Русло реки эрозия ее бассейне

Русло реки эрозия ее бассейне

Вниманию научной общественности предлагается переиздание известной монографии профессора Московс-кого университета Николая Ивановича Маккавеева «Русло реки и эрозия в бассейне». Выйдя в свет в 1955 г по нынешним временам довольно большим тиражом (2000 экз.), она очень быстро стала библиографической редкостью.

И хотя с тех пор прошло почти 50 лет, книга продолжает пользоваться неизменным спросом в библиотеках; она никогда не залеживалась на полках букинистических магазинов, а ссылки на неё в литературе не только не сократились, а продолжают относиться к числу наиболее много-численных. Причем упоминания книги, как и фамилии её автора, находятся не столько в исторических обзорах или перечислениях предшествен-ников, сколько в содержательных разделах научных трудов, где материал книги используется и как отправная точка для решения той или иной проблемы, и для подтверждения полученных результатов, и для сопоставления их уровня с признанным эталоном, оценки значимости получен-ных выводов. Такая жизнеспособность книги и удивительна, и закономерна. Выйдя из печати, она не просто привлекла к себе внимание, она произвела, по отзывам современников, впечатление разорвавшейся бомбы, настолько по-новому, физически обоснованно, концептуально рас-сматривались в ней, казалось бы, давно получившие объяснения природные процессы и формы их проявления. При этом книга открывала про-стор для дальнейших исследований, предлагая читателю идею и определения путей её реализации.
Значение книги было незамедлительно оценено, и Ю.А. Мещеряков в одной из первых появившихся в научной периодической печати (Извес-тия АН СССР. Сер. Географическая. 1965. № 2) рецензии писал: «она не относится к числу монографий, которые как бы «закрывали» проблему, подводя итоги её изучению. Цель книги иная. Она состоит в том, чтобы наметить новые пути для дальнейших исследований» (с.143).
Книга Н.И. Маккавеева по существу заложила основы теории и методологии нового гидролого-геоморфологического направления в изучении эрозионно-аккумулятивных процессов и созданных ими форм рельефа. В ней впервые в отечественной и, по-видимому, мировой литературе рассмотрена вся совокупность природных явлений, связанных с работой всех водных потоков на земной поверхности — от склоновых нерусло-вых до крупнейших рек, с взаимодействием двух сфер — гидро- и литосферы, из которых одна находится в постоянном движении и изменении своих характеристик, тогда как другая квазистатична, но чрезвычайно разнообразна по своим свойствам и параметрам. Это единство, которое если и рассматривалось до монографии Н.И. Маккавеева, то только с позиций поступления в реки наносов, теперь, благодаря его трудам, опре-деляется общностью законов развития, механизмов функционирования, закономерностями переноса вещества и энергии в казалось бы удален-ных друг от друга звеньях водных потоков. При этом уже в названии книги Н.И. Маккавеев в качестве главного научного кредо указал на взаи-мосвязь природных процессов на водосборах и процессов в речной сети. Соответственно, русловые процессы стали рассматриваться им как завершающее звено в цепочке явлений, связанных с воздействием стока на земную поверхность, и, следовательно, находящихся в сложном со-отношении между собой, зависящих от природных особенностей каждой зоны, региона или бассейна. По существу Н.И. Маккавеев к анализу эрозионно-аккмулятивных процессов впервые применил системный подход (хотя и не употреблял этого термина), рассматривая в едином ком-плексе бассейн и русло реки, и почти на два десятилетия опередив использование системной методологии в современных географических ис-следованиях.
Здесь нет необходимости давать анализ переиздаваемой книги. Он был сделан вскоре после её первого выхода в свет, а впоследствии — в ряде статей, посвященных научной деятельности Н.И. Маккавеева в связи с юбилейными датами, в том числе — 40-летием публикации самой книги (статья Д.А. Тимофеева, Н.В. Хмелевой, Р.С. Чалова в журнале «Геоморфология», 1996, № 1). Это делали современники, непосредственные уче-ники и последователи учения Н.И. Маккавеева. Теперь представляется возможность новым поколениям ученых и специалистов оценить труд Н.И. Маккавеева, ознакомиться с которым для них оказалось уже затруднительно.
Переизданию книги «Русло реки и эрозия в её бассейне» предшествовал выпуск двух томов избранных трудов Н.И. Маккавеева: «Эрозионно-ак-кумулятивные процессы и рельеф русла реки» (М. 1998) и «Теоретические и прикладные вопросы почвоведения и русловых процессов» (М.2003). В них были собраны наиболее важные работы, опубликованные, начиная с 1934 г, вплоть до некоторых уже посмертных. Интерес к этим изданиям оказался очень велик, и уже в ходе подготовки второго тома под влиянием многочисленных вопросов читателей возникла идея переиздания главного труда Н.И. Маккавеева, от которого начался отсчет развития научной школы, получившей название «Эрозия почв на водосборах и русловые процессы». Эта идея витала и раньше, но, наверное, нужно было время и определенный толчок для того, чтобы она на-чала воплощаться. Таким толчком и явился интерес к опубликованным избранным трудам.
Н.И. Маккавеев стал профессором Московского университета в 1953 г вскоре после защиты докторской диссертации. Интересно отметить, что книга «Русло реки и эрозия в её бассейне» была опубликована в 1955 г — году, когда отмечалось 200-летие основания университета. С этого времени началось развитие университетской маккавеевской школы, которая организационно оформилась в создании двух научно-исследова-тельских лабораторий, из которых одна — эрозии почв и русловых процессов, основанная в 1969 г, носит имя своего основателя и научного ру-ководителя Н.И. Маккавеева. Развитие учения о едином эрозионно-аккумулятивном процессе, основателем которого стал Н.И. Маккавеев, проя-вилось в нескольких десятках диссертаций, в том числе более 10 докторских, многочисленных книгах и ещё более многочисленных статьях уче-ников Н.И. Маккавеева и учеников его учеников, научных отчетах, среди которых преобладают отчеты по прикладной тематике, выполненным при решении конкретных практических задач.
Переиздание книги приурочено к 95-летию со дня рождения выдающегося ученого. Но оно осуществляется в канун очередного юбилея Москов-ского университета, где Н.И. Маккавеев проработал 30 лет. И этот университетский период его научной деятельности оказался самым плодот-ворным и эффективным. Поэтому переиздание посвящается 250-летию Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Переиздание осуществляется в точном соответствии с оригиналом, без какой либо редакционной правки и с максимальным приближением к нему. Исключение представляют только фотографии, которые из-за низкого качества пришлось заменить.

