-- На главную

-- Русловые процессы

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

2004

Содержание

1.    Введение

Настоящая работа посвящена рассмотрению руслоформирующих факторов, оказывающих влияние на образование и изменение типов русловых процессов равнинных рек.

Производится поиск таких руслоформирующих факторов, которые при разной степени их проявления обуславливают формирование нескольких разных типов русловых процессов. Такие факторы помогают найти причины существования некоторых типов русловых процессов и их взаимных превращений при изменении соотношения баланса между составными частями руслоформирующих факторов.

Используемые положения системного подхода требуют выявления независимых проявлений руслоформирующей деятельности факторов на разных системных уровнях. Рассматривается относительная транспортирующая способность (соотношение между транспортирующей способностью и поступлением наносов) как один из руслоформирующих факторов.

Доказывается необходимость учёта относительной транспортирующей способности не только на системном уровне «река–водосбор», где её влияние выражается в изменении продольного профиля реки, и не только на системном уровне «вода–грунт», где её влияние выражается в местных размывах и намывах, но и на системном уровне «поток–русло», как одной из причин образования меандрирующих и разветвлённых по типу русловой многорукавности русел.

Многофакторность русловых процессов приводит к необходимости объединения альтернативных гипотез и совместному анализу независимых руслоформирующих факторов. Предложены двухфакторные таблицы, являющиеся проекциями многомерного пространства определяющих факторов типов русловых процессов на определяющую руслоформирующую ось относительной транспортирующей способности и оси других руслоформирующих факторов.

1.1.  Актуальность. Требования практики

Актуальность выяснения причин изменений типов русловых процессов объясняется тем, что закономерности изменений русел рек в рамках определённых типов русловых процессов достаточно известны и используются при прогнозе русловых деформаций. А причины и закономерности изменения типов при изменении баланса между руслоформирующими факторами изучены не достаточно.

Особенно остро это ощущается в настоящее время, когда реки находятся под возрастающим и слабоконтролируемым и многоплановым антропогенным воздействием.

На территории бывшего СССР протекает около 2 900 000 рек и других естественных и искусственных водотоков (Корзун В.И., Соколов А.А., 1973, с. 5).

Эрозионно-аккумулятивные процессы наиболее чутко реагируют на изменения условий поверхностного стока воды, вызванные как климатическими осцилляциями или тектоническими движениями, так и деятельностью человека (Эрозионные процессы, 1984). Поскольку центр Русской равнины в последние 300 лет практически не испытывал сколько-нибудь существенных климатических колебаний (Колебания климата…, 1988), а тектоническая ситуация в пределах Русской платформы была стабильной, то почти все изменения интенсивности эрозионно-аккумулятивных  процессов были вызваны антропогенным воздействием (Голосов В.Н. и др., 1995, с. 16-17). На отдельных участках рек края скорость плановых перемещений русла превышает 100 м/год, а высотные деформации составляют несколько десятков сантиметров. (Дьячков В.Н. 2003, с. 86).

В качестве примера можно привести ставшую уже хрестоматийной историю строительства БНС-2 (береговая насосная станция) Комбината химических волокон (Попов И.В., 1965), которую сразу же после окончания строительства стало заносить песком. Свежим примером подобного неучёта русловых процессов является строительство подводного перехода магистрального газопровода через р. Чумыш. На участке этого перехода крупномасштабные берегоукрепительные работы начались уже на следующий год после ввода его в эксплуатацию.

Во время катастрофического наводнения на р. Тисе был почти полностью разрушен г. Сегед. Причина, его вызвавшая, весьма поучительна. Некогда Тиса имел чрезвычайно извилистое русло при малом уклоне. Извилистость русла реки была столь велика, что при протяжении её долины 560 км, длина его составляла 1180 км. Во время высоких половодий и паводков воды реки разливались по широкой пойме и затопляли громадные площади, чуть ли не четверть всей территории Венгрии. В XIX веке были предприняты громадные работы по спрямлению русла реки, его обвалованию, постройке разгрузочных каналов и осушению поймы. В 120 местах произвели спрямление излучин, в результате чего длина русла реки сократилась на 480 км. На спрямлённых и углубленных участках русло стало пропускать больше воды (Гинко С.С., 1977, с. 42).

