутой формы продольного профиля уклоны вниз по течению уменьшаются. Если река берет начало в горах, пересекая горную систему, и затем течет по равнине, то возникает вертикальная поясность в развитии русловых процессов (рис. 2): в верховьях рек, где уклоны наибольшие, развиты порожисто-водопадные русла; их сменяют вниз по течению горные русла с неразвитыми, а затем с развитыми аллювиальными формами. Перед выходом рек из гор и в предгорьях русла
Рис. 2. Схема изменения по длине реки от истока до устья 10" м-в зависимости от рельефа типов русловых процессов, уклонов русел рек и морфоди-
намических типов русла 2
3
со «
й X н 2 к о о
ю <
10" км Расстояние от устья 0
и л
н о >1
высотный пояс
\ в с с+н н+ РАВ НИНА устьевая
предгорья область
В —высокогорье
С-среднегорье
1 1 1 I 1 1 V \ 1 Н— низкогорье
Уклон, %о >20 20-3,5 14-2,5 7-0,3 <0,3-0,5
Типы русла горное полугорное равнинное
ПВ НАФ с развитыми аллювиальными формами разбросанное извилистое разветвленное дельта
рек становятся полугорными, а по мере удаления от гор — равнинными. При этом в горах преобладают врезанные русла, часто встречаются скальные, и лишь при пересечении межгорных котловин на сравнительно коротких участках — широкопойменные. В этих условиях, так же как и при выходе рек в предгорья, изменения геолого-геоморфологического строения долины, ее расширение на уровне поймы, сопровождающееся иногда достаточно резким уменьшением уклонов, приводит к формированию сложноразвет-вленных русел — разбросанных, иногда блуждающих, в которых развитие одних и отмирание других рукавов при их многочисленности происходит во время каждого половодья или паводка.
При ступенчатом продольном профиле, когда по длине реки, особенно в горных странах, имеет место чередование участков с повышенными и небольшими уклонами, может наблюдаться неоднократная смена типа русла в соответствии с соответствующими изменениями ки-нетичности потока и формы транспорта наносов. Таковы, например, реки Алтая [13], Восточной Сибири и Средней Азии (Тянь-Шаня—Памира), за исключением берущих начало на передовых хребтах (реки, стекающие с Заилийского Алатау на север [5]). На равнинных реках в зависимости от геоморфологического строения территории могут быть преимущественно распространены широкопойменные (реки Западной Сибири) или врезанные русла (Енисей), происходит последовательная смена врезанных русел широкопойменными (Ока, Дон, Волга) либо участки того или другого вида чередуются по длине рек (Лена, Амур).
С увеличением вниз по течению водоносности равнинных рек по их длине
происходит последовательная смена преимущественно извилистых (меандрирующих) русел малых и средних рек разветвленными руслами, когда реки становятся большими и крупнейшими; наконец, в устьях рек формируются дельтовые разветвления. На меандрирующих реках с ростом водоносности и соответственно морфометрических характеристик русел (ширины Ьр, глубины к и их соотношения к/Ьр) наблюдается закономерное изменение характерных параметров свободных излучин: шага Ь, стрелы прогиба
Рис. 3. Изменения параметров свободных излучин (Пизл) по длине равнинных рек: А — Вычегда; Б — Чулым; В — Вилюй (Ьреки — расстояние от устья). Параметры: 1 — длина I; 2 — шаг Ь; 3 — радиус кривизны Г; 4 — стрела прогиба кизл; 5 — Визл — ширина русла в вершине излучины, по [18]
йизл, радиуса кривизны г, длины I и ширины русел в вершине Визл (рис. 3). Лишь на крупнейших реках (со среднегодовым расходом воды более 2000 м3/с) с меандрирующим руслом параметры излучин остаются относительно постоянными по их длине, несмотря на увеличение вниз по течению водоносности (нижний Иртыш, средний Амур).
