-- На главную

-- Русловые процессы

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

2004

Содержание

3.    Типы русловых процессов и форм русел равнинных рек

В настоящей главе рассмотрены различные типы русловых процессов, типов русел и русловых деформаций.

Сначала сделан обзор основных гидрологических типизаций рек. Затем описано деление рек на равнинные и горные с промежуточным полугорным типом рек. Равнинные реки являются дальнейшим предметом рассмотрения в настоящей работе. Они подразделяются на врезанные и широкопойменные реки. Рассматривается также отдельное деление равнинных рек на беспойменные – узкопойменные и широкопойменные, а также врезанные и «антидолины».

Показываются три проявления направленности русловых деформаций – горизонтальные, вертикальные и на уровне русловых гряд. Рассматривается их взаимодействие и неразрывность. Приводятся различные показатели устойчивости рек, и делается вывод, что устойчивость рек и тип русловых процессов прямо не связаны между собой. Рассматриваются деформации русел на уровне гряд.

Затем последовательно рассматриваются условия развития меандрирования, побочней, прямых русел, разных видов разветвлений. Также затрагиваются условия развития устьев, селей и некоторых других особых видов русловых деформаций.

3.1.  Гидрологические типизации рек

Гидрологические классификации рек не связаны напрямую с типизацией русловых процессов, они, скорее, типизируют некоторые основные руслоформирующие факторы, например, такие как внутригодовая изменчивость гидрографа стока, по которой можно оценить руслоформирующие расходы и уровни и др.

Изучение рек в конце XIX в. в значительной степени связано с деятельностью А.И. Воейкова (Воейков А.И., 1948-1957), который предложил первую классификацию рек по типам их питания (1884).

Вопросу изучения водного режима, его типологии, связи с особенностями питания рек посвящены исследования Б.Д. Зайкова (1946), М.И. Львовича (1971), П.С. Кузина и В.И Бабкина (1979).  Ими подробно рассмотрены разнообразные вариации водного режима. М.И. Львович выделяет 38 типов водного режима, характеризующиеся различными сочетаниями источников питания и особенностями распределения стока по сезонам. Ещё более детальная типизация рек по водному режиму дана П.С. Кузиным и В.И. Бабкиным (1979).

Пространственные закономерности формирования режима рек и распределения стока исследованы Б.Д. Зайковым (1946) и Д.Л. Соколовским (1968). Обобщением в этой области стало исследование К.П. Воскресенского (1962). Гидрологическим районированием занимался П. С. Кузин (1960).

3.2.  Равнинные, полугорные и горные реки

Подразделение рек по типам русловых деформаций (типам русловых процессам, типам русел) производится иерархически. Все реки делятся на два крупных, качественно различающихся класса – горные и равнинные – с выделением промежуточного полугорного класса. Затем равнинные реки делятся по ограничению (или условиям развития) русловых деформаций. Классически деление производится на широкопойменные и врезанные реки. Это соответствует свободным или ограниченным в плане условиям развития русловых переформирований. В настоящей работе основное внимание будет уделено равнинным рекам, классификация горных рек будет рассмотрена очень кратко.

Первоначально горные реки включали вместе с равнинными в те или иные общие морфологические или динамические классификации рек (Великанов М.А., 1949; Болдаков Е.В., Андреев О.В., 1956; Леви И.И., 1957; Караушев А.В., 1972; Алтунин С.Т., 1960), позволяющие по общим признакам разграничивать горные реки от равнинных.

Обоснование критериев выделения горных, полугорных и равнинных рек как отражение типов русловых процессов выполнено в работах (Маккавеев Н.И., 1955; Чалов Р.С., 1979; Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1986).

Выделение равнинных, полугорных и горных рек, соответствующих типам русловых процессов, нельзя смешивать с определением рек по их орографическому положению, т.е. с понятиями «реки в горах», «реки в предгорьях» и «реки на равнинах» (Чалов Р.С., 1996, с. 27).

Н.И. Маккавеев (1955, с. 79-80) писал: «Почти нельзя найти ни одной значительной равнинной реки, которая не имела бы на протяжении своего течения «горных» участков… многие реки, равнинные в верховьях, имеют в среднем или нижнем течении участки, где поток становится бурным».

Даже такая крайняя форма развития русловых процессов на горных реках, как сели, может развиваться при определённых условиях (большая глубина эрозионного расчленения) в пределах равнин. Например, они возникают в руслах водотоков, расчленяющих склоны долины среднего Днепра, врезанного на 100-200 м в Волыно-Подольскую возвышенность (Чалов Р.С., 1996).

С другой стороны, большие реки с малыми уклонами, являясь по форме транспорта наносов равнинными, могут располагаться среди гор. Таковы, например, реки Среднесибирского плоскогорья и Восточной Сибири – верхняя Лена, Алдан, Витим, Енисей и его притоки, нижняя Яна.

Аналогичный подход к типизации русловых процессов применил А.Н. Крошкин (1973), выделивший высокогорный, горно-предгорный и предгорно-равнинный участки рек.

3.3.  Врезанные и широкопойменные реки

3.3.1.     Деление  равнинных рек на врезанные, адаптированные и широкопойменные

Обобщая существующие представления о механизме формирования речных русел в разных условиях и основываясь на законе ограниченности естественных комплексов, сформулированном М.А. Великановым и Н.И. Маккавеевым, всё многообразие русловых деформаций можно объединить в несколько основных групп.  Они отличаются друг от друга по роли в осуществлении эрозии грунта, транспорта и аккумуляции наносов, пространственным и временным масштабам развития, характеру и комплексу факторов, их обусловливающих (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, c. 136).

Выделяются: 1) широкопойменные русла, соответствующие свободному развитию русловых деформаций; 2) врезанные (беспойменные) русла, соответствующие ограниченному развитию русловых деформаций, а среди последних две разновидности, связанные с различной литологией трудноразмываемых горных пород: а) в скальных породах; б) в пластичных породах. Между врезанными и широкопойменными руслами выделяется промежуточный тип, развивающийся в узких долинах – адаптированные русла (Чалов Р.С., 1997, с. 53).

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 (Чалов Р.С., 1996).

Другим критерием выделения геоморфологических типов русла является соотношение между ширинами дна долины В_Д и пояса блуждания русла (меандрирования, разветвления) В_М(Р). Если В_Д = В_М(Р), то при условии l»1,6L русло является адаптированным (здесь l – длина русла, L – шаг излучины или узла разветвления), при В_Д>В_М(Р) – широкопойменным, В_Д<В_М(Р) – врезанным (Чалов Р.С., 1997, с. 55).

Смена врезания реки аккумуляцией наносов и наоборот происходит при изменении природных условий на территории водосбора (Маккавеев, 1955; Маккавеев, Хмелева и др., 1961). Скорость развития вертикальных деформаций измеряется миллиметрами или долями миллиметров в год. Тем не менее, они создают общий фон для развития других видов русловых деформаций, предопределяя формирование при прочих равных условиях врезанных или широкопойменных русел, способствуя усилению или ослаблению блуждания последних по дну долины и т.д. Исключение (по времени проявления, скорости развития) представляют трансформации продольного профиля рек, связанные с искусственным регулированием стока, сельскохозяйственным освоением территорий водосборов, мелиоративными мероприятиями. В нижних бьефах гидроузлов и выше водохранилищ развивается соответственно трансгрессивная глубинная эрозия и регрессивная аккумуляция, которые в течение первых нескольких десятилетий после создания гидроузла охватывает участки протяжённостью десятки и сотни километров, а интенсивность их развития оценивается в миллиметрах или даже сантиметрах в год. Смыв почв при распашке земель и сведения лесов приводит к избыточному поступлению наносов в реки, вызывая отмирание их верховьев и обмеление крупных рек (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 142).

Например, в районах свободного развития русловых деформаций (верхний интервал Q_Ф здесь не наблюдается) характеризуется широкими поймами, нерасчленёнными протоками. Русла рек здесь образуют свободные меандры, которые развиваются со скоростью 2-5 м/год вплоть до формирования крупных крутых петлеобразных излучин (нижнее течение Юга, Лузы, Сысолы, Локуим, Вочь, Нем); в относительно суженных долинах образуются вынужденные меандры (верхние течения Лузы, Юга) (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1984, с. 115).

3.3.2.     Врезанные реки

Образование врезанных излучин – один из наименее изученных вопросов. Наиболее распространённой ранее была гипотеза В. Дэвиса о наследовании очертаний древних свободных излучин в процессе врезания реки при тектоническом поднятии. В то же время, ряд исследований свидетельствует о неоднозначности причин образования извилистости врезанных русел и собственно врезания реки (Moore, 1926; Маккавеев, 1955; «Экспериментальная геоморфология», 1969). В.В. Ламакин (1950) указывает, что крупные реки поочерёдно пересекают участки опусканий и поднятий земной поверхности.

Врезание реки осуществляется в том случае, если сток наносов меньше транспортирующей способности потока, т.е. на реке имеет место дефицит наносов. Благодаря последнему энергия потока затрачивается на размыв дна; с другой стороны, дефицит наносов не способствует развитию грядовых форм руслового рельефа и, следовательно, уменьшает возможности для проявления горизонтальных деформаций, т.е. для расширения дна долины. В результате, чем больше дефицит наносов, тем интенсивнее врезание, тем уже дно долины и вероятнее образование беспойменного врезанного русла. Особенно отчётливо такая закономерность проявляется в условиях ограниченного развития русловых деформаций (Чалов Р.С., 1997, с. 55).

Направленные вертикальные деформации обусловлены соотношением стока наносов и транспортирующей способности потока W>W_тр или W<W_тр и их изменениями по длине рек. Направленные вертикальные деформации вызывают трансформацию продольного профиля реки (врезание или аккумуляцию наносов) и изменения отметок дна русла – их понижение или повышение (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 120).

Поэтому не совсем можно согласиться с утверждением Е.В. Шанцера (1951) – основоположника учения о современном аллювии, который отмечает: «Никогда река не бывает врезана в пойму, пойма наросла, а не река углубилась».

При отсутствии дефицита наносов (сток наносов соответствует транспортирующей способности потока) или избытке наносов (в этом случае происходит их направленная аккумуляция) в русле образуются разнообразные грядовые формы рельефа (побочни, осерёдки, косы), которые способствуют его блужданию и формированию широкопойменного русла (Чалов Р.С., 1997, с. 55).

Отнесение рек к врезанным не всегда означает, что река в данный момент находится в стадии врезания. В некоторых случаях река может находиться в стадии динамического равновесия. В некоторых случаях река, которая внешне относится к врезанным, может находиться в стадии аккумуляции.

Врезанные излучины развиваются в незатопляемых берегах (Матвеев Б.В., 1985).

«Врезанная» река не всегда означает «врезающаяся». И «врезанные» и аллювиальные реки могут находиться в динамическом равновесии. Это происходит в случае, когда главные внешние воздействия не изменяются и не приводят к ответной морфологической реакции реки.

Судить о тенденциях развития продольного профиля реки можно по конечным результатам процессов: ступенчатость пойм у врезающихся рек, наложенные и обвалованные поймы у аккумулирующих, образование приустьевых озёр (разливов) на притоках аккумулирующих рек и др. (Чалов Р.С., 1979). Лена в низовьях протекает в «трубе» между Хараулахскими горами и кряжем Чекановского; Янцзы между равнинами Лянху и южной окраиной Великой Китайской  течёт среди Хуайяньшаньских и Южно-Китайских гор. Русло здесь становится врезанным, часто беспойменным. Врезание реки Северная Двина в районе г.п. Абрамково проявляется в ступенчатости поперечного профиля поймы и трансгрессивном смещении форм русла. Однако уже выше слияния с Вагой обнаружена наложенная пойма – явный признак аккумуляции наносов (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 124). Геоморфологические условия могут привести к тому, что вплоть до дельты происходит врезание реки. Такова средняя и нижняя Лена, русло которой врезается и в пределах Центрально-Якутской низменности (г.п. Табага), и в Ленской «трубе» –  участке реки перед выходом в дельту, расположенном между горными массивами (г.п. Кюсюр) (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 130).

Генетически стоит различать врезанные и аккумулированные равнинные реки. По направленности изменения продольного профиля можно выделять врезающиеся и аккумулирующие реки.

В настоящее время уже недостаточно выделять в долинах участки врезания по спрямлённым руслам и выходам коренных пород в днище, признавать лишь тектонические движения. Для углубляющихся долин средних порядков наиболее типична следующая зональность (по Г.С. Ананьеву и А.Ю. Пахомову, 1981, с. 298): а) зона избыточной аккумуляции аллювиально-склонового материала в верховьях со смешанным типом аллювия в разрезах пойм; б) зона умеренной аккумуляции с констративным типом аллювия в разрезах хорошо выраженной поймы; в) зона транзита (равновесного состояния) с относительно широкой поймой, в разрезах которой нижняя часть представлена инстративным, а верхняя – перстративным аллювием; г) зона интенсивного врезания, характеризующаяся полого-выпуклым продольным профилем, появлением эрозионных цокольных останцов и преобладанием в разрезах поймы инстративного типа аллювия; д) зона затухания врезания с относительно широкой и ровной поймой, сложенной инстративным аллювием; е) зона транзита (равновесного состояния) с широкой поймой, разрез которой также имеет двучленное строение. Эта зональность не имеет ничего общего с локальнымии проявлениями тектонических движений, поскольку она характерна для долин, развивающихся в различной геологической и морфоструктурной обстановке

Одним их различий (внешним морфологическим, а не генетическим) между врезанной и аллювиальной рекой может быть то, в каких отложениях она течёт: в коренных или в тех, которые она сама принесла и оставила. Отсюда можно сделать вывод, что «динамическое равновесие» относится к текущему, сегодняшнему  состоянию русла, которое есть сейчас, и оно может наблюдаться для разных морфологических состояний рек: как врезанных, так и аккумулированных. А предыдущий процесс, приведший к современному состоянию можно охарактеризовать, соответствующими определениями.

Зависимость ширины днищ долин от вертикальных русловых деформаций является одним из объяснений их чётковидности на многих свободных реках, отмеченной ещё В.В. Докучаевым. Другими причинами могут служить выходы в долины рек пород разной твёрдости, изменение ориентировки трещиноватости, пересечение рекой серии разломов и т.д. (Чернов А.В., 1983, с. 73).

Однако на ряде рек, протекающих в относительно однородных породах наряду с тектонически обусловленными колебаниями ширины пойм отмечается регулярная их чётковидность, причина которой содержатся, по-видимому, также в русловых процессах (Былинский Е.Н., 1956). Так, на р. Тавда сужения долины следуют через каждые 110 км, на Лене – через 120 км. Анализ плановых очертаний чётковидных пойм показал связь чётковидности с периодическим распределением серий излучин. Последние в свою очередь можно считать макроструктурными образованиями, формирование которых обусловлено гидродинамическими свойствами потока, находящими отражение в форме русла (Чалов Р.С., 1979; Зайцев А.А., 1979).

3.3.3.     Широкопойменные реки

Реки районов свободного развития русловых деформаций характеризуются большим разнообразием типов русел и видов русловых деформаций, неоднократно сменяющихся по их длине. Например, р. Ока в зависимости от местных геоморфологических условий либо меандрирует, образуя свободные излучины сегментной или синусоидальной формы, либо течёт в относительно прямолинейном русле как с двусторонней, так и с односторонней поймой (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1984).

Зона в районах свободного развития русловых деформаций (верхний интервал Q_Ф здесь не наблюдается) характеризуется широкими поймами, нерасчленёнными протоками. Русла рек здесь образуют свободные меандры, которые развиваются со скоростью 2-5 м/год вплоть до формирования крупных крутых петлеобразных излучин (нижнее течение Юга, Лузы, Сысолы, Локуим, Вочь, Нем); в относительно суженных долинах образуются вынужденные меандры (верхние течения Лузы, Юга) (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1984, с. 115).

Стоит обратить внимание, что хотя при врезании реки заметна тенденция к сужению поймы (Былинская Л.Н., 1967; Борсук О.А., Чалов, 1973, Маккавеев Н.И., 1978), широкопойменность не всегда можно противопоставить направленности вертикальных деформаций рек. Широкопойменности более противоположны узкопойменность, а также отсутствие поймы.

Врезанию противоположны аккумулирующие реки.

3.3.4.     Аккумулирующие реки

Основным морфологическим признаком аккумуляции является наложенная, либо одноярусная, с повышенной заозёренностью и заболоченностью, пойма (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 128). Распространение озёр – соров, образующихся в пониженных частях пойменных массивов как следствие повышения уровней воды в реке (Лаврушин Ю.А., 1963). Аккумуляция наносов в нижнем течении Хуанхэ и Янцзы носит компенсационный характер. На обеих реках, как и на нижнем Амуре, она проявляется в широком распространении приустьевых озёр на притоках. Города, промышленные центры, сельскохозяйственные угодья расположены до 8 м ниже меженного уровня воды в реке. (Чалов Р.С. и др., 2000).

Примеры аккумулирующих рек: русло Хуанхэ приподнять над окружающей низменностью на 3-10 м; например, уровень воды в межень превышает отметки низменности, на которой располагается г. Кэйфон (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 126). Такая же направленность вертикальных деформаций, но с меньшей интенсивностью, и её морфологические признаки отмечены на нижнем Амуре (Махинов и др., 1994).

Обширен район блуждания Жёлтой реки – Хуанхэ. В прошлом она несколько раз меняла своё течение и вызывала разрушительные наводнения. Историки подсчитали, что за 4 тысячи лет река 7 раз меняла своё направление и 1600 раз рвала береговые защитные дамбы; расстояние между её крайними устьями достигало 600 км. Было время, когда Хуанхэ впадала в Восточно-Китайское море (вместе с р. Янцзы), а затем в Бохайский залив Жёлтого моря, севернее Шаньдуна. В городе Сюйчжоу, лежащем примерно на равном расстоянии между этими двумя реками, до сих пор сохранилось русло Хуанхэ. Протянувшиеся вдоль него береговые валы охраняли город от наводнения. Ещё столетие назад через Сюйчжоу протекала река, а теперь до неё почти 300 км (Мурзаев Э.М., 1979, с. 102).

В мае-июне 1931 г. обильные муссонные дожди вызвали катастрофический сток в бассейн реки Янцзы, она прорвала защитные стены, устремилась на поля, в деревни, города. В Ханькоу в зависимости от рельефа вода покрывала улицы слоем от 2 до 7 м и держалась до осени. В результате наводнения осталось без крова 2,5 млн. человек (Мурзаев Э.М., 1979, с. 106).

Сырдарья отлагает в своём русле столько наносов, что в нижнем течении русло расположено выше, чем окрестная местность, и река течёт как бы на некотором, правда весьма пологом возвышению. Вода чрезвычайно мутна: в 1911 г. у Керков река пронесла за год около 50 км³ воды и около 0,2 км³ наносов, из которых на летнее полугодие приходится 92%; в другие годы наносов ещё больше. Вследствие обилия мути рек весьма быстро накопляет в своём русле мели, которые она при большой скорости течения столь же быстро перемещает (Берг Л.С., 1952, с. 142).

Пенк (Penck A., 1909), Неуструев С.С. (1916) и Личков Б.Л. (1930) высказываются в пользу речного происхождения большинства песчаных площадей Туранской низменности: приаральские Каракумы могли получиться из наносов озёр и реки, некогда несшей свои воды к Аральскому морю. Кызылкумы пересечены старыми руслами. В закаспийских Каракумах кончают своё течение многие реки; есть здесь и старые русла.

Частным случаем аккумулирующих рек являются конусы выноса. Например, кавказская р. Кура, вырвавшись из гор, часто разливалась по обширной Кура-Коаксинской низменности. Река подчас меняла своё русло, прорывала оградительные валы (Нежиховский Р.А., 1988, с. 45).

3.3.5.     Совместное рассмотрение степени врезанности и ширины поймы как условий развития речных русел

Выше было показано, что совместное рассмотрение и противопоставление врезанных и широкопойменных условий развития русловых процессов не всегда является удачным. Формально следовало бы противопоставлять широкопойменным – узкопойменные, или даже беспойменные условия развития русел, а врезанным руслам – аккумулирующие. Врезанные русла не всегда являются беспойменными.

К беспойменным условиям развития рек относятся несколько случаев, различающихся по генезису. Признаком беспойменных рек является отсутствие выхода высоких вод из бровок. Причины отсутствия выхода вод на пойму: 1) река врезалась (рис. 3.1а); 2) пойма наросла (рис. 3.1б); 3) наполнение русла уменьшилось (рис. 3.1в). Из рассмотренных вариантов только изображенный на рис. 3.1а можно отнести к врезанным руслам, остальные, хотя и похожи на него, но не являются врезанными по генезису.

Рис. 3.1. Варианты образования беспойменных (врезанных) рек.

Различие других условий развития русловых деформаций: врезанные – нейтральные – антидолины (аккумулирующие) заключается в отношении отметки уровня воды в реке Н_Р к отметке окружающей территории Н_П. При Н_Р<<Н_П река является врезанной, при Н_Р<=Н_П – нейтральной, При Н_Р>Н_П река имеет антидолину.

Термин «антидолина» использован в работе (Кузьмин И.А. и др., 1986). В ней на основе анализа материалов по рекам Амударья, Терек, Или, Кубань, Кура, Хуанхэ определены основные черты рек, уровень в которых выше отметок окружающей территории. Среди них: повышение реки вследствие отложения наносов; разливы реки в высокую воду на больших территориях; периодические свалы реки в новое направление, формирование нового русла ниже свала и временное развитие попятной эрозии выше него и др. С.С. Мазавина (1972) описывает: «Сырдарья блуждает по обширной территории и, постепенно поднимаясь в собственных отложениях над окружающей местностью, в конце концов покидает русло и перебрасывается в пониженные места долины» и приводит характерный рисунок поперечного профиля долины с понижениями в обе стороны от русла. Выразительный рисунок приведён в книге (Чалов Р.С. и др., 1999), на котором окружающая территория показана ниже не только поверхности, но и дна реки. Там же (Чалов Р.С. и др., 1999, с. 128) отмечается, что аккумуляция наносов в нижнем течении р. Хуанхэ, Янцзы и Амур проявляется в широком распространении приустьевых озёр на притоках. Заполняя русло и долину аллювием и поднимая своё ложе, Амур аллювиальными отложениями создал «плотины» в устьях своих притоков, образовав на них озёра и болота (Соловьев И.А., 1967). А.В. Чернов (1983, с. 113) для рек, аккумулирующих наносы, выделяет наложенные, одноярусные и обвалованные поймы.

Морфологическое различие врезанных и аккумулирующих рек причиной имеет соотношение транспортирующей способности потока R_тр и расхода наносов R. При R=R_тр количество взмываемых и осаждающихся частиц равно, наблюдается сбалансированный обмен материалом. Если R>R_тр, то поток не в состоянии переносить весь объём наносов, и часть из них переходит в состав речных отложений. Противоположные процессы возникают при R<R_тр (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Дисбаланс между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на разных системных уровнях проявляется по-своему. На уровне русловых форм (система «поток–грунт») он проявляется в развитии или деградации этих форм. На уровне системы «поток–русло» он приводит к образованию различных типов русловых процессов (Кондратьев А.Н., 2001). Сейчас рассматривается дисбаланс на уровне системы «река–водосбор», где он приводит к врезанию или повышению продольного профиля реки.

Другой геоморфологический фактор, относительная ширина поймы, также различается по степени своего проявления (беспойменность, узкопойменность и широкопойменность), что по отношению к реке выражается как широкопойменные, адаптированные и беспойменные русла (Чалов Р.С., 1997, с. 53). Этот фактор, хотя и связан иногда в некоторой степени с врезанностью русла («Чем больше дефицит наносов, тем интенсивнее врезание, тем уже дно долины и вероятнее образование беспойменного врезанного русла» (Чалов Р.С., 1996, с. 29), но обычно эти условия могут рассматриваться как независимые. Поэтому можно выделить следующий геоморфологический ряд: беспойменные – узкопойменные – широкопойменные реки.

Следующим шагом является объединение этих двух морфологически-генетических факторов. Для одновременного рассмотрения нескольких определяющих факторов используется многомерная таблица, по осям которой отложены степени проявления этих факторов, а в соответствующих клетках расположены результирующие проявления процесса (например, метод турнирной таблицы (Чернов А.В., 1983), морфологический ящик природы (Кондратьев А.Н., 2003), подробнее описанные в главе 8). Примером использования такого объединения является таблица морфодинамических типов русел (см. на обложке книги Р.С. Чалова (1997)), по одной оси которой отложена относительная транспортирующая способность потока, выражающаяся в степени извилистости или русловой разветвлённости русла, а по другой оси – относительная ширина поймы, определяющая степень ограничения планового развития русла. Другим примером могут быть двумерные таблицы типов русел, по одной оси которой отложена относительная транспортирующая способность потока, а по другой степень затопляемости поймы, и таблица видов меандрирования, совместно учитывающая степень развитости излучин и степень планового ограничения (Кондратьев А.Н., 2001).

Расположим степень планового ограничения развития русловых процессов по вертикали, а несоответствие транспортирующей способности потока и поступления наносов, морфологически выражающееся во врезании или повышении продольного профиля реки – по горизонтали (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Морфологические проявления сочетаний факторов руслоформирования.

В левом верхнем углу таблицы на рис. 3.2 расположены описанные выше реки с широкопойменными антидолинами: р. Сырдарья, Хуанхэ и др. В более узких поймах находятся адаптированные антидолины (например, р. Амур, ниже в левом столбце на рис. 2). В среднем столбце расположены «обычные» широкопойменные, адаптированные и беспойменные реки. В правом столбце – врезанные реки с широкими и узкими бывшими поймами и при отсутствии пойм. Полученная двухфакторная таблица полнее характеризует совместное проявление вертикальных и горизонтальных деформаций речного русла на системном уровне «река – водосбор». Она не учитывает многих других условий развития речных русел. Для их учёта стоит использовать другие многофакторные таблицы с соответствующими определяющими факторами.