Источник

«Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне ЧАСТЬ ВТОРАЯ РЕЛЬЕФ РЕЧНОГО РУСЛА Глава V ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ РЕКИ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Развитие . »

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

РЕЛЬЕФ РЕЧНОГО РУСЛА

ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ РЕКИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Развитие представлений о формировании продольных профилей русловых потоков обстоятельно изложено в работах Боли (Baulig, 1925) и К.К. Маркова (1948). Из последних работ по этой проблеме, не аннотированных в указанных сводках, следует упомянуть статьи О.П. Чижова (1951) и Н.П. Чеботарева (1949), в которых сделаны интересные попытки математического выражения некоторых закономерностей развития продольного профиля.

Еще в прошлом веке была создана внешне стройная концепция, охватывающая законы развития продольного профиля и включающая три основных понятия: 1) о профиле равновесия, 2) о базисном уровне и 3) о регрессивной эрозии.

П р о ф и л ь р а в н о в е с и я. Мартонн (1945) дает этому понятию следующее определение, которое можно считать почти общепринятым: врезание русла прекращается тогда, когда вырабатывается продольный профиль (профиль равновесия), при котором размывающая сила потока становится равной сопротивлению грунта и река является в основном «каналом» стока для материала, получаемого в результате смыва склонов водораздела. На конечном этапе эрозионного цикла, когда и склоны долин тоже выработают профиль равновесия (образование пенеплена), эрозия прекращается.

В этом определении принимаются без доказательств два допущения: 1) возможность движения воды без осуществления эрозии и транспорта наносов; 2) наличие «стремления» всей русловой системы к некоторому состоянию равновесия. Эти допущения нельзя признать верными.

Эрозия всегда сопутствует движению воды по грунту, и если скорость течения недостаточна для механического перемещения твердых частиц, то не прекращается образование коллоидальных и химических растворов. Кроме того, характерной особенностью русловых потоков является ступенчатость продольного профиля, вследствие чего энергия течения концентрируется на отдельных перепадах, где и происходит размыв и перемещение наносов. Так как уступы постепенно перемещаются по длине реки, то даже при очень малом среднем уклоне механическая эрозия может не прекращаться. С.Н. Никитин (1890) еще в прошлом столетии совершенно отчетливо сформулировал правильное понятие о предельном профиле реки: «. река, пока существует хоть малейший склон, должна углублять свою долину до тех пор, пока с понижением склона уровень воды по всей длине реки не станет на одной и той же абсолютной высоте и река вымрет, перестав быть таковою».

Выше мы отмечали, что отмирание русел происходит не в результате прекращения эрозии, а вследствие того, что эрозия становится слабее, чем другие факторы, действующие на рельеф русла. Таким образом, понятие о «предельном профиле равновесия», который с такой тщательностью определял Иованович (1938) и некоМаккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне торые другие исследователи, лишено физического смысла 1. Река, прекратившая эрозию и транспорт наносов, будет заилена склоновыми потоками, которые прекращают свою работу только при полном нивелировании территории. Даже в таком случае, когда поступление на материк твердого материала станет равным эрозионному смыву, развитие речных систем не остановится, так как эрозия никогда не удаляет равномерно материал с поверхности материка; отдельные части последнего будут относительно повышаться или снижаться, а отдельные русловые системы развиваться или отмирать.