Изменение параметров излучин по длине рек происходит на фоне смены преобладающей формы свободных излучин [18]. При общей тенденции к увеличению размеров излучин с ростом водоносности только радиус кривизны (г), шаг (Ь) и ширина русла в вершине излучины (Визл) достаточно четко подчиняются этой закономерности. Значения остальных параметров могут уменьшаться на отдельных участках, после чего вновь происходит их увеличение. Причина таких колебаний чаще всего заключается в том, что на многих реках обычно преобладают петлеобразные и крутые сегментные излучины, в среднем течении рек — развитые сегментные, а затем — сегментные пологие излучины. Это проявляется в изменении безразмерного показателя — степени развитости излучин (/Ь): при снижении среднего значения 1/Ь сохраняется тенденция к увеличению г, Ь и Визл, но уменьшаются характерные значения других параметров. Например, на Вычегде уменьшение значений Ишл и I вызвано уменьшением общей извилистости русла, преобладающим развитием пологих сегментных излучин и появлением отдельных участков с разветвленно-извилистым руслом. В последнем случае, типичном для низовий меандрирующих рек (Вычегда, Вилюй), при прохождении руслоформирующих расходов воды часть ее отвлекается в рукава, расчленяющие пойменные шпоры излучин, благодаря чему излучины главного русла имеют меньшие размеры по сравнению с излучинами, у которых шпоры образованы консолидированными пойменными массивами. Подобное явление имеет место также на меандрирующих реках, осложненных пойменно-русловыми разветвлениями. Например, на Вычегде распределение расхода воды по таким рукавам находится в соотношении 3:2 или 2:1. В результате излучины рукавов характеризуются параметрами, пропорционально меньшими, чем излучины участков неразветвленного русла, расположенных выше и ниже по течению.
Русловые разветвления встречаются на средних и тем более на малых реках только в виде самых простых форм — одиночных разветвлений. Ниже по течению на больших и крупнейших реках острова образуют практически сплошную цепочку, вследствие чего преобладают сопряженные и параллельно-рукавные разветвления, причем на больших и крупнейших реках русло становится иногда раздвоенным, разделяясь на два равноценных рукава, проходящих у противоположных бортов долины на протяжении десятков и даже сотен километров. Каждый из этих рукавов характеризуется своим морфодинамическим типом русла. Однако конкретные условия формирования ру-
сел могут приводить к более сложным изменениям типов русел по длине рек. Например, на Оби [12] ниже слияния Бии и Катуни русло является параллельно-рукавным (составляющие Обь обе реки при выходе в предгорья имеют разбросанное многорукавное русло, но на Катуни оно сохраняется вплоть до слияния, тогда как Бия на значительном протяжении имеет уже прямолинейное неразветвленное русло или образует вынужденные и адаптированные излучины); затем вниз по течению до Новосибирского водохранилища расположены участки с чередующимися односторонними, односторонними, сопряженными, одиночными и снова сопряженными разветвлениями, перемежающимися иногда с меандрирующим, прямолинейным неразветвленным руслом или пойменно-рукавным разветвлением с меандрирующими рукавами. В целом разветвления здесь занимают 57% длины русла; 28% приходится на излучины и 15% — на относительно прямолинейное, неразветвленное русло. От г. Новосибирска до устья р. Томи преобладают сопряженные разветвления, хотя встречаются пойменно-русловые и одиночные, занимающие 60% длины реки (излучины — 15%, прямолинейное неразветвленное русло — 25%).
Смена одного типа русла другим по длине реки связана также с увеличениями вниз по течению стока наносов, особенно влекомых [19]. На реках 1—2-го порядка при общем малом стоке наносов и маловодности самого водотока преобладают прямолинейные неразветвленные русла. По мере удаления от истока и увеличения стока наносов малые реки начинают меандрировать, образуя все более крупные излучины вследствие формирования побочней, а затем накопления наносов у выпуклых берегов излучин (рис. 4). Аналогичная картина наблюдается на реках, вытекающих из озер. Например, р. Сухона ниже Кубенского озера имеет прямолинейное неразветвленное русло. Пересекая затем унаследованную пойму (днище пра-Кубенского озера), сложенную тяжелыми озерными суглинками, она формирует свойственные таким литологическим условиям крутые синусоидальные излучины, и лишь ближе к слиянию с Вологдой и Лежей по мере увеличения стока наносов — крутые сегментные и петлеобразные излучины. Такая смена типов русла (прямолинейного на меандрирующее)
)Жв=тах
40 У 20 Елмас^^
Рис. 4. Изменение морфодинамического типа русла от прямолинейного до меандрирующего вниз по течению малой реки от истока в связи с увеличением стока влекомых наносов (левобережье бассейна Северной Двины)
происходит при слабо выпуклой форме продольного профиля реки.
