-- На главную

-- Русловые процессы

А.Н. Кондратьев
Относительная транспортирующая способность и другие руслоформирующие факторы

2004

Содержание

5.    Этапы развития русловедения

5.1.  Стадии развития научных представлений

В.И. Ленин писал: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике – таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности» (Полн. собр. соч., т. 29, с. 152-153). «Большинство научных дисциплин в процессе своего развития проходят последовательно следующие основные этапы: описание изучаемых явлений и процессов – объяснение – предвидение» (Бисвас А.К., 1975, с. 260).

«Очевидно, что только изучение сущности гидрологических явлений и процессов, с выявлением количественной связи их с породившими факторами природы и деятельности человека, может дать требуемый результат. Генетический подход, применённый к изучению искусственно изменённых водных объектов позволит ответить сразу на два существенных вопроса: как будет осуществлено намечаемое водохозяйственное мероприятие и как следует расположить и построить это мероприятие или сооружение, чтобы в результате создать требуемые качества водного объекта, тот и другой вопросы являются важнейшими для хозяйства»  (Глушков В.Г., 1961).

Р.С. Чалов и др. (2000, с. 9)  в изучении речных русел выделяют три основных периода: 1 – информационный; 2 – эмпирический; 3 – аналитический. Первый период характеризовался накоплением сведений, появлением карт и описанием русел рек в различных литературных, источниках. Второй период позволяет прийти к пониманию некоторых общих закономерностей развития русел и заложить научные основы их регулирования. Третий (аналитический) период – создание теории русловых процессов – русловедения, отрасли знаний, изучающей условия и процессы формирования речных русел, разрабатывающей приёмы и методы их регулирования (Чалов Р.С., 1997).

Ю.С. Мурашковский (2001) выделил следующие стадии развития научных представлений:

1. Отдельные, несвязанные между собой явления. Это простое накопление фактов. Причём характер общности этих фактов может быть любой – всё зависит от личных представлений исследователя.

2. Модели-аналогии: a) «Пустые» модели. Это модели, в которых необъясненные факты или явления пытаются объяснить через другие необъясненные; b) Магические модели. Это модели, в которых: объектам и явлениям приписывается человеческая мотивация;  причиной явлений становятся свойства и действия человека; проводятся аналогии между явлениями и человеческими свойствами; c) Внешние аналогии. Это модели, в которых: причиной явления становятся другие повторяющиеся явления в надсистеме или окружающей среде, совпадающие с ним. В надсистеме или окружающей среде находятся параметры, которые могут подходить для объяснения изучаемого явления; исходная аналогия становится основой для объяснения сложных многоступенчатых явлений; проводятся аналогии с явлениями надсистемы, внешней среды или другого системного ранга.

3. Классификации: a) Внешние классификации. Это классификации по внешним признакам – размерам, форме, цвету и т.п.; b) Внутренние (морфологические) классификации. Это классификации по внутреннему строению.

4. Временные классификации (периодизации). Это классификации явлений по времени их появления или существования.

5. Простые эволюционные модели: a) Однофакторные модели. Это модели, в которых развитие изучаемого явления рассматривается, как непрерывный процесс, происходящий под воздействием одного фактора, который рассматривается, как определяющий. Остальные факторы считаются вторичными, зависящими от главного; b) Модели с разделенным фактором. Это модели, в которых главный фактор делится на две, а затем и на большее число частей; c) Эволюционные модели с главным и вспомогательными факторами. Это модели, в которых дополнительные факторы признаются независимыми от главного, но оказывающими не столь значительное действие.

6. Сложные эволюционные модели (многофакторные). Это модели, в которых развитие изучаемого явления определяется несколькими факторами.

7. Эволюция эволюций. Это модели, в которых закономерности развития изучаемого явления также признаются изменяющимися: a) ускоренная эволюция; b) неравномерная эволюция.

А.Н. Кондратьев (2001г) выдвинул предположение, что ход развития русловедения как науки аналогичен путям развития любой естественной науки и происходит по объективному, не зависящему от воли отдельных людей, пути:

1. Созерцание, наблюдение ("что происходит").

2. Выявление закономерностей, типизация, гипотезы ("как происходит"). Эти этапы развития русловедения пройдены. Детально описаны схемы деформаций русла обособленно в рамках каждого типа русловых процессов.

3. Выявление причин изменений схем деформаций рек от одного типа русловых процессов к другому ("почему так происходит").

4. Система критериев руслообразования всех типов русловых процессов и сведения об изменениях руслоформирующих факторов дадут возможность сделать прогноз изменения схемы деформаций ("что будет").

Это поисковые шаги. Начиная с этого этапа, когда будут найдены законы деформаций русла, появится возможность для построения обоснованных математических моделей.

5. Прогноз русловых процессов под антропогенным воздействием на руслоформирующие факторы ("вот к чему приведет наша деятельность").

6. Активное регулирование русловых процессов ("так надо сделать, чтобы привести к искомому").

Ю.С. Мурашковский предложил рассматривать совместно перечисленные выше периодизации развития научных представлений. Возможно, что на каждой стадии, выделенной Ю.С. Мурашковским, возможно развитие по шагам, предлагаемым А.Н. Кондратьевым.

5.2.  Первые закономерности

Л. Фарг (Fargue L.) (1875) после двухлетних натурных и модельных экспериментах на р. Гаронна предложил совокупность эмпирических положений, отражающих закономерности во взаиморасположении плановых очертаний русла и глубин в равнинных реках.

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 кривизны вниз по течению приблизительно на ¼ суммарной длины плёса и переката.

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

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

5. С увеличением длины кривой глубина сначала возрастает, а потом убывает; для каждого участка реки существует некоторое среднее, наиболее благоприятствующее глубинам значение длины кривой. (А.И. Чеботарев, 1978, с. 285).

Эти закономерности впоследствии были подтверждены на р. Сене ниже Руана, на приморской части р. Шельды и на других реках. С. Лелявский (1961) подробно рассмотрел эти закономерности и предложил их математическую формализацию.

Л. Фарг считал явление сползания универсальным законом развития любых излучин. Закономерности развития излучин, предложенные Л. Фаргом, явились заметным шагом в развитии изучения меандрирующих рек. Хотя эти закономерности сейчас правомерно считаются частными проявлениями, (например, Кондратьев Н.Е. и др., 1975, с. 158), которые нельзя возводить в общий закон, в то же время, при проведении гидроморфологического анализа они, на наш взгляд, используются большинством русловиков.

Долгое время на окончательный выбор трассы фарватера сильное влияние оказывали так называемые «принципы Хартли», сформулированные английским инженером и одобренные на Международном конгрессе по внутренним путям (Париж, 1889 г.). Согласно им при выборе судоходного рукава предпочтение следует отдавать водотоку с наименьшим расходом воды и наносов.

Режимная теория.

Эмпирические исследования, проведённые исследователями в XIX веке, объединение взглядов которых сделал Р. Кеннеди (R.G. Kennedy, 1907), привели к построению так называемой «теории режима», в которой считалось, что русло канала может быть устойчивым не только при непередвигающих скоростях течения, но и тогда, когда на большей части происходит из транспорт донного материала.

Эмпирические результаты были восприняты как схема абсолютных законов, а это привело к тому, что последующее развитие изучения и проектирование каналов в Индии направилось в одно специфическое направление. Одной из причин этого явились неизменно удовлетворительные результаты, получаемые при применении этого метода на практике. Этот метод был официально принят Центральным советом ирригации правительства Индии в 1934 г. (С. Лелявский, 1961).

Такое представление было сформулировано Г. Ласеем (Lacey G., 1930) в виде «режимной теории». Согласно этой теории устойчивым, находящимся в «режиме» может быть русло с определённым соотношением глубины и ширины потока, которое было получено Ласеем на основе натурного материала чисто эмпирическим путём. Поскольку теория строилась на фактическом материале, то какие-то реальные основания для неё должны были иметься. По сути формулы Г. Ласея (v=αR^β, где v – скорость течения воды, R – гидравлический радиус, α, β – коэффициенты)  являлись упрощёнными вариантами формулы Шези. Канал при подвижном дне и тех соотношениях ширин и глубин, которые отвечают формулам Г. Ласея, мог быть устойчивым только при устойчивых берегах. Но такие каналы могут не деформироваться и при других соотношениях ширины и глубины и, наоборот, при неустойчивых берегах каналы не могли быть устойчивыми, будучи даже отвечающими соотношениям Г. Ласея (Кузьмин И.А., 1973).

Формулы Г. Ласея не удержались в практике, но его «режимная теория» оказалась настолько соблазнительной, что жива поныне (Кузьмин И.А., 1973). Многие исследователи вплоть до настоящего времени были непосредственными последователями этой теории или её методов. Например, В.С. Алтунин (1986, с. 18) отмечает «необходимость создания динамически устойчивого русла, сохраняющего свои плановые размеры». Э.Г. Голубовский (1973, с. 275) полагает, что «устойчивой формой поперечного сечения русла может быть принята квадратичная парабола». А.М. Мухамедов и др. (1986, с. 70) считают, что «динамическая устойчивость русла и потока с оптимальными параметрами в режиме ограниченных деформаций обеспечивается при В/Н=20-22.

Продолжительные натурные наблюдения за формированием регулированных русел рек, проведённые Э.И. Михневичем, позволили ему прийти к выводу, что русла в стадии стабилизации (русла динамического равновесия) принимают равноустойчивую форму, представляющую собой параболу с горизонтальной донной вставкой. В таких руслах происходит сбалансированный грунтообмен между потоком и ложем и обратимый процесс переформирования русловых образований по сезонам года, и при этом основные морфометрические параметры русла (ширина по верху В и средняя глубина Н) сохраняются. Русла, запроектированные по указанной методике, сохраняют длительную динамическую устойчивость, обеспечивают заданную пропускную способность и являются наиболее экономичными (Михневич Э.И., 1986 с. 67).

Считается, что параметры динамически устойчивого русла можно определить по гидравлико-морфометрическому методу, основанному на использовании морфометрических зависимостей. Разнообразные формулы предложили М.А. Великанов, В.А. Знаменский, П.А. Шатберашвили, С.А. Аннаев и Х. Аидов, С.К. Ревяшко, В.С. Алтунин, Ю.А. Ибад-Заде, М.М. Селяметов, Э.И. Михневич.

Но такой путь эмпиризма не мог дать решения, которое было бы удовлетворительным в достаточно широких пределах. В результате противоречия между режимным подходом и действительностью посыпались «уточнения» формул Г. Ласея и новые предложения, фактически продолжавшие ту же линию. Кроме чисто эмпирических построений появились попытки «теоретического» обоснования таких форм сечения, которые обеспечивали устойчивость русла при движении руслоформирующего материала.  Но и эти, так называемые «теоретические», подходы фактически уводили исследователей от изучения механизма русловых процессов (Кузьмин И.А., 1973). В ряде случаев к способному перемещаться материалу применялись формулы статической устойчивости частиц (например, построения М.С. Вызго (1955), Ю.Г. Иваненко (1963), Кузьминова Ю.М. (1960) и др.)

Langbein W.B. и Leopold L.B. (1966) получили следующее соотношение: Q~H²B^0,5. С целью разработки методики определения ширин динамически устойчивого русла при прохождении паводковых волн вернёмся к исследованиям Х.М. Полина (1948). Он предложил связь расхода воды с глубиной потока в виде: , где Н_max – наибольшая глубина в поперечном сечении, м; К_Р – коэффициент руслового режима с размерностью с/м (коэффициент плёса). В скрытом виде этот коэффициент выражает связь амплитуды расхода воды с амплитудой колебания уровней воды. При этом кривая Q=f(H), имеющая крутизну , характеризует в диапазоне уровней распластанность сечения русла, то есть ширину по зеркалу воды. По физическому смыслу коэффициент плёса является морфометрической характеристикой.