Что же касается профиля равновесия, то это понятие является неправильным и только затемняет физическую сущность руслового процесса. Напомним, что развитие рек обусловлено неодинаковой интенсивностью эрозии в различных звеньях гидрографической сети, т.е. связано с отсутствием равновесия и равномерности в осуществлении эрозионного процесса на данной территории. Существование руслового потока немыслимо без наличия процесса трансформации энергии, приводящего к неравномерности движения воды 2. Движение воды вызывает непрерывную эрозию и аккумуляцию, способствуя постоянному изменению гидравлических характеристик потока, а следовательно, непрерывно изменяет конфигурацию продольного профиля; последняя никогда не может быть стабильной и «прийти в состояние равновесия».

Одним из поводов к тому, что понятие о кривой равновесия получило широкую популярность среди гидрологов и геоморфологов, послужило наличие процесса «автоматического регулирования» транспортирующей способности потока, наблюдаемого при некоторых условиях. На тех участках русла, где удельная транспортирующая способность потока недостаточна для транзита поступающих с вышележащего участка наносов, дно постепенно повышается до тех пор, пока в результате отложений уклон не возрастет до величины, обеспечивающей транзит наносов. Те же участки, где поток содержит наносов меньше, чем мог бы переносить, углубляются тем интенсивнее, чем больше дефицит насыщения потока наносами. По мере углубления уклон на участке уменьшается, что вызывает увеличение уклона на вышележащем участке реки и возрастание транспорта наносов с верховьев. Этот процесс оказывает существенное влияние на форму продольного профиля, но вовсе не является признаком «стремления потока к равновесию». Продольный профиль, характеризующий стадию развития русла с установившимися определенными соотношениями между уклонами и транспортирующей способностью потока, правильнее назвать выработанным продольным профилем.

Д.Л. Арманд (1950) недавно выступил с защитой классической концепции профиля равновесия, построив свои доказательства на анализе условной модели потока, имеющего равномерное течение от истока до устья. Естественные русловые потоки не имеют равномерного течения, и поэтому доводы Д.Л. Арманда неубедительны. Правильные принципиальные замечания по поводу теории равновесия были сделаны П.С. Макеевым (1941), указывавшим, что допущение возможности выработки речным потоком кривой равновесия, т.е. «недеятельного» состояния, противоречит диалектическому развитию процессов в природе.

Имеются реки, осуществляющие необходимую для поддержания русловой формы эрозию и транспорт наносов, хотя уклон их в межень близок к нулю. Такова, например, р. Ботлетле (Африка), соединяющая расположенные на одном уровне озера Нгами и Макарикари и имеющая течение то одного, то другого направления (Д. Ливингстон и Ч. Ливингстон, 1948). Река Шуя, вытекающая из Укшозера, является притоком другой р. Шуи, впадающей в Онежское озеро. В зависимости от уровня воды в Укшозере течение первой р. Шуи несколько раз в году то устремляется в озеро, то в другую р. Шую (Калесник, 1947). Существование таких рек возможно, впрочем, только при очень слабой склоновой и овражнобалочной эрозии.

При неравномерном движении энергия потока не уравновешивается полностью на каждом участке реки сопротивлением русла, как предполагает гипотеза о профиле равновесия.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Б а з и с э р о з и и. Несмотря на то, что это понятие было выдвинуто Поуэлем почти сто лет назад, оно до сих пор еще не получило достаточной определенности.

В. Пенк (Penck, 1924) утверждает, что эрозии «установлена абсолютная нижняя граница», которой является уровень моря или дно депрессий (для бессточных областей). После того как было установлено, что русловые потоки, как правило, углубляют дно на приустьевых участках ниже уровня приемного бассейна и что глубина подобного размыва может изменяться в зависимости от ряда условий, формулировка В. Пенка перестала удовлетворять геоморфологов. Например, Буркар (Bourcart, 1950) вообще отказывается от определения понятия «базис эрозии», указывая, что нулевой пункт, где заканчивается течение воды и где река откладывает наносы, у таких крупных рек, как Амазонка и Конго, удален на сотни миль от устья.

П.В. Иванов (1949), пытаясь уточнить понятие о базисе эрозии, предложил при его определении учитывать гидрологический режим реки, характер наносов и ряд других факторов, т.е. вычислять базис эрозии для каждого потока индивидуально. Однако глубина размыва в приустьевом участке реки является лишь следствием тех гидравлических процессов, которые вызваны впадением руслового потока в приемный бассейн, и введение переменного значения базиса эрозии без нужды усложнит анализ эрозионных процессов на данной территории.

