Развитие учения о русловых процессах

Основные понятия о речном стоке, эрозионно-аккумулятивных

И русловых процессах

Речной сток в широком смысле — это главный элемент материкового звена гло­бального круговорота вещества и энергии. Речной сток — это одновременно и характери­стика количества стекающей воды, и процесс стекания воды в речных системах.

Водные потоки, воздействуя на земную поверхность, производят разрушение и смыв слагающих ее горных пород и почв, перемещение разрыхленного материала вниз по течению и, наконец, отложение (или многократное переотложение) последнего на относи­тельно низких уровнях либо там, где поток прекращает свое существова­ние (например, втекая в водоем).

Все водные потоки на поверхности суши делятся на три основных звена:

а) нерусловые потоки талых или дождевых вод, текущие по поверхности склонов и производящие смыв почвы;

б) русловые временные потоки, текущие по оврагам и балкам и производящие раз­мыв покровных пород;

в) реки — постоянные русловые потоки, протекающие в долинах, нередко врезан­ных в коренные породы вплоть до некоторого базисного уровня.

Продукты эрозии перемещаются потоками первого (верхнего) звена только в пре­делах длины склона, потоками второго звена — до ближайшего местного базиса эрозии. Лишь реки переносят твердый материал на большие расстояния

Во всех звеньях прослеживается тесная связь между эрозией и аккумуляцией. Эро­зионно-аккумулятивные процессы в этих звеньях расчленяются на процессы эрозии почв, овражной эрозии и русловых процессов. Эрозия почв и овражная эрозия часто объе­диняются термином эрозионные процессы временных потоков.

В отличие от них русло­вые процессыв реках непрерывны и постоянно изменяются в зависимости от водного режима. Интенсивность, характер и направленность русловых процессов определяются взаимодействием движущей­ся воды, перемещаемых водой нано­сов и слагающих ложе потока грунтов. Под влиянием этого взаимодействия возника­ют различные формы русла, которые, в свою очередь, становятся фактором, влияющим на гидравлические параметры потока.

Количество твердого материала, перемещаемого водными потоками с материков в океаны и в боль­шие глубокие озера, составляет около 17,0 млрд. т/год. Кроме того, около 3,5 млрд. т/год растворенных веществ переносится реками и подземными водами, разгру­жающимися непосредствен­но в океан. Лишь 3 млрд. т/год перемещают с суши в море ос­тальные виды денудации — ветер, ледники.

Развитие учения о русловых процессах

На протяжении нескольких веков, в соответствии с запросами практики, речные русла оказались предметом исследований естественных (гидрологии и геоморфологии) и технических (гидротехники и гидродинамики) дисциплин, на основе которых получено решение многих общих и частных задач русловых процессов.

Первые исследования процессов в речных руслах от­носятся к средним векам. Уже Галилео Галилей (1564−1642) консультировал проект спрямления излучин Тибра, разра­ботанный с целью снизить уров­ни половодий, затопляющих Рим.

В XVIII—XIX вв. на реках Европы производились исследования для обоснования проектов улучшения судоходных условий. Проекты включали прогноз из­менения глу­бины, что давало возможность определить экономи­ческий эффект намеченных работ.

Развернувшаяся в конце XIX — начале XX в. «борьба за глубины» между сторон­никами выправления и углубления рек привела к необходимости научного обоснования целого комплекса проблем русловых процессов. Особенно обострились эти проблемы в связи с реализацией ряда неудачных проектов выправления рек. Между 1892 и 1904 го­дами был проведен ряд съездов российских деятелей по водным путям и ряд международ­ных конгрессов по судоходству. В дискуссиях о способах улучшения судоходных условий зарождались первые научные представления о русловом процессе.

Потребность в прогнозах изменений глубин способствовала зарождению науки о русловых процессах как самостоятельной дисциплины, основоположниками которой в России были В.М. Лохтин и Н.С. Лелявский

В 1897 г. В.М. Лохтин опубликовал первую крупную научную работу «О меха­низме речного русла», в которой были заложены научные основы русловых процессов. Его основные идеи сводились к следующему. Деформации речных русел и пойм, и мор­фологические образования, являются следствием транспорта наносов, т.е. их переотложе­ние в процессе перемещения их потоком вниз по течению. Основную их часть поток по­лучает со своего водосбора. Количество наносов, поступающих в поток, для последую­щего транспортирования им до водоприемника будет зависеть от уклонов водосбора (оп­ределяют скорости стекания), слагающих их грунтов (определяют состав и крупность на­носов) и расходов воды (водности). Первым исследователем скоростной структуры реч­ных потоков, был современник Лохтина, Н.С. Лелявский, разработавший схемы течений.