3.4.  Уточнение задачи исследования

Проведённый в главе 2 анализ основных закономерностей, применяемых в руслоформировании, показывает, что одними из основных понятий являются динамическое равновесие и соответствующие разным состояниям динамического равновесия типы русловых процессов (типы русел, виды, схемы русловых деформаций).

Выше было рассмотрено деление равнинных рек по условиям руслоформирования на беспойменные и широкопойменные, а также врезающиеся и аккумулирующие.

На основе анализа существующей литературы выяснено, что причиной формирования врезающихся и аккумулирующих рек является несоответствие между поступлением наносов и транспортирующей способностью потока. Система «река–водосбор» реагирует на это несоответствие изменением положения и формы продольного профиля реки, приводя реку к балансу между определяющими руслоформирующими факторами.

Основной задачей настоящей работы является выяснение роли основных руслоформирующих факторов. Вопрос ставится так: как несоответствие между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на рассматриваемый участок реки будет выражаться в изменении типа русловых процессов, т.е. на системном уровне «русло–поток».

Для этого далее на основе анализа литературных источников рассматриваются различные формы русел, делается краткий обзор существующих гипотез формирования различных типов русел. Для каждого типа русел имеется ввиду также гипотеза о роли отношения между поступлением наносов и транспортирующей способности. Более подробное описание этой гипотезы для формирования не одного типа русловых процессов, а упорядоченного по степени проявления этого фактора будет рассмотрена в следующих главах. 

3.5.  Три проявления направленности русловых деформаций

Русловые деформации в зависимости от их развития по отношению к направлению силы тяжести и роли в осуществлении эрозии грунта, транспорта и аккумуляции наносов, составляют три основные группы: 1) вертикальные, вызывающие трансформацию продольного профиля реки (врезание или аккумуляция) и изменения отметок дна русла; 2) горизонтальные, связанные с перемещением русла в плане и размывами берегов, приводящие к расширению долины и образованию поймы; 3) движение аллювиальных гряд, обусловливающие формирование перекатов, кос и других аккумулятивных образований в русле (Чалов Р.С., 1997, с. 38).

3.5.1.     Вертикальные русловые деформации

Вертикальные деформации, включает в себя процессы врезания или размыва дна с одной стороны, и аккумуляцию наносов, с другой. В зависимости от пространственно-временных проявлений они могут быть общими направленными, местными периодическими или локальными.

Направленные изменения продольных профилей рек выражаются на системном уровне «река–водосбор» в виде глубинной эрозии или систематической аккумуляции наносов на дне речных долин,  знак которых меняется при смене общих условий руслоформирования.

Местные периодические (знакопеременные) трансформации продольного профиля обусловлены эволюцией форм русла на системном уровне «русло–поток» (например, вызваны периодическим спрямлением и развитием излучин, отмиранием длинного и развитием короткого рукава и т.д.) (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Направленные вертикальные деформации – следствие всего комплекса природных условий на водосборе, колебаний базиса эрозии, климатических изменений, которые выражаются в изменении водности рек, а также локальные или общие для всего бассейна тектонические движения. С ними связано образование меандрирующих, разветвлённых на рукава и относительно прямолинейных русел. Однонаправленное воздымание территории обеспечивает врезание реки, погружение – аккумуляцию (Чернов А.В., 1983, с. 36). В случае увеличения стока реки в бассейне начинают врезаться, при уменьшении, наоборот, аккумулировать (Маккавеев, 1955). Как правило, оба фактора проявляются в комплексе, причём преобладание того или иного из них определяется местными условиями их влияния (Чернов А.В., 1983).

Локальные вертикальные деформации проявляются на коротких отрезках русла в границах одной или нескольких форм русла (излучин, узлов разветвления), распространяясь вверх по течению от места возбуждения (например, регрессивное врезание при спрямлении излучин) на сравнительно небольшое расстояние. Местный характер носят размывы русла при искусственном его стеснении дамбами, мостовыми переходами, у основания причальных стенок и набережных, а также на приплотинных участках нижних бьефов гидроузлов.

Направленные вертикальные деформации русел на системном уровне «река–водосбор» в естественных условиях, как правило, отличаются очень малой интенсивностью (доли миллиметра в год), их результат сказывается на протяжении тысячелетий или геологических отрезков времени, и поэтому они могут не учитываться при строительном и водохозяйственном проектировании (Чалов Р.С., 1997, с. 49). В горах реки часто врезаются со скоростью от 1 до 7 см в год, зафиксированы катастрофические скорости врезания (32 см/год) (Чалов Р.С., 1997, с. 50).

Вертикальные деформации русел заметно активизируются под влиянием антропогенных факторов. На малых реках они проявляются, главным образом, в их заилении и деградации вследствие избыточного поступления наносов – продуктов эрозии почв на сельскохозяйственных землях и при сведении лесов в пределах водосборов, зарастании (Чалов Р.С., 1997).

Антропогенно обусловленное врезание рек приводит к обсыханию водозаборов, акваторий портов, водных подходов к береговым объектам и подходных каналов к шлюзам, к провисанию подводных коммуникаций (трубопроводов), подмыву и разрушению устоев мостов, нарушает устойчивость берегов, способствует снижению затопляемости пойм, обусловливая ухудшение сенокосных угодий, огородных плантаций и способствуя необходимости обводнительных мелиораций (Чалов Р.С., 1997, с. 51).

3.5.2.     Горизонтальные русловые деформации

Участки, где преобладает отложение наносов в русле и наблюдается интенсивный подмыв берегов, называются районами боковой эрозии (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 185).

Горизонтальные деформации (синонимы – боковая эрозия, плановые деформации) в зависимости от условий руслоформирования являются направленными или периодическими. В первом случае они заключаются в постоянном смещении русла в сторону коренного берега, который иногда называют ведущим (Чалов Р.С., 1979).

Периодически горизонтальные деформации в основном заключаются в спрямлении свободных излучин, их образовании вновь и развитии до таких размеров, когда снова происходит спрямление русла, в попеременном развитии рукавов в разветвлённом русле, их обмелении, причленении островов, разделяющих русло на рукава, к берегам и образовании новых островов. Влияние таких факторов, как сила Кориолиса (закон Бэра), устойчивое направление сильных ветров поперёк долины, тектонические перекосы земной поверхности может привести к смещению к одному из бортов долины пояса меандрирования или пояса разветвления русла реки (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Горизонтальные деформации проявляются в пределах отдельных форм русла (излучин, узлов разветвления) или сравнительно коротких участков реки, где эти формы развиваются сопряжённо (серии излучин, системы сопряжённых рукавов). Скорость горизонтальных деформаций колеблется от нескольких сантиметров до сотен метров в год, определяясь, в первую очередь, устойчивостью русла. Лишь в условиях ограниченного развития русловых деформаций скорость отступания берегов соизмерима, а иногда даже меньше, чем скорость врезания рек. Морфологический эффект горизонтальных деформаций здесь также сказывается в геологическом масштабе времени. Крайним видом их проявления являются беспойменные русла, ограниченные коренными бортами долины. При этом часто форма русла в плане предопределяется литологией, трещиноватостью, тектонической раздробленностью скальных горных пород, и она в этом случае выступает в качестве ведущего фактора русловых процессов. С другой стороны, вид горизонтальных деформаций и их отражение в морфологии русел разных типов зависит от непосредственного влияния на русловые процессы гидрологического режима реки, стока наносов, особенностей развития эрозионных и денудационных процессов на водосборе, геологического строения дна и берегов, морфологии долины. Поэтому развитие горизонтальных деформаций в конкретных природных условиях, отличающихся определённым сочетанием  тех или иных природных факторов, сопровождается возникновением присущего им набора русловых форм разных порядков (Чалов, 1983), а также спецификой их развития на конкретных реках (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

3.5.3.     Особенности проявления горизонтальных и вертикальных русловых деформаций и их единство

Различным сочетаниям направленности и пространственно-временных проявлений русловых деформаций соответствует определённая ступень в морфологической иерархии русловых форм: I – продольный профиль реки; II – формы русла; III – грядовые формы руслового рельефа.

Каждой из этих групп соответствуют различные пространственно-временные формы развития: направленные, периодические и временные (пульсационные), с одной стороны, и общие, местные и локальные, с другой. Временные (пульсационные) и локальные деформации соотносятся только с движением аллювиальных гряд, и выделение их в других видах деформации связано уже с их расчленением на отдельные составляющие единого процесса по времени и пространству его проявления. Все виды деформаций сложно взаимодействуют друг с другом, либо полностью определяя развитие одного или нескольких других видов, либо оказывая на них только опосредованное косвенное воздействие; некоторые виды деформаций связаны между собой прямыми связями, другие же имеют чёткие, хотя и не существенные, второстепенные связи (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 138).

Вертикальные и горизонтальные деформации русел на разных системных уровнях проявляются по-своему. На уровне «водосбор–река» ярко выражены вертикальные деформации в виде изменений продольного профиля реки. Плановые деформации выражаются в коренных изменениях течений рек (например, на р. Хуанхэ и Янцзы). На уровне «поток–русло» вертикальные и горизонтальные деформации неразрывно связаны по закономерностям соответствующего типа русловых процессов.

Н.И. Маккавеев и В.С. Советов (2003, с. 185-187) выделяют следующие основные причины, от которых зависит преобладание боковой или глубинной эрозии:

1. Сезонный режим подпоров. Если подпор распространяется на весенний паводок, а в межень река выходит из подпора, то создаются благоприятные условия для развития боковой эрозии и образования перекатов. Если же в весенний паводок не в подпоре, и подпор распространяется только на межень, то русло формируется по талу, глубиной эрозии и перекатов обычно не образуется, так как меженные скорости течения в таком случае невелики и не могут вызвать внутренних течений, нормирующих гребни перекатов. Например, половодье Оки в среднем наступает несколько ранее половодья на Верхней Волге. Влияние подпоров на Волге прослеживается до г. Пучежа, т.е. на протяжении 100 км вверх от г. Горького (Семенов Г., 1935).

2. Геологическое строение долины. Если вдоль по течению происходит смена пород, имеющих разное сопротивление размыву, то в тех местах, которые сложены легко размываемыми породами, сильнее развивается боковая эрозия, а в местах залегания трудно размываемых пород энергия потока в основном направлена на углубление дна долины.

3. Постепенное изменение уровня водоёма, в который впадает река. Понижение уровня водоёма сказывается на общем усилении глубинной и боковой эрозии вследствие увеличения энергии потока.

В этом списке Н.И. Маккавеев перечисляет разные способы увеличения или уменьшения транспортирующей способности потока (и размываемость русла). Дополнительно ещё следует учитывать фактор поступления наносов. На проявления руслового процесса помимо геолого-геоморфологических факторов влияют ряд других факторов (устойчивость русла; ледовые явления, режим уровней, относительная высота руслоформирующих расходов и др.) (Чернов А.В., 1983).

Поэтому важен вывод, что «В большинстве случаев связь горизонтальных и вертикальных русловых деформаций неоднозначна. Меандрирование может развиваться как на аккумулирующих реках (средний Иртыш в районе Павлодара, реки Приморских низменностей), так и на врезающихся реках (средний и нижний Иртыш ниже устья Тары); разветвляются на рукава аккумулирующие (средняя и нижняя Обь, Надым) и врезающиеся реки (средняя и нижняя Лена)» (Чернов А.В., 1983, с. 36).

3.6.  Устойчивость и подвижность

3.6.1.     Определение

Интегральным показателем условий формирования речных русел и интенсивности русловых деформаций является устойчивость русла. По мнению Р.С. Чалова (Чалов Р.С. и др., 2000) устойчивость определяется соотношением крупности руслообразующих наносов и скорости течения. С этим соотношением связана подвижность слагающих русло наносов, а, следовательно, и степень его деформируемости в процессе взаимодействия с потоком.

В.Г. Глушков (1925) отмечал, что «поток находится с породой дна и берегов в живом взаимодействии» и вводил специальный коэффициент формы русла, «связанный с соотношением прочности береговых и донных пород». Теоретическое обоснование показателей устойчивости русла было выполнено впервые В.М. Лохтиным (1897), а затем Н.И. Маккавеевым (1955, 1971), М.А. Великановым (1958), Р.С. Чаловым (1983) и др. Введение Н.И. Маккавеевым в число Лохтина нового параметра – ширины русла – объясняется стремлением привести этот показатель к безразмерному виду; кроме того, учитывалось, что ширина русла сама по себе является функцией устойчивости русла и подвижности донных грунтов: чем менее устойчиво русло и более подвижны руслообразующие наносы, тем шире русло.

Разные авторы вкладывают в понятие устойчивости (или подвижности) разные смыслы. рассматриваются устойчивость частиц, дна, берегов, русла, системы, реки и т.п.

Например, С.М. Анцыферов и В.К. Дебольский (1969) рассматривают устойчивость дна: «Под устойчивым понимается такое состояние дна, при котором некоторые малые возмущения, возникающие на нём, не приводят к смене его рельефа, а затухают со временем». А.Н. Ляпин (1973, с. 117) говорит о устойчивости берегов и связанными с этим формами русла: «Устойчивость берегов против обрушения и размывающей способности воды во многом определяет форму русла, её живое сечение».

Отсюда можно сделать вывод, что устойчивость следует рассматривать на всех системных уровнях: «река–водосбор», «русло–поток», «грунт–струя», «песчинка–вода», а, возможно, и на других. На каждом системном уровне можно говорить об устойчивости компонентов (то есть разные понимания устойчивости – реки, русла, форм, частиц), но правильнее рассматривать устойчивость самой системы.

Далее приведены разные предложения по определению показателей устойчивости разными исследователями. Основным отличительным свойством всех этих показателей является то, что все они являются отношениями, соотношениями, дробями. Обычно это соотношение факторов, выводящих соответствующую систему из равновесия, и факторов, удерживающих систему в равновесии, факторов, учитывающих сопротивление размыву.

3.6.2.     Способы определения «коэффициентов устойчивости»

На этих положениях основываются наиболее распространённые показатели устойчивости русла – число Лохтина , здесь d – средний диаметр руслообразующих наносов на отрезке русла, мм; I – уклон, ‰, чаще заменяемый падением Н, м/км; и показатель Н.И. Маккавеева, названный им коэффициентом стабильности: , где В_р – ширина русла реки в бровках поймы.

Классификация рек СССР разработана М.И. Львовичем (1938). Из числа признаков, дающих наиболее полное представление о свойствах реки, М.И. Львович взял для выполненной им классификации рек ССР следующие: а) источники питания рек водой; б) внутригодовое распределение стока по сезонам; в) зимний режим рек; г) динамику речного русла. Для классификации рек по динамике речного русла М.И. Львович, пользуясь коэффициентами устойчивости русла, предложенными инженером В.М. Лохтиным (1897), предлагает считать равнинные реки, имеющие эти коэффициенты – реками наименьшей устойчивости, с руслом, меняющимся как в глубину, так и в плане; реки, имеющие указанные коэффициенты в пределах от 2,5 до 5 – мало устойчивыми реками, в которых размыв и отложение наносов ограничиваются изменением глубин русла без заметного изменения очертаний русла реки в плане. Реки с коэффициентом Лохтина от 5 до 20 М.И. Львович называет сравнительно устойчивыми реками с руслами, подвергающимися периодическим изменениям на отдельных участках при колебаниях их очертаний около некоторого среднего значения. Реки с коэффициентом более 20 М.И. Львович относит к категории устойчивых рек с руслом, сложенным неразмываемыми грунтами, или с энергией потока, которая мала для размыва (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003).

А.Ф. Кудряшов (1995) объяснил физический смысл числа Лохтина как критерия, обусловливающего концентрацию (по массе) руслоформирующих наносов, их весовое соотношение, а отсюда размываемость русел и эрозию поверхности водосборного бассейна. Он считает, что «при установившемся динамическом равновесии потока, русла и водосбора соотношение концентраций руслоформирующих и взвешенных наносов сохраняется в строго определённых частях (Кудряшов А.Ф., 1993). При этом средняя крупность руслоформирующих наносов характеризует в некоторой мере русловой процесс на участке русла (Г.В. Лопатин, 1952), а средняя за многолетие крупность взвешенных наносов – совокупность водно-эрозионных процессов на водосборах в различных природных условиях (В.А. Загорский, 1985)».

Между степенью устойчивости русла (числом Лохтина Л) и площадью островов F установлена для средней Оби зависимость (Беркович, Лодина и др., 1972): F = 0,24·Л^1,75.

Для количественной характеристики устойчивости М.А. Великанов (1948а) находит рациональным ввести несколько иной коэффициент, а именно: , где d_ср – средний диаметр донных частиц, v – средняя скорость потока; g – ускорение свободного падения. По М.А. Великанову в устойчивых руслах η=0,06-0,07.

Он пишет: «Постараемся перейти от коэффициента Лохтина к другому, свободному от двух указанных недостатков: заменим в знаменателе километрическое падение через уклон и поставим рядом с ним глубину h. После этого умножим числитель и знаменатель на ускорение силы тяжести g. В знаменателе мы получим квадрат некоторой скорости, величину, пропорциональную, согласно формуле Шези, квадрату средней скорости. В результате мы приходим к отвлечённому коэффициенту вида: , который представляет собой ни что иное, как известное в гидравлике число Фруда» (Великанов М.А., 1948а, с. 494).

М.А. Великанов прелагает разделить все реки по степени их устойчивости на пять категорий: 1. Реки наибольшей устойчивости. Реки, текущие в скалистых грунтах и в крупном галечном грунте. 2. Только изменения высоты перекатов. 3. Берега, не считая медленного перемещения береговой линии, в плане остаются неизменяемыми. 4. Изменения и высотные, и плановые. 5. Селевые потоки (Великанов М.А., 1948а, с. 495-496).

В то же время, несмотря на выдвинутое самим М.А. Великановым положение об ограниченности количества видов природных комплексов, характеризую свою типизацию, он отмечает: «Категории не представляются строго разграниченными, а переходят одна в другую непрерывно» (Великанов М.А., 1948а, с. 496).

В качестве интегрального показателя сохранности судоходных прорезей используется предложенный Х.М. Полиным коэффициент плёса. В основе этого предложения лежит тот наблюдённый на судоходных реках факт, что прорези плохо сохраняются на реках с большим отношением ширины к глубине (Руководство по проектированию… , 1974).

Г.В. Железняков (1981) предложил инвариант подобия . К.В. Гришанин (1969, 1974) сделал попытку теоретически обосновать его инвариантность. Комплекс записывается им в виде  и определяется как универсальная постоянная для устойчивых прямолинейных участков рек всех порядков при любых наполнениях, не выходящих за бровки меженного русла. Значения универсальной постоянной, подсчитанные для многих естественных водных потоков, оказались достаточно устойчивыми и близкими к 0,92±0,15.

К.В. Гришанин выражает инвариант М через критерии геометрического и динамического подобия открытых потоков: . К.В. Гришанин (1974) приходит к выводу о том, что «на устойчивых участках рек с мелкозернистыми донными отложениями величина М инвариантна не только локальна, но и повсеместно – она приблизительно одна и та же на всех устойчивых прямолинейных участках». При значениях М, заметно меньших единицы, происходит размыв русла, а при М, больших единицы, русло заиливается (Боровков В.С., 1989).

Н.А. Ржаницын считает, что приведённые выражения коэффициента устойчивости русла характеризуют лишь степень подвижности или устойчивости донных отложений, формирующих русло реки и потому должен именоваться коэффициентом устойчивости донных отложений. Н.А Ржаницын предлагает степень устойчивости речного русла характеризовать отношением показателя (коэффициента) устойчивости донных отложений (например, в формуле Н.И. Маккавеева) к относительной глубине русла . В приведённых зависимостях d – средний диаметр частиц, слагающих русло реки, мм; Dh – падение реки на единицу длины, м; I – уклон реки; g – ускорение свободного падения; v_д – придонная скорость течения м/с; Н – глубина потока, м; В – ширина русла, м.

Интенсивность руслового процесса – быстрота развития эрозионных или аккумуляционных процессов, обусловливающих русловые переформирования. В качестве критерия (показателя) интенсивности руслового процесса Н.А. Ржаницын рекомендует выражение ,  где H, i – соответственно средняя глубина и уклон потока на рассматриваемом участке; d – средний диаметр частиц, слагающих ложе реки; v₁ и v₂ – средняя скорость течения соответственно в начале и конце участка. При d=0 русло реки (по Н.А. Ржаницыну) сохраняет в среднем относительно стабильное положение, при d<0 преобладают эрозионные процессы, при d>0 – аккумулятивные процессы. Приведённая формула представляет собой коэффициент устойчивости (подвижности) донных отложений, дополненный выражением , характеризующим изменение степени насыщенности потока наносами на рассматриваемом участке (Чеботарев А.И., 1978).

С.В. Избаш связывает устойчивость русел с гидравлическими элементами потока. Им введено понятие коэффициента формы русла, выраженного отношением средних и максимальных значений глубины наполнения к ширине реки. По этой классификации речные русла могут быть отнесены к одной группе, если сочетание факторов формы, относительной шероховатости и уклона дают одинаковые значения числа Фруда. Классификация русел по критерию С.В. Избаша отражает особенности отдельных участков реки.

Д.И. Гринвальд (1974, с. 157) считает целесообразным  рекомендовать ввести в критерий, характеризующий устойчивость русла, величину, отражающую степень турбулентности в придонном слое. Так, если в формулу для коэффициента устойчивости, предложенную М.А. Великановым (1955), ,  где D – средний диаметр частиц дна, а u_ср – средняя скорость на вертикали, ввести в знаменатель одну из характеристик турбулентности, а именно число К ( – интенсивность турбулентности), то получим несколько иной критерий устойчивости ,  который, по мнению Д.И. Гринвальда, будет лучше характеризовать действительную устойчивость русла. Здесь σ_u – среднеквадратическое отклонение продольной составляющей  скорости в точке у дна.

Как показано в работах (Егиазаров И.В., 1956, 1959; Egiazaroff I., 1957, 1959, 1966), модуль концентрации русловых наносов , как влекомых в придонной зоне, так и взвешенных, за исключением нерусловых, транзитных наносов (<0,05 мм), определяется избытком мощности потока N (т.е. энергией в единицу времени) над мощностью сопротивления русла N₀, т.е. величиной .   По предложению И.В. Егиазарова (1970) модель концентрации определяется обобщённым критерием подвижности наносов .

Критериальные условия плановой устойчивости потока и русла в наиболее общем виде устанавливаются на основе совместного решения уравнений гидродинамики и сыпучей среды (Кереселидзе Н.Б., 1974). На основе этого положения И.Ф. Карасев (1975, с. 36) предлагает эрозионно-морфометрический показатель динамической устойчивости потока и русла: Уэ.м. = , где – динамическая скорость. Из этого уравнения для условий больших каналов он делает вывод, что область гидравлической неустойчивости потока расположена в диапазоне – параметр формы русла, равный относительной ширине русла (Карасев И.Ф., 1985).

Подобное утверждение делают и В.С. Алтунин и Л.И. Ваганова (1981, с. 352): «Для земляных каналов, проходящих в мелкопесчаных грунтах потеря устойчивости потока происходит при В/h_ср>40-50».

Для оценки устойчивости русла р. Рена и её основных притоков использовался показатель С.Г. Шатаевой (1969) А=lg h/lg b (Водные пути…, 1995, с. 225).

На системном уровне «песчинка–струя» предлагается характеризовать сдвигающие силы величиной скорости, а удерживающие – гидравлической крупностью частиц. Это даёт безразмерный показатель подвижности донных частиц в виде . Здесь – средняя скорость в живом сечении, w₀ – гидравлическая крупность, отвечающая диаметру частиц, обеспеченному на 50% по кривой гранулометрического состава (Руководство по проектированию… , 1974, с. 22).

Совместное влияние гидродинамических факторов – подвижности донных отложений и кинетичности потока – выражается единой величиной – показателем подвижности русла . Утверждается, что «Пользуясь показателем подвижности русла К_р нельзя забывать, что он характеризует потенциальную деформируемость русла. Фактическая интенсивность деформации на том или ином участке реки определяется совместным влиянием подвижности русла и степени неравномерности течения» (Руководство по проектированию… , 1974).

Поэтому можно сделать вывод, что существует устойчивость реальная и потенциальная.

Коэффициент продольной устойчивости русел В.М. Лохтина в наиболее общем виде для горных рек даётся И.В. Егиазаровым (1960): , где d – средневзвешенный диаметр русловых отложений; R – гидравлический радиус; i – средний продольный уклон русла; γ_н; γ – удельные веса наносов и смеси воды и наносов; f₀ – коэффициент сопротивления размываемого русла, для руслоформирующих расходов f ≈0,06; ξ – коэффициент, учитывающий изменение скорости по глубине потока. По утверждению А.Н. Крошкина (1973), «это соотношение позволяет моделировать продольную устойчивость русел как при неискажённом, так и искажённом моделировании. Из него, как частный случай, может быть получено широко распространённое в условиях равнинных рек соотношение В.Г. Глушкова, уточнённое М.А. Великановым (1958)».