Чтобы придать определенность данному понятию, б а з и с о м э р о з и и с л е дует считать уровень, к которому приурочено распластыв а н и е п о т о к а, т. е. у р о в е н ь п р и е м н о г о б а с с е й н а. Этот уровень является одной из границ, определяющих падение реки, и его учет необходим для установления среднего уклона потока. У потоков, теряющихся в пустыне, базисом эрозии является средний уровень устьевых озер (в этом случае он, впрочем, будет переменным, так как положение уровня озер зависит от колебаний водности реки).

Кроме полного распластывают толщи потока, которое происходит в устьях, нередко наблюдается на протяжении течения реки частичное распластываете на участках местных базисов эрозии. Глубина потока резко уменьшается н а г р е б н я х в о д о падов, в значительных расширениях дна долины и в мест а х в п а д е н и я в б о л е е ш и р о к у ю д о л и н у г л а в н о й р е к и. Мест- ные базисы эрозии могут вызвать и полный разрыв непрерывности продольного профиля (водопады с большим падением, крупные озера). Местными базисами эрозии являются и плотины, которые в зависимости от их конструкции и относительной высоты создают полный или частичный разрыв непрерывности продольного профиля.

Р е г р е с с и в н а я э р о з и я. Дэвис, Пенк и ряд других авторов придают исключительное значение регрессивной (пятящейся) эрозии. Переоценка этой частной формы глубинной эрозии в значительной мере связана с теми весьма элементарными представлениями о механизме воздействия русловых потоков на ложе, которыми было принято оперировать в геоморфологической литературе того времени. Например, опыты Ноэ и Маржери (De la Noe et Margerie, 1888), на которые до сих пор ссылаются многие зарубежные составители учебников геоморфологии, геологии и физической географии, производились н е с в о д о й, а с о с т р у ё й с у х о г о п е с к а, и, следовательно, наблюдался н е п р о д о л ь н ы й п р о ф и л ь п о т о к а, а п р о ф и л ь о с ы п и. Лоток Hoэ и Маржери представлял собой установленный наклонно ящик, заполненный сыпучим материалом; поверхность последнего подвергалась обработке песчаной струёй. Для того, чтобы образовать на поверхности песчаного откоса осыпь, нужно удалять с нижней части склона какой-то объем грунта, т.е. развитие желоба осыпи на склоне может происходить только регрессивно. Что же касается водного потока, то в нем размыв дна может происходить по всей длине русла, так как в движущейся воде постоянно происходит обмен частиц между диспергированным материалом и материалом, слагающим ложе.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

О п о с т р о е н и и п р о д о л ь н о г о п р о ф и л я р е к и. Следует отличать продольный профиль дна реки и профиль ее водной поверхности. Только при крутом падении реки можно при рассмотрении продольного профиля в мелком масштабе пренебречь разницей между обоими профилями. Под понятием «продольный профиль реки» обычно подразумевают продольный профиль водной поверхности. Имея последний, можно судить об изменении вдоль по течению гидравлического уклона, т.е. составить себе представление об одной из основных характеристик потока.

Продольный профиль водной поверхности естественного руслового потока непостоянен, так как в любом створе уклон меняется в зависимости от колебаний стока вод и происходящих в русле деформаций. Принято обычно изображать продольный профиль реки при меженных уровнях. Это происходит не потому, что исследователи рек недооценивают значения потока половодья в формировании русла, а по причинам чисто техническим: в период межени иногда в течение ряда дней уровни на всем протяжении реки остаются почти постоянными, вследствие чего посредством так называемых «мгновенных» связок уровня и последующих нивелировок можно сравнительно легко получить распределение уклонов в потоке с более или менее установившимся течением. В период половодья поток никогда не достигает установившегося состояния, поэтому нужно выполнить несколько нивелировок для выяснения распределения уклонов при различных положениях гребня «волны» половодья. Кроме того, подступы к реке во время разлива часто бывают весьма затруднительны. Во всяком случае ни для одной крупной реки до сих пор еще не удалось составить детального продольного профиля потока при высоких уровнях воды.

Вот почему о профиле потока в половодье мы имеем лишь весьма приближенное представление по показаниям опорных водомерных постов.

При анализе продольного профиля меженного потока следует иметь в виду, что в ряде случаев р а с п р е д е л е н и е у к л о н о в п р и р у с л о ф о р м и р у ю щ е м р а с х о д е в о д ы м о ж е т б ы т ь с о в е р ш е н н о и н ы м и нередко участки спада при одном уровне воды перекрываются зонами подпора при другом уровне или наоборот. Учет этого обстоятельства имеет особенно большое значение при анализе руслового режима равнинных рек. Многие исследователи, например, обращая внимание на ничтожные уклоны в низовьях больших рек, считали это признаком затухания транспортирующей способности реки по направлению к устью. Между тем анализ гидрологических условий на таких участках показывает, что в период половодья уклоны значительно повышаются и скорости течения при прохождении руслоформирующих расходов там не меньше, чем в среднем течении реки.