Для неустановившегося движения и с учётом устойчивости русла К.В. Гришанин (1969) получил зависимость: , где параметр М имеет конкретные численные значения при заилении (подъём уровней) и эрозии (межень). Различен он для плёсовых лощин и перекатных участков.

В других случаях задача решалась чисто гидравлически, за критерий устойчивости без серьёзных обоснований принимались то гидравлически наивыгоднейшие параметры, то максимум числа Фруда и т.п. (Троицкий А.В., 1955; Каримов Р.М. 1965).

Как справедливо отмечает И.А. Кузьмин (1973) во всех этих построениях имелось одно общее: фактически полное игнорирование реальных форм движения твёрдого материала, которым сложено русло. В чисто гидравлических «теориях» роль грунта вообще не учитывается. К тому же формулами Г. Ласея не учитывалась загруженность потока наносами. В силу сказанного формулы Г. Ласея не могли не войти в противоречие с фактами.

Подход, характерный для режимной теории, проник и в динамику русловых потоков, где он принял форму различных систем морфометрических эмпирических зависимостей, связывающих ширину и глубину речных русел. При этом в соответствии со сложившейся системой взглядов для учёта геологического строения русла, в лучшем случае, обычно берётся лишь средний диаметр частиц несвязного грунта, слагающего ложе реки, а то и такая оценка отсутствует. В этих построениях не принимается во внимание тип русловых процессов, тогда как фактический материал говорит о его влиянии на соотношение ширины и глубины русла (Кузьмин И.А., 1973, с. 189).

Вследствие этого подобный морфометрический анализ, отмечает И.А. Кузьмин (1973, с. 189), уводит от действительного изучения русловых процессов. Хуже всего то, что приблизительное сохранение средних соотношений ширины и глубины русла, регулирующихся в ходе непрерывных деформаций ложа потока, воспринимается многими исследователями за факт сохранения общей формы русла, т.е. устойчивости русла (Кузьмин И.А., 1973).

В.П. Троицкий в дискуссии на V гидрологическом съезде сказал: «Можно с определённостью утверждать, что беспредметно заниматься поисками таких форм русел в поперечном сечении, которые бы исключали транспорт руслового материала и деформации русла при скоростях течения в русел, превышающих их предельные неразмывающие значения» (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 351).

Фактически последователями Г. Ласея являются все исследователи, приходящие к использованию морфометрических зависимостей без учёта типа русловых процессов, рассмотрение которых приводится в следующим параграфе.

5.3.  Морфометрические формулы без учета типа русловых процессов

Можно выделить два вида гидроморфологических зависимостей: 1) указывающие земные рамки изменения проявлений русловых процессов – они не приносят особой пользы, потому что в случае, если эти формулы хороши, то они просто отражают земные рамки, и поэтому не имеют прогностической ценности, или даже хуже, если эти формулы плохие; 2) показывающие деление внутри этих рамок – такие формулы полезнее, потому что появляется новая дифференцирующая информация.

Первым шагом по созданию количественных связей, выражающих специфику речного русла, следует считать, по-видимому, морфометрические зависимости В.Г. Глушкова.

Его идеи в дальнейшем развивали многие исследователи, в том числе  В.М. Родевич (1932), М.А. Великанов (1948а), С.Т. Алтунин (1950), И.А. Белинский и Г.П. Калинин (1951), С.Т. Алтунин и И.А. Бузунов (1953), Н.И. Маккавеев (1955), Л.Б. Левановский (1956, 1960), А.Н. Гостунский (1959), Н.А. Ржаницын (1960), Ю.М. Кузьминов (1970), К.И. Россинский (1971), И.А. Кузьмин (1973), А.Н. Бутаков А.Н. (1981), Р.И. Самедов (1981) и многие другие исследователи

Крупные результаты по выводу гидролого-морфологических формул без деления рек по типам русловых процессов получил С.И. Рыбкин, который на основании статистической обработки массового материала пришёл к ряду принципиально новых морфометрических зависимостей, имеющих большое практическое значение.

Сводки гидроморфологических зависимостей приводят Н.Е. Кондратьев и др. (1959), Н.А. Ржаницын (1960), С. Лелявский (1961), И.В. Попов (1969), Р.С. Чалов (1979).

Ниже приведён обзор некоторых морфометрических формул, в которых не учитывается тип русловых процессов. Вывод формул с делением по типам является шагом развития русловедения после выделения самих типов, который будет рассмотрен далее в этой главе.

Без связи с русловыми процессами произведено деление рек по порядку и определение зависимостей некоторых характеристик от порядка реки. Порядок реки представляет собой наиболее общую характеристику размера водных объектов. Многие осреднённые гидрологические характеристики обнаруживают тесную связь с его величиной. Впервые на это обратил внимание Н.А. Ржаницын (1960), который обосновал комплекс расчётных зависимостей для оценки наиболее важных элементов системы поток–русло. В частности, им доказана возможность определения значений относительной глубины водных потоков h/B^* (h – средняя глубина, B^* – ширина потока в межень) по известной величине N.

Зависимость глубины от ширины считается одной из фундаментальных закономерностей (Чеботарев А.И., 1978). Эта зависимость не линейна; возрастание глубины реки по мере увеличения размеров реки происходит медленнее, чем увеличение ширины, приблизительно в следующей зависимости: (где h — средняя глубина, А — коэффициент, зависящий от характера грунтов, B — средняя ширина). Приведённое выражение является производным от морфологического параметра В.Г. Глушкова (1925) . Им указывается, что среднее соотношение между шириной  (В) и глубиной (Н) равнинных рек Г равно примерно 2,75 (Чеботарев А.И., 1978, с. 172). Такое утверждение подчёркивает отсутствие связи с другими характеристиками реки и, что особенно важно, с типом русловых процессов.

Г.В. Железняков (1981, с. 255) делает классификацию типов формул для определения относительной ширины русла. К первому типу формул отнесены те, в основе которых лежит непосредственное использование параметра В.Г. Глушкова. Во втором типе формул относительная ширина русла поставлена в зависимость от безразмерного параметра М.А. Великанова, включающего расход воды, диаметр наносов в донных отложениях, уклон поверхности воды и ускорение силы тяжести. В третьем типе формул относительная ширина русла находится в зависимости от расхода воды, диаметра наносов в донных отложениях и коэффициента шероховатости русла. К этому же типу формул отнесены и такие, в которых отсутствует коэффициент шероховатости, но есть уклон поверхности воды. В четвёртом типе формул используется обратная связь между относительной шириной русла и числом Фруда. И.И. Якуниным (1959) была установлена связь площади живых сечений на гребнях лимитирующих перекатов с водностью и уклонами.

Давней гидроморфологической формулой является формула Шези. Ей присуще большинство достоинств и недостатков, свойственных многим подобным формулам. Среди достоинств – простота, удобство определения исходных данных, получающиеся иногда правильные расчёты. Недостатки – отсутствие связи с типом русловых процессов, неопределённость коэффициента шероховатости, большая ошибка при расчётах наразных реках. Существуют  также рекомендации некоторых исследователей, которые получают формулу, определяющую сам коэффициент Шези через скорость, глубину и уклон. По этим рекомендациям необходимо: «измерить все параметры этого водотока, а потом по некоторой формуле можно рассчитать коэффициент Шези». По нашему мнению, полученное таким образом значение коэффициента Шези, по меньшей мере, бесполезно, так как в процессе подготовки исходных данных уже получены все параметры потока, связываемые формулой Шези.

В связи с тем, что формула Шези на протяжении двух столетий является главным инструментом для описания связей между основными параметрами потока, но, в то же время, ею два столетия не удовлетворены, на её примере можно описать некоторые недостатки, присущие и другим, менее распространённым гидролого-морфологическим формулам:

Существует множество формул для расчета коэффициента Шези С (Горбачев П.Ф., 1936). Обилие формул для описания чего-нибудь всегда является симптомом того, что явление описывается не так, или даже не то явление описывается. Аналогичная ситуация сложилась и с формулами транспорта влекомых наносов.

Формула Шези связывает скорость (v), глубину (h), уклон (I), хотя природой задаются расход (Q), ширина (В) (удельный расход q=Q/В), уклон (I) и некий икс-показатель шероховатости и морфологии русла (X). Традиционно формула Шези записывается в виде v=f(...), хотя следствием является глубина, и должно бы быть h=f(...).Представление формулы Шези в другом виде (с глубиной в левой части) позволяет разделить вклады в сопротивление от разных факторов на доли в виде суммы глубин. Значительно легче изучать вклад в сопротивление слагаемых (в виде дополнительных глубин), чем вид изменения коэффициента Шези (связи) в квадратичной формуле. Формула Шези в таком виде позволяет сделать вывод о разном вкладе уклона, удельного расхода и неизвестного фактора (включающего в себя морфологию и разного рода шероховатость русла) в увеличение глубины.

Замыкаясь в квадратичной связи v~, придумываются такие "изменения" коэффициента Шези, чтобы в любом случае удовлетворить квадратичный вид связи, и "изучить" изменения коэффициента Шези.

 Для выражения коэффициента Шези используют параметры, которые он связывает, что само по себе недопустимо. «Сопротивления» в формуле Шези (в виде коэффициента Шези) на самом деле нет, есть лишь коэффициент связи между основными параметрами потока. Хотя коэффициенту Шези все равно отводится роль "сопротивления". Обычно сопротивление выражают через коэффициент гидравлического сопротивления X, или скоростной коэффициент С, или коэффициент шероховатости п. В то время как существует более легкий и понятный способ выражения сопротивления - через глубину h. Тогда коэффициенту Шези С (или X) остается роль не сопротивления, а лишь коэффициента.

Модификациями формулы Шези являются некоторые другие гидролого-морфометрические формулы. Например, А.Н. Бутаков (1981, с. 321) приводит полученную им зависимость для средней глубины живого сечения русла, которая имеет следующий вид:

.

Здесь П_А – показатель, характеризующий степень взаимодействия водного потока и грунтов ложа реки. Для относительно устойчивых участков речных русел числовое значение показателя П_А изменяется в пределах от 1,1 до 2. Для русел, подверженных значительным сезонным деформациям П_А>2,2.

Н.И. Маккавеев (1955) эмпирическим путём установил связь между кривизной устойчивых извилин речных русел и гидравлическими элементами потока: расходом воды и уклоном , где Q_ф – руслоформирующий расход и I – уклон свободной поверхности при этом расходе (Руководство по проектированию… , 1974).

Имеется также формула Н.И. Маккавеева I=KQ^-2/3, где I – уклон продольного профиля, Q – руслоформирующий расход воды, К – коэффициент, зависящий от среднего уклона реки и характера русла (Калинин А.М., Маккавеев Н.И., 2003). Эта формула может быть использована для вычисления относительной величины палеостока путём сравнительного анализа морфологии древних и современных флювиальных форм (густоты гидрографической сети, конфигурации продольного профиля, размеров меандр и др.).

Разнообразие подходов по выводу и интерпретации результатов полученных формул можно иллюстрировать следующими примерами. Например, Ю.М. Кузьминов (1970) выводит формулу связи амплитуды турбулентности и относительной ширины русла В/h_ср русла и делает вывод, что она достигает максимума в русле динамического равновесия при В/h_ср=34, что характеризуется меньшими абсолютными значениями и колебаниями интенсивности турбулентности. Отсюда делается вывод, что причиной образования меандрирования является относительная ширины русла, потому что, по мнению Ю.М. Кузьминова и Ю.Г. Иваненко (1963), «русло динамического равновесия на своей крайней границе существования характеризует переход в новое качественное состояние руслообразования – формирование криволинейного русла, где динамическая ось искривляется, и наблюдается довольно устойчивая меандра».

Гидроморфологические зависимости для расчёта искусственных земляных русел с учётом физико-механических свойств грунтов, предложенные Р.И. Самедовым (1981), основаны на решении уравнений гидравлики потока и механики грунтов.