Я.И. Каганов в дискуссии на V Всесоюзном гидрологическом съезде сообщает о разработанной гидравлико-морфометрической модели процесса взаимодействия естественного наносонесущего водного потока с руслом горной реки, позволяющая оценить состояние его устойчивости из условий сохранения отмостки, сложенной галечниковым материалом. Введенный критерий устойчивости учитывает морфологию русла, гранулометрический состав отложений и скоростную структуру потока. Важно отметить, что, по словам Я.И. Каганова, величина этого критерия характеризует не состояние русла, а направленность эрозионно-аккумулятивного процесса, и его критические значения определяют продольный уклон, относительную шероховатость и прочие параметры, соответствующие устойчивому руслу (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 345-346).

3.6.3.     Примеры устойчивых и неустойчивых рек

В виде примера устойчивой реки можно привести верхнюю Оку, для которой коэффициент устойчивости русла  в форме d/hi (d – диаметр наносов, h – глубина, i – уклон) колеблется от 14 до 26, что характеризует малоподвижное и даже жёсткое русло (Беркович, 1999, с. 47). Пример реки с небольшой подвижностью русла даёт Кама (Руководство по проектированию… , 1974).

Среди примеров неустойчивых рек встречаются самые разнообразные типы русел и русловых процессов; это и разбросанные, блуждающие («Русло Хуанхэ почти на всём протяжении интенсивно блуждает» (Чалов Р.С. и др., 2000, с. 117), разветвлённые реки («Разветвление русел на рукава характерно для рек с малоустойчивым руслом» (Чалов Р.С., Хмелева Н.В., 1979, с. 19), и меандрирующие: Вычегда и Сысола имеют меандрирующее, слабоустойчивое русло: число Лохтина на Вычегде – 3,8, коэффициент стабильности Н.И. Маккавеева – 7,6. (Рулева С.Н., Чалов Р.С., 2003, с. 173).

Ещё пример меандрирующей неустойчивой реки: Река Казым – типичная равнинная река, сильно извилистая, с обширной поймой, покрытой многочисленными озёрами. Ширина русла в верхнем течении изменяется от 40 до 50 м, а в устье достигает 600 м. Русло реки неустойчиво, отличается сильно развитой боковой эрозией. (Доронина Н.А., 1972, с. 78.)

Примером рек с крайне подвижным руслом является р. Амударья, значительные деформации русла которой совершаются иногда за несколько часов. Гидролог Н.Т. Кузнецов (1965) в небольшой научно-популярной книге ярко показал своеобразие природы и динамичной, постоянно меняющейся гидрографии Центральной Азии (Гвоздецкий Н.А., 1987, с. 191).

Можно сделать вывод, что коэффициент устойчивости не характеризует тип русловых процессов, а, скорее, показывает интенсивность процесса.

Он характеризует количество наносов, участвующих в переформированиях или  транспортирующую способность потока. Этот вывод опять подсказывает, что тип русловых процессов определяется не абсолютными значениями транспорта наносов (расхода наносов, поступления наносов, транспортирующей способности потока), а относительным значением (отношением транспортирующей способности потока к поступлению наносов на рассматриваемый участок).

3.7.  Деформации русел на уровне гряд

Несмотря на разные системные уровни, к которым относятся гряды и формы русла, некоторые исследователи связывают образование форм русла с движением гряд. Также есть гипотезы об образовании форм русел из гряд, образованных при катастрофически больших расходах воды. Отмечается также общность генезиса волновых форм грядового дна и меандрирования излучин рек. Поэтому, прежде, чем перейти к рассмотрению русловых процессов на системном уровне «русло–поток», рассмотрим более низкий системный уровень русловых деформаций – уровень внутрирусловых образований (гряд и т.п.).

В движении донных гряд выделяются несколько фаз: 1) отсутствие гряд, 2) нормальные гряды, 3) смыв гряд, 4) антидюны (Знаменская Н.С., 1968). При переходе плоского размываемого дна к волнообразной форме изменяется твёрдый расход. Однако по поводу этого изменения существуют противоречивые мнения. Так, опыты Н.А. Михайловой свидетельствуют об уменьшении твёрдого расхода, а опыты С.М. Анцыферова и В.К. Дебольского – об его увеличении. Высказывание об уменьшении твёрдого расхода при формировании песчаных волн имеется у Казея (Кромская Т. П. и др., 1970, с. 154). При очень больших скоростях потока движение влекомых наносов в бурном потоке (число Фруда ; здесь V – средняя скорость потока, h – его глубина; g – ускорение свободного падения) осуществляется ровным слоем без образования гряд (Знаменская Н.С., 1968).

3.7.1.     Исследования грядового движения

Существенный вклад в теорию донного влечения наносов и формирования руслового рельефа (гряд и дюн) внесён Ф. Экснером (Exner F.M., 1920), Н. Крамером, В.Н. Гончаровым (1938), М.А. Великановым (1948б), В.Ф. Пушкаревым (1948), И.В. Егиазаровым (1949), Г.В. Лопатиным (1952), Дж. Кеннеди (Kennedy J.F. 1963), Н.А. Михайловой (1966), К.И. Россинским и И.А. Кузьминым (1958), Н.С. Знаменской (1968).

Начало целенаправленных лабораторных исследований формирования песчаных гряд было положено П. Дюбуа в 1879 г. и затем Дж. Диконом. Экспериментальные исследования гряд проводили Дж. Джильберт (1914), М.А. Великанов и Н.М. Бочков (1931), В.Н. Гончаров и Г.В. Лапшин (Гончаров В.Н., 1938), В.Ф. Пушкарев (1948), Д. Богарди (1974), В.С. Кнороз (1959), Н.А. Михайлова (1966), Д. Аллен (1969), Н.С. Знаменская (1968). Опыты Э.М Минского (1935) проводились в аэродинамической трубе с воздухом.

Наиболее полное натурное исследование гряд в речных потоках проводилось Г.И. Шамовым (1935), А.К. Проскуряковым и Б.В. Проскуряковым (1938), К.И. Россинским и И.А. Кузьминым (1950), Б. Колби и К. Хемпфри (1955),  Х. Эйнштейном и Н. Чейном (1955), Ю.М. Корчохой (1968), Н.М. Капитоновым и др. (1974). К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1950) провёли исследования связи между образованием песчаных волн в русле потока и конфигурацией русла в плане.

Подробные обзоры и библиографии, посвящённые натурному, лабораторному и теоретическому изучению донных гряд приведены в работах Н.А. Михайловой (1966), Н.С. Знаменской (1968), Б.А. Шуляка (1971).

Существует ряд классификаций форм грядового рельефа, в которых в качестве отличительных признаков одних форм от других приводятся, в частности, генезис этих форм, их морфологическое строение и относительные размеры (Маккавеев Н.И., 1955; Кондратьев Н.Е. и др., 1959; Караушев А.В., 1960; Гришанин К.В., Кондратьев Н.Е. и др., 1972; 1982; Сидорчук А.Ю., 1992; Алексеевский Н.И., 1998; Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 2001).

В результате лабораторных исследований появился ряд эмпирических формул, связывающих размеры гряд с гидравлическими элементами потоков (Михайлова Н.А., 1966), и несколько гипотез о причинах образования гряд. Предложено около двадцати классификационных таблиц, в которых различия между формами гряд связываются с параметрами потока (Россинский К.И., 1972в, с. 22).

3.7.2.     Обзор гипотез причин образования гряд

Существующие в настоящее время модели процесса грядообразования можно условно разбить на следующие группы: турбулентные теории, связывающие возникновение гряд с пульсациями скорости в турбулентном потоке (М.А. Великанов, Н.А. Михайлова, К.И. Россинский, И.А. Кузьмин), вихревые теории, предполагающие наличие в потоке неподвижных вихрей, вращающихся как твёрдое тело (Н.Т. Повало-Швейковский (1938), A.J. Raudkivi, К.В. Гришанин), теории, исследующие устойчивость двухфазного и однофазного потока (Candoll, Lui Hsin-Kuan, Б.Ф. Снищенко).

М.А. Великанов (1949) связал происхождение гряд с наличием микромасштабной турбулентности. По этой теории плоское дно под воздействием низкочастотных пульсаций скорости должно принять грядовую форму. В 1948 г. В.М. Маккавеев на основе изучения колебательных процессов в турбулентном потоке рассмотрел задачу об образовании донного рельефа с периодически повторяющимися формами. В 1953 г. теоретическая модель формирования гряд предложена Ф.И. Франклем, а в 1963 и 1969 гг. – Кеннеди. Ими сделана попытка установить причину возникновения периодических структурных форм на дне и объяснить процесс их образования. Указанные авторы видят эту причину в особенностях структуры потока, но по-разному подходят к решению поставленной задачи. Экснер (Exner F.M., 1925) подчёркивал сходство между этим явлением и песчаными барханами в пустыне, форма которых приблизительно та же самая, что и песчаных гряд в реке.

Некоторые авторы (Exner F.M., 1925; Кондратьев Н.Е. и др., 1959) рассматривают гряды как результат воздействия на дно осреднённых скоростей течения. По-видимому, на формирование гряд влияют как осреднённые скорости течения, так и пульсационные составляющие. Кинематическая же структура потока сама изменяется по мере развития формы гряд (Россинский К.И., Кузьмин И.А., 1958).

Условием для образования гряд является наличие аллювиального ложа реки или достаточно большой сток влекомых (руслообразующих) наносов. На неразмываемом (например, скальном) дне потока при малом количестве влекомых наносов формируются «дефицитные» гряды (Дебольский, Котков, 1977).

В.К. Дебольский и С.М. Анцыферов (1968) причиной образования донных форм считают исходные неровности дна, которые создают разрывы в профиле скорости и образуют присоединённые микровихри, работа которых и приводит к развитию донных форм.

Согласно другим воззрениям (Шуляк Б.А., 1971; Raudkivi A.I., 1963) они развиваются из имеющихся на дне случайных неровностей, вызывающих появление в потоке вальцовых течений.

Ряд авторов (Гришанин К.В., 1974; Kennedy J.F., 1969) связывают происхождение донных форм с развитием волн малой амплитуды на дне и свободной поверхности потока в условиях общей неустойчивости движения водного потока.

Большая группа исследователей связывают развитие гряд с наличием турбулентности и её характеристиками. Значительно развивал эту идею М.А. Великанов (1948б), опираясь на принцип минимума диссипации энергии: «Вообще говоря, песчаное дно, пусть первоначально плоское, неизбежно должно под влиянием турбулентного потока принять неправильную волнистую форму» (Великанов М.А., 1948а, с. 482). С этим нельзя полностью согласиться, имея в виду, что существуют несколько видов состояния дна реки и несколько способов движения наносов. Система «поток–русло» принимает не единственную форму, а разную, но соответствующую внешним воздействиям. Гипотеза турбулентного происхождения русловых форм, также развивалась Н.А. Михайловой (1966).

В последнее время эта идея была развита в работах К.В. Гришанина (1979) и Б.Ф. Снищенко (Кондратьев Н.Е. и др., 1982). Используя теорию потенциальных течений для рассмотрения движения руслового потока, который представляется как комбинация потенциального поступательного и вихревого движений, К.В. Гришанин получает уравнение деформации дна для малых времён, величину начальной малой деформации, по высоте близкой к размеру нескольких песчинок, и объясняет причину асимметричности профиля гряды влиянием присоединённого вихря.

Сторонники «турбулентной» гипотезы считают, что источником начальных неровностей, развивающихся в гряды, является турбулентность потока. Именно она обеспечивает чёткую периодичность, свойственную грядам с самого начала их возникновения.

Наиболее сильным подтверждением этой гипотезы также считается близкое совпадение средней длины стабилизированных гряд с шагом вихревой цепочки, который с использованием теории размерностей К.В. Гришаниным предложено определять в виде: .

Обширные сопоставления длины гряд с шагом цепочки вихрей, выполненных Б.Ф. Снищенко (Кондратьев Н.Е. и др., 1982), показали, что как лабораторные, так и натурные  данные измерений хорошо согласуются с этой формулой. Спектральный анализ поверхности речного дна, выполненный А.Ю. Сидорчуком (1984), показал, что изменение спектра колебаний отметок речного дна близко к закону (-5/3) А.Н. Колмогорова для инерционного интервала турбулентности (Боровков В.С., 1989).

А.Ю. Сидорчук (1992), проанализировав обширный натурный материал, нашёл, что сложная структура турбулентных вихрей отображается во всей иерархии форм руслового рельефа – от крупных гряд, соизмеримых с шириной русла (макроформ), до самых мелких грядовых образований, составляющих тысячные её доли (микроформ) (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

А.Н. Ляпин (1956), а затем О.Н. Мельникова (1997) считают причиной образования донных гряд стационарные (стоячие) волны на поверхности водного потока. Стационарные волны наблюдали Н.Е. Кондратьев и О.В. Макринов (1953), а также А.А. Левашов и И.А. Левашова (2003). О.Н. Мельникова считает, что параметры волн в потоке с известными характеристиками определяют параметры гряд на дне потока (Мельникова О.Н., 1997).

Стационарные волны возникают при натекании потока на препятствие на дне, или если скорость потока меняется вдоль по течению. Фазовая скорость волн (скорость перемещения постоянной фазы, например, гребня волны) близка скорости потока и направлена вверх по течению. В результате мода, фазовая скорость которой точно соответствует скорости потока, может быть обнаружена на поверхности воды в виде волны с застывшими гребнями. (Мельникова О.Н., 1997).

В экспериментах А.Н. Ляпина (1956) периодический процесс волнообразования искусственно вызывался обтеканием порога, щитка и т.п. Однако в опытах наблюдались случаи, когда поток на долгое время отрывался от щитка и не касался его нижней кромки, причём какого-либо нарушения последующих волн не наблюдалось. Аналогичное явление наблюдал Б.А. Бахметев, о чём специально упомянул при их описании (1928).

Подобное же возникновение волнообразного движения очень часто наступает и в естественных руслах рек, имеющих большой продольный уклон и размываемое основание. При этом указанные движения настолько устойчивы, что, будучи искусственно нарушены, возникают вновь, причём в начале такой цепочки волн обычно нет никакого постороннего предмета (Ляпин А.Н., 1956).

О.Н. Мельникова  проводила эксперименты, в которых в нижней части лотка под стационарными волнами на поверхности воды были сформированы гряды. В верхней части лотка, где стационарных волн не было, дно оставалось ровным (Мельникова О.Н., 1997). На участках с максимальными уклонами, на которых числа Фруда превышали критические, возникала система остановившихся волн на поверхности воды, а гряды смещались вверх по потоку. Результаты аналогичных наблюдений А.Н. Ляпина в закритических натурных потоках опубликованы в работе (Кондратьев Н.Е. и др., 1959). Продольный размер гряды коррелировал с длиной стационарной волны. Гряды формировались на плоском дне под уже существующей стационарной волной (Мельникова О.Н., 1997).

Гипотеза о причинах периодических деформациий поверхности сыпучей среды (применительно к движению снега) содержатся в работах А.К. Дюнина (1962, 1963), который доказывает неизбежность макропульсаций твёрдого расхода в связи с тем, что при насыщении твёрдыми частицами поток периодически утрачивает свою транспортирующую способность, что ведёт к образованию различных форм микрорельефа.

Гипотеза о единстве закономерностей, которым подчиняются описываемые спонтанные формирования в живой и неживой природе, была предложена А.Ф. Кудряшовым (1949) и обосновывалась им в течение ряда лет. Сущность её состоит в сходстве формы тела и чешуйного покрова рыб с формой поверхностей, спонтанно сформированных турбулентным потоком в руслах рек, что, в частности, подтверждается единством уравнений, описывающих морфометрические и динамические параметры побочней и рыб. Возможно, это даёт повод рассматривать не только аналогию побочней с рыбами, но и меандрирования со змеями, разветвлений с паутиной и т.д.

3.7.3.     Связь движения гряд с типами русловых процессов

Песчаные волны играют существенную роль в русловом процессе. Первые попытки связать песчаные волны в реках с общим ходом русловых процессов были предприняты в конце прошлого и начале этого века Н.С. Лелявским (1893), В.М. Лохтиным (1897), Блязиусом (1910). На связь русловых форм с характером движения песчаных волн обращают внимание многие советские исследователи – М.А. Великанов, К.И. Россинский и И.А. Кузьмин, Н.И. Маккавеев, Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов, Н.С. Знаменская и др. Этот вопрос рассмотрен подробно Н.С. Шарашкиной, которая первой в Советском Союзе начала исследования русловых процессов на лабораторных микрореках (Кромская Т. П. и др., 1970).

Интересные наблюдения за песчаными грядами и характером меандрирования рек содержатся в работах А.Ф. Кудряшова и Киносита, в которых условия меандрирования рассматриваются с точки зрения образования песчаных волн. К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1950) провёли исследования связи между образованием песчаных волн в русле потока и конфигурацией русла в плане. Большой вклад в область моделирования песчаных волн сделан И.И. Леви, К.И. Россинским, Н.С. Знаменской, Б.А. Шуляком.

В.С. Кнороз (1949, 1951, 1960) указывает, что размеры гряд и их скорости не являются постоянными величинами, а колеблются около некоторых средних значений, характерных для данного режима потока. Если количество поступающего в поток твёрдого материала превышает его транспортирующую способность, то в процессе формирования всё время происходит наращивание перемещающихся гряд и изменение уклона свободной поверхности потока (Михайлова Н.А., 1966, с. 94).

3.7.4.     Иерархия гряд

Лишь в редких случаях рельеф дна соответствует представлениям о гряде идеальной формы и имеющей относительно пологий верховой откос и резкий  скачок отметок дна на переходе от вершины к подвалью грядового образования. Значительно чаще он представляет собой совокупность грядовых образований  различной длины и высоты, которые образуют соподчинённую иерархию русловых форм (Россинский, Дебольский, 1980; Алексеевский, 1987).

По размерам, соотношению с шириной и глубиной потока, а также между собой все гряды в русле можно разделить на микро-, мезо- и макроформы. К макроформам грядового рельефа русел относятся наиболее крупные гряды, высота и ширина которых соизмеримы с глубиной и шириной русла. Макроформы определяют основной облик рельефа русла, обусловливая изменения глубины как вдоль, так и поперёк реки. Изменение роли макроформ в русловых процессах в разные фазы гидрологического режима убедительно доказано К.М. Берковичем и др. (1983) на натурном материале. Обсыхающие в межень части макроформ могут превращаться при их зарастании в крупные детали самого русла (выпуклые берега излучин, острова и т.п.) (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 61).

Микроформами руслового рельефа являются очень мелкие грядовые образования, размеры которых (по ширине и по высоте) несоизмеримо малы по сравнению с размерами русла. Они связаны с пульсациями скорости потока в придонной области и не оказывают влияния на структуру потока. Высота таких гряд колеблется в пределах от нескольких сантиметром до 20-30 см, а длина от нескольких десятков сантиметров до 10 м. Выделяют также ультрамикроформы – гряды высотой не более 2-3 см и длиной до 10-25 см (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

К мезоформам относятся гряды, ширина которых составляет десятые и сотые доли ширины русла. Мезоформы в виде песчаных волн отчётливо заметны на прирусловых отмелях и в прибрежных мелководных частях русла. Образование мезоформ связано почти исключительно с макротурбулентностью потока (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

Макроформам грядового рельефа дна русел соответствуют перекаты – крупные аллювиальные гряды, пересекающие русло от одного берега до другого и вызывающие в период низких уровней воды подпор на вышележащем участке (Маккавеев Н.И., 1955), а также гряды, составляющие 0,5-0,1 ширины русла (побочни, косы, ленточные гряды, заструги) (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).

На реках с малым количеством руслообразующих наносов возможны формирования дефицитных гряд или непосредственный контакт потока с коренным ложем и образование участков скального русла со скульптурными формами рельефа (верхняя и частично средняя Лена, Витим, верхний Алдан, Ангара, верхний и средний Енисей) (Чалов Р.С., 1997, с. 31).

Для учёта всех форм грядового движения наносов при определении их стока разработана специальная методика (Алексеевский, 1987), согласно которой наиболее крупной грядой считается морфологическое образование, соответствующее побочням или перекатам. (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997). Н.И. Алексеевский (1987; Алексеевский Н.И., Горбатенко А.В., 1989) обозначает гряды разных иерархических ступеней буквами русского алфавита, при этом буква «А» присваивается побочням перекатов – большим грядам, а более мелкие гряды по мере их упрощения и уменьшения длины обозначаются Б, В, Г и Д.

Также процедура последовательного выделения гряд различных размеров (рангов) на продольных профилях была разработана при анализе грядового рельефа в низовьях Енисея (Бабич Д.Б. и др., 1983).

3.8.  Обзор типов русел и русловых процессов

В выделении различных типов русел и русловых процессов имеются самые разные предложения. Они различаются названиями и степенью детализации типов.

М.А. Великанов главным и самым распространённым видом рек считал меандрирование. К.П. Россинский и И.А. Кузьмин (1950) выделили прямые, извилистые и разветвлённые русла. Затем типизации развивались многими исследователями.

Тем не менее, можно обобщить, что основными типами русел являются относительно прямые, извилистые (меандрирующие), побочневые, разветвлённые (по типу пойменной многорукавности), а также с русловыми разветвлениями. Каждый из этих типов может иметь практически неограниченные модификации и степень проявления. Также есть специфические (менее редкие, но не менее важные для освещения общей картины) типы русел, например, устья, сели, карстовые, деградирующие, болотные русла и многие другие.

Каждый из типов может развиваться под дополнительным воздействием ограничивающих факторов, быть широкопойменным (для излучин широко используются термины «свободные излучины» или «свободное меандрирование», адаптированным (соответственно, «вынужденные», «адаптированные» и «вписанные излучины»), беспойменным или врезанным (для излучин – «врезанные излучины») (Чалов Р.С., 1996)

Извилистое, разветвлённое на рукава или относительно прямолинейное неразветвлённое русла характеризуются вполне определёнными закономерностями размещения зон намыва и размыва берегов, которые имеют свою специфику как на разных стадиях развития каждой формы русла, так и в зависимости от их морфологического типа (Чалов Р.С., 1997, с. 49).

Далее подробнее рассматриваются основные типы русел и некоторые специфические проявления. Приводятся обзоры основных гипотез о причинах их образования. Рассмотрение основных руслоформирующих факторов приводятся далее в главе 4, а обзор существующих типизаций русел и русловых процессов – в главе 5.

3.9.  Меандрирование

3.9.1.     Определение

«В литературе под термином "меандрирующая река" часто понимается всякая равнинная река, русло которой образует хорошо выраженные, иногда петлеобразные извилины» (Попов И.В., 1956).

Термин «меандрирование» произошёл от названия реки Большой Мендерес (в прошлом – Меандр) на юго-западе Турции, которая характеризуется значительной извилистостью. Если бы цивилизация развивалась не на берегах Средиземного моря, а в Западной Сибири, то в ходу бы сейчас был термин “иртыширование” в честь нашей очень извилистой реки Иртыш. Сами слова “ир” и “тыш” означают “земля”, “рыть”: “Иртыш” – “землерой”. Он меандрирует, подмывает берега, роет землю. В этой характеристике меандрирования показана повышенная энергетическая сущность, которая свойственна меандрированию. Меандрирующую реку в Тянь-Шане с подобным названием описывает и В.А. Обручев (1947 с. 17) – река Иирташ и приводит фотографию участка реки с исключительно развитыми меандрами.

Среди извилистых рек можно найти потоки, текущие в чрезвычайно извилистых руслах, но при этом очень слабо меняющих свои очертания. К ним принадлежат реки, текущие в трудноразмываемых породах, по территориям, с которых верхний, легко размываемый материал уже вынесен (некоторые реки Карелии и Кольского полуострова и др.), многие реки тундры и лесной зоны, болотные реки, а также реки, зарегулированные озёрами и водохранилищами. В этих условиях извилистая форма русла обусловлена не деятельностью потока, а наличием местных препятствий или таких факторов, как разрастание растительности, процессы, происходящие в вечной мерзлоте, деятельность ледоходов и т.п. Эти реки, как правило, отличаются малым количеством наносов. Наряду с этим, большое число рек, имеющих извилистые очертания, характерны тем, что в них происходят, с большей или меньшей интенсивностью, плановые переформирования, обусловленные воздействием потока на русло. Такие реки текут в рыхлых аллювиальных отложениях и имеют бoльшие величины твёрдого стока, чем описанные выше. Для них характерен незарегулированный водный режим.

Именно такими свойствами отличается и р. Меандр, и только такие реки следует называть меандрирующими, понимая под меандрированием не только внешнюю форму плановых очертаний русла, а определённый процесс, сводящийся к изменению плановых очертаний русла по определённой закономерности, а именно в форме развития плавно изогнутых извилин. При этом река может в течение длительного времени перемещать своё русло, сохраняя синусоидальную извилистость, или может формировать хорошо выраженные петли самых разнообразных очертаний, завершая их развитие прорывом перешейка. При меандрировании часть дна долины подвергается непрерывной переработке – формируется пойма со староречьями, часто с характерным гривистым микрорельефом. Наличие такой поймы является надёжным признаком меандрирования (Попов И.В., 1956).

Иногда меандрирующие реки обладают и спокойным течением (в абсолютном выражении): «Излучины наиболее развиты у равнинных рек с медленным течением; здесь они имеют вид сложных петель и часто меняют своё положение в пределах дна долины. Такие излучины (меандры) называются блуждающими» (Подобедов Н.С., 1974, с. 214). Возможно, что это надо понимать в абсолютном смысле: «Меандры характерны для рек с относительно устойчивым руслом и стабильным продольным профилем» (Чалов Р.С., Хмелева Н.В., 1979, с. 19). Встречающаяся устойчивость меандрирующих рек, возможно, связана с малыми абсолютными темпами русловых деформаций, что обусловлено отсутствием поступающих в русло наносов.

