МОРФОЛОГИЯ И МОРФОМЕТРИЯ ДОЛИНЫ И РУСЛА РЕКИ

4.1. Речная долина и ее элементы

Поскольку отличительной особенностью рек, как постоянных русловых потоков, является наличие долины (см. пункт 3.1), остановимся на основных ее элементах.

Долина реки ― это относительно узкое, вытянутое в длину, извилистое углубление в земной поверхности, образованное вековой деятельностью текучих вод, имеющее общий наклон от истока к устью.

В поперечном профиле долине реки различают следующие элементы (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Поперечный профиль долины реки

1. Бровка долины (коренного берега).

2. Склон (слева) и уступ (справа) коренного берега долины.

3. Первая надпойменная терраса (аккумулятивная).

4. Вторая надпойменная терраса (эрозионная).

5. Бровки террас.

6. Русло реки, находящееся в пределах дна (ложа) долины.

7. Низкая пойма, ежегодно затапливаемая водами половодья.

8. Высокая пойма, затапливаемая водами значительных половодий.

На рис. 4.1а показаны также коренные породы 9 и аллювиальные отложения 10.

На рис. 4.1б показаны низкая пойма 7, прирусловой вал 11, ширина реки В, макси­мальный уровень воды h_max, средний уровень воды h_cр и русло реки р.

В зависимости от того, какой фактор оказал наиболь­шее влияние в формировании речных долин, они могут быть эрозионными, тектоническими и ледниковыми. Однако, кроме эрозии, ни один из других факторов сам по себе не может создать долину.

Речные долины, в зависимости от геологического возраста и ха­рактера слагающих их горных пород и грунтов, из которых сложены их дно и склоны, имеют различные продольные ук­лоны и очертания в плане и поперечном разрезе.

Долины молодые, еще сравнительно мало разработанные дейст­вием текущей воды, имеют поперечный профиль с крутыми склонами и узким дном. В плане эти долины имеют вид ломаных линий, а их продольный профиль часто бывает сту­пенчатым. Такие долины свойственны горным районам. Их дно и берега состоят из скалистых твердых пород, по­этому первона­чальная форма долины сохраняется надолго. Глубокие и узкие, большей ча­стью скалистые речные долины с выпуклыми склонами, книзу приобретающими значительную крутизну, называются ущельями.

Более старые долины, или сложенные сравнительно легко раз­мываемыми породами, имеют в плане плавно извилистый вид, а их продольный профиль характеризуется равномерным скатом к устью. Такие долины имеют отлогие берега и широкое дно, заполненное отложениями речных наносов (аллювиальные отложения).

В природе между указанными крайними типами речных долин встречается ряд переход­ных форм, занимающих промежуточное положение или приближающихся к одному из указан­ных основных типов. Река, разрабатывая профиль своей долины и врезаясь по­степенно в ее дно, создает террасообразное поперечное сечение долины. В ряде случаев террасы явились результатом тектониче­ских процессов или изменений уровня моря, в которое впадает река, или следствием наступания и отступания ледников. Во всех указанных случаях происходившие поднятия или понижения дна долин вы­зывали соответственно усиление размывающей дея­тель­ности реки или отложения наносов.

В Беларуси самые молодые речные долины сформировались в Белорусском Поозе­рье после отступания последнего ледникового покрова около 14−16 тыс. лет назад. Они имеют узкие, глубокие и крутые склоны, неширокие поймы (которые иногда отсутст­вуют). Самые крупные долины (шириной 1−5 км) здесь выработали Западная Двина и ее притоки. К югу от границы последнего оледенения (в центральных и южных частях Бела­руси) долины широкие (у Припяти ― до 50−70 км), преимущественно неясно выражен­ные.

Строение речных долин, их форма и размеры влияют на интенсивность и направлен­ность эрозионно-аккумулятивных процессов.

4.2. Морфологические элементы и морфометрические характеристики русла

Русло реки ― это часть дна долины, по которой осуществляется сток воды. Русла равнинных рек извилистые (меандрирующие), характеризуются наличием подвижных скоп­лений наносов, формирующих русловые образования.

Основные морфологические элементы русла следующие (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Формы русловых образований

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

Осередок ― затопляемое и подвижное повышение дна.

Протока ― ответвление реки от основного русла, с меньшими размерами.

Рукав ― часть русла реки, отделенная островом.

Залив (затон) ― глубоко вдающийся в берег залив в реке.

Староречье (старица) ― отчленившийся участок ранее существовавшего русла реки.

Останец ― островное возвышение между основным руслом и староречьем, устойчи­вое и закрепленное растительностью.

Перекат ― более или менее устойчивое образование в русле в виде поперечного вала из наносов, пресекающего русло под некоторым углом.

Плёс ― более глубокий участок реки по сравнению с выше и ниже расположенными.

Приплёсок ― узкая полоса (песчаная, галечная), по береговому склону, заливаемая даже при небольших подъемах уровня воды.

Отмель ― мелководное место в русле, обсыхающее при очень низкой воде.