Е.К. Рабкова и др. (1970, с. 90) теоретическим путём определяют влияние мутности потока на форму и размеры устойчивого профиля живого сечения русла. Исходя из условия, что устойчивая форма русла определяется площадью живого сечения, обладающая максимальной пропускной способностью, при которой затраты мощности потока на русловые переформирования будут минимальны, выведенный Е.К. Рабковой функционал исследовался на экстремум. Методика теоретических исследований была подобна принятой в работе Ю.А. Ибад-Заде (1959), выполненной для чистого потока. В результате теоретического расчёта получены формулы для построения формы поперечного профиля русла.

Неэффективность гидролого-морфологических соотношений без учёта типа русловых процессов имеет много причин, некоторые из которых уже были перечислены выше. Н.А. Михайлова и Н.С. Шарашкина (1970, с. 15) считают, что «на графиках, полученных по натурным данным и характеризующих зависимости между параметрами русла и потока, всегда имеется большой разброс точек» и объясняют это тем, «что русловой процесс – явление геофизическое. В натурных условиях он определяется рядом факторов, учесть которые полностью не всегда удаётся».

Существующее многообразие формул невозможно охватить даже частично, но стоит согласиться с И.В. Поповым (1965, с. 45), что «Если учесть многообразие форм проявления руслового процесса, каждой из которых свойственны и свои морфометрические и гидроморфологические соотношения, то очевидно, что статистическая их обработка без учёта природных закономерностей деформаций речных русел и пойм представляет собой путь исследования чрезвычайно длительный, трудоёмкий и в конечном итоге достаточно неопределённый, поскольку при такой постановке любые из этих зависимостей не характеризуют непосредственно особенностей деформаций, что особенно важно, плановых, а главное – обходят вопрос о факторах процесса, не вскрывая причинно-следственных связей. По этим причинам разработка морфометрических связей без предварительных морфологических исследований практически оказывается бесперспективной, представляя собой лишь очень грубые схемы».

5.4.  Типизации русловых процессов

В основе типизации русловых процессов лежит закон ограниченности морфологических комплексов (Чалов Р.С., 1997). Формулируя его, М.А. Великанов (1958, с. 58) писал: «Взаимоуправление потока и русла приводит в результате всех деформаций к определённым, наиболее вероятным комбинациям между морфометрическими характеристиками русла и гидравлическими характеристиками потока».

Согласно определению русловых процессов, их типизация должна основываться на различиях в механизмах взаимодействия потока и русла, эрозии дна и берегов, транспорта наносов и их аккумуляции. Эти различия отражаются в морфологии русла и специфике русловых деформаций (Чалов Р.С., 1997, с. 25). Приводя свою классификацию, Р.С. Чалов (1997, с. 52) пишет: «Морфологическая (по внешним признакам) классификация русловых форм должны быть одновременно динамической, а любая ячейка в классификационной схеме, будучи названной морфологически, соответствовать определённой схеме русловых деформаций; наоборот, если такую ячейку называть динамическим термином, то под этим должен подразумеваться вполне определённый морфологический тип русла: извилистое русло и меандрирование, разветвлённое русло и разветвление русла на рукава. Такая классификация является морфодинамической, а составляющие её элементы являются морфодинамическими типами русел и форм руслового рельефа. При таком подходе к типизации русловых процессов меандрирование, разветвление и т.д. представляют собой не типы русловых процессов, а морфодинамические типы русла как одну из форм проявления русловых процессов.

Типизация циклически развивающихся процессов важна потому, что она содержит элементы прогноза. Поскольку макроформы (русла) определяют собой морфологический тип реки, наибольший интерес представляет именно их типизация. Таким образом, «типизация макроформ и есть типизация руслового процесса. При этом речь идёт и о внешнем виде макроформ и о схемах их деформаций» (Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988, с. 276).

Хотя, как утверждает Р.С. Чалов (1996, с. 27), «Как каждый термин несёт определённую условность в своём определении, так и каждая классификация в известной мере условна», следует, всё-таки, воздерживаться от характеристики выделенного участка как смеси, наложения, совместного развития нескольких типов русловых процессов. Иногда можно встретить подобные характеристики: «Весьма часто на одном и том же участке реки наблюдается совместное развитие двух типов руслового процесса. Побочневый процесс нередко комбинируется с незавершённым меандрированием (средняя и нижняя Ока, нижняя Волга), а также с русловой многорукавностью (реки Вычегда, Северная Двина)» (Руководство по проектированию… , 1974, с. 20); «На многих участках наблюдаются комбинации двух или трёх типов процесса» (Руководство по изысканиям …, 1981, с. 20); «На р. Аввакумовке побочневый тип руслового процесса развит на фоне горной многорукавности» (Лихачева Л.А., 1986, с. 53).

А.Б. Клавен и Б.Ф. Снищенко (1985, с. 43) рассуждают на эту тему: «Является ли аномалией совместное существование нескольких типов руслового процесса? Нет, скорее закономерностью, поскольку в природе границы между различными формами проявления одного процесса, определяемого многими факторами, выглядят размытыми, нечёткими. И основная причина столь сложной морфологии русла состоит в многолетних и внутригодовых колебаниях всей совокупности характеристик определяющих факторов».

Иногда выделение разных типов русловых процессов на одном участке может также означать использование неверной типизации. Также, возможно, что одновременное выделение нескольких типов на одном участке означает выделение типов на разных системных уровнях. Это часто случается при характеристике участков, разветвлённых по типу пойменной многорукавности, где на более низком системном уровне можно выделять типы русловых процессов для каждого отдельного рукава.

Такое подразделение по системным уровням имеет большое значение. Например, Н.А. Ржаницын (1984, с. 254) предлагает использовать иерахическую классификацию русловых процессов. Для этого он предлагает делать следующее выделение: 1) преобладающая направленность руслоформирующего процесса: глубинная эрозия, боковая эрозия, аккумулятивные процессы; склоновые процессы являются важным звеном, определяющим процессы формирования водного и наносного режима, с их участием осуществляется сложный процесс саморегулирования элементарной речной системы; 2) типы руслового режима (общие формы речного русла и долины): глубинное врезание, неразвитое (ограниченное) и свободное меандрирование, разветвление, блуждание и дельтовые процессы; 3) типы руслового процесса (типичные формы структурных русловых комплексов): прямолинейное (слабо искривлённое) русло, криволинейное русло (раздвоение потоков, слияние потоков, обтекание островов), сложные русловые комплексы, как сочетание однотипных комплексов (сложные перекаты, разветвления на многие рукава и др.). Например, Е.Р. Зерниц (Усов М.А., 1934) и В.А. Троицкий (1948) предложили типизацию рисунка гидрографической сети (Пиньковский С.И., Попов И.В., 1956).

Первым шагом по типизации рек является деление их на горные и равнинные с выделением промежуточного класса полугорных рек (Маккавеев Н.И., 1955; Чалов Р.С., 1979; Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986), что описано выше в разделе 3.2.

 Существуют различные классификации форм русла (Россинский К.И., Кузьмина И.А., 1947; Андреев О.В., Ярославцев И.А., 1953; Маккавеев Н.И., 1955; Ржаницын Н.А., 1961; Н.Е. Кондратьев Н.Е. и др., 1982; Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986). В некоторых случаях типизацию общих форм русла отождествляют с типизацией русловых процессов. Так, фактически аналогичные формы русла и соответствующие им типы русловых процессов в книге Н.И. Маккавеева и Р.С. Чалова (1986) названа схемой типизации речных русел, а в монографии Н.Е. Кондратьева и др. (1982) – типизацией руслового процесса. Н.А. Ржаницын рассматривает совокупность русловых процессов в качестве элементов режима русел (1985). По мнению Р.С. Чалова (1997) и И.Ф. Карасева и В.В. Коваленко В.В (1992), морфологические типы русел не тождественны русловым процессам, протекающим в них.

Одна из первых классификаций рек – деление рек по устойчивости русла М.А. Великанова (1948а, 1955). 1. Устойчивые реки, протекающие в относительно неразмываемых грунтах или обладающие энергией, недостаточной для существенного размыва русла (например, Енисей). 2. Сравнительно устойчивые реки, русла которых подвергаются периодическим изменениям на отдельных участках, причём величина весеннего наращивания перекатов приблизительно равна величине их меженного углубления; очертания русла колеблются около некоторого среднего значения (например, р. Волга). 3. Малоустойчивые реки, в которых размыв и отложения вызывают изменения глубин русла без заметного изменения очертаний русла рек в плане. Углубления и отложения наносов происходят неупорядоченно, то в одних, то в других местах; расположение и очертание перекатов ежегодно меняются (например, р. Висла). 4. Реки наименьшей устойчивости с большими скоростями течения, протекающие в легко размываемых грунтах. Паводок изменяет не только глубины, но часто и очертание русла, образуя протоки по новым направлениям (например, р. Амударья). 5. Реки, у которых русла в период паводков полностью утрачивают первоначальные очертания, и образуется единый поток воды и наносов, относительно которого понятие морфологических элементов русла утрачивают свой смысл. Сюда М.А. Великанов относит селевые потоки.

Это классификация не была классификацией по типам русловых процессов, потому что из использующихся сейчас типов М.А. Великанов упоминает лишь меандрирующие реки и считает только такие реки естественными в природе. Эта классификация, как и друние, проводимые «по устойчивости», является классификацией рек по количеству наносов (относительно величины реки) и по темпам деформаций. Включение М.А. Великановым в этот ряд кроме просто «устойчивых – неустойчивых» рек ещё и селевых процессов является дополнительным показателем того, что это классификация по количеству (относительно размера реки) наносов. В любом классе рек по устойчивости могут быть как перегруженные, так и недогруженные реки (по относительной транспортирующей способности), т.е. существовать различные типы русловых процессов.  Даже в селях наблюдаются волны, извилистость и разрывы.

К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1950) выделили три способа деформаций: 1) периодическое расширение и сужение русла; 2) «меандрическая» форма, благодаря усилению поперечной циркуляции потока; 3) надвигающиеся сверху гряды не успевают примкнуть к берегам, превращаются в острова и осерёдки и разбивают реку на ряд рукавов. Возникает поперечное блуждание реки в пределах её русла, которое свойственно рекам малой устойчивости. Затем такая формулировка была обобщена тремя определениями для рек, свойственным легкоподвижным грунтам (аллювиальным рекам): периодическое расширение, меандрирование и блуждание (Россинский К.И., 1972в). Похожие  типы выделял и Н.Е. Кондратьев (1954): блуждающее, меандрическое или перекатного типа и разбросанное русло.

Е.В. Болдаков и О.В. Андреев (1956, с. 142-146) выделяли аналогичные типы рек:

1. Равнинные реки первого типа (меандрирующие). По их мнению, механизм и условия образования меандрирующих рек таковы: Образование извилистых русел меандрирующих рек является результатом выноса значительных масс наносов на участок пологого уклона, где основные скопления наносов в виде побочней замедляют своё движение и уширяются вследствие уменьшения транспортирующей способности водного потока. Это немедленно приводит к изменению структуры водного потока: при спаде паводка он «сваливается» в одну сторону, сжимается, и незащищённый движущимися наносами размываемый берег разрушается текущей водой, что приводит к его искривлению. Меандрирующие реки образуются в условиях спокойного одномодального хода изменения расходов воды во времени гидрографа, значительной продолжительности низких вод и прохода паводка вне вегетационного периода, что способствует развитию растительности на поймах и прибрежных участках. Обязательным условием, по их мнению, для образования и развития меандр (петель и извилин русла) является наличие в речной долине широких пойм, сложенных размываемыми грунтами.