Равнинные реки, истоки которых находятся на структурных или моренных возвышенностях, в верховьях иногда имеют русла горного и полугорного типов, соответствующие повышенным уклонам, но прямолинейность русел (если она не нарушается внешними по отношению к руслу геологическими причинами) определяется также дефицитом влекомых наносов.
Изменчивость русловьх процессов во времени можно условно подразделить на текущую, сезонную, многолетнюю, вековую (историческую) и геологическую (табл. 1). Эти разновидности характеризуются своими интервалами времени, в которые осуществляются русловые деформации, а также присущими им темпами в пределах этих интервалов, отнесенными к единице времени — скоростями развития. Вместе с тем они соответствуют, как правило, определенным структурным уровням и пространственным проявлениям русловых процессов.
Текущие русловые деформации заключаются в непрерывном смещении микро- и мезоформ руслового рельефа как форм транспорта наносов либо отрыва и движения отдельных частиц наносов или их совокупностей, т.е. в массовом движении наносов. Существование и развитие «эфемерных» грядовых ультрамикро- и микроформ руслового рельефа отражается только в строении руслового аллювия при прекращении их смещения в условиях аккумуляции
наносов, в том числе местной (например, у выпуклых берегов излучин, в ухвостьях островов и т.д.).
Примером проявления сезонных деформаций служат переформирования перекатов — макроформ руслового рельефа (намыв/размыв одних и размыв/ намыв других в половодье и в межень). Они интегрируют текущие деформации, создавая условия для накопления наносов в одних частях русла или размыва в других, либо представляют собой кратковременно существующие (в пределах фазы водного режима) формы руслового рельефа, возникающие и исчезающие в течение одного гидрологического года. С ними связано изменение отметок дна русла (местные вертикальные деформации), равное высоте макро- и микроформ руслового рельефа. Например, размыв/обмеление перекатов Северной Двины в течение одного безледного периода (навигации), охватывающего периоды половодья, его спада и межени, достигает 2—5 м.
Многолетние русловые деформации проявляются в направленном и периодическом изменении форм русла, сказываясь в параметрах излучин, разветвлений, образовании молодой поймы и отражая как эволюцию самих форм (стадийность их развития), так и происходящие естественные и антропогенно обусловленные изменения факторов русловых процессов. Чередование многоводных и маловодных периодов сказывается в периодическом усложнении и упрощении структуры русловых разветвлений вплоть
Таблица 1
Временной масштаб проявлений русловых процессов, их характеристика, соответствующее им время и единицы измерения
Временной масштаб проявлений русловых процессов и соответствующие им интервалы времени Горизонтальные деформации (в скобках — единица измерения) Вертикальные деформации (в скобках — единица измерения)
Текущий: минута, час, день, неделя (квартал) Смещение микро- и ультрамикроформ руслового рельефа (метры, десятки метров) Движение отдельных частиц, массовое перемещение руслообразующих наносов, приводящее к пульсационным изменениям отметок дна — размыв верхового склона гряд, намыв в подвалье и т.д. (миллиметры, десятки сантиметров)
Сезонный (внутригодо-вой): месяц, сезон, год Смещение мезо- и макроформ руслового рельефа (побочней, осередков, перекатов) во время половодья/паводков, сопровождающееся изменением положения стрежня потока и зоны размыва противоположных им берегов, размыв/намыв гребней перекатов (метры, десятки-сотни метров) Циклические изменения отметок дна, связанные со смещением гряд — мезо- и макроформ руслового рельефа (десятки сантиметров — несколько десятков метров)