Меандрирование – наиболее распространённая форма плановых переформирований излучин рек, имеющих пойму (Чеботарев А.И., 1978, с. 154). Этот факт поддерживает гипотезу «естественности» меандрирования. Действительно, реки потому и существуют, что у них в историческом разрезе транспортирующая способность потока была больше поступления наносов, иначе русла, как объекта, не существовало бы. Но в действительности, в настоящее время, когда уже существуют речные долины, динамическое равновесие между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов может достигаться при любой существующей форме транспорта наносов и форме русла. Поэтому кроме «естественного» меандрирования существуют также многие другие формы русел.

Аналогия – океанские течения. Для самого существования течения «живая сила» должна быть больше сил сопротивления, иначе бы вода не двигалась. А раз она двигается, значит, «живая сила» велика. Это и выражается в морфологии самого течения. Оно извилисто, а не прямо. Извилистые течения наиболее распространены. Другие виды течений – прямые и разветвлённые (или, возможно, – разрывные), гораздо менее распространены, в каких-то особых условиях. Например, при воздействии ограничивающих факторов: узких проливов, конфигурации дна и т.п.

Типичные меандрирующие реки: Вычегда, Ока, Клязьма, Мокша, Вятка (Беркович К.М., Власов Б.Н., 1981, с. 286); «Реки Печенга, Ура и Лотта свободно меандрируют почти на всём своём протяжении» (Ресурсы…, 1970, с. 49); «В среднем течении р. Таз с шириной в районе впадения р. Худосеи более 400 м сильно извилиста» (Доронина Н.А., 1972, с. 79). Б.К. Штегман (1952) наблюдал на р. Или, как на протяжении 4 лет одна и та же петля русла неоднократно прорывалась, а затем снова развивалась и подвергалась последующему прорыву.

Н.И. Маккавеев и В.С. Советов (2003 с. 211) выделяют несколько стадий развития излучин» а) «зарождающиеся» излучины, стрела прогиба которых почти не превосходит ширину меженного русла. Такая излучина образуется побочнем переката, высота корневой части которого достигает уровня высокой поймы; весенними паводками такие излучины могут спрямляться, и чем выше весенний паводок, тем интенсивней процессы спрямления; б) излучины «зрелые», отличающиеся большими размерами стрелы прогиба; вогнутый берег излучины размывается, выпуклый нарастает; в) излучины спрямляющиеся, причём спрямление может быть выражено в форме проработки протока по шейке излучины или в форме постепенного наращивания вогнутого берега и размыва выпуклого.

В процессе развития излучины её противоположные вогнутые берега постепенно сближаются, а русло реки удлиняется, что приводит к уменьшению скорости течения воды в нём (Подобедов Н.С., 1974, с. 215).

3.9.2.     Обзор гипотез причин образования меандрирования

В разное время исследователями предлагались различные гипотезы образования и существования меандрирования речных русел. Самыми известными из них являются: поперечная циркуляция воды в реке; принцип минимума диссипации энергии; принцип минимизации вариации некоторого параметра случайного процесса блуждания реки; структурная турбулентность; неустойчивость прямолинейного движения потока к гармоническим возмущениям; блуждание динамической оси потока; концепция энтропии; неотектоника; геология; вращение Земли, Кориолисово ускорение; “свойство потока меандрировать”; наличие случайных препятствий; транспортирующая способность потока; расход наносов; общая денудация земной поверхности; относительная ширина поймы и другие. Большинство из них рассматривается далее.

Как указывает Н.И. Маккавеев (1955), существуют более тридцати гипотез возникновения извилистости естественных русел. «Такое обилие гипотез говорит, с одной стороны, о важности проблемы, а с другой стороны, о том, что до сих пор не ясна физическая сторона явления» (Ляпин А.Н., 1956, с. 103).

Основными, более широко и долго признанными  гипотезами являются: циркуляция потока в русле (Великанов М.А., 1948а); неустойчивостью прямолинейного (Кондратьев, 1954; Замышляев, 1983) и динамической устойчивостью извилистого русла (Маккавеев, 1955; Чалов, 1979), а также в том, что причина кроется во внутренней гидродинамической структуре потока (Великанов М.А., 1950), в неустойчивости прямолинейного течения в размываемом русле (Кондратьев Н.Е., 1954). Разбор недостатков основных из этих теорий дан Н.Н. Федоровым (1954).

Обзор гипотез возникновения меандрирования содержится в ряде работ советских и зарубежных исследователей: Н.И. Маккавеев (1955, 1969), Н.Н. Фёдоров (Русловой процесс, 1959), Янг (Yang, 1971), Хакансон (Hakanson, 1973), Н.С. Замышляев (1976, 1978), Callander (1978), Б.В. Матвеев (1985), Knighton (1977).

Наличие препятствий.

Наиболее простой для неискушённого исследователя является гипотеза о том, что причиной образования меандрирования является наличие случайных или систематических препятствий. Эта гипотеза критиковалась выше при описании сущности меандрирования (Попов И.В., 1956), потому что под меандрированием понимается не только внешняя форма плановых очертаний русла, а определённый процесс, сводящийся к изменению плановых очертаний русла по определённой закономерности, а именно в форме развития плавно изогнутых извилин.

Начальный изгиб и его развитие.

Эта гипотеза выражается следующим ходом рассуждений: Представим себе русло реки, осложнённое небольшим изгибом. Выше него вода в русле движется прямолинейно; в своём движении они наталкивается на его вогнутую часть и постепенно подмывает берег. Струйки воды, ударившись о берег, отклоняются к противоположному берегу под углом, равным углу между направлением струй и линией вогнутого берега. При столкновении с противоположным берегом они подмывают и его. Водный поток, действуя длительное время, увеличивает первоначальный изгиб русла (Подобедов Н.С., 1974, с. 215).

Подобной точки зрения придерживается И.И. Леви (1968, с. 140): некоторое «обстоятельство могут нарушить очертание береговой линии и создать известную кривизну течения на том или ином участке реки. Это оказывается совершенно достаточно для развития извилистости русла – область первоначальной небольшой вогнутости будет быстро увеличиваться, продукты же размыва будут сноситься к противоположному берегу, образуя там отложения, перерастающие постепенно в косы и отмели. Таким путём создаётся криволинейная форма берегов, столь естественная для рек, протекающих в аллювиальных отложениях».

Сила Кориолиса.

Одной из давних теорией образования излучин рек является теория, связывающая их возникновение с закручиванием руслового потока в спиральное течение под воздействии силы Кориолиса, вызываемой вращением Земли. Эта теория впервые выдвинута J. Thomson (1876).

Сила Кориолиса является независимым руслоформирующим фактором, обуславливающим, в некоторой степени размывы правых берегов в Северном полушарии. Это руслоформирующее влияние силы Кориолиса рассмотрено в главе 4.

Образование излучин рек под действием винтообразного закручивания потока – это ещё одна гипотеза, которая приводится далее. Идея же о связи самой циркуляции с действием силы Кориолиса не получила широкого распространения.

Циркуляция потока в русле.

Этот подход развивался Н.Е. Жуковским (1937), А.Я. Миловичем, М.А. Великановым (1948б), Н.И. Маккавеевым (1955), С. Лелявским (1961), И.И. Леви (1968), М.В. Потаповым, Х. Энгельсом (Engels H.), А. Шокличем (Schoklitsch A.), Х.А. Эйнштейном (Einstein H.A.), И. Ониши и др. (Y. Onishi et al., 1976), А.Дж. Одградом (A.J. Odgard, 1989a, 1989b).

С. Лелявский (1961) считает, что «эта теория – одна из тех, которые выдержали испытание временем». М.А. Великанов опирается на опыты Н.Е. Жуковского (1937), проведённые в закруглённом потоке и делает вывод, что «Извилистость получается в результате поперечной циркуляции, свойственной каждому русловому потоку, даже прямолинейному» (Великанов М.А., 1948а, с. 483).

Опираясь также на опыты Лосиевского и свои работы (Великанов М.А., 1946а), он делает вывод, что «отсюда как будто следует, что на прямолинейном участке (R=¥) вихревая сила должна быть равна нулю» (Великанов М.А., 1948а). Тем не менее, М.А. Великанов приходит к выводу, что «Наличие поперечных циркуляций в прямолинейном участке, хотя бы и в области боковых стенок, можно считать установленным» (Великанов М.А., 1948а, с. 327). Нерешённым остаётся вопрос – в какую сторону будет самопроизвольно закручиваться поток в прямолинейном русле.

Вывод М.А. Великанова подтверждают И.И. Леви (1968, с. 140): «Русло равнинной реки, как правило, имеет криволинейную форму в плане. Причиной этого является, с одной стороны, наличие неустойчивых легко размываемых берегов, которые под влиянием течения реки могут разрушаться, с другой – неустановившийся и циркуляционный характер речного потока, вследствие которого может изменяться направление течения» и Н.И. Маккавеев и В.С. Советов (2003, с. 176): «Отложения наносов в речном русле и переформирование наносных отложений вызываются изменениями скоростей течения и уровней, а также действием внутренних течений в виде поперечных циркуляций в речном потоке».

Нерешённым остаётся вопрос, является ли это подтверждением того, что в любом русле существуют циркуляционные течения, и они являются причиной образования меандрирования, или, наоборот, меандрирующая форма русла, образованная под влиянием других определяющих факторов, приводит к формированию циркуляций.

Путаница происходит в рассуждениях И.И. Леви (1968), который, анализируя лабораторные эксперименты А.И. Лосиевского (1934) приводит к выводу, что «Интенсивность и характер этой циркуляции, а значит и процессов формирования перекатов, зависит от соотношения между шириной и глубиной реки и формы самого сечения». Получается, что формирование русла зависит от формы самого русла, его параметров.

На эту тему более осторожно высказывается Р.С. Чалов (1997, с. 52): «В излучине русла всегда возникает циркуляционное течение, способствующее сохранению или росту в процессе развития её кривизны; своеобразное поле скорости и циркуляционные течения формируются в узлах разветвления, обеспечивая их динамическую устойчивость и т.д. В природе, однако, приходится иметь дело с вариациями форм русла, соответствующими различным стадиям их развития».

В работах (Mathes G.H., 1941; Маккавеев Н.И., 1955) делается вывод, что поперечная циркуляция жидкости в изогнутом потоке не влияет на формирование излучин. Многолетние натурные наблюдения американских исследователей на реках Миссисипи и Миссури (Gotz W., 1980) показали, что существующее поперечное течение не приводит к значительному поперечному переносу донных наносов. Опытами С.Ф. Фридкина (Fridkin S.F., 1945) для случая размываемых берегов было установлено, что песок, размытый у вогнутого берега, в значительной части откладывался ниже по течению у выпуклого берега, на той же стороне канала, и лишь незначительная часть его попадала на отмель на противоположном берегу. Эти факты – прямое подтверждение того, что формирование русла реки нельзя полностью связывать с циркуляцией потока (Мельникова О.Н., 1997).

В опытах В.М. Католикова (2000, с. 15) с окрашенным песком значимого поперечного бокового переноса наносов также не наблюдалось, что косвенным образом свидетельствует об отсутствии вторичных циркуляционных течений в прямолинейном потоке. «Основная масса продуктов размыва вогнутого берега переносится потоком на побочень, расположенный ниже и примыкающий к этому же берегу дальше перегиба» (Руководство по изысканиям…, 1971, с. 29).

Наличие двух стрежней в реке Иртыш после слияния Бии и Катуни подчеркивается разницей цвета и мутности воды в правобережной (бийской) и левобережной (катунской) его частях на протяжении более 50 км, а также преимущественным образованием грядовых форм руслового рельефа и островов на границе раздела этих потоков. Смешение вод сопровождается сменой типа русла, разветвления которого становятся чередующимися односторонними (Русловой режим рек…, 1995, с. 233).

И.Л. Розовский (1957) доказывает, что «уравнения движения не содержат условий, из которых вытекала бы необходимость возникновения винтовых течений для всякого прямолинейного потока». И далее: «По данным опытов, при движении в прямолинейном потоке нет причин для самопроизвольного возникновения заметных поперечных скоростей V_r и V_Z. Поэтому можно принять, что в таком потоке имеются лишь продольные составляющие скорости V₀, а V_r =V_Z=0».

Р.С. Чалов и Н.В. Хмелева (1979, с. 19) рассматривают механизм формирования и эволюции меандр одновременно с неравномерностью скоростного поля потока, вызывающей местный рост транспортирующей способности потока, и с циркуляционными течениями на изгибе потока.  Выделить здесь причину и следствие пока не удаётся.

Возможно, стоит признать, что причиной самой циркуляции является форма русла, то есть тип руслового процесса, а уже причина самого типа не связана с циркуляцией, а определяется другими причинами. В настоящей работе приводится другая гипотеза образования различных типов русел, в том числе и меандрирования, заключающаяся в том, что причиной является ответная реакция системы «поток–русло» на дисбаланс между поступлением наносов и транспортирующей способностью потока.

Центробежная сила.

К идее о том, что причиной меандрирования является циркуляция потока, близка гипотеза о центробежной силе. Также она близка к идее первоначального изгиба, описанной выше. Основными недостатками этих гипотез является рассмотрение системы более низкого уровня, по отношению к руслу. В рассмотрение вводятся параметры элементов русла.

Существенный пункт этой теории состоит в том, что в обоих случаях, будь то начальный размыв или начальное отложение, линии тока вынуждены отклоняться от их первоначального прямолинейного направления, становятся криволинейными в плане и развивают, следовательно, некоторую центробежную силу (Лелявский С., 1961, с. 113).

Этот центробежный эффект представляет собой причину винтообразного поперечного течения, которое удаляет грунт с вогнутого берега, транспортирует размытый материал поперёк русла и откладывает его на выпуклом берегу, усиливая тем самым тенденцию к меандрированию. Из этих рассуждений следует, что малейшая случайная неправильность в форме русла, отклоняя линии тока от их прямых направлений, может при определённых обстоятельствах образовать фокальную точку для эрозионного процесса, что в конечном счёте приведёт к образованию меандра (Лелявский С., 1961). Перевод этой книги с английского языка сделан Н.Н. Федоровым, который соглашается с С. Лелявским в интерпретации идеи центробежной силы как причины образования меандрирвоания.

«Чтобы сохранить прямолинейное очертание канала в том виде, как он был первоначально построен, должна проявляться постоянная забота о том, чтобы пресечь в корне всякую потенциальную тенденцию к меандрированию» (Лелявский С., 1961, с. 118). Например, Т. Бленч (Blench Т., 1951) говорит: «Эксплуатация состоит из периодического выравнивания, чтобы предупредить меандрирование». В таком подходе борьба идёт не с причиной меандрирования, а с его внешним проявлением.

Неустойчивость дна к малым возмущениям.

В формировании русловых образований немаловажное значение имеют внешние причины, которые могут явиться побудителями перестроения скоростного поля потока. «Ограничиваясь только изучением последовательности развития русловых образований и их перемещений, можно в качестве исходных принять те возмущения, которые создаются либо местными изменениями формы русла, либо уже сформированными выше расположенными образованиями» (Бутаков А.Н., 1988, с. 11).

Трудности решения вопроса об образовании речных излучин заставили исследователей обратиться к методу возмущений, широко используемому в разных областях физики. Суть метода заключается в том, что решается линейное уравнение движения для малых отклонений от положения равновесия с линейными граничными условиями и исследуется устойчивость этого решения к возмущениям, удовлетворяющим линейному уравнению. Примером такого подхода является работа (Гришанин К.В., Замышляев В.И., 1985). В этой работе получены два значения для шага излучин, составляющие около 6 и около 9 полуширин русла. В работе исследованы 462 излучины на реках Днепр, Десна, Сожа, Иртыш. Первое значение, полученное в численных расчётах, в натуре не обнаружено. Наиболее часто встречаемое значение составило 10-12, которое близко ко второй расчётное величине (Мельникова О.Н., 1997).

Целый цикл работ, который открывается статьями Андерсена (Anderson A.G., 1967), Кеннеди (Kennedy J.F., 1969), Н.Б. Кереселидзе (1969) создаёт картину начальных этапов эволюции русловых форм и форм русла разных морфологических типов в соответствии с механизмом взаимодействия потока и русла как развития начальных малых возмущений гидравлических и морфологических характеристик. Анализ этих работ позволил К.В. Гришанину (1974) отметить, что метод малых возмущений поставил решение проблемы о происхождении волнообразного рельефа подвижного дна на научную основу (Сидорчук А.Ю., 1992).

Возмущения с длинами волн порядка глубины потока связываются с формированием гряд и антидюн (К.В. Гришанин, Дж.Ф. Кеннеди, Ф. Энгелунд, Дж. Смит, А. Рейнольдс и др.), а возмущения имеющие порядок ширины русла – с формированием средних русловых форм (Т.Г. Войнич-Сяноженецкий, Н.Б. Кереселидзе, Р.А. Калландер, К.В. Гришанин).

А.Н. Бутаков (1988) отмечая бесспорную перспективность метода малых возмущений при изучении закономерностей развития русловых мезоформ, однако указывает, что практическая реализация этого метода чрезвычайно трудна, и потребуется ещё значительное время, пока он в достаточной мере будет разработан для решения инженерных задач.

Гидродинамическая неустойчивость.

А.Н. Ляпин (1956, с. 113) недоумевает: «Хорошо известно, что прямолинейное движение жидкости неустойчиво. Опыты последних лет (Шарашкина Н.С., 1953; Fridkin S.F., 1945) с размываемыми моделями русел, которым первоначально придавалось прямое направление в плане и призматическое очертание в поперечном сечении и в которых по прошествии некоторого времени прямолинейный поток искривлялся, а затем меандрировал, убедили исследователей, что устойчивым движением оказывается именно криволинейный поток в плане, способный к тому же в шахматном порядке откладывать побочни, образовывать плёсы и т.д. Неясным оставался только вопрос – в чём причины подобного поведения потока?»

«Появление побочней и развитие меандр – прямое следствие гидродинамической неустойчивости потока» – считает И.Ф. Карасев (1985, с. 37).

«При скоростях течения, характерных для равнинных рек, равномерное и прямолинейное течение потока, взятого в целом, оказывается  неустойчивым. Эту неустойчивость и следует считать первопричиной образования мезоформ. Поток не выправляет случайные нарушения морфологической симметрии, а находит устойчивость в циклических деформациях русла» (Кондратьев Н.Е., 1985, с. 7-8).

Например, после переустройства канала Таш-Сана в его правильном русле, на участке 1,4 км от начала, динамическая ось отклонилась к правому берегу под влиянием линзы суглинистого грунта, расположенной у левого берега, далее на участке 2,6-2,8 км стрежень потока, наоборот, прижимался к левому берегу, затем на участке 2,8-3,8 км – вновь к правому. Возмущение потока, возникшее в верхнем створе, передавалось на значительное расстояние вниз по течению в виде периодически повторяющихся свалов потока то к одному, то к другому берегу (Карасев И.Ф., Коваленко В.В., 1992).

Тенденцию к образованию изгибов динамической оси потока одним из первых описал Н.И. Маккавеев, в последующем – К.В. Гришанин и В.И. Замышляев (1985), Н.Р. Грачев и О.К. Карлыханов (1987) и другие исследователи, в том числе зарубежные (Anderson A.G., 1967; Carson M.A., 1984). «Очевидно, для возникновения русловых волн должен существовать очаг возмущений» (Карасев И.Ф., Коваленко В.В., 1992, с. 90). «Причины возникновения тех или иных форм скрыты в неравномерности скоростной структуры потока. … Развитие мезо- и макроформ объясняется неравномерным распределением в пространстве осреднённых скоростей, вызванных неустойчивостью осреднённого равномерного движения» (Бутаков А.Н., 1988, с. 2).

В работах Дж. Кеннеди, А. Рейнольдса, Ф. Энгелунда этот подход был успешно применён к задаче о возникновении донных гряд. Р. Калландер и затем Ф. Энгелунд и О. Сковгор таким же путём описали возникновение побочней и осерёдков в прямолинейном канале с деформируемым дном и жёсткими стенками. Обзор этих исследований содержится в книге (Гришанин К.В., 1974).

Согласно исследованиям В.И. Замышляева (1983), благодаря действию силы трения, направленной против течения, реакции берегов, направленной поперёк русла, и реакции дна, направленной по нормали к берегу, поток искривляется, образуя серию следующих друг за другом изгибов, с возникновением которых появляется центробежная сила. Им разработана математическая модель, расчёт по которой приводит к получению извилистой формы потока (синусоидальной или в виде полуокружностей).

Если последовательно стоять на позиции, что причиной меандрирования является неустойчивость прямых потоков и устойчивость меандрирующих русле, то тогда все русла будут меандрирующими, и тогда не может быть никаких других русел, кроме меандрирующих.

Аналогия с изгибами металлического стержня.

Эта теория в некоторой мере подобна теории изгиба Эйлера. Если представить себе идеально прямой стержень или идеально прямое русло, они оба должны сохранять свои начальные совершенные очертания; но малейшего воздействия будет достаточно, чтобы заставить первый изгибаться и последний меандрировать. В первом случае из-за внесённого нарушения произойдёт продольный изгиб, во втором – вследствие того, что криволинейная траектория соответствует при прочих равных условиях большей эрозионной силе, чем совершенно прямая линия тока, кривизна течения, раз начавшись, должна продолжать увеличиваться до тех пор, пока уменьшение гидравлического уклона, являющееся следствием увеличения длины криволинейной траектории потока, не приведёт к общему уменьшению скоростей и, следовательно, не достигнет положения, за пределами которого дальнейшее искривление будет уменьшать, а не увеличивать размывающую силу. (Лелявский С., 1961 с. 112.)

Возникали вопросы, может ли этот исторический подход, столь очевидный в случае стержня, быть применён к реке; заявляли, что, поскольку никто никогда не видел ту же самую реку в начале её образования (в конце ледникового периода), предположение о том, что первоначально она была прямолинейной, нельзя подтвердить. «Это возражение, – утверждает С. Лелявский (1961, с. 112), –  однако, чисто схоластического характера, и оно не должно иметь места в технической дискуссии. Прямолинейность очертания берётся за начало в этом доказательстве, как простейшая возможная альтернатива, согласующая с логической природой вещей».

Автоколебания.

При движении твёрдых тел встречаются случаи, когда непериодическая сила, например, сила тяжести, может при определённых условиях создавать периодические движения, а при наличии пассивной силы – периодически затухающие или даже апериодические движения. Это так называемые автоколебательные процессы, введение которых в область движения жидкой среды впервые сделано В.М. Маккавеевым (1952).

Необходимое условие возникновения автоколебательных процессов области движения жидкости имеется налицо. Это способность её через внутреннюю гидродинамическую структуру принимать колебательные формы движения, подобно тому, как твёрдая упругая среда способна, благодаря внутренней структуре самой среды, принимать аналогичные движения, подобно тому, как электрический колебательный контур постоянно предрасположен к колебаниям и т.п. (Ляпин А.Н., 1956).

Подобная картина самопроизвольного искривления линий токов с подобным же перераспределением скоростей по сечению наблюдается в трубах в момент перехода ламинарного прямолинейного течения в течение турбулентное (Ляпин А.Н., 1954; Егоров С.А. 1936). «В дальнейшем, при спаде уровня воды обойдут участки намытых побочней, более отчётливо обозначатся меандры реки, а возникшая поперечная циркуляция довершит углубление плёсов и формирование побочней, но характер течения останется всё же периодическим (Ляпин А.Н., 1956, с. 115).

Естественность меандрирования (свойство потока меандрировать).

Иногда причину меандрирования связывают со свойствами самого потока (Fujiyoshi J., 1950; Werner P.W., 1951; Kennedy J.F., 1963). «Такие теории не позволяют вникнуть в сущность явления, понять его механизм» (Россинский К.И., 1972б).

Различная сопротивляемость грунтов.

Развивая идеи В.В. Ламакина (1948), И.П. Карташев (1972) устанавливает связь типов и характера руслового процесса со стадиями развития реки. Стадии врезания (инстративной) присущи относительно прямолинейные русла, которые на отдельных участках из-за различной сопротивляемости грунтов могут меандрировать. Это можно объяснить следующим. На ниже расположенном участке, где наблюдаются выходы твёрдых пород, глубинный врез замедляется, что вызывает на вышерасположенных участках переход от глубинных к плановым, т.е. к меандрированию.

Волновая природа.

Другое направление, отождествляющее отклонение русла в плане то в одну, то в другую сторону с движением маятника, записывающим на движущейся поверхности синусоидальную кривую (Ляпин А.Н., 1956, с. 103).

«Меандры рек, так же как и изгибы течений в морях и океанах, имеют волновую природу. Их образование преимущественно связано с наличием продольных волн энергии, действующих на включающую их среду по касательной. Волновые синусоиды меандр определяются энергетически наиболее целесообразным путём движения волн при данном уклоне и составе грунта» (Генезис рельефа, 1998, с. 87).

Амплитуда колебания меандр находится максимально возможным при конкретных условиях отклонением от генерального направления. Отклонения проявляются в скачкообразном изменении скорости и направления движения, состояния вещества. Видимо, в процессе меандрирования имеют место три вида энергетических переходов: 1) набор кинетической энергии движения на прямолинейных участках; 2) расход энергии на подмыв берегов; 3) торможение течения, подпор и накопление энергии масс воды на поворотах. Затем цикл повторяется (Генезис рельефа, 1998).

Минимум диссипации энергии.

Н.Н. Жуковский (1925) писал: «Речной поток стремится создать на всём своём протяжении живое сечение однообразного вида, равновеликое и симметричное по отношению к вертикали своих максимальных глубин».