2. Равнинные реки второго типа (немеандрирующие). Поступающие сверху по течению структурно перемещающиеся скопления донных наносов смещаются вниз по течению достаточно быстро; при малой кривизне (широкой русловой зоны рек большой водности они не испытывают значительных задержек в своём движении. То есть причиной отсутствия меандрирования, по их мнению, является малая извилистость русла.

3. Блуждающие реки. Реки этого типа образуются при весьма большом выносе наносов с участков большого уклона на участок относительно малого уклона, когда вынос наносов значительно превышает транспортирующую способность реки. На некоторых участках блуждающих рек часть наносов, приносимых сверху по течению с горного участка, оседает при уменьшении уклона, и профиль реки, но непрерывно наращивается по высоте. Избыток донных наносов, приносимых водой сверху по течению, и отложение их приводят к тому, что скопления наносов разрастаются по ширине, происходит размыв берегов русловой зоны. Водный поток, разбиваемый на рукава и направляемый скоплениями наносов, блуждает в собственных наносах, а русловая зона его разрабатывается более широкой, чем это необходимо для транзитного движения наносов.

Н.А. Ржаницын (1984) выделяет типы руслового режима и типы русловых процессов. Основные типы руслового режима рек: 1. Глубинное врезание. 2. Неразвитое меандрирование (встречающиеся термины: ограниченное меандрирование, недеформирующиеся меандры) – переходная стадия, по его мнению, в развитии процесса от глубинного врезания к свободному (неограниченному) меандрированию; характерно многообразие форм, встречающихся на реках. Наиболее типичной формой можно считать следующую: речное русло заметно изогнуто в плане (в виде синусоиды) и размещаются в относительно узкой (по ширине) речной долине трапецеидальной формы (ширина различна, наиболее характерна для этого случая ширина долины, равная пяти-восьми ширинам реки). 3. Меандрирование (свободное меандрирование). Основной процесс – преобладание боковой эрозии. 4. Разветвление. Основной процесс – аккумуляция наносов от весьма слабого до существенного при наличии процессов боковой эрозии. 5. Блуждание. Основной процесс – аккумуляция наносов с одновременным интенсивным процессом боковой эрозии. 6. Дельтовые процессы. Основной процесс – аккумуляция. Основные типы русловых комплексов (русловых процессов): 1. Прямолинейное (или слабо искривленное русло). 2. Криволинейное русло (излучина) а) ограниченный изгиб; б) свободный и частично свободный изгиб; в) вынужденный изгиб. 3. Перекат. 4. Острова. 5. Дельта 6. Сложные формы русла.

В.С. Лапшенков (1986, 1999) речные русла разделил с учётом слагающих их грунтов: А – русла в современном аллювии и Б – русла в унаследованных грунтах (из скальных, связных и торфяных грунтов, из палеоотложений). Анализ размывающей скорости для грунтов аллювиального русла показывает, что частицы гравелисто-галечниковых отложений удерживаются на дне преимущественно силами гравитации, а мелкие песчаные отложения и отложения неуплотнившегося ила сопротивляются смыву, как силами гравитации, так и силами сцепления, причём силы сцепления увеличиваются с уменьшением крупности частиц. Это позволяет выделить русла песчаные (крупностью зёрен до 1 мм) и из крупнозернистых грунтов. Выделен промежуточный тип русла: песчаные русла с гравием. При небольшом содержании гравия в твёрдом стоке (и в отложениях) эти русла при аккумулятивных процессах деформируются как песчаные неустойчивые, а при эрозионных – как гравелисто-галечниковые (крупнозернистые) (Лапшенков В.С., 1986, с. 35).

На основе этих представлений В.С. Лапшенков (1986) выделил следующие типы русел. Аллювиальные русла: тип I – песчаное устойчивое, тип II – песчаное неустойчивое, тип III – песчаное с гравием, тип IV – крупнозернистое устойчивое, тип V – крупнозернистое неустойчивое. Русла в унаследованных грунтах: тип VI – русла в несвязных палеоотложениях, тип VII – русла в связных и скальных грунтах, тип VIII – русла из торфяных грунтов, тип IX – сложные русла (сочетающие 2-3 признака первых восьми типов). Г.А. Куколевский (1986, с. 34) применяет эту классификацию.

Здесь не рассматривались типизации, в которых выделен параметр, закономерно изменяющийся от типа к типу, по которому типы выстроены в причинный ряд. Такие классификации (периодизации) будут рассмотрены далее в этом разделе после морфометрических формул с разделением по типам русловых процессов и графиков, определяющих тип русловых процессов.

5.5.  Морфометрические формулы с разделением по типам русловых процессов

В отличие от морфометрических зависимостей, охватывающих всю совокупность рек или только тех, которые были выбраны отдельными исследователями для построения этих зависимостей, следующим прогрессивным шагом был вывод гидроморфологических с учётом типов русловых процессов и с делением по типам русловых процессов. «Появился новый вид зависимостей – критериальные, которые характеризуют переход русловых процессов из одного типа в другой и позволяют ориентировочно установить их характер на реках с зарегулированным стоком» (Антроповский В.И., 1996, с. 45). «При учёте типов руслового процесса целый ряд уже существующих зависимостей дифференцируется, а следовательно, и повышается точность вычисления определяемых характеристик. Кроме того, появляется целый ряд новых зависимостей, о существовании которых до возникновения типизации руслового процесса нельзя было и подозревать» (Антроповский В.И., 1972а, с. 12).

Одним из распространённых, но не приводящим к отысканию причин существования типов является связь типов русловых процессов с относительной шириной реки. Одними из первых это отметили К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1958), что «форма поперечного сечения русла в легкоподвижных грунтах связана с типом руслового процесса и регулируется поперечным балансом наносов. Наименьшие отношения ширины к глубине русла свойственны меандрирующим руслам, причем это отношение тем меньше, чем круче излучины. Наибольшими отношениями отличаются блуждающие реки. Реки, испытывающие периодические расширения русла, занимают промежуточное положение». К сожалению, подобные формулы связи типа русловых процессов с какими-либо характеристиками бесперспективны. Для отыскания причин формирования русел и получения в руки инструмента осознанного регулирования русловых процессов необходима связь типов русловых процессов с определяющими характеристиками: транспортирующей способностью потока, поступлением наносов, ограничивающими факторами и степенью устойчивости поймы, а не параметрами самого русла.

Например, В.С. Алтунин и Л.И. Ваганова (1981, с. 353) на основе натурных данных по рекам и каналам получили зависимость типа русловых процессов от величины параметра формы русла В/h_ср и руслоформирующего расхода воды Q: В/h_ср=f(Q, тип русловых процессов). При получении этой зависимости использованы данные по 71 гидроствору дальневосточных рек и 5 характерным участкам Каракумского канала. При одном и том же руслоформирующем расходе наибольшее значение параметра формы русла наблюдается у русел с пойменной многорукавностью, и уменьшается для свободно меандрирующих участков, а самое наименьшее  – на прямолинейных участках как рек, так и каналов. Гидроморфологические зависимости между шириной русла В и руслоформирующим расходом воды, средней глубиной h_ср и руслоформирующим расходом воды, полученные для различных типов руслового процесса показали, что тип руслового процесса не зависит от абсолютной величины Q.

Вопрос об условиях перехода одного типа русловых процессов в другой давно занимал исследователей. Известны зависимости Л.Б. Леопольда и М.Г. Вольмана (Leopold L.B., Wolman M.G., 1957), В.В. Ромашина, В.И. Антроповского, которые и схожи между собой, и имеют некоторое различие. Так, в зависимостях Л.Б. Леопольда и М.Г. Вольмана (1957), В.В. Ромашина (1968) и В.И. Антроповского (1973) в качестве критерия, обеспечивающего разделение русловых процессов на типы, используется расход воды, уклон потока или уклон долины, В/Н, число Фруда или даже значение скорости потока. Получаемое распределение точек по зонам разделяет меандрирующие реки от прямолинейных и разбросанных русел (Л.Б. Леопольд, М.Г. Вольман, 1957) или разные типы меандрирования от русловой и пойменной многорукавности (Антроповский В.И., 1973; Ромашин В.В., 1968).

Н.С. Знаменская (1992, с. 187) критикует упомянутые зависимости: «Выбор определяющих критериев при этом не соотносился с третьим принципом системного подхода, что не обеспечивало соответствие выбранных критериев уровню организации системы и, как следствие, приводило к получению частных зависимостей».

В.И. Антроповский (1996, с. 46) считает, что зависимости между количественными характеристиками русел и руслообразующими факторами (например, зависимости С.Т. Алтунина, К.В. Гришанина, А.Н. Крошкина и др.) позволяют установить в первом приближении конкретные значения всех характеристик при данном типе русловых процессов. Оценка типа русловых процессов, гидравлических и морфометрических характеристик (определяющих пропускную способность реки) с помощью указанных зависимостей показана на примере ряда участков зарегулированных рек (Антроповский В.И., 1973, 1992а, 1994; Нежиховский Р.А., Антроповский В.И., 1987). Часто это делается по связям расходов воды и уклонов (Чалов и др., 1998), а также по соотношению энергетических характеристик и диаметра наносов или относительной глубины русла. Так, зависимость Г. Паркера (Parker G., 1976) выражается соотношением I/Fr = f(h/B), где I – уклон, Fr=v²/(gh) – число Фруда, В – ширина русла, v – скорость течения.

И.Ф. Карасев (1975, 1995) разработал критерий квазиоднородности потока , по которому, как он утверждает, можно определить принадлежность русла к определённому типу: при θ>9 поток делится на структурно обособленные струи, и возможно формирование разветвлённого русла; при значениях θ<4,5 в извилистом русле наблюдается тенденция нарушения безотрывного обтекания берегов. Таким образом, типичному меандрирующему руслу соответствуют значения 4,5<θ<9. Построение графика в координатах и  , сделанное К.М. Берковичем и др. (2003) для ряда рек России, Китая и Польши, большинство из которых подвержены тем или иным антропогенным нарушениям русел, с нанесением на него кривых, соответствующих θ=9 и θ=4,5, показало, что размещение точек достаточно адекватно  отражает морфодинамический тип русел. Можно видеть, что точки, отвечающие нижним бьефам плотин на реках, разветвлённых на рукава, по которым имелись данные повторных наблюдений (Обь, Висла), с течением времени смещаются в зону неразветвлённых (меандрирующих) русел. Реки с прямолинейным и меандрирующим руслом, испытавшие сильное нарушение в ходе разработки русловых карьеров (Ока, Белая), оказались по гидравлико-морфометрическим параметрам близкими к врезанному руслу верхней Лены в районе Ленских щёк. Таким образом, можно полагать, что в результате регулирования стока и глубинной эрозии возникает тенденция изменения русла, которая иногда усиливается искусственно (р. Енисей) (Беркович К.М. и др., 2003).

Г.П. Кумсиашвили и Р.С. Чалов (1990) теоретически получили критерий устойчивости границы раздела водных масс для широких русел: Ri>z=2.25-2a<0, где a – корректив количества движения (коэффициент Буссинеска). Они считают, что параллельно-рукавные разветвления встречаются в широких распластанных руслах, в которых поток разделяется на две ветви, формируется граница раздела. Если  это условие выполняется, то в широком мелком русле образуется область плавно изменяющегося течения, простирающегося на десятки километров. Поперёк этой полосы слабо выражен турбулентный и конвективный перенос импульса количества движения и вещества, о чём свидетельствует вертикальная граница раздела мутности двух потоков. Например, на верхней Оби ниже слияния Бии и Катуни в левом (катунском) рукаве мутность меженного потока составляет 200-300 мг/м³, тогда как правого (бийского) – 20-40 г/м³. Вдоль этой границы раздела происходит аккумуляция наносов посередине русла (Чалов Р.С., 1997). Можно предположить, что транспортирующая способность Катуни больше, и она справляется с транспортом наносов, а при слиянии с Бией по линии их воздействия транспортирующая способность падает, что приводит к аккумуляции наносов.