История регулирования русла р. Рейн на участке от г. Базеля до г. Мангейм. В марте 1812 г. немецкий инженер Тулла разработал проект гидротехнического строительства на Рейне для борьбы с наводнениями. Задолго до этого на реке неоднократно проводились работы по защите от наводнений, её русло в ряде мест было спрямлено и ограждено дамбами, под защитой которых местное население осваивало пойму. Рейн в прошлом представлял собой беспорядочное сплетение проток и русел, образовавших бесчисленные острова. Только на баденском отрезке реки насчитывалось две тысячи островов. В пределах государства Баден 5 городов, 37 деревень и 5 поместий попадали в зону затопления при авариях земляных дамб. В соответствии с проектом Туллы Рейн был спрямлён. Все меандры и старицы были отсечены от основного русла дамбами, пороги взорваны, река получила новое искусственное ложе. Произошло то, что и ожидалось: река промыла и углубила своё собственное русло, и паводки стали проходить при более низких уровнях. Опасность наводнений снизилась. Староречья и отсечённые меандры высохли, и появилась возможность осушать болота. В 18 местах было произведено спрямление реки, что сократило длину её русла со 135 до 85 км; на верхнем участке река была укорочена с 219 до 188 км. Спрямлённый Рейн стал бунтовать. Скорость течения в верхнем течении реки возросла до 3-4 м/с, что значительно затруднило судоходство. Движение донных наносов в реке стало беспорядочным. Русло её начало неудержимо углубляться. В отдельных местах Рейн за оно столетие углубил своё русло в галечниковом ложе на 5, а местами даже на 10 м. Снижение горизонтов воды привело к тому, что Рейн стал играть роль колоссальной дрены, вызвавшей резкое снижение уровня грунтовых вод (Гинко С.С., 1977, с. 93).

В середине июля 1956 г. на р. Аламедин, которая находится в г. Фрунзе, проходил дождевой паводок с максимальным расходом Q_макс=18 м³/с. Ничего примечательного в этом нет, в прошлом бывали паводки с расходом Q_макс=47 м³/с. Однако несмотря на обычный ход событий, уже за четыре дня до максимума создалась угроза железнодорожному мосту. Причина заключалась в том, что ниже моста в течение двух лет производилась выемка гравия для нужд строительства города, в результате чего возросли уклон дна и скорость течения  в районе моста, и начался интенсивный размыв русла. В спешном порядке в 20 м ниже моста реку перегородили временной дамбой, насыпанной из щебня и укреплённой брёвнами. Дамба на какое-то время приостановила размыв русла. Однако вскоре она была прорвана, и скорость течения у опор моста снова резко возросла. В конце концов, угрозу мосту удалось устранить, но какой ценой! С моста были сброшены несколько локомотивов и вагонов, бетонные плиты, крупный металлический лом, камни (Нежиховский Р.А., 1988, с. 51-52).

1.2.  Цель работы

«В настоящее время наука о переформированиях речных русел ещё не достигла такого уровня, когда только по внешним проявлениям руслового процесса можно было бы определять его причины и механизм и безошибочно предсказывать дальнейшее его развитие» (Гендельман М.М., 1988, с. 11). «Точная формулировка условий, при которых развивается тот или иной тип руслового процесса, является пока затруднительной» (Руководство по проектированию… , 1974, с. 18). «Сложной, малоизученной и вместе с тем очень острой остаётся проблема прогнозирования руслового процесса на реках со значительно нарушенным водным режимом. В ряде случаев стремление реки вернуться к режиму динамического равновесия приводит к изменению типа руслового процесса» (Кондратьев Н.Е. и др., 1975, с. 168).

На данном этапе развития русловедения, когда не выяснены закономерности изменений типов русловых процессов и поэтому нет данных для построения обоснованных математических моделей, решением проблемы должно стать построение обоснованных классификаций русловых процессов, которые связывают многообразие типов русловых процессов в виде различных по форме схем (таблиц). Они могут использоваться  как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для точной ориентировки в многообразии типов. 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. 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.

Для выяснения связей типов русловых процессов надо проанализировать изменения типов русловых процессов под воздействием изменений руслоформирующих факторов. Такие изменения могут происходить 1) во времени, например, р. Зея у «Белых Гор», которая раньше меандрировала, при подмыве песчаных склонов оказалась перегружена и изменила свой тип русловых процессов на русловую многорукавность, или 2) по длине участка, например, на реках зоны БАМа (Д.В. Снищенко). Она выделила участки рек, на которых происходит переход от одного типа русловых процессов к другому из-за изменений, происходящих на вышележащем водосборе. По аэрофотоснимкам выявляется и причина, вызывающая изменения; в основном это связано с уничтожением растительного и почвенного покрова после пожаров и вырубок (особенно в зоне многолетней мерзлоты) и последующей сезонной перестройкой стока воды и наносов (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 329).

