-- На главную

-- Русловые процессы

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

2004

Содержание

10.           Заключение

В настоящей работе проведено рассмотрение руслоформирующих факторов, оказывающих влияние на образование и изменение типов русловых процессов равнинных рек.

Среди них выделена относительная транспортирующая способность – отношение транспортирующей способности потока к поступлению наносов на рассматриваемый участок реки.

Доказывается необходимость учёта относительной транспортирующей способности на системном уровне «поток–русло», как одной из причин образования меандрирующих и разветвлённых по типу русловой многорукавности русел.

Для этого основные понятия, связанные с условиями существования рек вообще, как объекта географической среды, перечислены основные закономерности, которые использовались ранее или на настоящем этапе развития русловедения. При значительном изменении определяющих факторов река превращается в другой природный объект. Упомянуто понятие «динамического равновесия» и выделены системные (структурные) уровни, на которых проявляются русловые процессы: «река–водосбор», «русло–поток», «струя–грунт», «вода–песчинка». Понятие динамического равновесия и связанные с ним понятия неравновесности и нарушения равновесия более подробно рассмотрены в виде принципа диссимметрии В.В. Митрофанова и принципа Ле Шателье.

Среди несколько определений понятия «русловые процессы» правомерно использовать более широкое, которые рассматривают широкий спектр явлений и процессов, влияющих формирование русел. В настоящее время наука о русловых процессах оформилась в науку – русловедение.

Сделан обзор некоторых существующих закономерностей, используемых разными исследователями в прошлом и настоящем. Среди них необходимо выделить принцип  эмерджентности, заключающийся в несводимости законов развития элементов системы к сумме законов развития её частей (подсистем).

Закон взаимодействия потока и русла трансформировался в закон саморегулирования системы на каждом системном уровне. Например, на уровне «поток–русло»: взаимодействие между потоком и руслом проявляется в саморегулировании типов русловых процессов, что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (поступлением наносов и транспортирующей способностью потока и др.).

Закон автоматического выравнивания транспортирующей способности является второй половиной принципа саморегуляции русла: русловой поток автоматически выравнивает свою транспортирующую способность по длине реки, вызывая эрозию или аккумуляцию в местах, где она относительно мала, до тех пор, пока не установится такой уклон, при котором транспортирующая способность потока на данном участке не сравняется с транспортирующей способностью на вышележащем участке. В рассмотрении по длине потока этот закон называется законом автоматического выравнивания транспортирующей способности, а в рассмотрении двух основных факторов руслоформирования – поступления наносов и транспортирующей способности – это закон автоматического соответствия транспортирующей способности и поступления наносов.

Принцип минимума диссипации энергии требует своего переосмысления и включения в своё рассмотрение не только гидродинамическую часть, но и наносы, влекомые этим потоком.

Начальные условия формирования (существующие формы руслового процесса) также играют свою роль в следующих деформациях речных русел. Это важно учитывать при прогнозе русловых деформаций. Иногда можно точно не знать существующие параметры потока. Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешнего воздействия, а более важно знать направление (вектор, степень) изменения руслоформирующих факторов.

К основным типам русловых процессов равнинных рек, следуя типизациям различных исследователей, можно отнести меандрирование, прямые русла и разветвления.

Обзор гипотез образования различных типов русловых процессов показал, что существует большое число самых разнообразных подходов. Наиболее широко распространены и активно изучаются меандрирующие реки. Рассмотрение некоторых гипотез образования меандрирования показало, что большинство гипотез, справедливых на первый взгляд, для объяснения причин меандрирования, не выдерживают критики из-за того, что, по таким объяснениям, все реки должны быть меандрирующими.

Разнообразие типов русловых процессов требует поиска такой гипотезы, которая объясняла бы существование не одного типа, а группы типов. Например, по мнению А.Н. Кондратьева (1999), образование меандрирующих, прямых и разветвлённых по типу русловой многорукавности типов русловых процессов можно объяснить единой причиной – отношением транспортирующей способности потока и поступления наносов.

