8. Объединение альтернативных гипотез
8.1. Обзор
В настоящей главе развиваются подходы, описанные в главе 5 «Этапы развития русловедения». В той главе было выяснено, что в настоящее время русловедение находится на стадии выработки многофакторных типизаций. Выявление физичных многофакторных типизаций позволит получить в руки инструмент прогноза изменений типов русловых процессов при изменениях соответствующих руслоформирующих факторов.
Явление природы никогда не бывает само по себе, в одиночку, уникально. Чаще всего существуют многие другие похожие и непохожие явления, которые немного или значительно отличаются от него. Или же само явление может проявляться по-другому, изменять свою форму под воздействием движущих причин или ограничивающих факторов.
Каждое явление природы не существует уникально, вокруг него есть непрерывный ряд явлений-«соседей» или модификаций, которые образуются при разной степени воздействия определяющих факторов (Кондратьев А.Н., 2003б).
Связывающей нитью между ними является генетическое единство, одинаковые формирующие факторы, отличающиеся по степени своего проявления. «Необходимо исходить из топологии пространства, каждая точка которого представлена одновидовым распределением измеряемого признака» (Гарцман И.Н., 1976, с. 35).
Общее свойство лабораторного метода заключается в расчленения сложного природного явления на составные элементы и раздельного исследования влияния на него отдельного фактора (Кондратьев Н.Е., 1978, с. 13).
Предлагается применение приёма «морфологический ящик природы» (Кондратьев А.Н., 2003б). Суть этого приема заключается в составлении из набора близких по генезису явлений многофакторной таблицы или n-мерного куба. Осями этой таблицы являются причинные оси.
Многомерный морфологический ящик природы позволяет с пониманием подходить к разбору изучаемого явления. Изолированное изучение только того явления, которое надо изучить, очень мало даёт исследователю. На порядок более продуктивно изучать не только это явление, а рассматривать весь набор аналогичных по природе явлений. При таком широком охвате выявляются новые причины, новые закономерности и даже новые явления (Альтшуллер Г.С., 1960).
8.1.1. Главные факторы
Исследователю природы из всего разнообразия причин всегда можно (или приходится) выбирать конечное, часто небольшое количество определяющих факторов. На это есть и объективные, и субъективные причины.
Причины можно разделить на главные и второстепенные. Например, на развитие рек основное влияние оказывают транспортирующая способность потока, поступление наносов, отметки руслоформирующих расходов, ограничивающие факторы (глава 4). Другие факторы проявляются слабее или оказывают влияние опосредованно через влияние на основные руслоформирующие факторы.
Некоторые главные причины, которые играют сами по себе большую роль в формировании процесса, могут вольно или невольно упускаться учёными из рассмотрения из-за малой изменчивости этих причин.
Например, сила тяжести, скорость вращения планеты, плотность жидкости (воды), конечно, оказывают громадное влияние на формирование рек. Но в связи с тем, что все изучаемые людьми реки находятся на Земле, сила тяжести и скорость вращения Земли постепенно ушли от внимания исследователей. Скорость вращения Земли определяет силу Кориолиса. Действительно, что было бы, если скорость вращения Земли была другой – больше в 100 раз, или меньше… Как изменились бы реки? А если бы скорость вращения Земли менялась из года в год, или вращение меняло бы направление? Возможно, что тогда бы одним из основных руслоформирующих факторов стала бы скорость вращения планеты или другое природное явление, которое бы в свою очередь зависело бы от вращения Земли.
Сейчас появились фотографии рек на Марсе (или следов рек), которые являются результатом таяния полярных шапок (Г.Н. Каттерфельд). Множество неизменных на Земле факторов там могут быть другими; там и плотность жидкости водотоков может быть другой. Скорее всего, сейчас нам не сделать прогноз развития русел на Марсе, опираясь только на законы формирования русел, выявленные на Земле.
В огромном количестве определяющих факторов для исследования необходимо выделить основные (главные) факторы.
Определяющие факторы любого явления делятся на движущие причины и ограничивающие факторы.
8.1.2. Объединение факторов
Явления природы многофакторны. Многофакторность явлений природы требует от учёных поиска способов пусть упрощённого, но приемлемого описания комплекса причин этих явлений.
Каждое явление – это продукт сочетания огромного количества определяющих (побуждающих) причин и условий протекания явления (границы, ограничивающие факторы и т.п.)
