ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

7.1. Основные направления в развитии теории руслового процесса

Русловой процесс ― постоянно происходящие изменения морфологического строе­ния речного русла и поймы, обусловленные дейст­вием текущей воды.

Основоположниками теории руслового процесса были В. М. Лохтин, Н.С. Ле­лявскнй, Л. Фарг (конец XIX ― начало XIX вв.) в связи с работами по улучшению судо­ходных условий рек (см. пункт 1.2)..

В.М. Лохтин исследовал влияние уклона водной поверхности, измене­ния водности потока и сопротивляемости размыву грунтов, слагаю­щих русло реки, на перемещение на­носов и формирование русловых форм. Н.С. Лелявский занимался исследованием речных течений, влияющих на распределение глубин в речном русле.

В дальнейшем основным стало гидродинамическое направле­ниеруслового про­цесса, признающее взаимодейст­вие потока и русла. Это направление относит теорию ру­слового процесса к речной гидравлике (А.В. Караушев и др.). Большая роль отводится изу­чению динамической структуры водного потока применительно к оценке стока воды и на­носов для решения проблемы расчета русловых деформаций,

В последующие годы получило развитие гидролого-морфологическое направлениетеории руслового процесса (Н.И. Маккавеев, Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов), основанное на типизации морфологически однородных русловых форм и образований и на определении скоростей их перемещения для разработки прогнозов русловых процессов большой за­благовременности. При такой трактовке задачей теории руслового процесса является изу­чение ди­на­мики русло­вых форм, определя­ющих тип руслового процесса.

Таким образом, в результате сформировались два на­правления теории русловых процессов ― гидроди­намический и гидролого-морфологиче­ский, имеющие свои области применения и существенно дополняющие друг друга. Их дальнейшее развитие направ­лено на создание единой теории русловых процессов, вклю­чающей достижения как гид­родинамического, так и гидромор­фологического аспектов.

7.2. Взаимодействие потока и русла как основа руслового процесса

Как отмечено выше, русловые процессы проявляются во взаимодействии потока и русла реки. Конкрет­ные проявления русловых процессов в виде измене­ния положения и разме­ров русла, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва или намыва дна и берегов, на­зы­вают русловыми деформациями.

Физической причиной русловых деформаций является наруше­ние равновесия ме­жду транспортирующей способностью потока и фактической величиной расхода наносов на тех или иных участках речного русла. При превышении расхода наносов над транспор­тирующей способностью потока происходит раз­мыв русла (эрозия), в противном случае — намыв русла (аккумуляция наносов). Происходящие деформации русла как бы стремятся создать постоянство расхода наносов по длине реки.

Русловые деформации подразделяют также на вертикальные, когда происхо­дят из­менения отметок дна русла, и горизонтальные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Обычно эти два вида русловых деформаций происходят одновре­менно, но в некото­рых случаях преобладают первые, в некото­рых — вторые.

Русловые деформации и русловые процессы подразделяют так­же на пе­риодические (знакопеременные, обрати­мые) и направленные (необратимые).

К периодическим рус­ловым деформациям относят такие изменения русла, которые неод­но­кратно повторяются и после которых русло возвращается в первоначальное положе­ние. Эти русловые деформации наблюдаются при движении донных гряд, развитии излучин и т. д.

Направленные русловые деформации выражены в односторонних измене­ниях русла как природного, так и антропогенного происхождения (при поднятии и опускании отдель­ных участков суши; при вековых изменениях отметки уровня воды, куда впадает река; при однонаправленном размыве или на­мыве, сопутствующих соору­жению водохранилищ на реке и др.).

Русловые образования, подвергающиеся деформациям ― это скоп­ления наносов, соз­дающие характерные формы рельефа речно­го русла разного размера — микро-, мезо- и макроформы.

Рассмотрим подробнее эти формы рельефа речного русла.

7.3. Формы рельефа речного русла и их изменения

Микроформы речного русла ― это перемещающиеся в русле донные гряды, раз­меры которых меньше глубины русла. Они наиболее характерны для рек, русла которых сформи­рованы песчаными отложениями.