Было бы правильным составлять продольные профили для нескольких характерных уровней воды. Построение таких профилей является весьма сложным делом. Однако только в этом случае можно получить полное представление о роли продольного уклона в формировании русла в различных фазах годового хода уровней воды.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМУ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ

Средний уклон потока находится в прямой зависимости от среднего километрического падения. Вместе с тем уклон на отдельных отрезках по длине потока можно представить в виде следующего выражения:

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне лентных, циркуляционных и волновых движений, J p – потеря напора, связанная с процессами эрозии и транспорта наносов, J f – приращение (или убывание) уклона вследствие изменения кинетической энергии потока.

Рассмотрим отдельно значение каждой из составляющих вышеприведенного выражения.

З а т р а т ы э н е р г и и, с в я з а н н ы е с д в и ж е н и е м в о д ы. Если на каком-нибудь участке русла величина затрат, связанных с движением воды ( J n ), будет снижена, то произойдет местное приращение кинетической энергии, а также увеличение доли напора, расходуемого на эрозию и транспортирование наносов, что в конечном счете вызовет усиление врезания данного участка русла и местное уменьшение первоначального уклона. Величина J n зависит в турбулентных потоках прежде всего от скорости течения, гидравлического радиуса, шероховатости русла, его формы в плане и некоторых других факторов. Увеличение гидравлического радиуса, уменьшение шероховатости, приведение русла к правильному и прямолинейному виду понижают этот вид потери напора.

Выправительные работы, состоящие в перекрытии рукавов, углублении перекатов, спрямлении сильно развитых излучин, сужении потока путем наращивания берегов сооружениями, являются одновременно мероприятиями, увеличивающими транспортирующую способность потока и способствующими врезанию русла. А.Ф.

Печкуров (1950) наблюдал на реках Белоруссии значительное увеличение мутности потока на выправленных участках.

Практика регулирования рек показала, что под влиянием стесняющих русло выправительных сооружений и при спрямлении больших излучин речное дно размывается на значительном протяжении и довольно быстро. Так, уровень р. ЛосАнжелос в результате постройки в 1887 г. береговых дамб уже к 1889 г. снизился на 4 м. Регулирование фарватера верхнего Рейна между Гюнингеном и Хесьемом, проведенное в период 1817-1870 гг., вызвало понижение уровня межени до 3 м. Наиболее интенсивное врезание происходило в первое 30-летие после окончания работ, в дальнейшем оно замедлилось. Врезание русла на р. Лох за 35 лет достигло 5,2 м.

Изменение формы поперечного сечения русла является одной из основных причин перехода оврага в балку; расширение русла оврага, происходящее в результате работы склоновых потоков и оползания откосов, настолько ослабляет транспортирующую способность потока, что врезание довольно быстро сменяется аккумуляцией, нередко приводящей к полной потере русловой формы (Докучаев, 1877; Герасимов, 1950).

Увеличение интенсивности русловых изменений, по-видимому, способствует ослаблению врезания русла, так как с усложнением форм рельефа потеря напора возрастает. Тяжелый ледоход, например, способствующий образованию рукавов и плохо обтекаемых неровностей русла, является фактором, повышающим J n и ослабляющим интенсивность врезания. В связи с этим влияние неравномерности стока на процесс врезания русла имеет двойственный характер. С одной стороны, повышение неравномерности стока способствует увеличению транспортирующей способности потока и ускоряет его врезание, с другой – оно благоприятствует усложнению мезорельефа и общему расширению русла, что несомненно задерживает врезание.

Затраты энергии на процессы эрозии и транспорта нан о с о в. Величина J p в ряде случаев может быть весьма значительной, в связи с чем попытка Иовановича (1938) построить общую теорию продольного профиля без учета этого фактора не может быть признана удачной.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Следует, впрочем, напомнить, что увеличение мутности потока не всегда сопровождается ростом потери напора, особенно в лабораторных условиях, когда применяется сортированный грунт. Добавление в поток частиц, крупность которых значительно меньше критической, вызывает заметную потерю напора только при больших концентрациях взвеси. Зато перемещение руслообразующих наносов значительно увеличивает J p. То небольшое количество руслообразующего аллювия, которое несут реки в полувзвешенном и влекомом виде, увеличивает эту часть потери напора почти вдвое, так как руслообразующие наносы способствуют развитию излучин удлиняющих русло потока, и образуют гряды, косы, осередки, перекаты, которые резко увеличивают общую шероховатость русла.