Многие авторы используют принцип минимума диссипации энергии как принцип экономии сил природных процессов, наименьших потерь и т.д., исходя из которых одни считают, что русла рек должны искривляться, так как поток стремится к уменьшению эрозионной работы путём уменьшения уклона, а другие полагают, что русла должны спрямляться, поскольку прямое направление является наивыгоднейшим (Davis W.M., 1912; Wundt W., 1941). К первому направлению относятся работы (Замышляев В.И., 1983; Yang C.T., 1971). Постулируется, то при течении реки отношение изменения потенциальной энергии единицы массы воды к среднему значению времени движения на участке определённой длины должно быть минимальным.

Л.Д. Курдюмов (1977, с. 74) выступает против использования принципа минимума диссипации энергии к рассмотрению механизма образования меандрирования: «Возникновение сложных меандр, значит, и излучин вообще не может быть объяснено, исходя из принципа минимума диссипации. Наоборот, необходимо прийти к выводу, что меандрирование и потери энергии, с ним связанные, есть неизбежный «накладной расход» в энергетическом балансе водотока, такой же обязательный, как, например, потери энергии вследствие возникновения турбулентности».

Он также выдвигает гипотезу о родственности меандрирования и турбулентности: «Турбулентность и меандрирование – генетически родственные явления. Меандрирование можно считать как бы проявлением турбулентности самого большого масштаба. Оба эти явления в конечном итоге ведут к уменьшению кинетической энергии потока, а значит и к увеличению её диссипации на пути движения потока» (Курдюмов Л.Д., 1977). Эта идея будет использована далее при рассмотрении гипотезы о том, что причиной существования различных извилистых явлений является несоответствие между реальными параметрами объекта и теми параметрами, которые заставляют его принимать внешние (или внутренние) движущие силы.

Принцип минимизации вариации некоторого параметра случайного процесса реки.

В работе (Langbein W.B., Leopold L.B., 1966) образование излучины считается результатом наиболее вероятной формы случайного процесса, которая соответствует минимуму суммы квадратов изменения дирекционных углов на каждой единице длины (Мельникова О.Н., 1997).

Образование меандрирования из гряд.

Большое внимание роли периодических структур в формировании речного русла уделено также в работах О.В. Андреева (1957, 1958, 1980) и О.В. Андреева и И.А. Ярославцева (1958). Интересные наблюдения за песчаными грядами и характером меандрирования рек содержатся в работе Р. Киносита (R. Kinoshita, 1957), в которой условия меандрирования рек рассматриваются с точки зрения образования песчаных гряд на дне потока (Михайлова Н.А., 1966).

В соответствии с гипотезой, выдвинутой Н.С. Знаменской (1992) и развиваемой затем О.Н. Мельниковой (Мельникова О.Н., Салькова Г.Ю., 1992; Мельникова О.Н., 1997),  процесс формирования излучин рек связан с образованием трёхмерных гряд на дне потока в паводок. При больших числах Фруда (Fr>0,6), характерных для паводковых расходов воды, длина максимальной волны принимает очень большие значения, в десятки раз превышая глубину потока. Такой же порядок имеет и шаг речных излучин. Сформировав трёхмерные гряды большой амплитуды в паводок, поток вынужден их обтекать в межень. Трёхмерные гряды располагаются в шахматном порядке, и речной поток, обтекая их в межень, образует излучины. При этом шаг излучин соответствует длине трёхмерных гряд.

В работе (Ющенко Ю.С., 1989) на основе обобщения большого натурного материала получено следующее соотношение между шагом излучины λ и расходом воды, обеспеченностью 50 %: . Примером может быть река Rillito Greek около Tucson, Arisona (Graf W.L., 1984). Ширина русла 120-130 м. Шаг излучин, сформированных за период наблюдений, составляет 1000-1200 м. Максимальный расход воды за этот период зафиксирован в 1928 году – 1400 м³/с, максимальная глубина – 6 метров, максимальное значение средней скорости – 5,4 м/с. После прохождения этого паводка образовались излучины с шагом 1000-1200 м. Излучины, шаг которых составляет 2000-3000 метров, существовали до этого  паводка и остались неизменными в течение всего периода наблюдений. Эти излучины образованы, по-видимому, при существенно большей водности реки, которая имеет тенденцию к убыванию (Мельникова О.Н., 1997, с. 78-79).

Этот пример позволяет заключить, что излучины, образованные в паводки с расходами воды, существенно превосходящими современные, остаются неизменными в течение десятилетий (возможно и столетий): излучины, образованные до 1910 года, не передвинулись и не углубились вплоть до 1980 года, а излучины, образованные в паводок 1928 года, остались неизменными до 1980 года, когда были выпрямлены искусственно (Мельникова О.Н., 1997).

Стабильность побочней.

Многие авторы рассматривают появление побочней в руслах рек как первый этап процесса меандрирования рек (M.N.R. Jaeggi, N. Sukegawa), ряд авторов указывают на ключевую роль побочней в процессе формирования русел основных трёх типов: меандрирующих, разветвлённых и периодически расширяющихся (К.И. Россинский, И.А. Кузьмин, К.В. Гришанин).

Н.А. Михайлова (1966, с. 100), рассматривая работы Н.С. Шарашкиной (1958, 1959, 1960) противопоставляет условия образования меандрирования и блуждания в зависимости от степени закрепления побочней: «Тип процесса зависит от пути дальнейшего развития побочней. Если побочни будут разрушаться, то русло станет блуждающим; если побочни будут закреплены, то будет развиваться меандрирующее русло; если же побочни сохранят способность смещаться вниз по течению не разрушаясь, то будет иметь место периодическое расширение. Свободное смещение вниз по течению побочней и медленный размыв берегов могут быть обеспечены слоистым строением грунта (песчаным в основании и супесчаным в верхней части). Для меандрирования необходим пропуск паводков и закрепление побочней, например, посевом быстрорастущей травы. Большие уклоны, однородность грунта берегов и русла, незакреплённость побочней способствуют развитию блуждания».

Не указывая, какие условия имеет ввиду, И.Ф. Карасев (1985, с. 37) утверждает: «При определённых условиях грядовые образования принимают форму побочней, побуждающих русло к меандрированию. Смещение динамической оси создаёт зоны «прижима» течения к берегам и очаги их размыва, питающие поток наносами, что ещё более активизирует возникший процесс боковой эрозии.

Н.Б. Барышников и И.В. Попов И.В. (1988, с. 294) рассматривают ограниченное меандрирование как дальнейшее развитие руслового процесса побочневого типа в условиях ухудшения условий транспорта наносов. Оно ведёт к приостановке сползания побочней, отложению на них взвешенных наносов (наилка).

С ними соглашается Р.С. Чалов (1997, с. 59): «Если побочни стабильны, прямолинейное русло трансформируется в меандрирующее», (с. 71): «Развитие свободных излучин широкопойменного русла происходит, если возникает устойчивое скопление наносов у одного из берегов, и малоподвижный побочень закрепляется растительностью раньше, чем смещается на полную свою длину».

Тип руслового процесса в значительной степени определяется растительностью, закрепляющей морфологические элементы русла и тем изменяющей их подвижность (Россинский К.И., 1972в).

Относительная размываемость (подвижность) берегов и дна.

Тип процессов, по которому протекают деформации русла на той или иной реке, зависит, главным образом, от относительной подвижности её ложа и берегов. Там, где подвижность грунтов дна и берегов одинакова, русло блуждает. При относительно устойчивых берегах и легкоподвижном дне она периодически расширяется и сужается. При слабой подвижности дна и податливых берегах развиваются меандры. Если в русле наряду с легкоподвижными грунтами встречаются и малоподвижные, формы его в той или иной мере утрачивают типичность и приобретают черты, свойственные слабодеформируемым речным участкам, изменение формы дна и берегов которых зависит преимущественно от относительной прочности различных участков ложа и не подчинено строгой закономерности (Россинский К.И., 1972в). В этих рассуждениях важно то, что рассматривается соотношение параметров.

«Блуждание реки наблюдается в том случае, когда подвижность грунта, слагающего её дно и берега, одинакова. Блуждание характеризуется двумя  взаимосвязанными процессами – изменением общего планового очертания русла и перемещением фарватера реки» (Михайлова Н.А., Шарашкина Н.С., 1970).

Извилистость русла.

Б.Ф. Снищенко (1979; 1980, Кондратьев Н.Е. и др., 1982) связывает образование выделенных в рамках гидроморфологической теории типов русловых процессов ГГИ с соотношением уклона русла и уклона долины, вкладывая в это энергетический смысл. И.Ф. Карасев И.Ф. и В.В. Коваленко (1992, с. 95) предлагают: «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». В соответствии с исследованиями Б.Ф. Снищенко, у меандрирующих рек получается наибольший коэффициент извилистости, что не противоречит сущности меандрирования. Объяснения причин образования меандрирования это не даёт.

Относительная ширина долины.

Б.Ф. Снищенко (1979; 1980, Кондратьев Н.Е. и др., 1982) также связывает образование разных типов русловых процессов с разной относительной шириной долин. Этим выражается ограничивающее плановое влияние бортов долины. Б.Ф. Снищенко предполагает, что относительно прямые русла образуются в тесных долинах, а меандрирование в относительно широких долинах.

В связи с тем, что ограничивающее влияние ширины долины не является активным определяющим фактором, то нельзя полностью согласиться с правомерностью непосредственного определения типа русловых процессов по ширине долины. Бывают случаи, когда река не занимает даже небольшой части дна 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)), или когда в широких долинах протекают прямые реки (см. таблицу типов русловых процессов на обложке книги Р.С. Чалова (1997), где показано, что в широких долинах могут развиваться как извилистые, так и разветвлённые, и прямые русла) или даже образуется русловая многорукавность, свойственная по разработкам Б.Ф. Снищенко для узких долин («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). Приведённые примеры показывают, что определяющим фактором в этих случаях является не относительная ширина долины, а нагруженность русла наносами.

Транспортирующая способность потока.

В соответствии с гидроморфологической теорией руслового процесса ГГИ (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) тип русловых процессов зависит от транспортирующей способности потока.

Н.Е. Кондратьев и И.В. Попов выделили такие типы руслового процесса: русловая многорукавность, ленточногрядовый тип, побочневый тип, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование, незавершённое меандрирование, пойменная многорукавность. Порядок типов принят в предположении убывания транспортирующей способности потока при переходе от русловой многорукавности к пойменной.

Это предположение близко к гипотезе, доказываемой в настоящей работе. Различия между этими подходами состоят в том, что здесь предлагается рассмотрение не абсолютного значения транспортирующей способности, как у Н.Е. Кондратьева, а отношения к количеству наносов, поступающего с верхнего участка, а также в том, что предполагается убывание относительной транспортирующей способности при переходе к русловой многорукавности, а не увеличение, как это считается Н.Е. Кондратьевым и И.В. Поповым. Кажущаяся большая транспортирующая способность при русловой многорукавности на самом деле является признаком перегрузки реки наносами, т.е. малой транспортирующей способности относительно количества поступающих наносов. Разбор этого положения будет продолжаться почти во всех следующих главах настоящей работы.

Уменьшение скоростей.

Примерно такой же причиной образования меандрирования, как у Н.Е. Кондратьева, является гипотеза В.А. Обручева. Он также считает, что меандрированию свойственны небольшие скорости течения. По выходе на равнину «ниже по течению, где из ручьёв и речек сложилась уже порядочная река, уклон её русла становится меньше, и вода, текущая медленнее, уже не в состоянии врезываться глубже. Здесь начинается область бокового размыва; река начинает вилять, подмывая мало-помалу то один берег, то другой. Первоначальные слабые изгибы русла постепенно становятся круче, потому что течение воды всегда сильнее у вогнутого берега, вдоль которого расположены и наибольшие глубины, тогда как выпуклый берег, вдоль которого вода мельче, и течение слабее, наращивается отложением материала. Подмываемый берег мало-помалу отступает, и извилина реки становится всё более и более резко выраженной, превращаясь, наконец, в настоящую петлю» (Обручев В.А., 1947, с. 16).

Излишнее количество наносов.

Близко к мнению В.А. Обручева и Н.Е. Кондратьеваточка зрения Е.В. Болдакова и О.В. Андреева (1956, с. 142): «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».

Соответствие уклона реки крупности наносов.

С. Лелявский, (1961, с. 89-91), как и М.А Великанов (1948а), среди типов выделяет только меандрирование, считая, что в любом случае река будет меандрирующей. Допустим, предполагает С. Лелявский, что имеется ящик или лоток, наполненный зернистым грунтом, поверхность которого очень слабо наклонена, начнём эксперимент с медленного пропускания воды по этому склону. Этот эксперимент был многократно осуществлён сначала проф. Энгельсом (Engels H., 1890) в Дрезденской лаборатории, а затем многими другими исследователями во всём мире. Если попытаться объяснить процесс меандрирования на общей описательной, или «географической» основе, то решение, упомянутое Шокличем (Schoklitsch A., 1930), может дать общую основу для важных заключений. Оно выводится из теории Штернберга (см. стр. 39-40 С. Лелявского), согласно которой уклон I на некотором участке естественно созданного аллювиального речного русла является взаимной функцией диаметра d его частиц. Если затем значение I, определённое таким путём, оказывается меньшим, чем средний поверхностный уклон равнины, в которой русло эродирует, то река обязательно должна начать меандрировать до тех пор, пока развившаяся длина её криволинейного тальвега увеличится до предела, обеспечивающего равенство обоих падений (потерь напора).

Относительная транспортирующая способность потока.

А.Н. Кондратьев (1999, 2001) предполагает, что причиной меандрирования (впрочем, как и других не разветвлённых по типу пойменной многорукавности типов русловых процессов) является относительная транспортирующая способность потока – соотношение между транспортирующей способности потока и поступлением наносов. При перегрузке русла наносами система «поток–русло» проявляет ответную морфологическую реакцию, в результате которой образуется русловая многорукавность. И наоборот, при излишней энергии потока, река искривляется, и образуется меандрирование. Доказательство этой гипотезы является одной из главных задач настоящей работы.

3.9.3.     Развитое и неразвитое меандрирование.

Впервые подразделение меандрирующих русел на свободно меандрирующие и ограниченно меандрирующие было сделано Н.А. Ржаницыным (1960) (Снищенко Б.Ф., 1980). Затем эти типы русловых процессов были использованы в типизации русел равнинных рек гидроморфологической теорией русловых процессов ГГИ (Кондратьев Н.Е. и др., 1982). В этих типизациях меандрирования на первый план вышло влияние ограничивающих факторов, хотя утверждается, что порядок типов русловых процессов в (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) определяется изменением транспортирующей способностью потока.

Деление излучин по степени стеснения часто смешивается с подразделением по степени развитости. Это проявилось и в одновременном дополнительном введении Б.Ф. Снищенко в качестве определяющего фактора для всех типов русловых процессов степени ограничения развития русловых деформаций.

Степень развитости излучин и степень ограниченности их развития – два связанных, но прямо не зависимых фактора руслоформирования. Причиной степени развитости меандрирования является другая причина. В настоящей работе выдвигается гипотеза, что степень развитости меандрирования является ответной морфологической реакцией на дисбаланс между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов. Дополнительно и независимо на форму русла влияет также ограничивающее влияние относительной ширины долины.

Степень проявления развитости меандрирования русел рек может быть различной. Это отражает и используемая терминология при характеристике излучин: слабо развитые излучины – «пологие», более развитые – «сегментные, синусоидальные», сильно развитые – «крутые, петлеобразные, пальцеобразные, омеговидные» и др.

Например, «реки свободно меандрируют, образуя сегментные, иногда петлеобразные излучины» (Русловые процессы на реках Алтайского…,  1996, с. 158), «это была омеговидная излучина со степенью развитости l/L<2,27» (Рулева С.Н., Чалов Р.С., 2003, с. 178).

Такой ряд излучин показывает степень проявления развитости излучин без связи с возможным дополнительным ограничением их развития. Обзор литературы по геометрии речных излучин дан С.К. Палом (Pal S.K., 1972).

3.9.4.     Оптимальная кривизна потока

Степень развитости излучин часто связывают с разными этапами (или промежуточными состояниями) их развития. Степень развитости также характеризуется другими характеристиками. Например, В.А. Виноградов (1973) в зависимости от степени развитости все исследованные излучины на р. Полометь разделяет на две группы, в одну из которых относит излучины с отношением S/λ<1,4 с развивающимися переформированиями, в другую - S/λ>1,4 с затухающим развитием (Виноградов В.А., 1973). И.В. Попов рассчитал, что средний коэффициент извилистости меандрирующих рек равен 1,6 (Попов И.В., 1965, с. 56).

Н.И. Маккавеев (1955) и другие исследователи на основе опытов А.Я. Миловича, проведённых в 1912 году в трапецеидальном лотке с горизонтальным дном,  придерживаются точки зрения, что существует оптимальная степень развитости излучин равная l=1,6L (в другой записи S/l=1,6, где l и λ – шаг излучины, L и S – длина русла). При меньшей степени развитости излучина развивается за счёт того, что в этом случае энергия потока, движущегося по руслу больше, чем энергия того потока, который двигался бы по прямой. Недостатком такого подхода является то, что «Дно реки, в особенностях на изгибах, никогда не бывает горизонтальным (как в опытах А.Я. Миловича и в схеме Н.Е. Жуковского с изогнутым лотком прямоугольного сечения) и глубины у вогнутого берега всегда больше, чем у выпуклого» (Великанов М.А., 1955, с. 193).

При степени развитости излучин l/L<1,6 скорость этого изменения возрастает, при l/L>1,6 – снижается, достигая минимума при l/L>2; если излучина трансформируется в петлеобразную (l/L>3), то темпы изменений очертаний вновь возрастают. В то же время во всех случаях развития крутых излучин при соотношении l>1.6L интенсивность деформации постепенно затухает. В результате первый этап развития излучин – от зарождения до превращения в крутую сегментную с l»1.6L в 2-3 раза короче, чем второй – до спрямления петлеобразной или стабилизации синусоидальной излучины (Чалов Р.С., 1997, с. 75-76).  Например, «на реке Верхний Чулым в верхней половине участка излучины приблизились и даже превысили критический параметр кривизны, равный, по Маккавееву (1955), S/l=1,6. Это означает окончание цикла активного их развития» (Алексеевский Н.И. и др., 1995, с. 149).

Спрямление излучин обеспечено хорошим результатом, если длина пути по излучине более, чем в 1,6 раза, превосходит длину спрямляющей траншеи. В таком случае спрямляющая траншея быстро углубляется самим потоком, а старое русло мелеет без помощи выправительных сооружений (Маккавеев Н.И., 1995, с. 134). На меандрирующих реках при прохождении руслоформирующих расходов воды ниже пойменных бровок, а также на малых и средних по водности реках, обладающих залесённой поймой, возможность спрямления излучин при достижении критической кривизны отсутствует. Поэтому, по мнению А.В. Чернова (1983, с. 41) продолжается их дальнейшее искривление и наращивание в ширину пойменных сегментов. Продольное перемещение излучин практически прекращается, и деформации излучины заключаются лишь в их искривлении. В результате вновь формирующиеся гривы становятся всё более изогнутыми.

Существуют излучины, превысившие предельную кривизну. Например, на реке Обь «симметричная форма излучин имеет место до значения коэффициента развитости 2,0-2,2» (Лысенко В.В., 1981, с. 340), на реке Юг, являющейся правой составляющей Северной Двины «излучины имеют соотношение l/L=2-2,5, иногда 3» (Русловой режим рек…, 1995, с. 87). «Для большинства излучин нижнего Чарыша вне этих узлов разветвления также свойственно достижение ими петлеобразной формы, и спрямление происходит преимущественно не путём разработки спрямляющего протока, а благодаря полной сработке перешейка петли. Значение коэффициентов развитости (l/L) при этом может достигать значений 6 и более» (Русловые процессы на реках Алтайского…,  1996 с. 170)

Возможно, что существуют разные по генезису излучины со степенью развитости 1,6 или другой степенью развитости. Для одних из них это крайняя степень развития, для других лишь промежуточная стадия, а для третьих это недостижимый предел. Если равновесие между определяющими факторами достигается при некоторой степени развитости, то это является пределом развития излучин, если равновесие не достигается, то излучина продолжает искривляться дальше, стремясь к своему равновесию. Иногда равновесие достигается при меньшей степени развитости излучин. Например, Н.И. Маккавеев (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003) приводит сведения об излучинах, уменьшающих при развитии параметр кривизны.

Х.Ф. Шапиро (1973, с. 230) на основе натурных наблюдений приходит к выводу, что для того, чтобы прорезь развивалась, а старое изогнутое русло отмирало, необходимо, чтобы уклон в прорези был больше, чем в основном русле, не менее, чем в 1,5 раза. Главным образом это связано с отсутствием благоприятных условий подхода потока к входу в спрямляющую прорезь. «Исследования показали, что для обеспечения развития прорези большое значение имеют благоприятные условия подхода потока к её входу. Такие условия имеют место при прямом или лобовом подходе потока к прорези или при поступлении воды в прорезь со стороны «вогнутого берега» речного потока. Неблагоприятными будут условия подхода, при которых водозабор в прорезь подобен боковому отводу, что приводит к усиленному забрасыванию входа донными наносами» (Шапиро X.Ш., 1973, с. 230).

«Общепринятое представление о том, что излучины русла формируются путём размыва вогнутого берега и наращивания выпуклого с постепенным уменьшением радиуса кривизны, не является общим законом. Значительная часть речных излучин (на руслах с преобладанием боковой эрозии) формируется по обратной схеме, т.е. нарастает вогнутый берег и размывается выпуклый. При этом общий радиус увеличивается, т.е. излучина спрямляется» (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 189).

 На явление передвижения фарватера к выпуклым берегам указывал Н.С. Лелявский (1893), отмечавший, что часто устойчивый фарватер располагается вдоль выпуклого берега. Спрямление речных излучин путём размыва выпуклых берегов устанавливается Н.Н. Жуковским (1928). Исследования Н.И. Маккавеева показали, что процессы спрямления речных излучин путём размыва выпуклых берегов весьма часто наблюдаются на наших равнинных реках, особенно в их низовьях. Спрямляющаяся излучина отличается наличием песчаных отмелей и кос у вогнутого берега (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 191). Побочень, который причленён к коренному берегу, обычно отделён от последнего бороздой, так называемым «побочневым протоком», ориентированной по продолжению оси верхней плёсовой лощины (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 204). Например, в нижнем течении р. Оленёк основные деформации происходят за счёт смещения побочней, периодического их отторжения от берегов, развития побочневых проток и возникновения крупных осерёдков (Русловой режим рек…, 1995, с. 271). Это подтверждает выделение «линии осерёдков», введённое А.М. Алабяном (1991, 1992), как условия образования русловых морфологических образований.

И.В. Попов (1969) рассчитал кривые обеспеченности для некоторых измерителей излучин на участке р. Иртыш. Анализ этих кривых показывает, что распределение параметров излучин по длине реки является случайным явлением.

В работе М.И. Кривошей (1972) выдвигается гипотеза,  распределение излучин по длине реки является случайным, не подчиняющимся каким-либо строгим закономерностям. Для проверки этой гипотезы был выбран участок р. Иртыш между г. Павлодаром и пос. Урлютюб общей протяжённостью 380 км. Коэффициент извилистости русла достигает 1,94. На рассматриваемом участке реки насчитывается 120 излучин. Подробный гидроморфологический анализ участка проведён в работе (Кондитерова Э.А., Попов И.В., 1969).

М.И. Кривошей проследила зависимость Δα от начального угла разворота излучины α_нач. Корреляционная зависимость между Δα и α_нач практически отсутствует. Для возможности более тщательного анализа были построены графики Δα=f(α_нач) при различных значениях показателях извилистости излучин S/λ. Анализ таких графиков выявил незначительную связь между Δα и α_нач только для тех излучин, у которых S/λ = 1,4¸1,8 и S/λ>1,8 (коэффициент корреляции равен 0,4). Все вышеприведённые результаты свидетельствуют, что изменение углов разворотов излучин во времени может быть как положительным (Δα>0), так и отрицательным (Δα<0) (Кривошей М.И., 1972, с. 43).

Вероятность отрицательных изменений углов разворота увеличивается до 0,5 при увеличении α_нач до 60°, затем с увеличением α_нач условная вероятность Р(А _-| α_нач) (А _- – событие, состоящее в том, что Δα<0) уменьшается. Это свидетельствуют о том, что не прослеживается чёткой корреляционной зависимости между изменением угла разворота и его начальным значением, и означает, что, зная начальное состояние излучины, можно только с определённой вероятностью утверждать, увеличивается или уменьшается у излучины угол разворота. Вероятностный характер зависимости выявляет только тенденцию в изменении одной случайной величины в зависимости от другой (Кривошей М.И., 1972, с. 45).

Н.К. Ангельгольм (1985, с. 26) рассчитал связь конечных углов разворота с начальными за период между съемками, которая получилась прямолинейной и не зависящей от типа меандрирования. Она показывает, что при развитии излучин на рассматриваемом участке р. Чулым угловая скорость их развития остаётся постоянной и не зависит от степени их развитости. Средние линейные скорости разворота излучин с увеличением угла их разворота возрастают. Наибольшие средние скорости разворота излучин, развивающихся по типу свободного меандрирования, наблюдаются при углах разворота более 180º (Ангельгольм Н.К., 1985, с. 28).

В работе Н.Р. Грачева (1985) приводятся результаты исследования плановых деформаций излучин, которое было проведено в целях усовершенствования метода их расчёта, изложенного в работе (Грачев Н.Р., 1983). Делается вывод о плановой неустойчивости русла при r*/B=2,0 (r* – максимальный радиус, характеризующий кривизну участка, B – ширина русла в бровках). Минимум сопротивления на повороте потока при относительных радиусах кривизны русла близких к 2,0, был установлен в лабораторных условиях раньше, причём по отношению ко всему участку поворота (Bagnold R.A., 1960; Hofmann A., 1929; Leopold L.B., Wolman M.G., 1960) (Грачев Н.Р., 1987, с. 25).