Среди зарубежных исследователей конца ХIX ― начала XX вв. первую очередь выделяется французские инженеры Л. Фарг, ус­тановивший ряд закономерностей форми­рования речных излучин и Г. Жирардон, предложивший первую классификацию речных перекатов.

После Октябрьской революции в Советском Союзе начинается интенсивное изуче­ние рек. В Ленинграде и в Москве формируются крупные научные центры. Так, уже в 1919 г. в Ленинграде был организован Государственный гидрологический институт, а не­сколько позднее ― Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева. В Москве изучение русловых процессов в основном концентрируется в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова.

Именно в этот период бурно развиваются исследования в области русловых про­цессов, связанные с именами таких ученых, как М.А. Великанов, В.Н. Гончаров, В.М. Маккавеев и других, разработавших теоретические основы русловых процессов и сформировавших их в самостоятельную дисциплину.

После создания Московского гидрометеорологического института в 1930 г., в нем, усилиями М.А.Великанова, был создан и прочитан курс лекций, названный им «Динамика русловых потоков», на основании которого в 1946 г. был издан первый учебник.

В работах многих гидрологов были установлены зависимости таких морфометри­ческих характеристик русла, как ширина и глубина, от расходов воды, уклонов и грунтов. Среди них наиболее известны гидроморфологические зависимости М.А. Великанова, В.Г. Глушкова, имеющих наиболее обобщенный вид.

Дальнейшее развитие исследований по русловым процессам связано с ленинград­ской, московской и другими научными школами, имевшими хорошую эксперименталь­ную базу (Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов, Н.И. Маккавеев, Р.С. Чалов и др.). Крупные ра­боты были выполнены и в ряде зарубежных стран: США, Англии, Нидерландах, Италии и др. (Л.Б. Леопольд и М.Ж. Вольман и др.).

В результате сформировалось два аспекта теории русловых процессов ― гидроди­намический и гидроморфологический, имеющие свои области применения и существенно дополняющих друг друга. Их дальнейшее развитие направлено на создание единой теории русловых процессов, включающей достижения как гидродинамического, так и гидромор­фологического аспектов.

Одновременно с теорией русловых процессов осуществляется разработка ее наибо­лее сложной составляющей ― теории пойм. На основе комплексного подхода к проблеме пойм была теоретически обоснована концепция, объединяющая в себе как морфологию, так и гидравлику пойм. В этом направлении следует отметить исследования Н.И. Макка­веева, И.В. Попова, Н.Б. Барышникова, Р.С. Чалова и др.

Результаты исследований на рубеже XX и XXI веков, посвященных различным ас­пектам движения наносов и русловых процессов, как в их естественном состоянии, так и при интенсивном антропогенном воздействии в результате гидротехнического строитель­стве, опубликованы в серии монографий Н.И. Алексеевского, Р.С. Чалова, и др. (в основ­ном естественное состояние рек), К.М. Берковича, Н.Б. Барышникова и др. (при антропо­генном воздействии на реки).

В XXI веке в РГГМУ под руководством Н.Б. Барышникова была выполнена разра­ботка принципиально нового направления, посвященного роли русловых процессов в са­морегулирующейся системе «бассейн ― речной поток ― русло» с учетом антропогенного воздействия на эту систему.

Интенсивные исследования выполнялись и в ряде зарубежных стран. Здесь в пер­вую очередь следует отметить работы А. Раудкиви, Г. Чанга, Т. Чена и других, а также ре­зультаты исследований голландской лаборатории в г. Дельфте.

За последние годы выполнен значительный объем теоретических, лабораторных и натурных исследований, что позволило по-новому подойти к решению ряда принципи­альных вопросов. Результаты этих исследований служат теоретической основой для про­ектирования водохозяйственных мероприятий и различных гидротехнических сооруже­ний: регулирующих водохранилищ, мостовых переходов, ЛЭП, водозаборов и др.