Штриклер (Н. Герасимов, 1936) наблюдал на Рейне следующее явление: при низких горизонтах воды, когда не было заметного влечения наносов, коэффициент шероховатости (по Маннингу) составлял 0,0236; когда же галечные гряды при высоком горизонте воды пришли в движение, коэффициент шероховатости резко увеличился, достигнув 0,0328. Подобное же явление наблюдали в лаборатории Г.Н.

Лапшин (Гончаров, 1938), В.С. Кнороз (1951) и др. Н.Я. Герасимов (1936), исследуя коэффициенты шероховатости в каналах, установил, что появление небольшой гряды наносов вызвало изменение коэффициента шероховатости (по Базену) с 1,0 до 1,5, хотя эта гряда почти не стеснила живого сечения.

С увеличением содержания наносов в потоке понижается критический размер частиц, вследствие чего в е с т е с т в е н н ы х п о т о к а х, несущих обычно наносы неоднородного состава, п о в ы ш е н и е м у т н о с т и с о п р о в о ж д а е т с я у в е л и ч е н и е м J p. Это явление особенно ярко выражено на горных и полугорных реках, где диапазон изменений мутности особенно велик. Так, П.В. Покровский (1940), производивший исследования на р. М. Алмаатинке и ее притоках, пришел к выводу, что скорости течения вследствие насыщаемости наносами снижаются по сравнению со скоростями движения чистой воды до 67%. Шоклитч в своем известном опыте, доведя насыщенность наносами воды до 41 кг/м3, получил уменьшение скорости течения на 44% (Schoklitsch, 1926).

Добавление большого количества наносов может вызвать значительное изменение продольного профиля реки. В крупном масштабе подобное явление наблюдалось в 1950 г. в Ассаме. Происшедшее 15 августа 1950 г. землетрясение вызвало огромные обвалы в Гималайских ущельях, обусловившие переполнение потока наносами. Пробы воды в поверхностном слое потока, взятые из р. Брахмапутры у г.

Дибругарха непосредственно после землетрясения и 2 недели спустя, содержали наносов соответственно 30 и 11% (по объему). Русло такой мощной реки, как Брахмапутра (по водности превосходящей Волгу), повысилось в результате отложения наносов в среднем на 2 м на протяжении 150 км (считая от места выхода на равнину вниз по течению). Более мелкие реки на равнине были заполнены слоем песка в 6-7 м и более. Такая мощность отложений наблюдалась, например, у правых притоков Брахмапутры: Бюри-Сюти, Тангани, Кандули, Сици, русла которых совершенно сгладились и течение пошло по новым путям (сообщение Бангкокского бюро речной гидравлики в «Revue gographie Alpine», 1952, t. 9, f. III).

В середине прошлого столетия при эксплуатации калифорнийских месторождений золота широко применялся гидравлический способ разработок. Поступление больших объемов наносов вызвало значительное изменение режима даже таких сравнительно больших рек, как Сакраменто и Сан-Хоакин. Отметки уровней стали прогрессивно возрастать и уклоны увеличились. Городу Мерисвилл, который ранее находился вне полосы разливов р. Юбы, пришлось устраивать защиту от наводнений (Боли, 1948).

dP = cPdS, или, после интегрирования:

P = P0 e cS.

В этом выражении, известном как уравнение Штернберга, P0 – начальный вес частицы, e – основание натуральных логарифмов, c – коэффициент, зависящий от твердости породы, скорости течения и твердости аллювия, по которому перемещается частица.

Если заменить вес ( P ) частиц их диаметром ( D ), то предыдущее уравнение примет вид:

Шоклитч (Schoklitsch, 1950) в результате экспериментов предложил следующее выражение для коэффициента c :

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

В горных и полугорных реках, где механическая эрозия доминирует над остальными видами эрозии, довольно ясно прослеживается уменьшение размера аллювия вниз по течению. Параллельно с измельчением происходит относительное увеличение содержания более устойчивых минералов, т.е. изменение химического состава аллювия.

Следует заметить, что правильность сортировки наносов в горных и полугорных реках нередко нарушается вследствие смены коренных пород, впадения притоков, имеющих другую крупность аллювия, и наличия теснин, крутые склоны которых являются поставщиками крупнообломочного материала.

Многие авторы указывают, что при движении вниз по течению увеличивается окатанность гальки. Однако исследования Е.В. Рухиной (1950) на р. Лабе показали, что прямой зависимости между степенью округленности гальки и длиной пути нет.

Это объясняется тем, что наряду с истиранием происходит дробление частиц, которое на участках с быстрым течением, по-видимому, идет весьма интенсивно, в результате чего в русле непрерывно образуются остроугольные обломки породы. Интересной, еще не объясненной особенностью мелких частиц аллювия является их слабая окатанность; речные пески отличаются от эоловых песков большей угловатостью (Терцаги, 1935; Прохорова, 1950).