В изобретательстве применяется специальный метод для получения большого списка возможных вариантов решения изобретательских задач. Таким методом является морфологический анализ. Он был разработан швейцарским ученым-астрономом Ф. Цвикки в 1942 году. «Сущность этого метода заключается в систематическом исследовании всех мыслимых признаков и вариантов решения, вытекающих из закономерностей строения (морфологии) объекта» (Рапацевич Е.С, 1995). Составляется многомерная таблица («морфологический ящик»), которая вмещает возможные варианты решения задачи. При этом каждому функциональному узлу (параметру) отводится графа, ось, где перечисляются возможные варианты его решения.
Аналогичным образом и для решения научных задач можно использовать «морфологический ящик» семейства явлений. По осям такого «ящика» отложены главные причины рассматриваемого явления. В «клеточках», соответствующих различным сочетаниям определяющих причин, находятся различные разновидности, типы, варианты изучаемого явления. Например, в соционике используются 4 определяющих фактора, каждый из которых принимает, по крайней мере, 2 значения. Их комбинация даёт 16 типов человеческих характеров.
Приём «морфологический ящик» является объединением других приёмов решения научных задач. Первый из них – объединение альтернативных гипотез; он описан В.В. Митрофановым (1998). Второй прием – причинная ось (Альтшуллер Г.С., 1960; Кондратьев А.Н., 1998, 2001в, 2001г, 2001д, 2003а).
Чаще всего по причинным осям отложены диссимметричные параметры (отношения, разности, неравенства и т.п.). В идеальном случае причинная ось должна изменяться от плюс бесконечности до минус бесконечности, от максимального положительного отношения определяющего параметра до противоположного отрицательного отношения этого параметра. Например, в главе 7 был рассмотрен пример о третьем режиме движения жидкости – кавитации, который противоположен турбулентному режиму.
А.В. Чернов (1983, с. 106) при построении классификации пойм учитывал существующие методические рекомендации по классифицированию природных объектов (Арманд Д.Л., 1975). Для наглядного отображения характера взаимоотношений различных поймообразующих факторов в процессе формирования речных пойм и получения представлений о реальных взаимосочетаниях различных элементов, составляющих пойменный рельеф в целом, использован метод построения серии качественных решёток по принципу «турнирной таблицы» (Чернов А.В., 1983, с. 114).
Подобный принцип индексации широко применяется при многокомпонентных классификациях, например, в классификации рек по гидрологическому режиму (П.С. Кузин, В.И. Бабкин, 1979).
Морфологический ящик как приём решения научных задач плодотворен. Он позволяет использовать лучшее из каждой гипотезы и лишает каждую из отдельных гипотез присущих им недостатков.
В целях познания явлений природы можно схематизировать, что природа неосознанно и случайно использует многомерный морфологический ящик, по осям которого отложены числовые характеристики степени проявления основных причин изучаемого явления.
С использованием такого причинного морфологического ящика удобно решать научные задачи: находить причины явлений, объяснять причины изменения явлений и прогнозировать поведение изучаемых систем, находить новые явления.
8.2. Эволюционные многофакторные типизации русловых процессов
На данном этапе развития русловедения используется несколько типизаций русловых процессов (они были описаны в главе 5). Находясь в рамках какой-либо конкретной типизации, которая неполно описывает возможное разнообразие природных явлений, случается проблема невозможности отнесения конкретного участка реки к жёстко заданным типам. Поэтому появляется необходимость сложного описания, например, «тип с элементами другого типа», «тип, развивающийся на фоне другого типа» и т.п.
Последователи гидроморфологической теории сталкиваются с такой проблемой, но считают, что совместное существование нескольких типов руслового процесса не является аномалией, а, скорее закономерностью, «поскольку в природе границы между различными формами проявления одного процесса, определяемого многими факторами, выглядят размытыми, нечёткими» (Клавен А.Б., Снищенко Б.Ф., 1985, с. 43).
Подобная проблема свидетельствует о том, что применяемая классификация не полна. Для выхода из такого тупика необходимо расширять классификацию за счёт введения дополнительных осей. Удачным применением многофакторной типизации является таблица морфодинамических типов Р.С. Чалова (1997) (рис. 5.2).