Этот вывод «является важным, так как в противном случае следовало бы признать, что при  достижении излучинами меандрирующей реки степени развитости, характеризуемой углами разворота 140-180º, плановые деформации русла прекратились бы, а следовательно, прекратился бы русловой процесс и транспорт наносов. Меандрирующие реки тогда стремились бы приобрести устойчивые плановые очертания, что не соответствует действительности, которая постоянно убеждает нас в обратном» (Грачев Н.Р., 1985, с. 23).

Стоит согласиться с выводом М.А. Великанова (1955, с. 259): «Ясно, что чем больше извилистость реки, тем больше становится её длина между двумя какими-нибудь определёнными пунктами, а так как падение между этими пунктами есть величина относительно постоянная, то уклон реки с образованием меандров должен постепенно уменьшаться. Далее возможны два случая: или постепенное развитие меандров приведёт к тому уклону, при котором скорости будут уже едва-едва достаточными для передвижения наносов (это будет случай относительно устойчивого расположения меандров), или даже при максимальном развитии меандров скорости всё же будут слишком велики для данного грунта; тогда между меандрами образуются прорывы, и руслообразующий процесс начинается заново».

3.9.5.     Ограниченное и свободное меандрирование

«Ограниченное меандрирование развивается на реках с узкой долиной (и поймой)» (Петров О.А., Антроповский В.И., 2003 с. 182). «При ограниченном меандрировании пойменный массив совпадает с участком поймы, огибаемым одной излучиной» (Попов И.В., 1970, с. 29). «Плановые деформации русла р. Дунай ограничены, что создаёт предпосылки к образованию на участке руслового процесса типа ограниченного меандрирования» (Райнов Щ. и др., 1980, с. 41).

Приведённые цитаты показывают, что главным отличием между ограниченным и свободным меандрированием заключается в степени планового стеснения меандрирования бортами долины.

Деление меандрирования на ограниченное и свободное не совпадает с делением меандрирования на развитое и неразвитое. Узкая долина не является необходимым условием для существования неразвитого меандрирования. Неразвитое меандрирование (неразвитость которого определяется другими факторами, определяющими степень развитости) может существовать как в относительно узких, так и в относительно широких долинах.

3.9.6.     Врезанное меандрирование

Образование врезанных излучин – один из наименее изученных вопросов.  Наиболее распространённой является гипотеза В. Дэвиса о наследовании очертаний древних свободных излучин в процессе врезания реки при тектоническом поднятии. В то же время, ряд исследователей свидетельствует о неоднозначности причин образования извилистости врезанных русел и собственно врезания реки (Moore, 1926; Маккавеев Н.И., 1955; «Экспериментальная геоморфология», 1969).

Более определённой является точка зрения, что «в случае интенсивной глубинной эрозии создаётся возможность образования врезанных меандр» (Чалов Р.С., Хмелева Н.В., 1979, с. 19).

Например, река Волга ниже г. Старицы и до г. Твери располагается в моренных берегах, образуя врезанные излучины и прямолинейные отрезки с узкой двусторонней поймой. Русло шириной до 50 м устойчивое, наносы песчано-галечные (Русловой режим рек…, 1995, с. 175).

Термин «врезанные излучины» или «врезанные меандры» целесообразно применять лишь к тем из них, развитие которых обусловлено процессом меандрирования, т.е. закономерными изменениями во времени рельефа русла и его плановых очертаний. Для обозначения изгибов врезанного русла, образование и развитие которых (как единого целого) не связано с процессом меандрирования, предлагается термин «макроизлучины» (Матвеев Б.В., 1982, с. 9).

Важным характерным признаком врезанных излучин является то, что они «развиваются в незатопляемых берегах» (Матвеев Б.В., 1982).

3.9.7.     Орографическая извилистость

Среди большого разнообразия форм извилистости русла можно выделить несколько распространённых типичных форм его плановых очертаний и установить их связь с извилистостью долины. Совпадение гидрографической и орографической извилистости можно наблюдать на ряде рек. Оно хорошо выражено на участке р. Днепра от устья р. Бол. Вопец до г. Могилев, на котором река прорезает Смоленско-Московскую гряду, на реках Днестр, Унжа, Вишера, Чусовая, Кама, Урал, Сож и др. (Пиньковский С.И., Попов И.В., 1956, с. 59). Реки Дон до Воронежа и Ока до Коломны отличаются почти полным совпадением орографической и гидрографической извилистости, т.е. отсутствием или слабым развитием меандрирования и несложными формами русла (Пиньковский С.И., Попов И.В., 1956 с. 68).

Орографическая извилистость не имеет отношения к врезанным излучинам. Орографическая извилистость полностью контролируется извилистостью узкой долины, а врезанные излучины могут развиваться в широкой долине, их образование связано с врезанием русла, что приводит к понижению уровней воды и уменьшению затопляемости поймы.

3.9.8.     Макроизлучины

Макроизлучины подобны, с одной стороны, врезанному меандрированию, потому что развиваются не обязательно под ограничивающим влиянием бортов долины, и, с другой стороны, подобны орографической извилистости, потому что извилистость макроизлучин не определяется динамикой развития, связанной с закономерным развитием, свойственным меандрированию.

А.В. Панин (1991) для типизации макроизлучин предложил подход, аналогичный выделению геоморфологических типов, подразделяя макроизлучины на свободные, адаптированные (с одним коренным берегом) и врезанные. При этом все макроизлучины могут быть: 1) унаследованными от свободно меандрирующего русла; 2) наследующими регулярные (нормальные) врезанные излучины, соответствующие параметрам потока, но в своём заложении и размерах испытывающие влияние геолого-геоморфологических факторов; 3) предопределённые геологическими и структурно-тектоническими условиями. Последние в свою очередь подразделяются на формирующиеся под влиянием активной тектоники и обусловленные пассивным приспособлением русла к рельефу и геологической структуре (Чалов Р.С., 1996, с. 31).

3.9.9.     Особые формы излучин. Вынужденный изгиб.
Пальцеобразные излучины

Свободное формирование русла в процессе меандрирования может нарушаться под влиянием ограничивающих факторов. К факторам, ограничивающим развитие излучины в плане, следует отнести неразмываемые склоны долины и останцы на пойме. На различных участках рек с меандрирующим руслом довольно часто распространены случаи, когда нижняя часть излучины прижата к склону долины или к останцам на пойме, в результате чего скорость сползания этой части русла вниз по течению значительно уменьшается, а верхняя часть продолжает сползать с прежней скоростью. При этом излучина приобретает сильно вытянутую форму с большой кривизной в её вершине (Ярных Н.А., 1985, с. 56).

Такую форму развития на примере р. Оки показал И.В. Попов (1969). На примере р. Гарроны Н.И. Маккавеев описал ход развития такой излучины во времени (1964), а Н.А. Ржаницын эту разновидность меандрирования выделил в самостоятельный тип – вынужденный изгиб (1960). Н.И. Маккавеев и И.В. Попов излучины такой разновидности в завершающей стадии развития называют пальцеобразными. Например, на  р. Тавда наблюдается такая своеобразная извилистость русла. Длинные, почти прямые участки, прижатые к склону долины, чередуются с также длинными вытянутыми излучинами, вершинами обращёнными вглубь поймы (Попов И.В., 1956, с. 45).

3.10.                   Побочни

Побочень – часть крупной перекошенной в плане ленточной гряды, обсыхающая в межень. Эта гряда формируется в половодье в условиях относительно спрямлённого течения. При спаде уровня прибереговая, наиболее возвышенная её часть обсыхает, образуя побочень, а направление течения становится извилистым и начинает размывать пониженную часть гряды в средней части реки и у противоположного побочню берега; образуется сползающий перекат. Перекаты относительно друг друга располагаются в шахматном порядке, образуя системы парных гряд (Чеботарев А.И., 1978, с. 199). Побочни, отделённые от берега, называются отторженными.

Побочневый тип руслового процесса характеризуется наличием в русле крупных, занимающих в меженный период большую часть ширины русла частично обсыхающих в межень отмелей, расположенных в русле в шахматном порядке. Русловые деформации при этом типе сводятся к сползанию побочней вниз по течению и в основном приурочены к периодам половодий и паводков. Плановые деформации берегов несущественны.

3.10.1.                        История изучения побочней

Лабораторные опыты, выполненные в 1938 г. под руководством И.М. Коновалова, по-видимому, были первыми, в которых получены русловые образования, напоминающие побочни. Причины образования и динамику побочневых русел исследовали О.В. Андреев (1958); К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1958); А.Ф. Кудряшов (1960); И.М. Коновалов и В.В. Баланин (1960); Н.А. Ярных (1968); Л.И. Викулова (1972); Н.С. Знаменская (1976); Аккерс; Комура; В.С. Кожевников (1977); И.Л. Розовский и В.А. Базилевич (И.Л. Розовский и др., 1976); А.Н. Бутаков (1988); Б.Ф. Снищенко и В.М. Католикова (1990; Католиков В.М., 2000) и др.

Многие авторы рассматривают появление побочней в руслах рек как первый этап процесса меандрирования рек (M.N.R. Jaeggi, N. Sukegawa), ряд авторов указывают на ключевую роль побочней в процессе формирования русел основных трёх типов: меандрирующих, разветвлённых и периодически расширяющихся (К.И. Россинский, И.А. Кузьмин, К.В. Гришанин).

3.10.2.                        Обзор гипотез образования побочней

Гипотезы о причинах зарождения побочней рассматриваются в работах Н.А. Ржаницына, И.М. Коновалова и В.В. Баланина, А.Г. Андерсена, К.И. Россинского и И.А. Кузьмина, Л.И. Викуловой, Х. Эйнштейна и Х. Шена, Х. Шена и С. Комуры, А.Н. Бутакова, К.В. Гришанина, А.Ю. Сидорчука, Р.А. Калландера, Г. Паркера, М.Н.К. Йагги и др.

Критериальные зависимости существования побочней предлагают Н. Сукегава, Х. Икеда, Т. Киши, М. Куроки, Фуджита, М. Тудино и Г. Семинар. Г. Паркер и Г. Андерсен, Т. Хайаши и С. Озаки, Х. Чанг, А.Н. Бутаков, А.Ю. Сидорчук, В.М. Католиков и др.

После того, как целый ряд гипотез о причинах зарождения побочней не нашёл своего подтверждения, одним из распространённых является мнение о том, что крупные русловые образования являются своеобразным отображением внутренней кинематической структуры осреднённого потока и порождаются этими структурами.

Некоторые исследователи причиной зарождения побочней считают вторичные поперечные течения потока с соответствующим поперечным переносом донных наносов, имеющие волнообразный характер с определённым шагом и порождаемые периодическими возмущениями всех трёх компонент скорости потока. Другие причиной зарождения цепочек побочней считают волновые возмущения продольных составляющих скоростей потока в различных частях поперечного сечения, в то время как волновые возмущения поперечной составляющей скорости играют роль механизма согласования возмущений продольной составляющей (Католиков В.М., 2000). В этом случае процесс зарождения побочней происходит без значимых поперечных вторичных течений и без значимого поперечного переноса донных наносов.

Важным методическим замечанием является утверждение Н.С. Знаменской (1992, с. 174), что «Побочень развивается по закону своего развития, следует направить усилия на отыскание этого закона, а не пытаться описать его поведение с помощью закона движения частиц, из которых сложен побочень, и которые являются его простейшими элементами».

Даже само рассмотрение причин формирования и развития морфологических образований различных системных уровней стихийно подразделяется исследователями на системные уровни: о песчинках и грядах говорят в связи с турбулентностью, мезоформы упоминают при работе со структурой потока, а формы русла уже рассматривают геоморфологи.

В то время, как некоторые исследователи считали причиной образования меандрирования побочни, другие, напротив, находили причину образования побочней в меандрировании потока. Наиболее ранней гипотезой возникновения перекатов было предположение, что перекаты есть следствие извилистости потока, а побочни намываются работой циркуляционных течений, возбуждаемых центробежной силой инерции. Н.С. Знаменская (1964, с. 11) считает эту гипотезу не обоснованной, так как известны перекаты, расположенные на прямых участках русла.

А.И. Лосиевский (1934) искал причины явления в природе внутренних течений и пришёл к выводу, что перекатная форма дна есть причина, а не следствие извилистости русла и результат последовательного развития беспорядочного скопления наносов через застругу, косу, побочень. При этом формирующая роль отводится вихрю с горизонтальной осью вращения. Однако А.И. Лосиевский отметил, что вопрос о сущности процесса образования перекатов остаётся неисследованным.

К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1950) попытались соединить две изложенные выше системы взглядов. По их представлению, в формировании русла принимают участие как течения, вызываемые центробежной силой, так и вихревые вальцы, возникающие на низовых скатах заструг.

Н.С. Знаменская (1964, с. 15) соглашается с А.И. Лосиевским, что перекат вызывает искривление руслового потока, а не наоборот, поэтому он может образоваться и в прямых руслах. Косая структура гряды вызвана либо разными отметками дна стрежня и у берега, либо разным составом наносов, в результате чего на стрежне и у берега возникают разные значения Fr и критерия подвижности частиц v/w.

В то же время имеет право и другой взгляд, что побочни (и связанные с ним перекаты) и меандрирование как типы русловых процессов существуют независимо друг от друга. Ни побочни не есть причина меандрирования, ни меандрирование (извилистость) не есть причина их образования. Если бы побочни являлись причиной меандрирования, то побочней бы уже не существовало – они все превратились в меандрирование. Побочни и извилистое русло независимо устойчивы, потому что в природе, возможно, есть другая, истинная причина, которая их образовала. А извилистость – это непременный атрибут побочнего типа и, в большей степени, меандрирования, а не причина их возникновения. С другой стороны, перекат может быть стадией развития меандрирования, а не причиной. Но это только стадия, и такой момент в развитии меандрирования сразу заметен и хорошо отличим от стабильного побочневого процесса.

Гипотеза образования перекатов, предложенная И.М. Коноваловым и В.В. Баланиным (1960), предусматривает как первопричину их возникновения последовательное сжатие и расширение потока. По мнению Н.С. Знаменской (1964), эта гипотеза  также не является достаточно обоснованной, так как и она не может объяснить возникновение перекатов в прямолинейных, не стеснённых препятствиями руслах.

Пульсации разных направлений и интенсивности рассматриваются разными исследователями: продольная – В.М. Католиковым (2000), поперечная – И.М. Коноваловым и В.В. Баланиным (1960). Тем не менее, не получен ответ на вопрос, в чём состоит причина образования этих продольно-поперечных пульсаций. Опровержением подобных подходов является указание на существование других русел. Решением на этот вопрос будет объяснение через причину, которая правомерна для большого диапазона типов русле, а не отдельного типа.

Кондратьев Н.Е. (1978) связывает образование гряд с гидродинамической неустойчивостью. Такое объяснение он делает аналогично объяснению меандрирования. Остаётся не выясненным, в чём различие той неустойчивости, которая формирует побочни, и той, что формирует меандрирование, ведь результат у них получается разный. По мнению, Н.Е. Кондратьева, при скоростях течения, характерных для равнинных рек, равномерное и прямолинейное течение потока, взятого в целом, оказывается неустойчивым. Поток не выправляет случайные нарушения морфологической симметрии, а находит устойчивость в циклических деформациях русла. Н.Е. Кондратьев (1978) только указывает, что механизм этого явления различен в разных условиях. «Он не всегда может быть вскрыт с такой ясностью, с которой раскрывается, например, механизм неустойчивости тонкого стержня под действием продольной силы». (Кондратьев Н.Е., 1978).

А.Н. Бутаков (1988, с. 16) утверждает, что вид мезоформ зависит от соотношения шага L и фактической ширины русла B₀. Для русла глубиной H₀ и шириной В₀ максимальная скорость деформаций дна (при заданных v₀, I₀, λ, C_к) определяется возмущениями, длина «волны» которых отвечает зависимости . При L > 2B₀ вероятнее возникновение симметричного (относительно оси русла) перекоса свободной поверхности, приводящего к формированию гребней и ложбин мезоформ, располагающихся в шахматном порядке, что отвечает побочневому руслу. При L = B₀, по мнению А.М. Бутакова, русло, состоящее из симметрично расположенных плёсов (ложбин) с осерёдком между ними – в одних створах, и с побочнями у берегов и углублением в центре – в других створах. Возможно также некоторое нарушение симметрии в расположении ложбин и осерёдка при асимметричном расположении «волны» по отношению к оси русла.

В распластанном русле, имеющем малые глубины, доминирующая длина «волны возмущения» относительно невелика (L < B₀). Здесь возможно формирование нескольких осерёдков и ложбин по ширине потока. Независимость положения «волны возмущения» по отношению к оси русла и большая скорость формирования таких образований делает этот тип рельефа дна наиболее вероятным в руслах, имеющих относительно большую ширину. В то же время указанные факторы являются причиной интенсивной перестройки рельефа дна русла. В относительно глубоких руслах, для которых L > (4÷5)B₀, размывы и намывы дна не создают глубоких ложбин и высоких гребней. Такие образования соответствуют перекошенным грядам. Дальнейшее уменьшение относительной ширины русла приводит к существенному перестроению структуры потока; наибольшее перераспределение уклона свободной поверхности смещается к оси. Формирующиеся образования имеют практически параллельные гребни, что сближает их с ленточными грядами (Бутаков А.Н., 1988, с. 18).

По мнению А.Н. Бутакова, изложенные теоретические предпосылки формирования русловых образований позволяют объяснить генезис развития многих русловых форм. Например, возникновение в дноуглубительной прорези «загадочных» углублений дна и зон отложения наносов, располагающихся в шахматном порядке, и др. Они также дают основу для разработки практических мероприятий по улучшению судоходных условий. В частности, искусственным делением ложа переката типа россыпь продольной намывной дамбой можно создать условия для формирования более благоприятного в судоходном отношении переката с закономерно расположенными побочнями и т.п. (Бутаков А.Н., 1988).

Возникновение определённого вида мезоформы (ленточные гряды, перекошенные гряды, побочни, осерёдки) зависит от соотношения фактической ширины русла и доминирующей длины «волны возмущения», характеризующей максимальные деформации дна. Наибольшими потерями энергии сопровождается развитие ленточных гряд, наименьшими – перекошенных гряд; для побочневых форм они растут с уменьшением относительного шага руслового образования, для осерёдковых форм – напротив, с увеличением его (Бутаков А.Н., 1988).

Подобной, но более замысловатой точки зрения придерживается В.М. Католиков (2000, с. 16). По его мнению, основной причиной зарождения мезоформ на дне прямолинейного потока являются колебания модуля продольной скорости потока. При этом вид мезоформ определяется кинематической структурой осреднённого потока. Одноструйной структуре потока соответствуют ленточные гряды, а двуструйной структуре – побочни. И далее: «Длинноволновые колебания продольной составляющей скорости потока при двуструйной структуре происходят, по всей видимости, в каждой струе отдельно со сдвижкой по фазе, синхронизируясь посредством высокачастотных пульсаций поперечной составляющей скорости потока. Перекошенные ленточные гряды соответствуют промежуточному состоянию кинематической структуры» (Католиков В.М., 2000, с. 16).

В.М. Католиков получает критериальные условия существования побочней – число Фруда Fr и комплекс , который показывает, что форма русла зависит от параметров формы русла и не проясняет физической сущности причин образования побочней.

А.Ф. Кудряшов (1995) проводит ихтиолого-русловую аналогию образования побочней и формы тела рыб. Им установлено, что формы побочней с подвижными деталями на их поверхности и формы тела рыб с соответственными деталями поверхности их тела аналогичны. Под спонтанно сформированными турбулентным потоком телами А.Ф. Кудряшов понимает тела, форма и поверхность которых деформируются синхронно с турбулентными возмущениями обтекающей их вязкой среды. При этом динамически установившиеся образования на поверхности такого тела остаются при стационарном режиме движения неизменными. Этим поверхностям свойственна вибрация и определённая концентрация инородных, ограниченно подвижных частиц (песок, кристаллы снега, капли воды, частицы слизи у рыб, «пудра» у птиц, выделения эпидермиса и др.) на границе раздела с текучей средой, которые отделяются от поверхности тела в поток за счёт сил турбулентного перемешивания (Кудряшов А.Ф., 1993).

В качестве спонтанных формирований в текучих средах рассматриваются следующие: в области живой природы – формы тела и покровы рыб и водных животных; формы корпуса и покровы птиц; в области неживой природы – побочни  донные гряды в руслах рек; дюны и барханы в пустынях; снежные сугробы и заструги; мочажины-гряды на болотах; ветровые волны на поверхности воды; облака и другие образования. Наиболее чётко спонтанность процессов проявляется при формировании водным потоком тела и покровы рыб и водных животных, а также побочней и донных гряд в руслах рек, поскольку эти процессы менее других затушеваны влиянием второстепенных факторов (Кудряшов А.Ф., 1995).

Н.Б. Барышников и И.В. Попов (1988, с. 279-280) также отмечают, что «побочневый режим движения наносов часто возникает не только в условиях ухудшения транспорта наносов, но и при естественном или искусственном ограничении плановых деформаций реки».

3.10.3.    Перекаты. 3 типа перекатов

Перекат – мелководный участок русла реки. Часто перекат сложен рыхлыми отложениями, пересекает русло и имеет вид вала с пологим или крутым скатом, обращенным против течения. Перекат образуется в результате неравномерного размыва русла водным потоком и отложения наносов. Перекат часто встречается в местах расширения поймы, близ устьев притоков. Над перекатами поток теряет свою энергию. Как правило, по течению меандрирующей реки перекаты регулярно чередуются с плесами.

«Перекаты, как типичные формы рельефа речных русел представляют собой в то же время форму твёрдого стока рек» (Чалов Р.С., Хмелева Н.В., 1979, с. 20). «Перекаты являются следствием отложения в речном русле переносимых рекой наносов» (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 171). Что, в общем-то, справедливо и для всех других русловых форм.

Классификацию перекатов разных рек и закономерности их формирования рассматривали И.Ф. Попков (1937), К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1947, 1956), Н.И. Маккавеев (1949, 1956), М.А. Великанов (1955) и др.

По мнению Н.Б. Барышникова и Е.А. Самусевой (1992), «основными факторами, способствующими образованию и сохранению перекатов, являются поступление в поток большого количества наносов, превышающего транспортирующую способность потока».

Лабораторные исследования перекатов проведены под руководством А.И. Лосиевского в Московской гидротехнической лаборатории бывшего ЦНИИВТа. Исследования показали, что подвалье (т.е. нижняя часть) переката формируется под действием определённого типа внутренних течений.

Н.И. Маккавеев и В.С. Советов (2003, с. 196) разделили перекаты равнинных рек согласно особенностям условий их формирования на три основные группы: 1. Перекаты на участках русла с преобладанием глубинной эрозии. 2. Перекаты на участках русла с преобладанием боковой эрозии. 3. Перекаты, образованные в результате засорённости русла: а) обвалами и оползнями берегов; б) выносами оврагов и притоков; в) агентами зимнего режима (зажорами и заторами, вспахиванием русла тяжёлым ледоходом и т.п.); г) заторами молевого сплава; д) искусственными сооружениями (мосты, неудачно установленные выправительные сооружения и т.д.); е) случайными препятствиями на фарватере (затонувшее судно, камни, принесённые льдом и т.п.).

Согласно другим классификациям выделяют обычные и дурные (россыпи) перекаты.  Россыпями называются сплошные мели, перегораживающие русло, в которых трудно различить морфологические элементы «нормального» переката – верхний и нижний побочень, седловину, корыто и т.п. Разработку такой россыпи целесообразнее производить по извилистой трассе, используя естественные углубления на её широкой седловине (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003, с. 215).

Деление перекатов на обычные и россыпи по сути является деление перекатов по типам русловых процессов, которым они свойственны. Обычные перекаты образуются при побочневом типе и меандрировании, а россыпи – при русловой многорукавности. К перекатам-россыпям приводят размывы берегов, сложенных песком; образующиеся хаотические перекаты приводят к образованию русловой многорукавности, или, что то же самое – образование русловой (или осерёдковой) многорукавности выражается в формировании перекатов-россыпей. Например, в районе «Белых гор» (обрывы высотой 80-100 м) в русло поступает ежегодно более 500 тыс. м³ наносов, которые ниже по течению образуют перекаты-россыпи, размыв которых при зарегулированном стоке практически прекратился (Русловой режим рек…, 1995, с. 325).

Возникновение вала переката, как это подтверждается не только лабораторными исследованиями, но и наблюдениями в природе на небольших реках, может последовать вслед за сравнительно небольшими местным отложением наносов в русле, приобретающим сначала форму заструг (косы с ломаными треугольными плановыми очертаниями, обыкновенно зубчатыми) (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003).

Заструги являются обычным результатом пульсирующего передвижения донных наносов и в некоторых случаях разрастаются по площади и в высоту под влиянием несимметричности потока, получая косое расположение к течению воды. При наличии благоприятных условий раз начавшийся процесс образования переката постепенно усиливается и ускоряется. Наиболее часто начало формированию вала кладётся, по-видимому, образованием кос от береговых мелей (Маккавеев Н.И, Советов В.С., 2003).