Сортировка наносов по длине у типичных равнинных рек выражена слабо, хотя уменьшение крупности наносов к устью все же в ряде случаев наблюдается. Так, Л.Б. Рухин (1948) обнаружил довольно отчетливое уменьшение среднего размера наносов на протяжении Самарской Луки.

Опыты истирания речных песков текущей водой были проведены в 1938-1946 гг. Экспериментальной станцией водных путей Индии (в Пуне). В цилиндрический, наполненный водой резервуар насыпался слой песка толщиной 10 см. Движение воды достигалось путем вращения лопастей, укрепленных на вертикальной оси в центре резервуара.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

Проведенные нами исследования механического состава аллювия ряда рек Русской равнины показывают, что правильного убывания среднего диаметра наносов вниз по течению обычно не наблюдается. Только в приустьевых участках, по мере приближения к морю, нередко отмечается более или менее постепенное снижение крупности аллювия, что, вероятно, связано с сортировкой наносов при их осаждении.

Т а б л и ц а 27 – &nbsp– &nbsp–

На фиг. 38 показаны средние диаметры частиц аллювия, вычисленные на основании большого числа проб, взятых в русле одной из рек западной части Русской равнины. Наибольшая крупность здесь характерна для среднего течения реки. Наблюдается также местное увеличение крупности наносов (обычно ниже впадения притоков).

В табл. 27 приводятся осредненные (по большим участкам) данные о крупности руслового аллювия тех рек Русской равнины, где густота взятых проб составляла не менее одной пробы на 10 км реки.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Г.И. Шамов (1951) также пришел к выводу, что в горных реках убывание крупности аллювия вниз по течению выражено гораздо яснее, чем у рек равнинных.

Изменение кинетической энергии п о д л и н е п о т о к а ( J f ). Процесс выравнивания транспортирующей способности потока привоФиг. 38. Изменение крупности аллювия по длине одной из рек в западной части Русской равнины.

дит к закономерному распределению скоростей течения по длине реки. У равнинных рек с выработанным продольным профилем скорость течения при формирующем русло расходе воды приблизительно одинакова от верховьев до устья русловой системы.

Она испытывает лишь местные изменения, иногда довольно значительные. Вследствие этого пополнение расхода воды притоками вызывает постепенное приращение глубины вплоть до некоторого пункта среднего течения, ниже которого наблюдается приустьевый спад.

Таким образом, в верхней части русловой системы часть кинетической энергии потока переходит в потенциальную (расходуется на увеличение толщи потока), а в низовьях потенциальная энергия переходит в кинетическую. Затрата напора на образование толщи потока требует некоторого добавочного падения в верховьях русловой системы, которое должно превышать глубину, так как в процессе слияния притоков происходит потеря энергии на образование вихревых «дорожек», циркуляционных токов и т. п.

У больших рек Русской равнины глубина в среднем течении в половодье составляет 15-20 м. Если даже считать, что потеря энергии при создании толщи потока незначительна, то все же величина добавочного падения, необходимого для построения толщи потока, составляет 10-15% от общего падения. Например, на средней Волге высота половодья доходит до 15 м и более. Приняв глубину меженного русла (учитывая плесы и перекаты) около 5 м, получаем толщу потока, равную 20 м. Падение Волги от Осташкова до Астрахани составляет 213 м; напор, необходимый для создания толщи потока, следовательно, составляет не менее 10% от общего падения.

В табл. 28 приводятся изменения амплитуд уровней по длине р. Урал, по которым можно косвенно судить о нарастании толщи речного потока в половодье.

Достигнув некоторой максимальной величины, толща потока по мере приближения к устью начинает уменьшаться.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Увеличение кинетической энергии вследствие приустьевого спада является причиной того, что в приустьевом участке речной поток транспортирует наносы и производит эрозию при нулевом, а нередко и при отрицательном уклоне дна.

Длина зоны приустьевого спада тем больше, чем больше глубина и чем меньше уклон потока в его среднем течении. У больших равнинных рек длина этой зоны достигает нескольких сотен километров (фиг. 39).

Приустьевый спад прослеживается на реках совершенно различного направления течения и режима питания.

Для определения длины приустьевого спада нами (Маккавеев, 1951) предложена следующая эмпирическая формула:

где L – длина зоны спада (в м), H – амплитуда уровней в среднем течении реки (в м), J – уклон в среднем течении реки, K – коэффициент, величина которого определяется из уравнений: K = 1,9 + 0,000025Q, где Q – расход половодья (в м3/сек).

В связи с тем, что изменение глубины оказывает существенное влияние на русловые процессы, следует при разделении реки на верхнее, среднее и нижнее течение называть: верховьями – тот участок реки, где высота половодья повышается,

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

средним течением – участок, где половодье испытывает лишь местные изменения высоты (вследствие изменений ширины долины и переломов продольного профиля), и низовьями – участок от начала зоны распластывания до устья.