Многолетний: годы, десятилетия Изменение положения макроформ руслового рельефа — побоч-ней, осередков, перекатов); размывы/намывы берегов в процессе развития форм русла — излучин, разветвлений (метры, десятки-сотни, тысячи метров в год) Периодические изменения отметок дна, связанные с искривлением излучин, изменениями положения побочней, осередков и плёсовых лощин, развитием и обмелением рукавов (метры, десятки метров в год)
Вековой (исторический): век, несколько веков Эволюция и спрямление излучин, образование и развитие разветвлений, причленение островов к берегам (период существования) Местное врезание русла или аккумуляция наносов, связанные с эволюцией форм русла, в нижних бьефах и выше водохранилища, у мостовых переходов и др. (сантиметры, десятки сантиметров в год)
Геологический: тысячелетия, миллионы лет Направленные смещения прямолинейных неразветвленных русел, врезанных излучин, поясов разветвления и меандрирования (сантиметры, метры в год) Направленное врезание русел или аккумуляция наносов (миллиметры, сантиметры в год)
до временной смены их типа: например, на р. Лене в многоводные годы русло с сопряженными разветвлениями трансформируется в параллельно-рукавное, в маловодные — происходит обратный процесс. Вертикальные деформации в естественных условиях за многолетний период, как правило, очень незначительны при направленном их проявлении из-за малых скоростей (миллиметры—доли миллиметра в год), и ими при решении практических задач обычно можно пренебречь. Однако при антропогенных изменениях факторов русловых процессов (например, при создании гидроузлов, перехватывающих сток наносов и создающих искусственные базисы эрозии) они имеют значимые величины, сопоставимые лишь с катастрофическими проявлениями в естественных условиях. В России последние зафиксированы только в нижнем течении Терека, где направленная аккумуляция наносов достигает нескольких сантиметров в год; на р. Хуанхэ — мировом рекордсмене по скорости направленной аккумуляции — она достигает 8 см/год [20]. Катастрофический темп современной естественной глубинной эрозии — 30—35 см/год — отмечен на притоке Нарына — р. Алабуге, которая с XIV в. врезалась в дно долины на глубину до 25 м, образовав каньон. Более значительны изменения отметок дна, связанные с переформированиями излучин и разветвлений, смещением перекатов, побочней, осередков, которые соизмеримы с глубиной самого русла.
Вековые (исторические) и тем более геологические проявления русловых деформаций отражают реакцию рек на долговременные колебания климата, водности рек и в целом речного стока (включая сток наносов и других компонентов), тектонические движения. При этом в исторические отрезки времени (века и реже тысячелетия) укладывается полный цикл развития излучин — от возникновения до спрямления, причем иногда за это время происходят изменения водности реки, стока наносов и других природных условий в пределах бассейна реки. На этом временном уровне в морфологии речных долин в первую очередь сказываются деформации, имеющие направленный характер: вертикальные — в образовании ступенчатых (при врезании рек) или обвалованных (при аккумуляции наносов) пойм, горизонтальные — в смещении русла параллельно самому себе в сторону одного из берегов, в формировании самих пойм и расширении дна долины. Периодические горизонтальные деформации отражаются в рельефе пойм, в морфологии поверхности которых сохраняются следы блуждания русла по дну долины, которые позволяют восстанавливать благодаря зависимостям «параметр формы — показатель природного фактора (например, водности реки)» палеогидрологическую обстановку времени их формирования, реконструировать ход эволюции форм русла за весь период развития поймы (голоцен) и т.д. [10, 15, 18].