После дости­жения скоростями течения некоторых зна­че­ний наносы приходят в движение и формируются микроформы речного русла: не­большие донные гряды — рифели. По мере увеличения скоро­стей течения высота движу­щихся рифе­лей постепенно возрастает, и образуются донные дюны. При дальнейшем увели­чении скоро­стей течения может про­изойти разрушение дюн: наступит так называемая гладкая фаза движения влекомых нано­сов. Наконец, при очень больших скоростях течения возникают пес­чаные стоячие волны, а за­тем антидюны, форма ко­торых перемещается вверх по течению.

На рис. 7.1 в продольном разрезе показаны основные элементы донной гряды.

Рис. 7.1. Продольный профиль донной гряды

Вдоль по течению различают: пологий верхний лобковый откос и более крутой нижний тыловой откос; наиболее высокая часть гряды называется гребнем, а зона наибо­лее низких отметок за тыловым откосом ― подвальем гряды.

Русловые деформации при движении всех описанных выше микроформ (донных гряд) обратимы: после смещения гряды на всю ее длину дно потока в этом месте приобре­тает первоначальные от­метки. Скорость смещения микроформ на реках обычно не превы­шает нескольких сантиметров или метров в сутки.

Высота донных гряд может изменяться от нескольких сантимет­ров до 4—6 м. На некоторых реках размеры гряд соизмеримы с глубиной русла. Обычно гряды меньшего размера накладываются на гряды большего размера, создавая целую «иерархию» микро­форм речного русла, переходящими в мезоформы.

Мезоформы речного русла ― это те же донные гряды, но более крупных размеров, соизмеримых с поперечными размерами самого русла. К ним относятся перекаты, осе­редки и небольшие острова. Наиболее типичным видом мезоформы речного русла является крупная русловая гряда — перекат.

Перекат ― более или менее устойчивое образование в русле в виде поперечного вала из наносов, пресекающего русло под некоторым углом. Перекаты имеют следующие основ­ные элементы (рис. 7.2):

Рис. 7.2. Общая схема переката

а ― план, б ― продольный профиль по фарватеру

1 ― верхняя коса, или верхние пески, расположена выше (счи­тая по течению) ко­рыта переката;

2 ― нижняя коса, или нижние пески, расположена ниже корыта переката (иногда верхнюю косу называют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним по­бочнем);

3 ― верхняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла выше пере­ката;

4 ― нижняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла ниже пере­ката;

5 ― седловина, или гребень, — наиболее повышенная часть вала из наносов, соеди­няющего верхнюю и нижнюю косы переката;

6 ― корыто переката — наиболее глубокая часть седловины, где обычно проходит фарватер;

7 ― напорный (верхний) скат — верховая часть седловины пе­реката, обращенная к верхней плесовой лощине, обычно более пологая, чем низовая часть (подвалье);

8 ― подвалье — низовая часть, или тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, обычно более кру­тая, чем напорный скат;

9 ― гребень (вал) ― наиболее мел­ководный участок фарватера над перекатом;

10 ― фарватер ― линия наибольших глубин вдоль реки;

11 ― изобаты;

12 ― затонская часть нижней плёсовой лощины.

Перекаты по своему строению бывают трех видов:

перевалы — перекаты с плав­ными и небольшими изменениями отметок дна без резко выраженного подвалья;

нор­мальные — перекаты с хорошо выраженным подвальем, но без резкого искрив­ления фар­ватера,

перекошенные (сдвинутые) — перекаты с резким искривлением фарватера.

На подъеме половодья происходит намыв переката за счет размыва плёса, на спаде половодья и в ме­жень — его размыв и занесение плёса. С течением времени перекаты могут передвигаться по течению так же, как пере­двигаются излучины реки. Например, на р. Волге перекаты смещаются вниз по течению со скоростью, достигающей 200−300 м в период по­ловодья, на Сырдарье ― 1 км/год.

Те перекаты, ко­торые вследствие либо малых глубин на гребне, либо сильного ис­кривления фарватера создают препятствие судоходству, называют лимитирующими.

На больших реках Беларуси глубина на перекатах уменьшается местами до
0,4−0,8 м, что затрудняет судоходство на отдельных участках (например, на Днепре, При­пяти, Соже, Березине, Западной Двине, Нёмане). Борьба с перека­тами ведется главным об­разом землечерпанием.

Другие виды мезоформ речного русла:

— осередки — подвижные, не соединенные с берегами и не заросшие растительно­стью отмели; возникают на перекатах, вызывая разделение фарватера на его гребне на две ветви;

— остров ― часть поймы, ограниченная рукавами или протоками реки, устойчивая и закрепленная растительностью.