Согласно этому подходу, меандрирование, прямые русла и русловые разветвления образуются как ответная приспособительная реакция формы русла на различные соотношения между этими руслоформирующими факторами.

Также рассмотрены некоторые особые виды русловых деформаций и типов русел (как, например, устья, сели, деградирующие реки и др.). Рассмотрение таких крайних типов проявления русловых процессов важно для понимания общих причин типов русловых процессов для некоторой группы типов. Например, дельты можно считать крайним случаем перегрузки русла наносами, а дейгиш или сели – крайними случаями одновременного большого количества транспортируемых наносов и транспортирующей способности.

Кроме упомянутого руслоформирующего фактора (относительной транспортирующей способности потока) свою независимую роль играют другие руслоформирующие факторы. Например, прохождение руслоформирующих расходов при значительно затопленной пойме способствует образованию пойменных проток. А в зависимости от других определяющих факторов в каждом рукаве могут протекать различные типы русловых процессов. И поэтому пойменную многорукавность, вслед за Р.С. Чаловым, следует считать более высоким системными уровнем проявления русловых процессов.

Русловые процессы являются многофакторным явлением. Некоторые руслоформирующие факторы неизменны, и на них при прогнозе русловых деформаций не стоит обращать внимания. Среди меняющихся факторов можно выделить главные и второстепенные, хотя в некоторых случаях проявление разных факторов может усиливаться и превалировать над другими.

К основным факторам руслоформирования можно отнести транспортирующую способность потока, поступление наносов и ограничивающие факторы. Большое разнообразие других факторов влияют на русло большей частью не сами, а через влияние на главные факторы. Они могут усиливать или ослаблять их влияние, стимулировать их, ослаблять влияние или полностью подавлять.

Для прогноза русловых деформаций необходимо выяснение порядка изменения типов русловых процессов в зависимости от изменения интенсивности проявления главных (и при необходимости – других) руслоформирующих факторов. Выяснение порядка изменения типов в зависимости от изменения факторов даст в руки инструмент прогноза.

Для понимания причин образования многообразия проявлений русловых процессов необходимо совместное рассмотрение нескольких руслоформирующих факторов.

Научный прогноз, основанный на тщательном изучении причинно-следственных связей, является обычно высшим этапом, завершающим становление научной дисциплины (Бисвас А.К., 1975).

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.

Анализ сущности транспортирующей способности потока и расхода наносов позволило выяснить, что эти величины, в общем случае, не равны друг другу. Расход наносов является результирующей от сочетания величин транспортирующей способности потока и поступления наносов на рассматриваемый участок реки.

Обзор методов измерения влекомых наносов показал, что на сегодняшний день не существует приборов или методов для точного определения расхода влекомых наносов. Определение расхода наносов по параметрам гряд также может иметь неточности из-за неучёта коэффициента транзитности наносов. Ошибки измерений могут достигать тысяч процентов. На основе экспериментов выявлены пульсации расходов наносов. Выявлена значительная неравномерность в распределении расхода влекомых наносов по ширине потока.

Обзор существующих формул показывает, что не существует формулы расхода наносов, которая обеспечивала бы достаточную точность вычислений расходов наносов. Одной из причин этого также является отсутствие надёжных данных по натурным измерениям расходов наносов.

Возможно, необходим другой подход к оценке расхода наносов, который может быть основан не на параметрах потока и частиц наносов, т.е. на системном (структурном) уровне «наносы–поток», а по параметрам водосбора и реки в целом, т.е. на системном уровне «водосбор–река».

Абсолютные значения величин расхода наносов, транспортирующей способности, поступления наносов плохо измеряемы, и знание их конкретных величин мало даёт для практики. Для оценки изменений параметров русла и типов русловых процессов более важны относительные значения.

Необходимо опираться на  начальные условия формирования русел, т.е. существующие формы руслового процесса и соответствующие им начальные, пусть неизвестные количественно сведения о главных руслоформирующих факторах.

Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешнего воздействия, а более важно знать направление (вектор, степень) изменения руслоформирующих факторов. Например, сведения о том, что каким-либо образом произойдёт увеличение поступления наносов с водосбора или верхнего участка даёт сведения о превышении поступления наносов над прежней транспортирующей способностью, на основе чего можно сделать прогноз изменения морфологических образований.

Применение принципа диссимметрии П. Кюри в формулировке В.В. Митрофанова и принципа Ле Шателье–Брауна в формулировке А.А. Богданова эффективно для процесса познания в различных науках.

Принцип диссимметрии сформулирован В.В. Митрофановым так: «Если существует диссимметрия (разность, неравенство, отношение) между частями системы и обеспечивается взаимодействие между этими частями, то должен быть некий эффект».

В русловедении среди основных факторов руслоформирования выделяются транспортирующая способность потока и поступление наносов в реку. Их диссимметрия (отношение) можно использовать как критерий, влияющий на формы русла (относительная транспортирующая способность). На разных системных уровнях относительная транспортирующая способность приводит к разным специфическим проявлениям

А.А. Богданов переформулирует принцип Ле Шателье для применения в естественных науках таким образом: «Если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению».

В применении к русловым процессам этот принципы приводят к формулировке причин и условий формирования различных типов русловых процессов.

На системном уровне «водосбор–река»:  изменения продольного профиля реки являются ответной реакцией реки на нарушение баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов и направлено на уменьшение диссимметрии.

На системном уровне «поток–русло»: ответной реакцией является изменение типа русловых процессов. При перегрузке реки наносами тип русловых процессов изменяется от меандрирования к русловой многорукавности (через промежуточные типы), а при недогрузке наносами, наоборот,  – к меандрированию.

Многочисленные примеры других относительных параметров в русловедении и других науках, аналогии с другими извилистыми и разрывными явлениями приводят к выводу о критериальности относительных параметров и возможном применении относительной транспортирующей способности как фактора, отвечающего за изменение типа русловых процессов.

Каждое явление природы не существует уникально, вокруг него есть непрерывный ряд явлений-«соседей» по определяющим факторам. Набор явлений-«соседей» можно выстроить по определяющей причинной оси.         Причинные оси позволяют искать новые явления. Для этого надо использовать приемы «переступить пределы» и «белые пятна».

Явления природы многофакторны. Из огромного многообразия влияющих факторов для описания явления можно выделить несколько основных факторов.

Факторы делятся на активные движущие причины явления и ограничивающие условия протекания этого явления. Одно и то же явление может находиться в разных наборах явлений по разным определяющим осям.

Эффективно использовать многофакторные типизации (Ю.С. Мурашковский), объединение альтернативных гипотез (В.В. Митрофанов), метод турнирной таблицы (А.В. Чернов), морфологический ящик природы (А.Н. Кондратьев).

Многофакторность позволяет рассматривать совместно разные причинные оси. Можно использовать двухфакторные таблицы, трёхфакторные «кубы» и т.д.

В русловедении существуют многофакторные типизации, отражающие совместное влияние относительной ширины долины и относительной транспортирующей способности потока (Р.С. Чалов), геологических и геоморфологических факторов (М.С. Карасев и Б.И. Гарцман), разновидностей активных типов русловых процессов и редукции стока воды (Н.С. Знаменская), относительной транспортирующей способности и относительной затопляемости поймы (А.Н. Кондратьев).

Важно отметить, что большинство используемых руслоформирующих факторов (осей) являются отношениями (диссимметрией, по П. Кюри и В.В. Митрофанову). Это отражает баланс сил, формирующих при разном соотношении различные морфологические проявления.

Дальнейшее развитие русловедения должно привести к синтезу многих двухфакторных типизаций в целях более глубокого понимания сущности русловых процессов и причин образования различных типов русловых процессов.

Далее...

Содержание