8.2.1. Объединение относительной транспортирующей способности потока и руслоформирующего расхода
Сейчас в науке о русловых процессах одними из основных руслоформирующих факторов считаются транспортирующая способность потока (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) и отношение отметки максимума руслоформирующего расхода к отметке поймы (Маккавеев Н.И., 1955; Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1988).
Каждым из этих факторов объясняются фактически одни и те же выделяемые типы русловых процессов (одни и те же типы располагаются на каждой из этих руслоформирующих осей, причем некоторые типы располагаются на этих отдельных осях удачно, некоторые – нет). Какие же типы русловых процессов не объясняются при учёте только одного руслоформирующего фактора?
Во-первых, изменение транспортирующей способности или расхода наносов, как предлагается в (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) не приводит к разработке пойменных проток и образованию пойменной многорукавности. К разработке пойменных проток приводит превышение отметкой руслоформирующего расхода уровня поймы (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1988; Алабян А.М., 1991, 1992).
Во-вторых, по мнению А.Н. Кондратьева (1999б, 2001а), русловая многорукавность не объясняется относительным положением максимума руслоформирующего расхода и «линии осередков», вводимой А.М. Алабяном, а может быть объяснено перегрузкой русла наносами (Кондратьев Н.Е. и др., 1959; Андреев О.В. Ярославцев И.А., 1960; Караушев А.В., 1960, 1972; Михайлова Н.А., 1966; Леви И.И., 1968; Факторович М.Э., 1970; Боголюбова И.В., Караушев А.В., 1974; Караушев А.В., 1977; Кондратьев Н.Е. и др., 1982; Караушев А.В. и др., 1983; Боровков В.С., 1989; Барышников Н.Б., Самусева Е.А., 1992; Кондратьев А.Н., 1999г, 2000б; Карасев М.С., Гарцман Б.И., 2002).
Противоречие заключается в разных определяющих факторах, выделяемых для одних и тех же типов русловых процессов. В то же время у каждого из этих руслоформирующих факторов есть свои преимущества. Поэтому целесообразно рассмотреть совместно два эти руслоформирующих фактора. Для этого все типы русловых процессов расположены в поле координат двух осей и получена таблица (рисунок), в которой по горизонтали отложена степень затопления поймы, по вертикали – относительная транспортирующая способность потока (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Типы русловых процессов широкопойменных рек, представленные в виде таблицы по определяющим руслоформирующим факторам. В первом столбце расположены неразветвленные русла, формируемые при малой затопляемости поймы: а – осередковый тип, б – побочневый тип, в – ограниченное меандрирование, г – свободное меандрирование. Во втором столбце расположены разветвленные русла, формируемые при большой затопляемости поймы: д – осередки в разветвленном русле, е – побочневый тип в разветвлённом русле, ж – прорванное (незавершенное) меандрирование, з – меандрирование рукавов разветвленного русла. Увеличение относительной транспортирующей способности потока происходит сверху вниз.
Таким образом, для равнинных широкопойменных рек можно выделить два фактора руслоформирования, каждый из которых независим и по-своему определяет тип русловых процессов (Кондратьев А.Н., 1999б, 2001а). Первый из них – относительная транспортирующая способность потока – увеличивается при переходе по такой цепочке типов русловых процессов: русловая многорукавность, ленточно-грядовый тип, побочневый процесс, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование. Второй фактор – отношение отметки руслоформирующего расхода к отметке поймы. Для руслоформирующего уровня, меньшего, чем отметка поймы, характерна вышеперечисленная цепочка типов русловых процессов, (в неразветвленном русле), а для пика большего отметки поймы – те же типы руслового процесса, только в разветвленном русле.
Второй столбец начинается типом, который соответствует сочетанию пойменной и русловой многорукавности. По транспортирующей способности он соответствует русловой многорукавности (также перегружен наносами), а по условиям образования проток – пойменной. Такой тип русловых процессов наблюдается на р. Амур у Хабаровска и противоречит обеим упомянутым типизациям, в которых русловая и пойменная многорукавность разнесены на разные концы классификации.