Коса ― узкая намывная полоса, причлененная одним концом к берегу, а другим вы­ступающая в сторону реки.

Пляж ― широкая ровная береговая полоса, примыкающая к руслу, сложенная нано­сами (чаще песчаными).

Размеры и формы русла, как и речной долины, изменяются по длине реки в зависимо­сти от водности, строения долины, характера пород и грунтов, которыми оно сложено. Мор­фологические особенности русла можно отобразить в виде его плана с изобатами и попереч­ного профиля.

Основными морфометрическими характеристиками поперечного сечения речного русла являются площадь поперечного сечения, ширина и глубина русла, смоченный пери­метр и гидравлический радиус.

Площадь поперечного сечения ω (м²) — площадь, ограниченная профилем русла и уровнем воды. При определении расхода воды выделяют площадь живого сечения, кото­рая меньше площади поперечного сечения на величину мертвого пространства (застойной зоны).

Ширина русла В (м) — расстояние между урезами русла по линии, перпендикуляр­ной потоку.

Глубина русла h (м) — расстояние по вертикали от поверхности воды до дна. Раз­личают максимальную глубину h_max и среднюю глубину h_ср —частное от деления пло­щади поперечного сечения на ширину русла: h_ср=ω/B.

Смоченный периметр c(м) — длина подводного контура поперечного сечения.

Гидравлический радиус R (м) — частное от деления площади поперечного сечения на длину смоченного периметра: R=ω/c. Для равнинных рек, смоченный периметр кото­рых незначительно превышает ширину, величину R можно заменить величиной h_ср при условии, что h_ср/ R<0,1.

Наличие в русле реки различных углублений дна, выступов, неровностей и других особенностей влияют на характер и интенсивность русловых процессов.

4.3. Продольный профиль реки

С течением времени река вырабатывает свой собственный продольный профиль, ко­торый соответствует уклону речной долины, составу горных пород, по которой она проте­кает, и водности реки.

Продольный профиль реки― это график изменения отметок дна и водной поверхно­сти по длине реки от истока до устья. При построении графика на горизонтальной оси откла­дывают расстояние по длине реки, на вертикальной — абсо­лютные или условные отметки дна (обычно по линии наибольших глубин) и уровня воды.

Продольный профиль реки характеризует изменение уклонов ее дна (или водной поверхности) вдоль по течению реки. Разность отметок дна (водной поверхности) на ка­ком-либо ее участке называется падением (∆ H), а разность отметок истока и устья реки составляет полное падение реки.

Для характеристики крутизны продольного профиля реки используют понятие ― продольный уклон i — отношение падения к длине реки (участка): i=DH/l. Уклон выра­жается в относительных величинах (в долях единицы) или в промилле (‰).

Продольный профиль реки очень близок по очертанию к продольному профилю самой речной долины. В своем развитии он проходит ряд стадий: 1) стадию юности и ранней моло­дости, 2) стадию зрелости и 3) стадию поздней зрелости.

В стадии юности и ранней молодости продольный профиль недостаточно выработан, имеет резкие перепады, изломы в местах выхода твердых пород. На таких участках возникают пороги, порожистые участки, водопады. Интенсивно происходят процессы размыва. Постепенно профиль принимает такую форму, при которой сопротивление воды становится наименьшим. При этом огромную роль играет базис эрозии (уровень главной реки, озера или моря). С пони­жением базиса эрозии усиливается размыв дна русла, а с его повышением ― замедляется.

С течением геологического времени базис эрозии стремится к устойчивому положению, процессы выравнивания продольного профиля начинают постепенно замедляться. Течение становится более спокойным. Про­цесс формирования продольного профиля вступает в стадию зре­лости.

В стадии поздней зрелостипроцесс выравнивания продольного профиля достигает так называемого состояния равновесия между эрозией (размывом), переносом и аккумуляцией (от­ложением). Продольный профиль реки становится более устойчивым и принимает плавновогну­тую устойчивую форму, которая называ­ется профилем равновесия.

Указанная схема развития про­дольного профиля, опирающаяся на работу американского географа и геоморфолога Вильяма Дэвиса (1912), является весьма общей, отражающей медлен­ные многове­ковые де­формации при фикси­рованном положении базиса эрозии. Но для всех стадий разви­тия продольного профиля реки свойственно ха­рактерное расположение участков размыва, переноса и отложения материала, а именно: в верховье обычно преобладает размыв и вреза­ние русла, в среднем течении ― транзит наносов, а в нижнем ― их аккумуляция. При этом приращение участков происходит вверх по течению, т.е. развитие продольного про­филя осуществляется путем регрессивной (пятящейся) эрозии.

Это положение далеко не универсально. Например, для большинства равнинных рек расположение участков размыва, транзита и отложения наносов по длине значительно более сложно и подчинено влиянию более многочисленных факторов (закономерности развития продольного профиля реки подробно рассматриваются в разделе 10).

В зависимости от харак­тера распределения уклонов вдоль по реке можно выделить че­тыре основных типа продольных профилей (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Типы продольных профилей рек

1. Плавновогнутый, или профиль равновесия — наиболее распространенный; он харак­теризуется вогнутой кривой параболического вида, более крутой в истоках реки и пологой ближе к устью.