Н.С. Знаменская (1992) в качестве определяющих для построения критериальной зависимости активных русловых процессов использованы гидравлические критерии плановой и глубинной устойчивости и , из которых каждый или их части использовались другими исследователями для аналогичных целей. Ранее (Знаменская Н.С., 1976) было показано, что параметр , разделяющий разные области активных русловых процессов – ленточно-грядовый, побочневый и осерёдковый, путём несложных преобразований приводится к виду, который учитывает отношение Q_m/Q, если транспортирующая способность потока выражается по формуле А.В. Караушева. Ограничивающие факторы учитываются другой частью этого параметра. Таким образом, параметр Zn оказался критериальным, учитывающим условия смены типов русловых процессов с помощью определяющих факторов и справедливым для активных процессов (Знаменская Н.С., 1992).

Одним из вариантов развития гидролого-морфометрических формул было предложение использовать в них обеспеченные величины параметров. Для определения нормы (средних значений) характеристик в пределах морфологически однородных участков рек в проектных условиях наряду с существующими гидроморфологическими зависимостями могут быть использованы связи равнообеспеченных значений характеристик в безразмерном виде (Алексеев Г.А., 1989). В частности, средние значения глубины приближённо могут быть установлены не только по эмпирическим формулам И.И. Якунина (1954), Н.Б. Барышникова (1959) и К.В. Гришанина (1974), но и с помощью связей равнообеспеченных значений модульных коэффициентов глубин (К_h) и ширины (К_В) русла реки (Антроповский В.И., 1990а).

5.6.  Графики, определяющие тип русловых процессов

Неразрывно с гидролого-морфометрическими формулами, свойственными определённым типам русловых процессов, и на их основе разрабатывались графики, на которых в поле некоторых координат выделялись области, свойственные  разным типам русловых процессов.

При выделении морфодинамических типов русел важно определить условия их существования. Л.Б. Леопольд и М.Г. Вольман (Leopold L.B., Wolman M.G., 1957), впервые используя анализ QI-диаграмм, установили критический уклон меандрирования (Чалов Р.С., 1997, с. 61). Первым из отечественных учёных, обративших внимание и оценивших по достоинству критериальный график американских учёных Л.Б. Леопольда и М.Г. Вольмана (1957), был И.И. Якунин (1961). Указанными исследователями было установлено, что меандрирующие реки переходят в прямолинейные и разветвлённые русла при определённом сочетании уклонов и средних из максимальных годовых расходов воды.

В последующем такой график был построен В.В. Ромашиным (1968, 1969). Он установил, что переход свободного меандрирования в незавершенное происходит при QI = 400, где I – уклон дна долины в промилле (‰). Произведение QI, равное 1300-1400, по данным В.В. Ромашина, свидетельствует о смене при больших расходах воды незавершённого меандрирования пойменной многорукавностью, а при больших уклонах – русловой многорукавностью.

Среднее значение показателя QI=1070 (при Q=3150 м³/с и I=0,34 ‰) для реки Селенга на графике В.В. Ромашина (1968) соответствует неустойчивой зоне, где сходятся три типа руслового процесса (по типизации ГГИ) – незавершённое меандрирование, пойменная многорукавность и русловая многорукавность. По мнению А.Б. Клавена и Б.Ф. Снищенко (1985 с. 43), существование одного устойчивого типа руслового процесса было бы возможно только при коренном изменении характеристик руслоформирующих факторов, в частности Q и I. Так, переход к «чистой» пойменной многорукавности возможен при уменьшении I и увеличении Q на порядок, а переход к «чистой» русловой многорукавности – при увеличении I и уменьшении Q также на порядок. Критериальность мощности потока QI отмечал также В.И. Антроповский (1972а).

К этому критерию также обращались Г.А. Куколевский (1988) и М.А. Карсон (1984). Но М.А. Карсон отрицает критериальный характер функции QI, считая, что она зависит от крупности аллювия. Г.А. Куколевский в качестве критерия для типизации русловых процессов принял нормированную (безразмерную) форму: G = (QI)_рф/(QI)_N, где числитель отнесён к руслоформирующим расходам воды, а знаменатель – к характеристике реки порядка N, при котором заведомо обеспечена стабильность неразветвлённого русла и приняты условия устойчивости потока: Q=50 м³/с; I=0,001.

В.И. Антроповский (1972а) утверждает, что разделение точек, относящихся к участкам с различным типом руслового процесса, наблюдается, если хотя бы по одной из осей графика откладывается уклон или выражение, зависящее от него. «При одном и том же расходе воды наибольшей удельной кинетической энергией обладают водотоки с русловой и пойменной многорукавностью, меньшей – водотоки с незавершенным меандрированием и самой маленькой – водотоки со свободным меандрированием» (Антроповский В.И., 1972а, с. 15). Используя метод множественной линейной корреляции, он вывел зависимости C=f(τ), w=f(Q) и V_ср=f(I).

Для среднеазиатских рек с интенсивными русловыми переформированиями характерно наличие плохой связи уклонов водной поверхности с расходами воды (или уровнями), а иногда и полное отсутствие таковой. Р.А. Шестакова (1963) выявила зависимости С=f(I) для нескольких групп участков рек, отличающихся по своей величине, степени зарастаемости и морфологии.

Методом множественной корреляции были получены уравнения регрессии вида Q=f(B, h_ср) отдельно для различных типов русловых процессов. Этим же методом установлены зависимости вида Q=f(B, h_ср, I) (Антроповский В.И., 1972б). И.И. Якуниным (1959) ранее была выведена формула такого же вида, но без учёта типа руслового процесса.

В другой работе В.И. Антроповского (1972а) были рассмотрены гидроморфологические зависимости вида В=f(Q, I), h_ср=f(Q, I) и v_cp=f(Q, I), которые были предложены Н.А. Белинским и Г.П. Калининым, А.В. Караушевым, С.Т. Алтуниным (1962), А.Н. Крошкиным (1970). Поскольку в них фигурирует уклон водной поверхности, то В.И. Антроповский сделал вывод, что эти зависимости дифференцируются при учёте типа руслового процесса.

Из рассмотрения этих уравнений можно заключить, что влияние уклона водной поверхности I на ширину русла В незначительно. Поэтому для участков русел с незавершённым меандрированием и многорукавных русел были получены уравнения вида B=f(Q). Ранее (Антроповский В.И., 1968) отмечалось, что зависимости такого простейшего вида предлагались Ласеем, Петтисом, Бленчем и Кингом. Подобные же зависимости предлагались С.Т. Алтуниным (1962) и Л.Б. Левановским (1960). Зависимости Леопольда и Маддока переведены в метрическую систему мер В.Н. Михайловым (1965).

Там же (Антроповский В.И., 1968) рассматривались зависимости вида В=f(Q, I, n), h_cp=f(Q, I, n) и v_cp=f(Q, I, n), к которым относятся зависимости С.И. Рыбкина. Н.А. Белинского и Г.П. Калинина, В.Н. Гончарова, О.В. Макриновой. Л.Б. Левановского (1960), С. Эсеналиева (1962).

5.7.  Классификации (периодизации) русловых процессов

Классификация (от лат. classis — разряд, класс и facio — делаю, раскладываю) система соподчиненных понятий (классов объектов) какой-либо области знания или деятельности человека, часто представляемая в виде различных по форме схем (таблиц) и используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для точной ориентировки в многообразии понятий или соответствующих объектов. Классификация должна фиксировать закономерные связи между классами объектов с целью определения места объекта в системе, которое указывает на его свойства.

Подлинно научная классификация должна выражать систему законов, присущих отображенному в ней фрагменту действительности, которые обусловливают зафиксированные в классификации свойства и отношения объектов. Их систематизация призвана учитывать тот факт, что в природе нет строгих разграничений, и переходы от одного класса к другому – неотъемлемое свойство действительности.

По мнению С. Ялина (Jalin S., 1972), любая классификация должна так или иначе отражать происхождение каждого выделенного класса форм и условий их превращения одного в другой. Такие классификационные связи обычно называют критериальными, поскольку они несут дополнительную причинно-следственную нагрузку. Н.И. Маккавеев и В.С. Советов (2003, с. 175) пишут, что «Необходимо пойти по пути типизации явлений речного быта применительно к интересующей нас задаче. Ясно, что для решения этой задачи необходимо знать процессы формирования речных русел и создающие их силы и уметь правильно обнаруживать и классифицировать эти процессы».

Даже в классификации относительно просто устроенных форм имеются проблемы. Главной из них является то, что в процедуре генетической группировки всегда теряется их «генетическая индивидуальность». Так, называя речную долину речной, «мы приписываем ей сразу экзогенное, да ещё флювиальное происхождение и как бы не замечаем весьма существенной роли в происхождении речных долин неэкзогенных и нефлювиальных факторов» (Генезис рельефа, 1998, с. 23).

В классификации русловых процессов, предложенной в ГГИ и подробно описанной во многих книгах (Руководство по проектированию…, 1974; Руководство по изысканиям…, 1981; Кондратьев Н.Е. и др., 1982; Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988 и др.), выделена следующая основная линия типов русловых процессов: 1 – ленточногрядовый тип; 2 – побочневый тип; 3 – меандрирование ограниченное; 4 – меандрирование свободное; 5 – меандрирование незавершённое. К этой основной линии примыкают два дополнительных типа: 1-а – русловая многорукавность, представляющая дальнейшее развитие ленточногрядового типа, и 5-а – пойменная многорукавность, рассматриваемая как дальнейшее развитие незавершённого меандрирования (Кондратьев Н.Е. и др., 1975). Иногда эта последовательность всех семи типов представляется в один столбец. Указывается, что типы выстроены в таком порядке, что при переходе от русловой многорукавности к свободному меандрированию транспортирующая способность уменьшается. То есть русловая многорукавность, по ГГИ, имеет наибольшую транспортирующую способность.

Последовательность переходов от свободного меандрирования до ленточногрядового типа характеризуется уменьшением извилистости русла, т.е. более полным использованием уклона земной поверхности. При прочих равных условиях это связано с увеличением транспортирующей способности. Логично предположить, что при естественном или искусственном изменении твёрдого стока река меняет свою извилистость и тем восстанавливает динамическое равновесие. Когда такое средство увеличения транспортирующей способности исчерпано и оказывается недостаточным, река переходит в последний, крайний тип – в русловую многорукавность. В этом случае увеличение транспортирующей способности достигается изменением формы поперечного сечения русла. Ширина его резко увеличивается при соответствующем уменьшении глубины. При снижении уровня воды в межень средние русловые формы частично обсыхают и образуют системы осерёдков (Кондратьев Н.Е. и др., 1975).

По мнению И.В. Попова (1965), факторы, способствующие увеличению транспортирующей способности при переходе от одного типа руслового процесса к другому, различны. Переход от ленточногрядового типа руслового процесса к русловой многорукавности (осерёдковому типу) связан с расширением русла, что повышает его пропускную способность, так как, несмотря на уменьшение глубины и скорости течения, увеличивается фронт перемещения наносов. Увеличение же транспортирующей способности при переходе от пойменной многорукавности к незавершённому меандрированию  и далее последовательно к ленточногрядовому типу связан со всё более полным использованием потоком уклонов дна его долины. Действительно, если при ленточногрядовом типе руслового процесса уклоны дна долины и свободной водной поверхности потока практически совпадают, то при ограниченном и свободном меандрировании уклоны свободной водной поверхности благодаря извилистости русла во всё большей мере становятся меньшими, чем уклоны дна долины и, следовательно, не используются потоком. При незавершённом меандрировании и пойменной многорукавности, по-видимому, имеет место некоторое выравнивание разницы между уклонами свободной водной поверхности и уклонами дна речной долины. (Попов И.В., 1965).