При изучении геоморфологических следствий русловых процессов чем продолжительнее временной
интервал, тем в большей мере акценты смещаются в область исследования направленных вертикальных деформаций. Имея малые скорости (обычно доли миллиметра—несколько сантиметров в год), они сказываются только на протяжении геологических отрезков времени, отражаясь в формировании речных террас, изменении их относительной высоты по длине рек или образовании аллювиальных равнин и мощных аккумулятивных толщ. При этом соотношение вертикальных деформаций отрицательного знака (врезание рек) с горизонтальными деформациями обусловливает развитие врезанных или широкопойменных русел (в геоморфологическом отношении — узких долин с фрагментарным расположением узких террас и поймы или широких террасированных долин с поймой, ширина которой в несколько раз, и даже многократно, превышает ширину русла реки).
Направленные русловые деформации с разным временным масштабом проявления накладываются одна на другую, осложняя морфологию русел и сами русловые деформации. На реках бассейна р. Камы [3] установлена большая интенсивность правосторонних смещений русел, меандрирующих и разветвленных русел вследствие совпадения поперечного развития излучин вправо и направленного воздействия силы Кориолиса (закон Бэра); у излучин, развивающихся влево, происходит противоположное воздействие сил Кориолиса на темп их поперечного смещения.
Направленные вертикальные деформации в геологическом масштабе времени приводят к деформациям продольного профиля рек: понижению отметок дна и превращению поймы в надпойменную террасу при врезании, повышению отметок дна, распространению разливов реки на бывшие надпойменные террасы и образованию обвалованного русла при направленной аккумуляции наносов. В историческом масштабе времени врезание или аккумуляция наносов проявляется на участках рек большей или меньшей протяженности и, будучи связанной с долговременными (вековыми) изменениями водности рек, она вызывает их периодическую активизацию или снижение интенсивности. В многолетних масштабах времени эволюция форм русла (излучин, разветвлений и т.д.) сопровождается местными изменениями транспортирующей сложности потока вследствие трансформации скоростного поля потока, перераспределения стока воды по рукавам, изменений условий взаимодействия руслового и пойменного потоков. Это приводит либо к местному врезанию русла, либо к накоплению здесь наносов, увеличивая объем русловых отложений.
Чередование во времени врезания и аккумуляции на фоне сезонной изменчивости стока наносов и транспортирующей способности потока наиболее ярко прослеживается в системе плёс—перекат и по длине гряд, образующих иерархию форм руслового рельефа. Их смещение как отражение грядового движения наносов происходит на фоне сложного сезонного и многолетнего режимов их деформаций,
связанных с соответствующими изменениями гидравлических характеристик потока в разные фазы водного режима.
Заключение. Накладываясь, пространственно-временные изменения знака вертикальных русловых деформаций на каждом уровне проявления обусловливают постоянные флуктуации отметок продольного профиля реки (рис. 5), вследствие чего его направленные изменения в геологическом масштабе времени сказываются только в виде общего тренда, на фоне которого происходят периодические (вверх и вниз) колебания отметок продольного профиля разной продолжительности во времени и на участках с разной протяженностью.
Проявления русловых процессов во времени тесно связаны с их пространственным (по длине рек)
Рис. 5. Соотношение во времени Т общих направленных (1), периодических местных вертикальных деформаций, связанных с развитием форм русла (2) и текущих знакопеременных деформаций, обусловленных смещением грядовых форм руслового рельефа (3): А — при направленной аккумуляции наносов; Б — при врезании реки. Каждая вертикальная шкала (1, 2, 3) — отметки дна относительно условного нуля при различных видах вертикальных деформаций
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.
2. Беркович К.М. Географический анализ антропогенных изменений русловых процессов. М.: ГЕОС, 2001.
3. Бутаков Г.П., Гаврилов Е.Г., Серебренникова И.А. Направленность и скорость плановых перемещений русел средних рек Закамья Татарстана // 12-е Межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Пермь, 1997.
4. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории русловых процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
5. Кузнецов К.Л., Чалов Р.С. Русловые процессы и морфология русел горных рек в условиях активной селевой деятельности (на примере рек северного склона Заилийского Алатау) // Геоморфология. 1988. № 2. С. 71-78.
6. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955.