2. Прямолинейный, характеризующийся относи­тельно равномерными уклонами на всем протяжении реки; на­блюдается главным образом у малых рек.

3. Сбросовый, или выпуклый, имеющий малые ук­лоны в верховьях и большие в ниж­нем течении реки; встречается редко и характерен для рек Карельской АССР и Кольского по­лу­острова.

4. Ступенчатый, образующийся при наличии ряда хорошо выра­женных промежуточных ба­зисов эрозии, в виде встречаемых иногда рекой трудно поддающихся размыву горных пород или в форме котловин проточных озер или водохранилищ.

Если рассматривать продольный профиль реки более детально, то на самом деле он представляет собой сложную кривую. При этом продольный профиль дна реки изменяется относительно мало, однако продольный профиль водной поверхности изменяется вместе с изменением водности реки во время половодий и паводков.

Подробнее о факторах формирования продольного профиля и его природных и ан­тропогенных деформациях рассказывается в последующих разделах.

4.4. Продольный профиль долины р. Западная Березина

Ниже приводится продольный профиль (рис. 4.4) и пример гидрографического опи­сания долины и русла р. Западная Березина.

Источник информации: Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 5. Белоруссия и Верхнее По­днепровье. Описание рек и озер. Ч. I. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971. — 1108 с.

Рис. 4.4. Продольный профиль р. Западная Березина от истока до д. Саковщина:

1 ― абсолютная отметка уровня воды, м; 2 ― расстояние от устья, км;

3 ― уклон водной поверхности, ‰

Про­цесс формирования продольного профиля проходит в стадии зре­лости. Тип продольного профиля ― плавновогнутый, характеризуется кривой параболического вида, бо­лее крутой в истоках реки.

По особенностям строения долины и русла от истока до створа д. Саковщина
р. Западная Березина может быть разделена на два участка.

Участок 1 ― от истока до д. Городьки (длина 84 км). Долина преимущественно трапецеидальная, хорошо разработанная, шириной от 0,5 до 3 км, наибольшая ― 5,5 км у д. Оборок. Склоны умеренно крутые, высотой 10–15 м, местами до 35–40 м, песчаные, преимущественно распаханные. Левобережный склон частично покрыт хвойным лесом, правобережный ― местами заболоченным лесом.

Пойма осушенная, на большем протяжении двухсторонняя, ширина ее от 200 до 500 м, наибольшая ― 2 км у д. Оборок. Поверхность преимущественно ровная, от д. Го­родок до впадения р. Цветень местами кочковатая, сложена супесями, на отдельных осу­шенных участках торфянистая, покрыта луговой растительностью и редким кустарни­ком. В поло­водье и при высоких дождевых паводках затопляется на высоту 30–40 см, иногда до 1 м.

Русло реки сильно извилистое (К = 1,20), свободно меандрирующее, неразветв­ленное, от д. Березовцы до д. Литва канализированное. Ширина реки изменяется от 5 до 20 м, в местах подпора плотинами она достигает 200 – 300 м. Глубина 0,2–1,5 м, в верхних бьефах плотин до 3,5 м. Скорости течения изменяются от 0,1 м/с на плесовых участках до 0,6 м/с на перекатах. До д. Литва русло засорено корчами, зарастает водной растительно­стью, ниже растительность встречается в виде узких, прерывистых полос в прибрежной зоне. Дно неровное, песчано-илистое, реже песчано-галечное. Берега крутые, высотой
2–4 м, в верховье до 8 м, преимущественно супесчаные; на участке д. Городок ― д. Чер­ские Луки торфянистые, повсеместно закреплены кустарником, поросли травой, местами подвер­жены размыву.

Участок 2 ― от с. Городьки до плотины Саковщинского водохранилища (длина
53 км). Долина хорошо выраженная, трапецеидальная, шириной 3 – 4 км. Склоны пологие, высотой 5–15 м, на участке д. Неровы ― д. Саковщина местами до 30 м, преимущест­венно супесчаные, покрыты смешанным лесом с преобладанием лиственных пород, реже кус­тарником.

Пойма двухсторонняя, луговая, шириной от 300 м до 3 км. Поверхность ровная, местами кочковатая, сложена супесями, реже торфянистая. В период половодья ежегодно затопляется на глубину до 1,5 м, сроком 2–3 недели. В высокое половодье глубина зато­пления достигает 2,5 м.

Русло неразветвленное, сильно извилистое (К=1,17), свободно меандрирующее, шириной 20–35 м. Глубина изменяется в пределах 0,7–3 м (преобладающая 1,5–2,0 м), скорости течения до Саковщинского водохранилища не более 0,4 м/с. Русло чистое, зарас­тает лишь на участке от д. Бартоши до впадения р. Лостоянка, ниже растительность встре­чается в виде прерывистых, узких (до 5 м) полос в прибрежной зоне. Дно ровное, песча­ное. Берега крутые, высотой 2–2,5 м, супесчаные.