Н.С. Знаменская Н.С. (1976) критиковала эту типизацию с точки зрения увязки типов русловых процессов с определяющими факторами. Она показала, что последовательность расположения типов русловых процессов в типизации Кондратьева и Попова не соответствует монотонному изменению транспортирующей способности, а также не отвечает последовательности их превращений одного в другой.

Если в первых работах ГГИ указывалось, что типизация относится только к равнинным рекам, а затем говорилось, что выделенные семь типов являются основными типами (Кондратьев Н.Е. и др., 1982), то в «Рекомендациях по размещению… (1981) утверждалось, что на горных реках тоже могут быть выделены эти типы, но с некоторыми отклонениями: «Выделенные типы руслового процесса могут быть установлены на большинстве рек ССР. Разнообразие местных природных условий не исключает возможности обнаружения на отдельных речных участках деформаций, не предусмотренных данной типизацией. Наиболее вероятными районами таких отклонений могут явиться горные области и районы с проявлением вечной мерзлоты». В последней книге, в которой были изложены основы этого подхода (Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988), говорится, что  «анализ картографических и аэрофотосъемочных материалов, проведённый при создании гидроморфологической теории для типизации руслового процесса, показал, что всё его разнообразие может быть сведено к семи основным типам».

А.В. Чернов (1983), анализируя типизацию пойм, которую делает И.В. Попов в соответствии с типизацией русловых процессов ГГИ, отмечает: «Прямое соединение разновидностей пойм, по Р.А. Еленевскому, и типов русловых деформаций ГГИ является искусственным». Кроме того, серьёзные возражения вызывает и сама типизация русловых деформаций (Чалов Р.С., 1980). Основное возражение оппонентов гидроморфологической теории ГГИ заключается в том, что в ней в один ряд поставлены морфологические образования, которые могут быть отнесены к разным системным уровням. Например, А.В. Чернов пишет, что классификация типов русловых процессов ГГИ наиболее распространена, «однако в ней недостаточно чётко проведено выделение видов горизонтальных русловых деформаций, не учтены физические особенности развития излучин. Так, в одном ряду находятся развитые побочни перекатов, меандрирование и пойменная многорукавность, несмотря на то, что побочневый тип русловых деформаций подразумевает смещение крупных гряд перекатов (с их побочнями), присущее большей части рек и лишь различающееся по своему характеру в зависимости от общих русловых деформаций, а пойменная многорукавность развивается на любых реках независимо от того, меандрируют они либо разветвляются на рукава» (Чернов А.В., 1983, с. 31).

И.Ф. Карасев и В.В. Коваленко (1992, с. 91) к семи равновесным типам, выделенным Н.Е. Кондратьевым и И.В. Поповым, добавляют два неравновесных состояния – направленную аккумуляцию и врезание (всего 9 типов). «Типы II-VIII выделены Н.Е. Кондратьевым и И.В. Поповым и относятся к участкам динамического равновесия, где поступление и удаление наносов практически сбалансированы, а коренные породы русла прикрыты чехлом руслоформирующих отложений». Типы I и IX ввёл И.Ф. Карасев применительно к направленным деформациям русла – соответственно глубинному врезанию и аккумуляции наносов (Караушев А.В., 1977; их в числе других элементов руслового режима рассматривает и Н.А. Ржаницын, 1985). Тип IX соотносится с такими аккумулятивными образованиями, как устьевые и внутренние бары на реках (Бутаков А.Н., 1988).

Д.В. Снищенко (Прокачева В.Г. и др., 1982) на основе типов русловых процессов, выделенных в гидроморфологической теории ГГИ, предлагает некоторые дополнительные разновидности типов, среди которых есть видоизменения типов (горная русловая многорукавность, наледная многорукавность), а также самостоятельные типы (сток по мари).

Б.Ф. Снищенко (1979; 1980; Кондратьев Н.Е. и др., 1982) в развитие идей гидроморфологической теории ГГИ предположил, что ограничивающий фактор играет основную роль в формировании русел рек:  «В основу объяснения причин образования и существования в природе разных типов современных речных русел положена гипотеза о связи типов макроформ со степенью ограничения гидродинамической неустойчивости речной струи боковыми склонами долины».

В качестве показателя ограничения амплитуды плановых колебаний русла Б.Ф. Снищенко ввёл отношение B₀/B (В₀ – ширина дна долины, В – ширина русла в бровках). При ширине долины, равной удвоенной амплитуде свободно развивающихся излучин, происходит переход к ограниченному меандрированию, а при ширине долины, близкой к ширине русла, оно становится прямолинейным или следует изгибам долины.

В извилистом русле средний уклон потока I меньше среднего уклона поверхности дна долины (поймы) I₀. По мере стеснения потока склонами долины и его выпрямления I→I₀, а соотношение I₀/I как соотношение потерь энергии в потоках разной степени извилистости, так же как и В₀/В, по мнению Б.Ф. Снищенко, характеризует переходные типы русел между свободно меандрирующими и прямыми. На обширном материале  были определены отношения А₁=В₀/В, А₂=I₀/I и В_пр/В (В_пр – ширина пояса руслоформирования). Анализ, проведённый Б.Ф. Снищенко, показал, что в условиях неизменного жидкого стока при В=const сближение склонов долины приводит к последовательному переходу от свободного меандрирования к русловой многорукавности в порядке, отличном от ранее рассматриваемого в гидроморфологической теории ГГИ, а именно: осерёдковый тип, побочневый тип, ограниченное меандрирование, пойменная многорукавность, незавершённое меандрирование, свободное меандрирование (рис. 5.1).

С этими предложениями в некоторой степени согласен А.В. Чернов: «Относительно широкими поймами отличаются меандрирующие реки с крутыми петлеобразными излучинами; извилистые реки с сегментными и более пологими излучинами формируют поймы меньшей ширины, а наименьшей относительной шириной отличаются поймы разветвлённых рек. Объясняется это тем, что на меандрирующих реках сам процесс продольного и поперечного смещения излучин определяет вовлечение в русловые деформации большие по площади участки дна долины» (Чернов А.В., 1983, с. 72). Их поддерживает и С.И. Горелов: «Наиболее характерными особенностями руслового процесса являются: тесная зависимость между процессом меандрирования, изменением ширины днища речных долин и расположением боковых притоков» (Горелов С.К., 1981, с. 291).

И.В. Попов, напротив, отмечает, что могут быть случаи, когда меандрирующая река не занимает даже малой доли ширины долины: «Современные переформирования русла охватывают не всю ширину дна долины одновременно, а происходят только на определённой её части, которая составляет для исследованной реки всего около 16 % от общей ширины дна долины» (Попов И.В., 1955, с. 29). Это подтверждают мезолитические памятники, открытые на поймах рек, что говорит об отсутствии миграций речного русла на некоторой части поймы в исторический период.  Мезолитические памятники на территории Литвы, открытые и исследованные Р.К. Римантене (1971), обычно располагаются на низких террасовых уровнях (на первой надпойменной террасе и на пойме). Стоянки располагаются на аллювиальных террасах Верхней Волги и Оки (Кольцов Л.В., 1965). Значительное число памятников мезолита известно в бассейнах Средней Волги и Камы, где эти памятники приурочены преимущественно к первой надпойменной террасе и к песчаным всхолмлениям в пределах поймы (Косменко М.Г., 1977). Также существуют многочисленные примеры, когда в широких долинах существуют прямые, а не извилистые реки. Также в широких долинах могут быть и разветвлённые русла: «Хуанхэ формирует своё русло на участке выноса наносов из узкой долины, причём поперечный профиль её днища резко расширяется в 10 раз. В результате отложения огромное количество наносов сформировался аллювиальный «веер», в пределах которого русло продолжает отлагать наносы и непрерывно блуждает» (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 13).

Рис. 5.1. Сравнение классификаций типов русловых процессов по ГГИ.

И.Ф. Карасев и В.В. Коваленко (1992, с. 94), анализируя предложения Б.Ф. Снищенко, отмечают, что «В структуру критериев А₁ и А₂ непосредственно не входит водный фактор, а между тем в работе (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) он охарактеризован как «единственный активный». В то же время, возникают практические трудности использования критериев А₁ и А₂, вызванные некоторой неопределённостью параметров В₀ и В_пр, на что, в частности, указывает Н.А. Ржаницын (1985)».

Б.Ф. Снищенко считает, что роль ширины дна долины в образовании типа русла решающая. Тем не менее, он указывает, что в его последовательности типов происходит изменение суммарного расхода (взвешенных и влекомых) наносов. Типы руслового процесса расположены в каждой классификации в разном порядке и объясняются разными определяющими факторами. В классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова типы выстроены по предполагаемому изменению транспортирующей способности потока, а в классификации Б.Ф. Снищенко – по изменению расхода наносов (рис. 5.1).

Эти порядки типов различаются не значительно, различие заключается в положении незавершённого меандрирования и пойменной многорукавности. В классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова эти два типа руслового процесса находятся в конце списка, а в классификации Б.Ф. Снищенко – в середине. Для согласования этих классификаций достаточно удалить из обоих перечней типов эти разветвлённые русла (рис. 5.1) – незавершённое меандрирование и пойменную многорукавность. Такое удаление разветвлённых русел из ряда типов руслового процесса, в котором они выстроены по изменению транспортирующей способности, правомерно. Потому что изменение транспортирующей способности или расхода наносов не приводит к разработке пойменных проток. Образование пойменных проток обусловлено другим фактором (см. далее).

И.Ф. Карасев и В.В. Коваленко (1992, с. 95) показывают, что «Отношение уклонов I₀/I можно заменить коэффициентом извилистости русла К_изв, легко определяемым по топографическим картам: К_изв = L_p/L₀, где L_p и L₀ – соответственно длина русла и протяжённость участка по оси пояса руслоформирования». При таком подходе зависимость типа русловых процессов от коэффициента извилистости сводится к тому, что извилистые реки чаще являются меандрирующими, а реки с малым коэффициентом извилистости – не меандрируют. К этому ещё добавляется и то, что «значения А₁ и А₂ теряют своё различие при побочневом типе и русловой многорукавности, т.е. оба критерия практически вырождаются» (Карасев И.Ф., Коваленко В.В., 1992, с. 95).

А.В. Чернов (1983, с. 31) считает, что классификация русел, предложенная Р.С. Чаловым (1979), лишена указанных недостатков. В основу морфодинамической классификации речных русел Р.С. Чалова (1979), положен характер русловых деформаций. Она позволяет решать задачу – по морфологическому облику русла, то есть по информации, достаточно доступной, определять характер русловых деформаций, с тем, чтобы соответствующим образом ориентировать применение тех или иных методов регулирования.

В наиболее полном виде эта классификация представлена в монографии (Работа водных потоков, 1987) и несколько раз модернизировалась (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986; Чалов Р.С., 1979, 1987, 1996). Согласно ей общие особенности русловых деформаций определяются геологическими условиями, в частности размываемостью слагающих долины горных пород. При отсутствии ограничивающих факторов русловые деформации могут быть сведены к двум основным видам: меандрированию и разветвлению на рукава. Им соответствуют извилистые и многорукавные русла. Промежуточным (переходным) типом являются разветвлённо-извилистые русла.

При достижении излучиной кривизны, соответствующей коэффициенту искривления l/L=1,6, где l – длина русла по излучине, L – её шаг, она достигает критического состояния: продолжающееся искривление русла приводит к ослаблению эрозионно-транспортирующей способности потока (Маккавеев Н.И., 1955). Создаются предпосылки к спрямлению русла: излучина либо спрямляется, если условия прохождения руслоформирующих расходов (выше пойменных бровок) способствуют разработке спрямляющих проток, либо, если таких условий нет, продолжает искривляться, несмотря на уменьшение эрозионно-транспортирующей способности реки. В этом случае спрямление русла происходит при достижении излучиной формы петли за счёт размыва её шейки.