7. Маккавеев Н.И. Общие закономерности эрозионно-русловых процессов // Тр. 4-го Всесоюз. гидрол. съезда. Т. 10. Русловые процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
развитием. Текущие русловые деформации проявляются только на очень коротких отрезках русел или даже в пределах фрагментов их форм или крупных форм руслового рельефа — на седловине переката, в привершинной части или на крыле излучины и т.д. Сезонные и многолетние переформирования перекатов, излучин, разветвлений сказываются в пределах этих форм (макроформ руслового рельефа), или их серий, где они развиваются сопряженно, а также морфологически однородных участков русел разной протяженности, границы которых зависят от рельефа бассейна, морфологии речной долины (ее сужений и расширений), впадения крупных (близких по порядку) притоков и т.д. Вековой (исторический) и тем более геологический масштабы русловых деформаций отражаются в морфологии речных долин в очень широких пределах — от всей реки в целом, в том числе крупнейшей, участков верхнего, среднего и нижнего течения рек до морфологических однородных участков.
Чем больше длина реки или ее участка, тем вероятнее проявление в морфологии и динамике русел во всем их многообразии закона факторной относительности, сформулированного Н.И. Макка-веевым [7]: малые, средние, большие и крупнейшие реки в отношении направленности и интенсивности русловых процессов неодинаково и неодновременно реагируют на изменения географической среды. Его действие можно проследить практически во всей пространственно-временной структуре русловых процессов: от местных текущих деформаций до формирования продольного профиля реки; меняется при этом только масштаб проявления закона. Это же относится к антропогенным нарушениям (по К.М. Берковичу [2]) факторов русловых процессов и самих русел, которые имеют свои следствия в развитии русловых деформаций и морфологии русел.
8. Маккавеев Н.И., Мандыч А.Ф., Чалов Р.С. Влияние восходящего развития рельефа на глубинную эрозию и твердый сток рек Западной Грузии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1968. № 4. С. 52-58.
9. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986.
10. Панин А.В. К истории русловых деформаций на реках центра ЕТР в голоцене: результаты исследований в среднем течении р. Протвы // Тр. Акад. проблем водохоз. наук. Вып. 7. 2001.
11. Панин А.В., Сидорчук А.Ю, Чалов Р.С. Катастрофические скорости формирования флювиального рельефа // Геоморфология. 1990. № 2. С. 3-11.
12. Русловые процессы и водные пути на реках Обского бассейна. Новосибирск: РИПЭЛ-плюс, 2001.
13. Русловые процессы на реках Алтайского региона. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996.
14. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
15. Сидорчук А.Ю, Борисова О.К., Ковалюх Н.Н. и др. Палеогидрология нижней Вычегды в позднеледниковье и
голоцене // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1999. № 5. С. 35-42.
16. Турыкин Л.А., Чалов Р.С. Об оценке сезонных деформаций перекатов на реках с паводочным режимом // Метеорология и гидрология. 1985. № 8. С. 77-82.
17. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М.: Изд-во МГУ, 1979.
18. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. М.: Изд-во МГУ, 2004.
19. Чалов Р.С., Лю Шугуан. Сток наносов и его составляющие как фактор русловых процессов (на примере рек России и Китая) // Эрозия почв и русловые процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. Вып. 15.
20. Li Guoying. Pondération and Practice of the Jellow River Control. Jellow River Conservancy Press, 2003.
Поступила в редакцию 22.05.2008
R.S. Chalov
SPATIAL-TEMPORAL REGULARITIES OF CHANNEL PROCESS INTERRELATIONS
AND VARIABILITY
Spatial interrelations of incision processes, transportation and accumulation of sediments at different structural levels of channel processes occurrence are analyzed. Regularities of changes in the type of channel processes (mountainous, semi-mountainous or plain) and the morphodynamic type of channels are revealed. Temporal changes of channel processes make it possible to distinguish current, seasonal, long-term, historical (centennial) and geological deformations of river channels. Changes in the natural factors of channel processes cause their periodical fluctuations of different scales. This produces rather diverse but still forecastable pattern of both lateral and vertical channel deformations.
Key words: channel processes, deformations of river channels.