3.11.                   Прямые русла

В связи с тем, что некоторые исследователи, следуя воззрениям М.А. Великанова (1948а), считают, что наиболее часто встречающимся и наиболее естественным типом русловых процессов является меандрирование, то первоначально на него и было направлено основное внимание, что затем обусловило и соответствующее направление в изучении прямых русел. К ним подходят, как к необычному типу, потому что «прямолинейные, неразветвлённые русла возникают при определённых условиях. Это объясняется неустойчивостью прямолинейного движения потока, который либо изгибается, либо разделяется на несколько динамических осей» (Чалов Р.С., 1997, с. 66). «Неустойчивость прямолинейного движения потока реализуется через трансформацию прямолинейного русла в меандрирующее или разветвлённое. Однако этого может не происходить, и русло сохраняет прямолинейную форму, несмотря на извилистость динамической оси потока или её разделение на несколько ветвей» (Чалов Р.С., 1997, с. 64).

Слабая изученность прямых русел отражена в современных классификационных схемах, где в большинстве случаев прямолинейные русла заменены типами, выделяемыми по форме донно-грядового перемещения наносов. Изученность в основном сводится к исследованию переформирований крупных грядовых форм движения наносов – побочней и осерёдков.

Р.С. Чалов (1997, с. 67) выделяет несколько условий образования прямолинейной формы русла: 1) малый сток руслообразующих наносов; 2) ограниченность развития русловых деформаций в районах распространения скальных пород; 3) наличие коренного высокого берега и односторонней поймы; 4) большая подвижность побочней и осерёдков, обсыхающих в меженный период, благодаря чему они не успевают закрепиться растительностью.

В некоторых случаях геологические условия (активные разломы, одностороннее вздымание территории) в совокупности с силой Кориолиса способствуют формированию прямолинейных русел, прижатых к одному коренному берегу; русловые деформации на таких реках заключаются в смещении гряд перекатов, побочни которых расположены у отмелых пойменных берегов, либо причленившись к ним, либо существуя в виде осерёдков, затем превращающихся в острова. В последнем случае в русле образуются односторонние разветвления (Чернов А.В., 1983, с. 33).

Чтобы оценить, носят ли подобные изгибы русла случайный или закономерный характер, т.е. является русло относительно прямолинейным или извилистым (меандрирующим), В.В. Иванов (1989) предложил использовать показатель извилистости русла. В качестве показателя извилистости принимается отношение l/L, где l – длина русла по излучине (изгибу), L – её шаг. Этот показатель в меандрирующем русле определяет степень развитости излучин. Поскольку каждому типу русла соответствует определённая структура потока – поле скоростей, циркуляционные течения и т.д., определяющие распределение в русел зон эрозии и аккумуляции наносов, то второй характеристикой может служить асимметрия поперечного сечения русла в районе вершины изгиба. Она выражается через коэффициент асимметрии К_АС, равный отношению расстояния от выпуклого берега к расстоянию от вогнутого берега до линии максимальных глубин.

Анализ зависимости изменения коэффициента асимметрии поперечного сечения К_АС от степени развитости излучины русла, проведённый В.В. Ивановым (1989), показал, что при изгибе с соотношением l/L>1,15 даже небольшое увеличение показателя извилистости сопровождается резким ростом коэффициента асимметрии. Значение l/L=1,15 является пороговым для возникновения процесса меандрирования (Чалов Р.С., 1997).

Имеющиеся в русловой литературе показатели разделения прямолинейных и разветвлённых типов русел редки. Кроме того, существует проблема разграничения прямолинейных русел со вторичными разветлением в русле от собственно разветвлённых с одиночным узлом разветвления.

Анализ натурных материалов показал, что соотношение l/B = 3,5-4,0 является оптимальным, т.е. при таком соотношении остров, находящийся в пределах прямолинейного русла, является формой второго порядка и не оказывает заметного сопротивления движению потока.

Морфологически однородным с прилегающими прямолинейными участками можно считать участок, осложнённый вторичным разветвлением, если остров имеет ширину до 40 % от средней ширины русла. Это подтверждается изменением нарастания коэффициента асимметрии поперечного сечения одного из рукавов на полученной зависимости К_ас=k(l/L) для островов, имеющих оптимальное соотношение l/B (Иванов В.В., 1989).

От прямолинейных русел у коренных берегов следует отличать прямолинейные отрезки меандрирующих русел, образовавшиеся как этап их развития непосредственно после спрямления излучин (Чернов А.В., 1983, с. 33).

Схемы перемещения русла позволяют обнаружить немеандрические формы плановых переформирований в виде смещения параллельно самим себе прямолинейных участков русла значительного протяжения. Это явление обычно приурочено к сужениям долины или участкам входа и выхода из расширений. По-видимому, основной причиной этого является местное перераспределение твёрдого стока и особенности протекания расхода в сужениях (Попов И.В., 1956, с. 50).

3.12.                   Разветвления

3.12.1.                        Характеристики разных видов разветвлений

Речные разветвления связаны с образования остров. Остров – участок суши, окружённый водой. У рек различают острова русловые и пойменные. Первые формируются в результате скопления наносов в отдельных частях русла, вторые образуются в результате расчленения поймы действием текучей воды. Русловые острова могут возникать за счёт разрастания осерёдков или вследствие отторжения потоком прибрежных скоплений наносов в форме побочней, кос, пляжей (Чеботарев А.И., 1978, с. 190).

Пойменные острова в условиях меандрирующих рек являются результатом прорыва перешейков русла (прорывные пойменные острова) или промыва: а) перешейка относительно слабоизогнутых излучин; б) понижения поймы в месте её сочленения со следующей по высоте террасой; в) ложбин за прибрежными береговыми валами (промывные пойменные острова). В условиях немеандрирующих рек пойменные промывные острова возникают в результате промыва прурусловой части поймы по старым рукавам русла или вследствие образования притеррасных речек.

Основы применения системного подхода к исследованию морфологии разветвлённых участков рек были разработаны Н.И. Маккавеевым (1955). Водотоки, составляющие разветвлённое русло, были классифицированы им по соответствию различным структурным уровням руслового рельефа: 1) протоки – их длина близка к длине изгиба меженного русла (длине побочня), разделяются они осерёдками или элементарными (образовавшимися при зарастании осерёдков) островами; 2) рукава – их длина соизмерима с длиной половодного русла, они разделяются островами, затопляемыми только в половодье; 3) ответвления – представляют собой практически самостоятельные реки, отделённые от основного русла обширными пойменными массивами; могут наряду с питанием из главной реки иметь и собственный водосбор (Ахтуба на нижней Волге, левобережная Обь и др.). Например, на меридиональном участке р. Песчаной (от устья р. Старобелокурихи до с. Смоленского) наряду со старицами, сохраняющими гидравлическую связь с руслом и составляющими вместе с ним прорванные излучины, встречаются длинные пойменные протоки (ответвления) со своими развитыми излучинами (выше с. Александровского, выше с. Смоленского). По длине долины они вытягиваются на расстояние от 2 до 5 км, отделяясь от реки островами сложной формы и максимальной шириной до 1 км (Русловые процессы на реках Алтайского…,  1996, с. 161).

Разветвления, особенно русловые, формируются, как правило, в неустойчивых или слабоустойчивых руслах (М.И. Львович, М.А. Великанов, Н.И.Маккавеев, С.Т.Алтунин, В.С.Лапшенков, И.Ф. Карасев и др.).

По мнению А.М. Алабяна (1991, с. 16-17) 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  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.

Форма и уровни разветвлённости зависят от многих факторов – водного режима, стока наносов, размываемости берегов, характера растительности, ледовых явлений. Предложена методика руслового анализа с использованием эпюры руслоформирующих расходов, являющейся интегральным отражением основных факторов руслоформирования. Она основана на сопоставлении элементов эпюры и значений расходов воды, необходимых для развития разветвлённости на различных структурных уровнях русла (Алабян А.М., 1991).

В силу того, что «возможно формирование пойменно-руслового разветвления, в котором каждый из рукавов благодаря их большой длине характеризуется своим типом русла» (Чалов Р.С., 1997, с. 84), встречаются такие запутанные определения типов русловых процессов как «исследуемый участок р. Пяндж развивается по типу свободного меандрирования с элементами незавершённого меандрирования или даже пойменной многорукавности» (Гендельман М.М., 1988, с. 5) или «можно прийти к заключению о наличии на участке черт пойменной многорукавности; однако в данном случае это состояние русла является временным и отражает лишь одну из стадий в целом циклично развивающегося процесса свободного меандрирования» (Гендельман М.М., 1988, с. 6).

Пойменные протоки обычно развиваются самостоятельно, независимо от деформаций главной реки. Чаще всего они меандрируют (полои на Вычегде, воложки на Волге), однако другие пойменные протоки (например, Малая Обь на нижней Оби) могут разветвляться на рукава (Чернов А.В., 1983, с. 51).

В связи с тем, что в гидроморфологической теории руслового процесса ГГИ (Кондратьев Н.Е. и др, 1982) всё многообразие переформирований русел равнинных рек сводится к семи основным типам, и пойменная многорукавность поставлена на один системный уровень с другими типами русловых процессов, то при характеристике типа русловых процессов приходится признавать, что «проявление типов руслового процесса в чистом виде – явление в природе нечастое. Наиболее вероятной морфологической ситуацией на участках рек является сочетание элементов нескольких типов, которыми в совокупности и определяются характер и размеры русловых деформаций. При этом один из типов руслового процесса является главным (или определяющим фоном), на котором развиваются другие типы процесса» (Клавен А.Б., Снищенко Б.Ф., 1985, с. 38). Характерным примером русла, соединившего в себе разные типы процесса, является один из участков нижнего течения р. Селенги.

«На примеры образования многотиповой структуры макроформ уже указывалось ранее в работах отдела русловых процессов, в трудах И.В. Попова (1965) и В.В. Ромашина (1968, 1969)» (Клавен А.Б., Снищенко Б.Ф., 1985, с. 42). Возможно, что выделение многотиповости обычно говорит о неправильности употребляемой классификации типов.

Правильный и исчерпывающий вывод делает А.В. Чернов (1983, с. 51): «Пойменные протоки развиваются на реках независимо от характера их русловых деформаций – меандрирования или разветвления на рукава».

3.12.2.                        Обзор гипотез образования разветвлений

В гидроморфологической теории ГГИ (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) пойменная многорукавность рассматривается как разновидность разветвлённых русел, или считается, что этот тип русла представляет собой эволюцию незавершённого меандрирования (Попов И.В., 1965). В действительности, как было указано выше, пойменная многорукавность может наблюдаться как на разветвлённых, так и на меандрирующих реках (Чалов Р.С., 1979).

Условием для её развития служит прохождение руслоформирующего расхода воды при затопленной пойме, когда отшнуровывающиеся от основного русла рукава и старицы полностью не отмирают, а образуют длинные ответвления, расчленяющие пойму на отдельные массивы. На меандрирующих реках это происходит благодаря спрямлению излучин при достижении ими крутой сегментной формы, а на разветвлённых – при полном причленении островов к берегам. Таким образом, пойменная многорукавность представляет собой уже единицу более высокого ранга, чем само русло, сопоставляясь уже с поймой реки (Чалов Р.С. и др., 2000).

В разветвлённом русле рукава могут меандрировать, причём возникает закономерная последовательность излучин, развитых внутри разветвлённого русла: сложные излучины, соответствующие основным рукавам; излучины второго порядка, которые образуют русло каждого рукава; извилины динамической оси потока. Такое соотношение является аналогом иерархии излучин меандрирующего русла, и его структура определяется количеством Q_Ф. Более распространено разделение рукавов небольшими островами на сеть относительно коротких, благодаря чему рисунок разветвлённого русла представляет собой запутанный лабиринт рукавов разных размеров. Отдельные острова – в начале и в конце рукава, образуя вместе с ними сопряжённую систему разветвлений второго порядка. В свою очередь, каждый рукав второго порядка может разделяться небольшим островом на протоки третьего порядка (Чалов Р.С., 1997, с. 59).

Развитие спрямлений представляет собой поэтапный процесс. Сперва образуется обычно извилистый, свободно меандрирующий узкий проток. В дальнейшем русло его существенно, вначале конусообразно, а затем равномерно по всей длине расширяется, выпрямляется, перехватывает всё большую часть расхода воды и приобретает черты побочневого типа руслового процесса. Когда проток достигает размеров главного русла (спрямлённой излучины), и расход воды сосредоточивается преимущественно в нём, тип деформаций, свойственный данной реке, восстанавливается, т.е. проток начинает меандрировать. Шаг образующейся излучины примерно равен шагу спрямлённой излучины (Гендельман М.М., Попов И.В., 1987, с. 4).

Причины образования пойменных разветвлений.

Условиями, благоприятствующими образованию спрямляющих протоков, являются низкие, глубоко затапливаемые поймы, резкое различие в крупностях руслового и пойменного аллювия, наличие пойменных речек, слабая защищенность верхних слоёв пойменного аллювия растительностью. Формированию спрямляющего протока должно предшествовать сосредоточение по его трассе пойменных течений (Гендельман М.М., Попов И.В., 1987, с. 6).

Интегральной характеристикой, отражающей не только водоносность реки, но и характерные черты её гидрологического режима, в том числе особенности транспорта наносов, является руслоформирующий расход воды. Согласно концепции Н.И. Маккавеева и Р.С. Чалова, он понимается как расход воды, при котором в многолетнем плане проходит максимальный сток руслообразующих наносов, вследствие чего его влияние на русло оказывается максимальным. Определение значения руслоформирующего расхода воды производится по максимуму произведения расхода руслообразующих наносов R=R(Q) на соответствующую ему повторяемость p=p(Q). Кривую в поле координат Q и R_p принято называть «эпюра руслоформирующих расходов воды» (Алабян А.М., 1991, с. 6).

Причиной формирования разветвлений на широкопойменных реках являются повышенные значения мощности руслоформирующего потока, пропорциональной произведению руслоформирующего расхода воды Q_Ф и уклона дна долины I₀. Это положение следует из анализа натурных данных с использованием Q~I диаграмм (В.В. Ромашин, L.Leopold and W. Wolman, E. Lane, W. Ostercamp, M. Carson, R. Fergusson и др.), результатов лабораторных экспериментов (О.В. Андреев и И.А. Ярославцев, L.Leopold and W. Wolman, S. Shumn and H. Khan, R. Bettes and W. White) и теоретических построений (F. Engelund and O. Skovgaard, G. Parker, H. Chang, C. Yang и др.) (Алабян А.М., 1991, с. 5).

Анализ данных, приведённых в работах названных авторов, с выделением в них пойменной и русловой многорукавности, а также разветвлённости на уровне осерёдков, с привлечением собственных материалов, позволил А.М. Алабяну прийти к выводу, что формирование осерёдков может происходить при значениях Q_ФI не менее 0,1. При Q_ФI>0,1 отмечаются случаи формирования русловой и пойменной многорукавности, при этом до значений Q_ФI=1,5 наряду с разветвлёнными могут существовать и меандрирующие реки, причём для последних в этом случае характерно преобладание прорванных излучин («незавершённое меандрирование» по классификации ГГИ).

Полагая, что руслоформирующая деятельность потока происходит во все фазы водного режима, а произведение R_p рассматривая как показатель её интенсивности в многолетнем разрезе, можно «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~R_p трёх горизонтальных линий, секущих площадь эпюры и соответствующих значениям расхода воды при которых: 1) происходит выход воды на пойму – «линия поймы»; 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» (Алабян А.М., 1991, с. 6-7).

Порядок взаимного расположения данных линий и их соотношение с элементами эпюры руслоформирующих расходов отражает сочетание элементов различных структурных уровней в морфодинамическом облике русла. Для участков с пойменной многорукавностью характерно наличие верхнего пика эпюры, расположенного выше линий поймы и многорукавности, что отражает концентрацию руслоформирующей деятельности потока в условиях затопленной поймы при достаточной для формирования разветвлений мощности потока. Если развивается русловая многорукавность, основная часть площади эпюры располагается ниже линии поймы, но выше линии многорукавности; в этом случае руслоформирующая деятельность сконцентрирована в пойменных бровках, и при этом мощность потока достаточна для формирования русловых разветвлений. Осерёдковая форма транспорта наносов доминирует, когда практически вся эпюра (включая нижнюю часть, соответствующую наиболее продолжительным меженным расходам) располагается выше линии осерёдков.

С этими положениями фактически соглашаются и представители школы ГГИ, которые формально образование всех типов русловых процессов связывают с транспортирующей способностью: «для формирования пойменной многорукавности необходимы значительная водность и достаточно большое затопление поймы» (Клавен А.Б., Снищенко Б.Ф., 1985, с. 43); «развитию пойменной многорукавности способствует малая высота поймы – ещё меньшая, чем при незавершённом меандрировании, а также бóльшая длительность затопления поймы паводочными водами. Сочетание двух этих условий имеется, например, на Среднем Днепре, реке с типично многорукавным руслом» (Руководство по проектированию… , 1974, с. 18).

Встречаются, всё-таки, попытки сведения  причин образования пойменной многорукавности к действию транспортирующей способности потока и баланса наносов: «Образование спрямлений русла р. Пяндж могло начаться лишь в высокий, многоводный паводок, достаточный не только для заполнения пойменных ёмкостей, но и для формирования транзитных течений на пойме. Если совершенно исключить возможность искусственного вмешательства, то это условие является бесспорным. Однако, кроме того, образованию спрямлений должна была способствовать сложившаяся к этому времени определённая морфологическая ситуация в русле и пойме реки, например, аккумуляция наносов на некоторых участках русла, вызывающая потока» (Гендельман М.М., 1988, с. 17) или даже только исключительно транспорту наносов: «С позиций гидролого-морфологической теории предпосылки к возникновению спрямляющих протоков определяются типом руслового процесса, т.е. особым способом транспорта наносов, посредством которого река обеспечивает динамически устойчивое состояние своего русла» (Гендельман М.М., Попов И.В., 1987, с. 3).

На развитие новых проток и рукавов и блуждание по ним основного потока большое влияние оказывают также заторы и зажоры. Например, заторы, отмечающиеся ежегодно в основном русле р. Бия, приводят к тому, что поток размывает небольшие протоки или понижения на пойме до размеров, сопоставимых с основным руслом. Кроме того, льдины переносят вмёрзшие в лёд валуны и гальку, которые сгружаются в местах заторов. Аналогичное заторам влияние на русловые процессы оказывают заломы древесины, попавшей в поток при размыве берегов и при молевом сплаве леса (Русловые процессы на реках Алтайского…,  1996).

К затруднительным двухрукавным участкам следует также отнести сопряжённые раздвоения речного русла (так называемые «восьмёрки») с двумя последовательно расположенными островами. Сопряжённые раздвоения русла могут возникнуть в результате образования последовательно расположенных островов как за счёт закрепления осерёдков и повышения их отметок в руслах с побочневым процессом, так и в результате прорыва перешейка длинного острова в разветвлёном извилистом русле (Руководство по проектированию… , 1974, с. 102). В сопряжённых разветвлениях судовой ход располагается последовательно в рукавах, проходящих то у одного, то у другого берега. Перераспределение расхода воды в верхнем звене системы и изменение положения судового хода происходит под влиянием  деформаций русла, аналогичных рассмотренным для одиночных разветвлений, но ниже по течению оно вызывает их перемещение в рукава у противоположных берегов возле каждого острова. Подобные переформирования получили название «правила восьмёрки», которое нужно учитывать при выборе трассы судового хода (Чалов Р.С., 1999б, с. 28).

Причины образования русловых разветвлений.

Основной причиной образования русловых разветвлений является возникновение в русле осерёдков, которые впоследствии покрываются растительностью и иногда превращаются в пойменные острова. Их образование определяется разделением потока на несколько динамических осей, возникающих  при значительной распластанности русла, блужданием динамической оси потока, сопровождающейся отторжением побочней от берегов, развитием обсыхающих в межень крупных гряд – макроформ руслового рельефа посередине русла (Чалов Р.С., 1997, с. 64-65).

Образование осерёдков совершается обычно в случае, если поток оказывается вынужденным переносить большое количество донных наносов, например, вследствие резкого уменьшения уклонов свободной поверхности вдоль потока, повышенного поступления донных наносов, увеличения их крупности и т.д. (Попов И.В., 1965, с. 119).

Русловая многорукавность – это случай, когда река столь перегружена наносами, что для их транспорта предельный уклон оказывается недостаточным. Для обеспечения перемещения наносов река вынуждена расширять своё русло, т.е. увеличивать фронт перемещения наносов. Разделение потока на рукава происходит в результате обсыхания незатопленных вершин ленточных гряд, движущихся в распластанном русле не цепочкой, а разбросано по ширине реки (Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988, с. 282-283).

Русловая многорукавность наблюдается при больших расходах донных наносов. Чаще всего она проявляется в р. Дунай следующим образом: река перегружается наносами, проявляется много ленточных гряд по всей ширине потока, речное русло расширяется, глубина уменьшается. В межень русло разделяется на множество рукавов с непостоянными очертаниями. Начинается биологическая стабилизация и разрастание островов, при котором образуются устойчивые и существенно измененные по сравнению с паводочными схемами течения потока. В большинстве случаев острова р. Дунай сформированы таким образом (Гергов Г.И., 1974, с. 47).

Условием превращения осерёдков в острова является обсыхание в межень и появление на их поверхности кустарниковой растительности достаточной густоты, которая, при последующем затоплении во время половодья или паводка, способствует аккумуляции взвешенных наносов – наилка, который, в свою очередь, благоприятствует дальнейшему развитию растительного покрова (Чалов Р.С., 1997, с. 81-82). Иногда причиной образования осередка являются затопленные деревья, застрявшая на мели лодка или другой предмет, создающий местное замедленное течение воды (Абдуллаев Э.А., 1973, с. 104).

И.Ф. Карасев (1975) вводит в рассмотрение показатель, который характеризует квазиоднородность внутренней (кинематической) структуры турбулентного потока – критерий квазиоднородности руслового потока , где – относительная ширина потока; l – коэффициент гидравлического сопротивления. По И.Ф. Карасеву, при поток сохраняет форму компактной струи, занимающей всё русло. Если , начинается внутреннее разветвление потока, если , поток формирует разветвлённое русло.

Крайним по интенсивности проявлением русловой многорукавности является блуждание реки. По мнению Н.А. Михайловой и Н.С. Шарашкиной (1970, с. 16), блуждание реки наблюдается в том случае, когда подвижность грунта, слагающего её дно и берега, одинакова. Блуждание характеризуется двумя взаимосвязанными процессами – изменением общего планового очертания русла и перемещением фарватера реки. На реках блуждающего типа кроме основной протоки с хорошо выраженным фарватером имеется несколько второстепенных проток. Протоки отделены осерёдками, а иногда и островами.

Возможно, также, что блуждание обусловлено одновременным сочетанием большой транспортирующей способности потока и значительного поступления наносов с водосбора. Поэтому часто блуждающие реки встречаются в пустынях (Амударья, Янцзы, Муррей), где поступление наносов с водосбора не сдерживается растительностью

Иногда встречается мнение, что блуждание рек обусловлено самим внутренним строением реки (то есть тип руслового процесса определяется характеристиками этого процесса): «На р. Амударье основной причиной постоянного блуждания потока, деформации берегов и переформирования русла является очень широкое русло реки. Поток реки неустойчив и делится на рукава и протоки, а в русле реки появляются различные русловые образования» (Ирмухамедов Х.А. и др., 1986, с. 46).

3.13.                   Устья

Устье – место впадения реки в другую реку, озеро, водохранилище или море. Основными типами устьев являются: нормальные устья, эстуарии и дельты. При тектоническом опускании морского низменного берега в устье образуется лиман.

Устья являются специфическим проявлением русловых процессов. Для полноты картины и выяснения общих законов руслоформирования не следует их отделять от проявлений русловых процессов других частей речной системы. Однако русловые процессы в устьях рек обладают рядом особенностей, связанных со спецификой их гидрологического и гидравлического режима (Михайлов В.Н., 1971).

Основные особенности русловых процессов в устьях рек следующие: 1) необратимые русловые процессы явно преобладают над обратимыми. Необратимые процессы связаны, во-первых, с тем, что устья рек – зоны, где преобладает аккумуляция наносов. Следствием этого является устьевое удлинение реки; 2) обратимые русловые процессы имеют в устьях рек ряд особенностей – в связи с изменением гидравлики потока вдоль русла наблюдается закономерное изменение типа руслового процесса как вдоль потока, так и во времени. Для исследователей русловых процессов устья интересны, как крайнее проявление некоторых руслоформирующих факторов. Их рассмотрение, а также рассмотрение в совокупности с русловыми процессами других частей реки позволит полнее разобраться в причинах формирования как устьев, так и обычных типов русловых процессов.

Эволюция устьев подчинена сложному взаимодействию климатических факторов (муссонная циркуляция атмосферы, колебания температуры воздуха, многолетняя мерзлота), морских факторов (приливы, волнение моря, штормовые нагоны воды, течения, солёность) и речных (сток воды и наносов, химизм вод, уклоны дна и режим питания) (Полонский В.Ф., 1980, с. 74).

Деление видов устьев на нормальные устья, эстуарии, дельты и лиманы важно для детализации процессов устьеобразования. Не стоит заострять внимание на одном из них, как это делается, например, для меандрирования, выделяя его из совокупности других типов русловых процессов. Необходимо одновременное рассмотрение всей совокупности устьев. Такое рассмотрение позволит выявить общие закономерности образования многих типов устьев.

Тем не менее, большое внимание уделяется рассмотрению характерного проявления устьевых процессов, как дельта. Дельты можно считать аналогом аккумулирующих рек и так называемых «антидолин». Дельта – особая форма устья реки, обычно возникающая на мелководных участках моря или озера при впадении в них рек, несущих большое количество наносов; характеризуется наличием многочисленных рукавов и протоков, располагающихся часто веерообразно (Чеботарев А.И., 1978, с. 86). Возможно, что противоположные типы устьев – эстуарии могут рассматриваться как аналоги врезанных рек.