В соответствии с указанными условиями Р.С. Чалов выделяет два подтипа меандрирующего русла: с петлеобразными излучинами (и поперечным их перемещением) – на реках, где спрямление излучин при их критической кривизне затруднено, и с сегментными излучинами (и преобладанием продольного их перемещения) – на реках, где спрямление излучин происходит при превышении ими критической кривизны (Чернов А.В., 1983, с. 32).

Таким образом, морфодинамическая классификация речных русел может быть представлена в виде системы блоков, каждый из которых соответствует уровню развития русловых процессов и форм их проявления; русловые процессы предыдущего блока образуют фон, на котором происходят процессы руслоформирования каждого следующего блока.

Верхний блок классификации включает «геоморфологические» типы русел – широкопойменные, адаптированные и врезанные, выделение которых основывается на геолого-геоморфологических факторах русловых процессов; каждому из них  соответствует определённое соотношение между шириной русла b_p и шириной поймы В_п. Чем больше дефицит наносов, тем интенсивнее врезание, тем уже дно долины и вероятнее образование беспойменного врезанного русла. Другим критерием выделения геоморфологических типов русла является соотношение между шириной дна долины В_д (пойма + русло) и пояса блуждания русла (меандрирования, разветвления) В_м(р). Если В_д = В_м(р), то русло является адаптированным; при В_д > В_м(р) – широкопойменным, В_д < В_м(р) – врезанным.

Следующий блок представлен собственно морфодинамическими типами русла: излучинами (меандрирование), разветвлениями (русловая многорукавность), относительно прямолинейным, неразветвлённым руслом со всеми их разновидностями. Каждый из типов может развиваться на фоне тех или иных макроформ, быть широкопойменным (для излучин широко используются термины «свободные излучины» или «свободное меандрирование», адаптированными (соответственно, «вынужденные», «адаптированные» и «вписанные излучины») или врезанными (для излучин – «врезанные излучины»).

В последнем варианте морфодинамической классификации (Чалов Р.С., 1996) выделен дополнительный блок – типы русел по составу руслообразующих наносов, а также, например, пойменно-русловые разветвления, описанные на Амуре и идентифицированные с аналогичными разветвлениями на других реках (Махинов А.Е. и др., 1994).

Л.Б. Леопольд и М.Г. Вольман (Leopold L.B., Wolman M.G., 1957), впервые используя анализ QI-диаграмм, установили критический уклон меандрирования. А.М. Алабян (1992) физический смысл QI-диаграмм связывает с изменениями мощности потока N (на единицу его длины): N=rgQI. Чем выше и правее в поле диаграммы располагается точка, тем большему значению мощности потока она соответствует. Для широкопойменных русел на QI-диаграмме выделяются области развития меандрирующих, разветвлённых и относительно прямолинейных, неразветвлённых русел. При этом имеется переходная область, в которой среди меандрирующих русел преобладают русла с прорванными излучинами и встречаются разветвлённые русла. Последнее подтверждает определяющую роль Q_Ф верхнего интервала (при затопленной пойме) как в образовании русловых разветвлений, так и сохранении пойменных ответвлений, возникающих в процессе эволюции как меандрирующих, так и разветвлённых русел. Это же относится к прорванным излучинам, образование которых происходит при достижении соотношения l=1.6L и при прохождении Q_Ф выше пойменных бровок. С этим, в какой-то мере, соглашаются А.Б. Клавен и Б.Ф. Снищенко (1985, с. 43). «Так, для формирования пойменной многорукавности необходимы значительная водность и достаточно большое затопление поймы. … Для развития же осерёдкового типа процесса требуются меньшие значения указанных характеристик».

А.М. Алабян (1992, с. 6-7), полагая, что руслоформирующая деятельность потока происходит во все фазы водного режима, а произведение Rp рассматривая как показатель её интенсивности в многолетнем разрезе, предлагает «расчленить» площадь эпюры на секции, соответствующие тем или иным характерным чертам типа русла и русловым формам, образование которых определяется мощностью потока. Этот приём осуществляется посредством проведения в поле координат Q~Rp трёх горизонтальных линий, секущих площадь эпюры и соответствующих значениям расхода воды при которых: 1) происходит выход воды на пойму – «линия поймы» (предложенная ранее Р.С. Чаловым); 2) достигается значение QI=0,1, достаточное для формирования осерёдковой разветвленности – «линия осерёдков»; 3) достигается значение QI=0,4, достаточное для формирования русловой и «пойменной многорукавности».

Из этих соображений А.М. Алабян (1992, с. 16) делает вывод, что разветвлённость может проявляться на трёх основных структурных уровнях: на уровне грядовых форм движения наносов – осерёдковая разветвлённость; на уровне формы русла (таксонометрический ранг излучины) – русловая многорукавность; на уровне мегаформы (элемента речной долины – поймы) – пойменная многорукавность. Различные уровни разветвлённости могут быть «вложены» друг в друга, то есть проявляться одновременно, или же существовать в сочетании с другими морфодинамическими типами русла – извилистым и относительно прямолинейным неразветвлённым, а также – с побочневой, ленточно-грядовой и другими формами движения наносов. Таким образом, в классификации А.М. Алабяна разветвлённые типы русловых процессов определяются разным расположением отметки максимума руслоформирующих расходов относительно особых линий (уровней).

А.В. Караушев (1972, с. 23) предложил динамическая классификацию, которая построена на учёте направленности фоновой деформации русла. Согласно этой классификации русла делятся на три типа, которые в свою очередь подразделяются на группы в зависимости от особенностей процесса. Основным критерием, применяемым в классификации, является общая направленность процесса: размыв, заиление, динамически устойчивое состояние. Эти данные могут быть получены по материалам многолетних русловых наблюдений на больших участках рек. Направленность руслового процесса определяется соотношением фактического расхода наносов P_S и транспортирующей способности потока P_Sтр. Обе эти величины оцениваются при так называемом руслоформирующем расходе воды, т.е. расходе, отвечающем малой обеспеченности, порядка 5-10%.

К типу I относятся эрозионные русла; для потоков, протекающих в них, характерен дефицит наносов (P_S<P_Sтр). Русла типа I делятся на две группы: 1) эрозионно-устойчивые русла, сложенные в прочных (скальных) породах; и 2) размываемые русла, сформированные размываемыми грунтами. Для первой группы характерно весьма медленное насыщение потока наносами по его длине, даже при очень большом дефиците наносов. Потоки второй группы насыщаются на коротких расстояниях.

Тип II – динамически устойчивые русла, сложенные подвижными аллювиальными отложениями, но не подвергающиеся однонаправленным деформациям (врезу или намыву) или деформируемые весьма слабо. Русла этого типа подразделяются на две группы: 1) равновесные русла, совершенно не подвергающиеся врезам и намыву (P_S=P_Sтр), и 2) квазиустойчивые русла, развивающиеся в условиях лишь приближённого соответствия между величинами P_S и P_Sтр. Здесь тенденция общего врезания русла или аккумуляции наносов на больших участках реки проявляется крайне медленно, хотя и сохраняет определённую направленность. Рассматриваемая группа может быть подразделена на две подгруппы: а) квазиустойчивые русла с тенденцией к врезанию и б) квазиустойчивые русла с тенденцией к намыву.

К типу III (переставить порядок) принадлежат заиляемые (заносимые) наносы, формирующиеся при перегрузке потока наносами (P_S>P_Sтр); в процессе отложения перегрузка наносами вдоль потока уменьшается, что является следствием уменьшения величины P_S.

Однофакторные классификации типов русловых процессов являются значительным шагом вперёд, потому что позволяют выявить руслоформирующие факторы, ответственные за формирование совокупности типов. Учёт этого фактора даёт возможность прогноза изменения типа русловых процессов при изменении этого фактора. Следующим шагом в развитии русловедения является совместное рассмотрение нескольких руслоформирующих факторов (многофакторные классификации).

5.8.  Многофакторные классификации русловых процессов

Под многофакторными классификациями понимаются классификации, в которых учитывается влияние нескольких определяющих факторов. Примерами таких классификаций могут быть классификация Р.С. Чалова (1999), в которой одновременно рассматривается форма русла и ограничивающее влияние относительной ширины долины, классификация Н.С. Знаменской (1988), в которой совместно рассматриваются разные формы активных русловых процессов и получающиеся из них формы пассивных типов русловых процессов при редукции руслоформирующих расходов, и классификация Б.И. Гарцмана и М.С. Карасева (2002), в которой одновременно рассматривается влияние геологических и гидрологических факторов, но в их классификации нет выделения ортогональных определяющих осей, все факторы отложены вдоль единого порядка типов. В главе 8 будут показаны другие возможные виды многофакторных классификаций русловых процессов.

Выше была описана иерархическая классификация типов русловых процессов Р.С. Чалова. Здесь, при рассмотрении многофакторных классификаций, особое внимание обращается на его двухфакторную типизацию (рис. 5.2), в которой морфодинамические типы – излучины (меандрирование), разветвления (русловая многорукавность) и относительно прямолинейные, неразветвлённые русла развиваются в  широкопойменых условиях (для излучин широко используются термины – свободные излучины или свободное меандрирование), узкопойменных условиях (соответственно, вынужденные и адаптированные излучины) и беспойменных (для излучин – врезанные излучины) (Чалов Р.С., 1997).

Рис. 5.2. Двухфакторная классификация типов русловых процессов Р.С. Чалова.

Каждый морфодинамический тип русла представлен различными модификациями (подтипами), отражающими морфологический облик русел и особенности их деформаций. В классификационной схеме эти модификации соотносятся со свободными, адаптированными или ограниченными условиями развития русловых деформаций, поскольку последние во многом определяют возможность развития тех или иных форм излучин, разветвлений или прямолинейного, неразветвлённого русла (Чалов Р.С., 1997).

Н.С. Знаменская подразделяет типы русловых процессов на пассивные и активные процессы. К активным типам ею отнесены осерёдковой, ленточногрядовый и побочневый типы. (В последней работе (Знаменская Н.С., 2002) из пассивных типов был убран осерёдковый тип). Все остальные типы, по мнению Н.С. Знаменской, образуются после катастрофических деформаций, которые проходят в виде активных типов русловых процессов. Все остальные пассивные типы образуются в унаследованных границах, оставшихся после развития реки по активному типу (рис. 5.3). Например, из осерёдкового типа получается русловая многорукавность, а  из побочней – меандрирование. Формирование осерёдков и русловой многорукавности различается своей активностью, а поэтому их следует относить к разным процессам. Формирование русловой многорукавности протекает в унаследованном осерёдковом русле, где между реликтовыми островами-осерёдками формируются осерёдки меньшего размера, которые способны смещаться по типу активного перемещения вниз по течению, тогда как осерёдки, унаследованные в это время, повергаются регрессивному движению вверх по течению и местной деформации.

Рис.  5.3. Упрощённая схема типизации руслового процесса Н.С. Знаменской.

Смена активных типов процесса связана с изменением Q_m/Q. Отношение расхода донных наносов к жидкому расходу представляет собой, таким образом, критерий перехода от осерёдкового процесса к побочневому, далее к ленточно-грядовому и гладкой фазе движения наносов, приводящей к блужданию русла. Для пассивных типов русловых процессов одного критерия оказывается недостаточно. В этом случае существенную роль играют «ограничивающие условия» в виде тех унаследованных форм русла, которые сохранились в нём от более интенсивного активного режима. При одинаковом отношении Q_m/Q в зависимости от того, в каких первоначально сформированных границах происходит этот процесс, будет проявляться либо тот, либо иной вид меандрирования, пойменная или русловая многорукавность (Знаменская Н.С., 1992, с. 189).