Целью работы является обоснование выделение относительной транспортирующей способности как фактора, который на системном уровне «поток–русло», определяет формирование и изменение типов русловых процессов в таком порядке «меандрирование –прямые русла – русловая многорукавность».

Рассматривается совместное влияние этого руслоформирующего фактора и других факторов на изменения типов, предлагается двухфакторная таблица типов русловых процессов.

Цель работы, изложенная выше, составляет и её научную новизну.

1.3.  Структура работы

Для подтверждения или опровержения основной цели настоящей работы – выяснения роли относительной транспортирующей способности потока как одной из причин образования и изменений типов русловых процессов по линии «меандрирование–русловая многорукавность» во второй главе рассмотрены основные понятия, связанные с условиями существования рек вообще, как объекта географической среды, приведены некоторые определения понятия «русловые процессы» и перечислены закономерности, используемые ранее и на настоящем этапе развития русловедения. Упомянуто понятие «динамического равновесия» и выделены системные (структурные) уровни, на которых проявляются русловые процессы.

В третьей главе «Типы русловых процессов и форм русел равнинных рек» сказано о делении равнинных рек на врезанные (беспойменные) и широкопойменные, описаны три проявления направленности русловых деформаций, рассмотрены основные и некоторые особые типы русловых процессов, приведены обзоры существующих гипотез причин образования различных типов русловых процессов, подробнее рассмотрены гипотезы генезиса меандрирования. Показано, что гипотезы, претендующие на объяснение только одного типа русловых процессов, не имеют перспектив. Продемонстрировано влияние составных частей относительной транспортирующей способности (транспортирующей способности потока и поступления наносов) на формирование русел.

В четвёртой главе «Руслоформирующие факторы» описаны различные флювиальные и нефлювиальные руслоформирующие, роль в руслоформировании поймы и ограничивающих факторов. Среди нефлювиальных факторов сделан обзор источников питания реки наносами и необходимость учёта всего водосбора («нанососбора») для адекватного учёта источников и количества поступающих наносов. Все факторы оказывают влияние на составные части относительной транспортирующей способности, уменьшая, увеличивая или ограничивая степень из проявления.

В пятой главе «Этапы развития русловедения» на основе стадий развития научных представлений, описанных Ю.С. Мурашковским, выделены стадии, характерные для русловедения. Показано, что в настоящее время хорошо развиты однофакторные классификации и намечается переход к многофакторным типизациям. Переход к математическому моделированию будет возможен только после адекватного понимания механизма изменений типов русловых процессов под воздействием изменений руслоформирующих факторов.

В шестой главе «Транспортирующая способность потока и расход наносов» приведены определения этих понятий и «поступления наносов, иллюстрирована разница между этими понятиями и взаимосвязи между ними. Приведены формулы расчёта и методы измерения транспортирующей способности потока и расхода наносов, описаны эксперименты, натурные наблюдения, анализ которых приводит к выводу об отсутствии надёжных приборов, методов, формул и данных по расходу наносов и транспортирующей способности потока. Решением является переход от абсолютных значений к отношениям, которым и является относительная транспортирующая способность.

В седьмой главе на основе принципа диссимметрии В.В. Митрофанова и принципа Ле Шателье показана возможность применения относительных параметров для описания русловых процессов. Форма русла является ответной реакцией системы «поток–русло» на изменение главных руслоформирующих факторов и направлено на уменьшение диссимметрии. Приведены примеры применения других относительных параметров. Извилистость и разрывы иллюстрированы другими физическими явлениями, причинами которых тоже являются различные диссимметрии.

В восьмой главе «Объединение альтернативных гипотез» сделано объединение относительной транспортирующей способности с другими руслоформирующими факторами.

В девятой главе «Виды воздействий на русло и алгоритм прогноза изменений типа русловых процессов» сделан краткий обзор антропогенных руслоформирующих факторов, в частности тех, которые влияют на изменение транспортирующей способности потока и поступление наносов в реку. Предложен алгоритм прогноза изменения типа русловых процессов на основе объединения оценки изменения и влияния четырёх диссимметричных руслоформирующих факторов

В заключении приведен обзор выводов по всем главам.

Далее...

Содержание