Дельты образуются в результате сложного взаимодействия речного стока, морского волнения, приливов и сгонно-нагонных течений. Формирование дельты в условиях мелководного взморья начинается с возникновения коротких приустьевых кос и подводных отмелей (осерёдков) в самом русле или отмелей (устьевых баров, «россыпей») на морском крае. Во время половодий осерёдки и приустьевые бары постепенно становятся надводными и превращаются в низменные острова, разделяющие русло на рукава (Самойлов И. В., 1952; Леонтьев О. К., 1961; Залогин Б. С., Родионов Н.А., 1969).

Дельта нарастает в сторону моря до 100 м/год, как дельта р. Терек, или даже до 350 м/год, как дельта р. Миссисипи (Дерпгольц В.Ф., 1979 с. 136). Янцзы за год выносит в море до 500 млн. т. наносов. Они отлагаются в устьевой части и увеличивают площадь дельты. За 120 лет границы дельты р. Янцзы передвинулись в море на 2,5 км. Два низменных полуострова, севернее и южнее устья Янцзы, образовались в течение нескольких тысячелетий. Теперь здесь живёт не менее 20 млн. человек и расположен самый многолюдный город Китая и мира – Шанхай (Мурзаев Э.М., 1979, с. 106). Площадь дельты р. Хуанхэ занимает в настоящее время 400 тыс. км² – это больше площади всех Японских островов. Так образуются крупные аллювиальные равнины, к которым относятся, например, Великая Китайская равнина (это бывшая дельта р. Хуанхэ), Амазонская равнина. Равнины Германии, части Бельгии и Нидерландов представляют собой ни что иное, как объединённую дельту Рейна, Мааса, Шельды и Эмса (Дерпгольц В.Ф., 1979, с. 136-137).

При характеристике гидрографического строения дельт используются характеристики «многорукавные» и «малорукавные»: «Развитие пионерных малорукавных, а затем и многорукавных дельт начинается, как правило, с формирования устьевых баров» (Коротаев В.Н., 2003, с. 49). Если аналогом многорукавных дельт можно считать русловую и пойменную многорукавность, то что следует считать аналогом малорукавных дельт – русловую и пойменную малорукавность? Такой термин обычно не употребляется при характеристике русловых процессов. Хотя, на самом деле, значительное количество рукавов в реках, подобное количеству рукавов в дельтах наблюдается редко, в основном они встречаются на конусах выноса и других подобных участках, которые так и называются – внутренние дельты. Обычная пойменная и русловая многорукавность – это, чаще всего, именно малорукавность. Возможно, стоит при характеристике разветвлённых рек использовать вместо однозначной «многорукавности» деление на «малорукавность» и  «многорукавность».

Эволюцию гидрографической сети дельт изучали И.В. Самойлов, С.С. Байдин (1971), М.М. Рогов (1974, 1977), В.Н. Михайлов (1971, 1977). Современные процессы дельтообразования в устьевой области р. Индигирки соответствуют схеме, предложенной Н.И. Маккавеевым (1951). На верхнем участке русел рукавов происходит аккумуляция наносов при довольно интенсивных горизонтальных русловых переформированиях. Второй и третий участки в средней части русел характеризуются общими процессами размыва при довольно малой интенсивности плановых смещений. Четвёртый, нижний, участок рукавов и устьевые бары вновь являются зонами аккумуляции, горизонтальные русловые деформации здесь наиболее активны (Богомолов А.Л. и др., 1979, с. 158).

Для большинства магистральных рукавов в привершинной части дельты Волги наиболее типичным является формирование одиночных разветвлений русла, связанных с резким уменьшением транспортирующей способности речного потока из-за оттока части вод в левые дельтовые рукава и образования аккумулятивных форм в виде осерёдков в зоне замедления течений. Характерными примерами этого процесса служат острова Большой и Малый Осерёдки и Городской в Бузане, острова Дурновский, Городской и Ильинский в рукаве Волга (Коротаев В.Н., 2003, с. 133).

Классически дельты можно считать конечным звеном реки, в котором в любом случае поступление наносов превышает резко уменьшающуюся транспортирующую способность. Но, оказывается, могут быть такие случаи, когда все наносы аккумулируются, и получается даже дефицит наносов: «Дефицит русловых наносов приводит к тому, что на отдельных участках Бахтемира грядовый рельеф русла всё чаще сменяется довольно неровным дном, сложенным глинистыми выступами с относительной высотой 5-8 м (Ямное-Сергиевка, Плёс-Фёдоровка, протока Подстепок – протока Бакланья). Между глинистыми выступами формируется мелкогрядовый рельеф из мелких песков с примесью битой ракуши» (Коротаев В.Н., 2003, с. 125). Для большинства дельтовых рукавов р. Волги характерно чередование зон аккумуляции и эрозии, где происходит местное накопление русловых отложений или их транзит на смежные участки русла (Коротаев В.Н., 2003, с. 130).

Основным источником формирования бара является вынос наносов рекой. Подобный вывод был получен при изучении перекатов в нижнем течении р. Енисея и в устьях рек Таза и Пура (Иванов В.В., Гиляров Н.П., 1965; Коротаев и др., 1976). Факторами, определяющими формирование и морфометрию устьевых баров, являются также ветровые сгоны и нагоны (Разумихина К.В., Новожилова Л.В., 1983).

Механизм развитие устьевых баров детально рассмотрен в работах С.С. Байдина и др. (1956), В.Н. Михайлова и др. (1971), В.Н. Самойлова, В.Н. Михайлова, В.В. Ромашина, Т.Г. Войнич-Сяноженцкого, Р.С. Чалова, В.Н. Коротаева, Б.С. Штеймана и др.

3.14.                   Сели

Сель – внезапно возникающий поток по крутому руслу главным образом горных рек: с грязью – грязевой, с камнями – каменный, с тем и другим – грязекаменный. Сели возникают в горах при переувлажнении рыхлых горных пород, обычно ледниковых, из-за длительных дождей, бурного снеготаяния и др.

Иногда такая крайняя форма развития русловых процессов, которая обычно свойственна горным рекам, может развиваться при определённых условиях (большая глубина эрозионного расчленения) в пределах равнин: например, они возникают в руслах водотоков, расчленяющих склоны долины среднего Днестра, врезанного на 100-200 м в Волыно-Подольскую возвышенность (Чалов Р.С., 1997, с. 53).

Рассмотрение селей, как особой формы русловых процессов, важно для русловедения; это может помочь разобраться в причинах формирования и других русел. При рассмотрении существующих гипотез причин образования селей и форм транспорта наносов в селях выявлены аналогии в механизме их образования.

Обычно селевой поток представляет собой серию волн перемещения. В каждом селевом потоке частота прохождения волн достаточно стабильна и изменяется в небольшом диапазоне, уменьшаясь к завершающей фазе селя. В зависимости от гидравлических условий периодичность волн изменяется от 2-3 до 20-30 минут, что зависит от характера русел и гидравлических параметров потока (Ларионов Г.А. и др., 2003, с. 144). Обзор гипотез причин существования периодических волн в селях сделан Г.А. Ларионовым и др. (2003).

Существуют несколько мнений о причинах образования селевых волн. Согласно одному из них селевые потоки обусловлены случайными причинами. Наиболее распространено представление о том, что селевые волны образуются благодаря заторам в русле и их последующему прорыву (Флейшман С.М., 1951; Cornish V., 1934; Kang Zhicheng, 1990.) Заторы могут возникать в сужениях русла, на крутых изгибах и резком изменении уклона (Ларионов Г.А. и др., 2003).

Образование селевых волн также связывают с разовым поступлением в русло больших масс материала со склонов и боковых притоков, со скоплениями больших валунов и обломков скал (Виноградов Ю.Б., 1976; Гагошидзе М.С., 1970; Голубкович В.А., 1980).

Сторонники другого мнения полагают, что образование волн перемещения обусловлено внутренними свойствами селевого потока. Г.Г. Войнич-Сяноженский и Г.М. Беручашвили (1970) относят перемещение селевых волн к лавинному типу движения, характеризующемуся неустановившимся режимом. Согласно этому подходу селевые потоки рассматриваются как серия волн перемещения, в которых «лобовая часть волны представляет собой область резкого изменения основных гидравлических параметров вдоль продольной координаты серии волн перемещения, сопровождающаяся интенсивной диссипацией энергии. По сути, прерывистая стационарная волна перемещения представляет собой гидравлический прыжок» (Войнич-Сяноженский Г.Г., Беручашвили Г.М., 1970, с. 45).

Аналогичный подход разрабатывался И.Я. Боярским и В.Ф. Перовым (1974). Ими было показано, что в гидродинамическом отношении селевой поток может рассматриваться как одиночная волна или серия нисходящих волн перемещения твёрдого материала по условно сухому руслу при объёмной концентрации не менее 7-10%, и что волны способны поддерживать стабильность своей формы в условиях типичного профиля селевых потоков.

В 1972 и 1973 гг. впервые были проведены эксперименты по искусственному воспроизведению селевых потоков с расходами воды, соответствующими параметрам естественных селей. Отсутствие стеснений в русле и почти постоянный расход воды показали, что и в этих условиях волновой характер движения типичен для селевых масс (Виноградов Ю.Б., 1976).

Данные, полученные во время экспериментов, послужили основой для разработки новой гипотезы волнообразования (Степанов Б.С., Степанова Т.С., 1991). Она основывается на том, что площади размыва берегов периодически изменяются вдоль русла и тесно связаны с локальной скоростью движения волн. В лобовой части волны происходит увеличение расхода и скорости, а затем уменьшение этих параметров с увеличением концентрации наносов.

К. Томсон в лабораторных условиях получил нечто подобное селевым волнам на транспортёрной ленте, нижний конец которой был погружён в воду (Ларионов Г.А. и др., 2003, с. 145).

Феномен волн перемещения, которые в английском языке называются катящимися волнами (rolling waves) привлёк внимание Р.Ф. Дресслера (Dressler R.F., 1949). Из его работы следует, что из уравнений гидравлики невозможно получить периодического решения.

По мнению Г.А. Ларионова (Ларионов Г.А. и др., 2003, с. 146-148), концепция образования волн как следствия внутренних свойств селевого потока представляется вполне обоснованным. Он сравнивает селевые потоки и ручьи на гладкой асфальтовой поверхности с волновым движением, которые имеют близкие значения числа Рейнольдса. Соотношение глубин и высоты выступов шероховатости также показывают, что оба потока могут быть сходными и по относительной шероховатости. Таким образом, по мнению Г.А. Ларионова, нет оснований полагать, что механизм формирования волн в селевых потоках иной, чем в мелководных потоках с гладким ложем.

3.15.                   Особые виды русловых деформаций и типов русел

Карстовые реки (скрытое меандрирование и другие).

Речная сеть в районах с распространением карстовых процессов характеризуется своеобразными явлениями, отличающимися от речной сети некарстовых районов (Рыжиков Д.В., 1954;  Антроповский В.И., 1999). Разбор характерных особенностей русловых процессов в карстовых областях проведён О.А. Петровым и В.И. Антроповским (2003).

В районах распространения карста развитие и спрямление излучин рек приобретает свои особенности. Так, р. Сотка в пределах Беломорско-Кулойского плато течёт в относительно прямолинейной долине и на участках с ограниченным меандрированием поочерёдно подмывает склоны противоположных коренных берегов (Пещеры …, 1974). При этом в местах подмыва образуется гипсовый обрыв, в нижней части которого обычно формируется ниша с нависающим плоским сводом. Обрушающиеся в реку массивы приводят к отступанию реки от склона долины, у подножий нагромождаются осыпи, выполаживающиеся ближе к реке и образующие вместе с аллювием пойменные массивы.

В крупных карстовых логах, следующих направлению подземных вод, впадающих в р. Сотку, наблюдается поверхностный сток. Образующийся русловой поток, выходя из одного борта, пересекает лог и скрывается под его противоположным бортом. Таким образом, образующиеся излучины носят скрытый подземный характер, а подобный вариант развития русловых процессов можно назвать «скрытым меандрированием» (Петров О.А., Антроповский В.И., 2003).

Спрямление излучин в районах с карстующимися породами может происходить подземным путём (Рыжиков Д.В., 1954; Торсуев Н.П., 1964; Попов И.В., 1965; Максимович А.Г. 1969). Образующийся спрямляющий подземный водоток (пещерная река) в результате обрушения свода полости превращается в поверхностный. Отчленившаяся же излучина представляет собой не обычную старицу, сохраняющую воду и имеющую вид вытянутого озера, а карстовый суходол, покрывающийся в дальнейшем провальными образованиями. Пример этих явлений наблюдается на р. Вижае (приток р. Чусовой). Эта река на протяжении 8 км целиком уходит в известняки, после чего вновь выходит на поверхность. В этом районе наблюдается спрямление сухой излучины подземным путём (Петров О.А., Антроповский В.И., 2003). Аналогичный характер носит намечающееся спрямление излучины на р. Сосьве близ п. Шегультан, где наблюдается уход воды под землю перед большой излучиной (Рыжиков Д.В., 1954).

Узлы слияния.

Русловые процессы в узлах слияния рек изучены относительно слабо и поэтому относятся к сложным явлениям (Рулева С.Н., Чалов Р.С., 2003).

Изучение русловых процессов в слияниях рек проводили Н.И. Маккавеев Н.И. (1955), Р.С. Чалов и Н.А. Никитина (Чалов Р.С., 1964; Никитина Н.А., Чалов Р.С., 1988; Никитина Н.А., 1989; Чалов Р.С., 1997), К.М. Беркович и А.А. Зайцев (1976), Ботвинков В.М. и др. (1981), Г.П. Кумсиашвили и Р.С. Чалов (1990), В.И. Антроповский (1990б) и др.

Н.А. Никитина (1989) сделала морфодинамическую классификацию узлов слияния рек, которая в некоторой степени аналогична классификации устьевых процессов:  1) бездельтовый тип узлов слияния, который характерен для рек со сравнительно малым стоком наносов; 2) при большом стоке наносов в неразветвлённом  русле главной реки (или притока) формируются острова в зоне выклинивания подпора. Эта разновидность бездельтового узла слияния является переходной к дельтовому типу; 3) дельтовый тип узлов слияния рек возникает при достаточно большом стоке наносов. К устьевому створу русло расширяется в виде раструба, заполненного островами, образующими дельтовое разветвление.

Своеобразные черты приобретает дельта выполнения в широкопойменной долине с развитой пойменной многорукавностью. Выделяется собственно русло реки, от которого отделяются пойменные протоки, самостоятельно соединяющиеся с главной рекой. При этом русло реки и её пойменные протоки образуют свои дельты выполнения. На реках с развитой пойменной многорукавностью их слияние происходит последовательно пойменными рукавами, вследствие чего соединение притока с основным руслом реки отсутствует. Рукава главной реки и притока располагаются нередко субпараллельно; пойменные рукава, соединяясь с основным руслом главной реки, образуют простые бездельтовые узлы слияния (Чалов Р.С., 1997).

Дейгиш.

Дейгиш – внезапное обрушение подмываемых потоком берегов русел в результате их сползания, обусловленного резкими изменениями положения депрессионной кривой в связи с большими колебаниями уровня воды в реке. Дейгиш наблюдается на реках, несущих большое количество мелкозернистых и илистых наносов, благодаря которым на берегах могут формироваться мощные толщи отложений. Особенно известны дейгиши на р. Амударье (Чеботарев А.И., 1978, с. 85).

На Амударье при дейгише берега размываются со скоростью 500-1000 м/год, составляя в среднем около 250 м/год и достигая интенсивности 50 м/час (Чалов Р.С., 1997, с. 48). На участке Мукры – Ильчик русло Амударьи широкопойменое. Устойчивость его ещё больше снижается (число Лохтина – около 0,5). Средняя скорость размыва пойменных берегов (дейгиш) здесь составляет 530 м/год, а оголовков островов – до 1000 м/год. При дейгише  интенсивность размыва достигает 50 м/час, глубина 26 м, фронт размыва – до 3 км и больше. В районе г. Керки (Туркмения) располагаются головные сооружения Каракумского канал. Отвлечение из реки 40-50% её стока является причиной интенсивной аккумуляции наносов ниже по течению. Она приводит к повышению отметок дна до 1 м за 5-6 лет, усилению блуждания русла и активизации размыва берегов (до 700 м/год) (Русловой режим рек…, 1995, с. 218). При дейгише возникает угроза разрушения дамб, наводнений и кардинальной перестройки русла. В 1934 г. прорыв дамб привёл к затоплению территории в полосе до 100 км от реки, и лишь применение экстренных мер не позволило переместиться руслу в новое положение. Дейгиш у г. Турткуля развивался со средней скоростью 226 м/год в течение 44 лет (10 км), разрушив большую часть города (Русловой режим рек…, 1995, с. 219).

Приведённые примеры показывают, что дейгиш не является отдельным типом русловых процессов. Это, скорее, следствие малой устойчивости русло, показатель того, что в русле одновременно и много наносов, и большая транспортирующая способность, способная активно перемещать эти наносы, а также легко размываемые берега, способные поставлять дополнительное количество наносов в реку. Это проявление большой активности русловых процессов.

Также причиной наводнений, дейгишей, размыва береговых дамб и изменений положения русла Амударьи являются зажоры и заторы, в меньшей степени – высокие половодья (Гинко С.С., 1977). Река, прижатая в половодье к берегу, противоположному тому, где отложились транспортируемые ею наносы, начинает быстро его размывать. Разрушительная работа реки, в зависимости от длительности и интенсивности паводка, может продолжаться не только дни и недели, но даже месяцы. Русло «уходит» от первоначального положения на многие километры. (Гинко С.С., 1977 с. 81). Наблюдаются следы древних русел, удалённые на 1000 км от нынешнего течения Амударьи.

Деградирующие реки.

Деградирующие, пересыхающие реки свойственны многим аридным районам. Например, в книге А.М. Гаврилова и И.В. Попова (1951, с. 38) приведена фотография нижнего течения реки Молочная, которая представляет собой отдельные лужи, вытянутые цепочкой, которые остаются в её русле летом.

В бассейне р. Эмба все реки пересыхают в межень, распадаясь на изолированные друг от друга плёсы. Лишь на самой р. Эмба они соединяются узкими мелкими протоками. Перекаты в межень представляют собой перепады высотой до 1 м. На пересыхающих реках они образуют перемычки между озёровидными плёсами, покрывающиеся гипсовыми корочками, препятствующими размыву (Русловой режим рек…, 1994, с. 194). На отдельных участках рек Иргиз, Иловля, Хобда, Чагра, Шаган течение прерывается, и вода сохраняется только в разобщённых плёсах.

Также они наблюдаются и в других областях при значительном антропогенном воздействии. Например, на малых реках бассейна Немана. Наблюдается массовое заиление и зарастание малых рек, происходящее благодаря выносу материала из мелиоративных систем и интенсификации эрозии почв на водосборах. В бассейнах рек Среднелитовской низменности (Муши, Нявежиса, Шяшупе и др.) это привело к распаданию потоков на отдельные озеровидные плёсы, разделённые заросшими песчаными грядами (Русловой режим рек…, 1994, с. 114).

Слепые устья.

Крайним проявлением деградирования рек является их исчезновение, образование слепых устьев. Например, на р. Или сток воды вниз по течению сокращается (в том числе из-за забора на орошение). Это обусловливает аккумуляцию наносов в нижнем течении и формирование обвалованного русла. Многие пойменные рукава имеют слепые устья, теряясь в песках. Русло неустойчивое: число Лохтина – до 2. Переформирования излучин происходят довольно интенсивно. Также на р. Акусу и Лепсы имеют слепые устья, теряясь в песках (Русловой режим рек…, 1994).

В Средней Азии многие реки (Зеравшан, Сох, Исфара, Чу, Мургаб) по пути своего движения постепенно расходуют весь запас воды и поэтому никуда не впадают (Арабаджи В.И., 1973).

С изменением климата в сторону засушливости возможна редукция речных систем, выражающаяся в отступании истоков от водоразделов или с разделением больших систем на менее крупные. Обрывы речных систем обычно наблюдаются на участках впадения притоков (образование внутренних дельт), причём нередко притоки отрываются от главной реки, образуя «слепые» устья, не доходящие до главной долины (Маккавеев Н.И., 2003а, с. 240).

Сухие русла.

В засушливых местах существуют реки, которые наполняются водой только во время сильных ливней по 2-3 часа за 3-4 года. За короткое время они сбрасывают большое количество воды и образуют короткие и глубоко врезанные в местность долины (вади). Такие реки типичны для побережья Красного моря (Арабаджи В.И., 1973, с. 13).

Канализированные реки.

Ободовский А.Г. и др. (1986, с. 57-58.) выделяют самостоятельный тип русловых процессов: «Интенсивное хозяйственное освоение речных пойм, углубление и спрямление русел предопределило выделение нового типа русел – канализованного. В настоящее время протяжённость канализированных рек составляет около 4% общей длины всех рек Украины».

Каналы.

Развиваются исследования искусственных русел – каналов. Получены данные наблюдений за ходом саморазмыва пионерных прорезей в Пальеозерском канале (Макринова О.В., 1953), в отводящем канале Перепадной гидростанции на Вахше и в Волго-Ахтубинском соединительном канале (Кузьмин И.А., Терентьев Л.И., 1960). Ведутся также систематические наблюдения за переформированием русла Каракумского канала (Аннаев С.А., 1967). На основе материалов натурных и лабораторных исследований установлено, что при скоростях течения, превышающих неразмывающую скорость, канал не может быть устойчивым. Он расширяется до тех пор, пока в нём либо не установятся неразмывающие скорости течения, либо не образуются формы, свойственные естественным рекам; появились первые элементы теории таких деформаций (Викулова, 1964). К такому же выводу пришли В.П. Троицкий и С.Г. Косарев (1988; Троицкий В.П., 1970).

Другие особые проявления русловых процессов.

Среди других, реже встречающихся в природе, но не менее важных для изучения, встречаются  такие как сток по мари, склоновая многорукавность, наледная многорукавность (Прокачева В.Г. и др., 1982), плавни (Банасевич Н.Н и др., 2003), болотные реки.

Возможна бифуркация рек, например, река Темник одним рукавом впадает в Селенгу, другим в Гусиное озеро (Берг Л.С., 1952, с. 424). Река Пур в нижнем течении разбивается на два рукава (протоки): Большой Пур и Малый Пур, которые в дальнейшем опять сливаются. На этом же участке имеется и третий рукав – Озёрный Пур. Каждая из этих проток имеет ширину 1 км, а Озёрный Пур местами представляет собой цепь мелководных проточных озёр, достигающих большой ширины. (Доронина Н.А., 1972, с. 79). Особым случаем русловых деформаций можно считать деформации рек, подверженных различным антропогенным воздействиям. Их обзор будет проведён далее в главе 9.

Рассмотрение редких типов русловых процессов важно, необходим их учёт в общей картине всех возможных типов русловых процессов. Их совместное изучение с другими, рассмотренными выше типами русловых процессов может привести к более полному раскрытию причин формирования русел, особенно тех, выделение которых заметно при совместном рассмотрении.

3.16.                   Мегаформы, «Большие скопления».

На более высоком уровне русловых деформаций выделяются мегаформы. Разные исследователи вкладывают в этот термин близкий, но несколько различающийся смысл.

И.Ф. Карасев и В.В. Коваленко (1992, с. 82) считают, что мегаформы образуются на литогенной основе. Они состоят из относительно устойчивых к размыву пород, прорезаемых речным потоком или обнажаемых им из толщи более рыхлых отложений. К мегаформам относятся чёткообразные сужения-расширения речных долин и переломные точки продольного профиля. В естественных условиях эволюция мегаформ совершается в геологических масштабах времени. Шаг мегаформ на реках определён как расстояние между центрами групп перекатов или вершинами одиночных повышений дна.

А.Ю. Сидорчук (1992) под мегаформами понимает сложные формы русла.

А.В. Виноградов, А.Б. Клавен и В.Н. Никитин (Виноградов А.В. и др., 1999; Виноградов В.А., Клавен А.Б., 2002; Виноградов А.В. и др., 2003) не употребляют термина «мегаформы», а говорят о больших скоплениях наносов, движущихся по реке. Абсолютные значения этих скоплений во много раз больше размеров макроформ, их продвижение проявляется в изменении отметок дна и уровней воды таким образом, что повышение дна медленно сдвигается вниз. По мнению этих авторов неравновесные процессы нередко формируют морфологический фон, на котором развиваются типы русловых процессов на уровне «русло–поток».

Аналогичные согласованные изменения уровней отмечены К.М. Берковичем на р. Ока. Построенные графики хода минимальных за период открытого русла уровней воды показали, что он поднялся на 75 см. Повышение уровня, связанное с аккумуляцией наносов, к началу 50-х гг. достигло г. Калуга (Беркович К.М., 1993). Ниже по течению в этот же период происходило понижение минимальных уровней, которое в Касимове к концу 30-х гг. составило 80 см. С начала 50-х гг. наблюдается быстрая посадка уровней в Калуге, Алексине, Серпухове и Кашире. Наоборот, в Рязани, Половском, Касимове происходило повышение уровней на фоне резких ежегодных колебаний (Беркович К.М. и др., 1996).

3.17.                   Выводы. Предварительная гипотеза

В настоящей главе проведён обзор некоторых типов русловых процессов. 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. Идея объединения различных руслоформирующих факторов будет иллюстрирована в главе 8.

Далее...

Содержание