Такой тип русловых процессов, включающий объединение ранее выделенных типов наблюдается на р. Чулым. На юге Красноярского края р. Чулым развивается по типу пойменной многорукавности, но в главном русле имеется 15 излучин с элементами свободного и незавершённого меандрирования (Ангельгольм Н.К., 1985, с. 25). «В верхнем течении р. Поноя отмечено разветвление реки на рукава с меандрированием на них» (Ресурсы…, 1970, с. 49). Типичным примером реки с русловой и пойменной многорукавностью служит среднее и нижнее течение Оби. Пойма её, достигающая в ширину нескольких десятков километров, расчленяется многочисленными протоками и рукавами на сотни островов разных размеров. Среди этих рукавов выделяется один (собственно Обь, или Большая Обь выше г. Салехарда), сосредоточивающий бóльшую часть общего расхода и в свою очередь также разделяющийся на рукава (Маккавеев Н.И., Чалов Р.С., 1984, с. 119).
Рассматриваемая двухфакторная схема типов русловых процессов (рис. 8.1) дает возможность прогнозировать изменение типа при изменении руслоформирующих факторов. Например, при перегрузке потока наносами согласно рисунку можно прогнозировать изменение руслового процесса и появление островов. Такой прогноз подтверждают изменения, отмеченные на Зее, которая в низовье, подойдя правым берегом к Белым горам из песчаника, стала их размывать. Поток перегрузился наносами. Тип процесса на десятках километров изменился, извилистое русло выпрямилось, и в нем появилось много островов. При увеличении же транспортирующей способности согласно рисунку можно прогнозировать противоположный процесс (размыв берегов, появление извилистости реки), отмеченный, например, на Миссисипи при широкомасштабных спрямлениях излучин.
При уровнях руслоформирующего расхода выше отметки поймы согласно рисунку можно прогнозировать улучшение условий для образования пойменных проток (например, р. Тулва в низовье в результате подпора от Воткинского гидроузла изменила свой тип русловых процессов со свободного меандрирования на разветвленное русло (по типу пойменной многорукавности)). И наоборот, при снижении руслоформирующего уровня и отмирании второстепенных проток можно прогнозировать постепенное формирование неразветвленного русла.
8.2.2. Объединение относительной транспортирующей способности потока и ограничивающих факторов
Обычно меандрирование разделяется на ограниченное и свободное. На рис. 8.1 показано, что ограниченное и свободное меандрирование различаются по величине относительной транспортирующей способности потока. Подчеркивая различное происхождение типов меандрирования, возможно, следовало бы назвать их иначе (например, развитое и неразвитое меандрирование). Дополнительно необходимо подразделять разные виды меандрирования по степени проявления ограничивающих условий. В случае большой относительной транспортирующей способности потока реке следовало бы развиваться по типу свободного меандрирования. Но в узкой долине из-за ограничения ширины пояса меандрирования русло может развиваться только по типу ограниченного меандрирования. Может быть противоположная ситуация – в случае меньшего превышения транспортирующей способности по сравнению с поступлением наносов река будет развиваться по схеме ограниченного меандрирования даже в широкой пойме с достаточным пространством для размещения развитых излучин свободного меандрирования.
Это заключение позволяет положительно ответить на вопросы: могут ли существовать ограниченное меандрирование без ограничивающих условий и прямое русло без ограничивающих факторов (рис. 8.2)?
Рис. 2. Виды меандрирования в зависимости от определяющих факторов. При малой относительной транспортирующей способности: а – «неразвитое» меандрирование в узкой долине, на узкой пойме (которое можно назвать «ограниченным» (ограничение есть, но не оно определяет тип)), б – «неразвитое» меандрирование в широкой долине, на широкой пойме (ничем не ограничено). При большой относительной транспортирующей способности: в – «потенциально свободное» меандрирование в узкой долине (ограниченное меандрирование (ограничение есть и действует)), г – свободное («развитое») меандрирование в широкой долине (это настоящее свободное меандрирование).
Таким образом, двух терминов («ограниченное» и «свободное») для характеристики меандрирования как процесса недостаточно. В гидроморфологической теории (Кондратьев Н.Е. и др., 1982) подразумеваются только варианты, соответствующие рис. 8.2в и 8.2г. Можно предположить, что следует использовать двойную классификацию: по степени ограничения (ограниченное или свободное меандрирование) и по генетической причине (например, «развитое» и «неразвитое»).