В качестве определяющих для построения критериальной зависимости активных русловых процессов Н.С. Знаменской (1992, с. 189) использованы гидравлические критерии плановой и глубинной устойчивости и , из которых каждый или их части использовались другими исследователями для аналогичных целей. Ранее (Знаменская Н.С., 1976) было показано, что параметр , разделяющий разные области активных русловых процессов – ленточно-грядовый, побочневый и осерёдковый, путём несложных преобразований приводится к виду, который учитывает отношение Q_m/Q, если транспортирующая способность потока выражается по формуле А.В. Караушева.

Область пассивных русловых процессов на графике Н.С. Знаменской оказалась областью, где перемешаны без разделения все пассивные русловые процессы. Это означает, что гидравлически нет принципиальной разницы в условиях транспорта донных наносов для пассивных русловых процессов – их индивидуальность определяется заданными (унаследованными) границами и условиями повторяемости тех или иных гидрологических ситуаций. Для разделения этих типов требуется введение дополнительных, не гидравлических критериев: унаследованности русловых форм и гидрологической изменчивости жидкого и твёрдого стоков.

5.9.  Моделирование русловых процессов

В современном русловедении используется математическое и физическое (гидравлическое) моделирование.  Физическое моделирование основано на сходстве законов, описывающих развитие натуры и модели. Математическое моделирование основано на описании процесса при помощи математических уравнений, которые затем в разной степени программируются для расчётов с помощью электронных машин или другими способами. В связи с этими определениями, можно предположить, что коренного различия между физическим и математическим моделированием нет. Во-первых, если понята суть процесса на том иерархическом уровне, который исследуется, то тогда нет проблем для создания как физической, так и математической модели. Во-вторых, для них нужны одинаковые исходные данные. Различия заключаются в том, что на математической модели можно быстрее рассчитать множество вариантов, а на физической – воочию увидеть процесс. В связи с тем, что в настоящее время суть русловых процессов не раскрыта, то часто исследование процесса подменяется исследованиями на другом системном уровне. Как при физическом моделировании, так и при математическом моделировании чаще всего это заменяется исследованием гидравлики потока.

Физическое моделирование русловых процессов.

К настоящему времени есть достаточно много предложений как в части методического обоснования (и, в частности, выработки условий подобия), так и в части технического обеспечения модельных исследований. Назовём здесь предложения Ф. Винкеля (1926), Х. Фогеля (1933), М.З. Абрамова (1933), Х. Крамера (1934), И.В. Егиазарова (1935), А.П. Зегжды (1938), М.А. Великанова (1955). О.В. Андреева, И.А. Ярославцева, Г.А. Малютина (1958), И.И. Леви (1960), С.Т. Алтунина (1949, 1955), В.С. Алтунина (1967, 1972), А.В. Караушева (1948), В.К. Дебольского, Л.Д. Коган, Н.А. Михайловой (1976), И.К. Никитина (1980), В.А. Скрыльникова (1977, 1978), Д.М. Де Вриса (1969), Р.А. Аккерса (1973), М.С. Ялина (1973, 1977), Дж. Цвамборна (1965, 1966), М.А. Михалева (1975, 1982, 1989), Дж. Шарпа (1984), В.М. Лятхер и А.М. Прудовского (1984), Н.С. Знаменской (1976, 1992), А.Б. Клавена (1996).

Большинство исследований сводится к изучению только активного агента – движущейся воды («твёрдые» неразмываемые модели). Рекомендации М.С. Ялина, Дж. Цвамборна, Н.С. Знаменской учитывают микроформы руслового рельефа в транспортировании наносов. В работах О.В. Андреева, И.А. Ярославцева, Г.А. Малютина (1958) и М.А. Михалева (1989) указывается о необходимости воспроизведения на модели подвижных форм руслового рельефа подобных таковым на моделируемом участке реки. Предложения по учёту взаимодействия грунта, руслового потока и подрусловой фильтрации высказаны А.Б. Клавеном (1996). Им, кроме традиционных гидравлических критериев (обычно использующихся чисел Рейнольдса и Фруда) предложен критерий подобия взаимодействия потока и русла. З.Д. Копалиани и другие учёные разрабатывают методы моделирования с применением заменителей частиц донных наносов. Из последних монографий можно привести обобщающих работу Н.С. Знаменской (1992).

Математическое моделирование русловых процессов.

Многие исследователи русловых процессов склоняются к мысли, что русловедение ещё не достигло той стадии развития русловых процессов, когда можно создавать математические модели. «Задаваться вопросом, по какому пути пойдёт математизация русловых процессов, преждевременно» (Великанов М.А., 1948а, с. 484). «Установление количественных закономерностей этих характеристик… представляет сложную задачу, успешное решение которой может быть найдено только на основе достаточно строгого аналитического описания общего процесса руслоформирования. Однако в ближайшее время едва ли можно ожидать законченных решений в разработке общей теории руслоформирования». (Факторович М.Э., 1970, с. 35). Н.Б. Барышников и И.В. Попов И.В. (1988) отмечают, что «саморегулирование системы поток – русло, учитывающее очень большое количество как главных, так и второстепенных факторов, осуществляется по сложным, пока ещё неизученным законам, выяснение которых позволит разработать математическую модель такой системы».

С этим стоит согласиться, потому что основной причиной отсутствия математики в современном русловедении является то, что русловедение находится на таком этапе своего развития, когда, с одной стороны, имеется много противоречивых объяснений развития русла и существования различных видов русел, но, с другой стороны, среди них ещё нет приемлемой гипотезы. Нет общепринятых закономерностей развития русел и изменения их типов (Знаменская Н.С., 1992). Существование, например, около 30 гипотез причин существования меандрирования рек только ухудшает ситуацию и показывает глубину тупика, в который попала наука.

В то же время активно развиваются гидродинамические математические модели, которые являются моделями не русловых процессов, а течения воды в реке. Существуют многочисленные попытки распространения этого подхода на расчёты деформаций русла. Эти модели являются моделями на уровне «дно–струя», и поэтому их применение для расчётов деформаций реки не правомерно.

Расчёту гидравлических характеристик потока на основе математических моделей посвящено много исследований, и имеется ряд работ по численным расчётам конкретных водных объектов (Васильев О.Ф. и др., 1963, 1970; Лятхер В.М., 1981). Подробную классификацию методов гидравлических расчётов в естественном русле дал М.С. Грушевский. Методам и особенностям гидравлических расчётов в естественном русле посвящены труды большого числа исследователей: Н.Б. Барышников, О.Ф. Васильев, С.К. Годунов, М.С. Грушевский, Г.В. Железняков, Б.Л. Историк, Г.П. Калинин, В.А. Федосеев, Д.В. Штеренлихт и др. Наибольшее распространение в практике водно-транспортных расчётов получили модели И.А. Шеренкова (1978), В.М. Селезнева и В.В. Фильчакова (1978, 1984) и их модификации.

Для дискретизации уравнений планового движения начинает активно применяться метод конечных элементов. Работа в этом направлении проводятся в ВЦ РАН и ЦНИИ Транспортного строительства и других организациях: Корявов (1983); В.В. Беликов и А.Н. Милитеев (Милитеев и др., 1989); Г.Л. Гладков и К.С. Таужнянский (1996); Н.Р. Грачев (1996); А.А. Зайцев и др. (2003). В последнее десятилетие уделяется особое внимание созданию детерминистических моделей формирования водной эрозии, основанных на уравнениях гидродинамики и описывающих неустановившееся течение двухфазного потока «вода–наносы» по поверхности склонов и в водотоках (Кондратьев С.А., 1988).

В поисках закономерностей формирования речных русел как основы создания общей теории русловых процессов исследователи идут различными путями. За границей такие работы сводятся главным образом к объяснению причин меандрирования и связанных с ними явлений. Чаще всего в них используются математические построения, основанные на чисто внешнем сходстве явлений, сопровождающих русловой процесс, с физически более простыми явлениями – колебательными движениями, явлениями отражения (Exner F.M., 1925; Wundt W., 1941, Hjülström F., 1942).

Расчётно-аналитические модели предлагали Н.Е. Кондратьев (2000), Н.Р. Грачев (1983, 1985, 1987), В.И. Замышляев (1983, Замышляев и др., 1988), А.М. Алабян (1991), М.И. Гендельман (2002) и др. В работах Н.Р. Грачева предлагаются аналитические модели плановых деформаций излучин. В результате исследования геометрических и динамических свойств полученного решения удаётся теоретическим путём установить ряд морфометрических зависимостей, которые ранее не были известны, либо получались эмпирически (Замышляев В.И. и др., 1986, с. 26).

Согласно модели размыва берегов на излучине, предложенной А.М. Алабяном. величина размыва у за время Т, определяемая из условия баланса наносов у размываемого берега Y=(h+H)=q_п×Т, где h – глубина русла, Н – высота надводного уступа берега, q_п – поперечная составляющая удельного расхода наносов, м³/с. Отсюда скорость размыва С=y/T=q_п/(h+H).

Математическое моделирование меандр на основе ограниченного случайного блуждания произведено А. Сурканом и Д. Каном (Surkan A.J., Kan J., 1969). Авторы разработали модель с учётом автокорреляции между соседними сегментами меандр, а также зависимости между величиной дисперсии направления потока и его уклоном. Эта зависимость доказывается с помощью корреляционного анализа, матриц вероятностей и расчёта величины стандартного  отклонения кривизны меандр как функции направления. Последний метод позволяет объяснить наблюдающуюся обычно асимметрию системы меандр как результат эродирующего действия однонаправленного потока (Борсук О.А., Спасская И.И., 1974).

Арсенал методов русловых расчётов может быть пополнен статистическими (вероятностными) методами, применяемыми в инженерной гидрологии. Это обеспечивается тем, что, хотя русловые процессы вызываются вполне определёнными причинами, однако, вследствие многофакторности последних, сопровождающихся проявлением элементов случайности; связь русловых процессов с причинами их возникновения может быть сильно ослаблена, и оценка влияния конкретной причины может оказаться практически невозможной (Антроповский В.И., 1996, с. 48). Наличие для каждого морфологического элемента русла кривой распределения делает неоднозначным естественные морфологические комплексы, размеры русловых форм варьируют в широких пределах. В общем случае можно оценить только параметры кривых распределения морфометрических характеристик русла. Это приводит к возникновению нового перспективного направления в теории и приложениях русловых процессов – изучению стохастических закономерностей взаимодействия потока и русла (Сидорчук А.Ю., 1992, с. 102).

Однако И.Ф. Карасев и В.В. Коваленко (1986) предостерегают, что вариативность руслоформирующих эффектов, приводит к «размытости» критериальных границ различных типов русловых процессов (Карасев И.Ф., Коваленко В.В., 1986). Стохастический подход распространить на русловые расчёты предлагали также Ю.В. Писарев (1989) и В.В. Коваленко (2002).

5.10.                   Выводы и перспективы развития русловедения

Анализ этапов развития русловедения показал, что пока нет полноценного понимания развития речных русел. Поэтому переход к математическим моделям ещё преждевременен.

В настоящее время существует несколько классификаций типов русловых процессов, в которых типы выстроены по одной или двум руслоформирующим осям. Применение генетических классификаций даёт в руки инструмент прогноза, а затем и управления русловыми деформациями.

Однако одномерные классификации грешат односторонностью, потому что в них все типы стараются уместить на одной определяющей оси. Двумерные классификации требуют дальнейшего развития. В ближайшем будущем необходим переход к новым двумерным классификациям, которые дадут расширенное понимание причин образования типов русловых процессов и причин превращения типов.

Стоит обратить внимание, что во всех рассмотренных двухфакторных классификациях определяющие факторы являются дробями (отношениями). В настоящей работе рассматривается ещё один руслоформирующий фактор – относительная транспортирующая способность – который тоже является отношением.

В следующей главе рассматриваются составные части этого отношения: транспортирующая способность потока и поступление наносов, затем рассматривается диссимметрия как движущая сила и объединение этого фактора с другими руслоформирующими факторами.

Далее...

Содержание