Макроформы речного русла — крупные, морфологически однородные участки речного русла, пред­ставленные относительно прямолиней­ными участками, извилинами (из­лучинами, меанд­рами), системами русловых и пойменных разветвлений.

Деформации в извилистых (меандрирующих) руслах представляют собой циклические процессы постепенного увеличения извилистости русла благодаря размыву его вогнутых бе­регов, развороту и смеще­нию излучин (меандров), завершающиеся прорывом перешейка со спрямлением русла (рис. 7.3). Затем процесс развития излучин повторяется.

Рис. 7.3. Схема смещения и изменения формы излучины:

1 — участок размыва берега, 2 — старица

В излучинах находятся системы глубоких (плёсы) и мелких (перекаты) участков. Плёсы обычно приурочены к участкам русла с наибольшей кривизной, перекаты — к пря­мым (переходным) уча­сткам русла между смежными излучинами.

Смещение и искривление излучин сопровождается значитель­ными горизонталь­ными русловыми деформациями. Наибольшие размывы (достигающие десятков метров в год) приурочены к вог­нутым берегам на изгибе русла, где в потоке возникает поперечная циркуляция.

Соотношения между плановыми очертаниями русла и распреде­лением глубин были уста­новлены Л. Фаргом на основе сопоставления кривизны русла и глубин по фарватеру. В общем виде взаимосвязь между кривизной русла и глубинами общеизвестна: глубокие места реки ― плёс ― рас­полагаются на изгибах реки, где кривизна (т. е. величина, обратная радиусу кри­визны) наи­большая.

Фарг расширил эти представления, и свои выводы сформулиро­вал в следующей форме (закономерности Фарга).

1. Линия наибольших глубин вдоль по течению реки стремится прижаться к вогнутому берегу; песок и ил откладываются в форме пляжей или широких отмелей на противоположном выпуклом бе­регу.

2. Самая глубокая часть плёса и самая мелкая часть переката сдвинуты по отноше­нию к точкам наибольшей и наименьшей кри­визны вниз по течению приблизительно на ¼ длины плёса плюс переката.

3. Плавному изменению кривизны соответствует плавное же из­менение глубин; вся­кое резкое изменение кривизны сопровожда­ется резким изменением глубин.

4. Чем кривизна больше, тем больше и глубина плеса.

5. С увеличением длины кривой при данной ее кривизне глу­бина сначала возрас­тает, а потом убывает. Для каждого участка реки существует некоторое среднее, наиболее благоприятствую­щее глубинам значение длины кривой.

Наиболее сложными макроформами русловых образований являются поймы. Они формиру­ются в результате отложений переносимых рекой наносов и плановых деформаций ее русла.

В период половодья (паводков) речная вода выходит из берегов меженного русла и за­топляет пойму. Таким образом, руслом по­тока в этот период является меженное русло вместе с поймой. При колебаниях уровня воды интенсивной деформации подвер­гаются как русло, так и пойма.

В меандрирующих руслах усиливается размыв вогнутого берега излучины и происхо­дит отложение наносов у выпуклого. Формируются пляжи. Вдоль внешнего края пляжа воз­никают косы и заструги (наносные образования, которые являются результатом причленения к берегу песчаных гряд на спаде уровня). Вытянутое водное пространство между косой и бере­гом называется затоном.

Косы и пляжи зарастают растительностью, что усиливает акку­муляцию наносов при по­следующем затоплении. Они увеличиваются в размерах и постепенно способствуют образова­нию береговых ва­лов. Эта форма наносного образования характерна для рельефа поймы.

Современный рельеф поймы оказывается весьма сложным. Ее поверхность может быть расчленена протоками, старицами, распо­ложенными между гривистыми повышениями, часто дугообразной формы. Очевидно, при разных типах плановых деформаций русла будут созда­ваться и различные типы пойм.

Условно в пойме выделяют три части: прирусловую — более по­вышенную часть, цен­тральную — несколько более низкую и ровную, и притеррасную — наиболее пониженную, имеющую вид заболочен­ной ложбины, прилегающей к коренному склону долины или тер­расы.

Все сказанное справедливо по отношению к равнинным рекам. Русловые деформации горных рек менее изучены.