«Случаи, когда пределом плановых перемещений русла является синусоидальная кривая, как правило, приурочены к сужениям долины, но могут встретиться и в её расширениях, как это имеет место, например, на р. Луге. На этой реке участок с устойчивым в течение длительного времени, слабоизвилистым руслом в расширении долины непосредственно граничит с участком, характеризующимся частым формированием петель и их прорывами. Таким образом, слабоизвилистое русло может наблюдаться и тогда, когда такое очертание является для данного участка предельным, и тогда, когда русло в такой форме проходит только определённый этап развития извилистости, который впоследствии перейдёт в формирование петель, к проявлению их прорывов и повторению всего цикла развития плановых очертаний, присущих условиям свободного меандрирования. Ответ на этот вопрос имеет весьма существенное значение для прогноза плановых деформаций» (Попов И.В., 1956, с. 49).
Вывод: ограничивающие условия – это третий независимый руслоформирующий фактор. Одновременно нельзя ограничиваться только отношением ширины поймы к ширине русла как единственным определяющим фактором для всех типов руслового процесса. В широких долинах на широких поймах могут быть не только извилистые реки, но и прямые, и разветвленные.
Рассмотрим таблицу морфодинамических типов русловых процессов, предложенную Р.С. Чаловым, имеющую две размерности (рис. 5.2). Размещенные в ней типы русел обусловлены двумя руслоформирующими факторами. Вертикальная ось представляет собой ограничивающее условие – отношение ширины поймы к ширине русла. Действительно, в широком русле может быть и прямое, и извилистое, и многорукавное русло. На горизонтальной оси расположены извилистые, прямые неразветвленные русла и русловая многорукавность. На рис. 8.1 показано, что определяющий фактор для такого ряда типов – относительная транспортирующая способность потока. В этой таблице типы расположены по двум руслоформирующим факторам: 1 – относительная транспортирующая способность и 2 – ограничивающие условия.
Следующий шаг – объединение не двух, а сразу трех руслоформирующих факторов: относительной транспортирующей способности; относительного затопления поймы; относительной ширины поймы. На плоскости затруднительно отобразить получающийся куб типов русловых процессов по этим трем руслоформирующим факторам. На рис. 8.1 представлена двухфакторная таблица – проекция трехмерного куба руслоформирующих факторов на две оси: относительную транспортирующую способность по вертикали и относительное затопление поймы по горизонтали; а двухфакторная таблица Р.С. Чалова (рис. 5.2) – это проекция того же трехмерного куба на плоскость с двумя другими руслоформирующими факторами: относительная транспортирующая способность и относительная ширина поймы.
8.3. Выводы
Каждое явление природы не существует уникально, вокруг него есть непрерывный ряд явлений-«соседей» по определяющим факторам. Набор явлений-«соседей» можно выстроить по определяющей причинной оси. Причинные оси позволяют искать новые явления. Для этого надо использовать приемы «переступить пределы» и «белые пятна».
Явления природы многофакторны. Из огромного многообразия влияющих факторов для описания явления можно выделить несколько основных факторов.
Факторы делятся на активные движущие причины явления и ограничивающие условия протекания этого явления. Одно и то же явление может находиться в разных наборах явлений по разным определяющим осям.
Эффективно использовать многофакторные типизации (Ю.С. Мурашковский), объединение альтернативных гипотез (В.В. Митрофанов), метод турнирной таблицы (А.В. Чернов), морфологический ящик природы (А.Н. Кондратьев).
Многофакторность позволяет рассматривать совместно разные причинные оси. Можно использовать двухфакторные таблицы, трёхфакторные «кубы» и т.д.
В русловедении существуют многофакторные типизации, отражающие совместное влияние относительной ширины долины и относительной транспортирующей способности потока (Р.С. Чалов), геологических и геоморфологических факторов (М.С. Карасев и Б.И. Гарцман), разновидностей активных типов русловых процессов и редукции стока воды (Н.С. Знаменская), относительной транспортирующей способности и относительной затопляемости поймы (А.Н. Кондратьев).
Важно отметить, что большинство используемых руслоформирующих факторов (осей) являются отношениями (диссимметрией, по П. Кюри и В.В. Митрофанову). Это отражает баланс сил, формирующих при разном соотношении различные морфологические проявления.
Дальнейшее развитие русловедения должно привести к синтезу многих двухфакторных типизаций в целях более глубокого понимания сущности русловых процессов и причин образования различных типов русловых процессов.
Далее...