Выравнивание удельной транспортирующей способности р у с л о в о г о п о т о к а. В русловой системе происходит систематическое «выравнивание» удельной транспортирующей способности потока посредством аккумуляции и эрозии. Процесс выравнивания транспортирующей способности, однако, не приводит к выравниванию линии продольного профиля и даже не всегда обеспечивает сохранение русловой формы потока, так как факторы, воздействующие на этот процесс, многочисленны и зачастую противоположно направлены при различных фазах гидрологического режима на разных участках реки. Остановимся здесь на некоторых особенностях этого процесса.

Аккумуляцию русловых систем можно разделить на два типа: трансгрессивную (от верховьев к устью) и регрессивную (от устьев к верховью).

Процесс т р а н с г р е с с и в н о й а к к у м у л я ц и и сравнительно легко воспроизводится в лабораторных условиях. Так, В.Н. Гончаров (1938), изменяя концентрацию наносов, получил при постоянном расходе воды значительное изменение уклона, скорости течения, глубины, т.е. основных гидравлических характеристик потока. В табл. 29 приведены результаты этих опытов, выполненных в лотке шириной 0,2 м с расходом воды 15,25 л/сек и крупностью наносов 0,42-0,33 мм.

28,7 0,4 9,9 0,79 55,0 0,6 8,4 0,93 86,0 0,8 7,5 1,04 120,0 1,0 6,8 1,13 158,0 1,2 6,3 1,21 198,0 1,4 5,9 1,29 С увеличением твердого расхода в результате аккумуляции наносов уклон увеличился в семь раз, а скорость течения – вдвое. В связи с возрастанием скорости течения должна увеличиться крупность руслообразующих наносов. Между тем при палеогеографических анализах аккумуляцию в русловых системах почему-то всегда обязательно связывают с уменьшением крупности наносов.

Повышение уклона вследствие отложения наносов можно наблюдать при заилении каналов. Так, по сообщению С.Т. Алтунина (1950), слой отложении в одном из крупных каналов в головной части достигал 2 м, а на расстоянии 56 км от головы – 10-15 см; еще далее к хвостовой части отложения наблюдались лишь на отдельных Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне участках. Среднее приращение падения канала составляет 3,5-4 см на 1 км, причем такое изменение продольного профиля произошло всего лишь за 10 лет.

Таким образом, русловый поток автоматически восстанавливает свою транспортирующую способность в случае местного ее уменьшения, вызванного, например, провалом тектонического или карстового происхождения, убылью стока (на испарение, фильтрацию, бифуркацию), увеличением насыщенности наносами (впадение более мутных вод притока, интенсивный размыв берегов), повышением шероховатости русла (зарастание русла, поступление более крупнозернистого аллювия), изменением формы русла (уменьшение гидравлического радиуса вследствие местного расширения русла, образование сильно развитых петель излучин и т. п.).

Продольный профиль главного ствола русловой системы может изменять свою общую крутизну на всем протяжении, так как главный ствол реки является лишь частью гидрографической системы, а различные звенья последней по-разному реагируют на изменения физико-географической среды. Например, уменьшение зимних (твердых) осадков за счет увеличения летних (дождевых) осадков вызывает в условиях средних широт усиление эрозии временными потоками (овражнобалочного звена), в результате чего должна произойти трансгрессивная аккумуляция в речном звене. Надвигание полупустыни на степь и степи на лес сопровождается ослаблением интенсивности эрозии во всех звеньях гидрографической сети;

это ослабление в меньшей мере затрагивает склоновые потоки, роль которых в эрозионном процессе возрастает. В результате также должно произойти изменение уклонов рек в сторону их повышения.

Продольный профиль реки является весьма чувствительным индикатором всех изменении географической среды, которые прямо или косвенно вызывают изменения режима стока и режима выветривания горных пород.

При трансгрессивной аккумуляции возрастание уклонов идет неравномерно по длине реки, во-первых, потому, что изменение общих условий формирования стока (твердого и жидкого) по-разному сказывается на интенсивности выноса наносов из малых и больших притоков, а во-вторых, из-за различной скорости поднятия дна на суженных и расширенных участках долины (на суженных участках дно поднимается быстрее). При энергичной регрессивной аккумуляции вследствие более быстрого заполнения сужений возможно образование озер и, по-видимому, даже полное превращение долины в цепочку изолированных депрессий.

Явлению р е г р е с с и в н о й (идущей от устья) а к к у м у л я ц и и было посвящено много исследований, так как именно этой форме аккумуляции отводилось главенствующее место в теории эрозионных циклов Дэвиса.

Регрессивная аккумуляция наблюдается на первой стадии образования небольших оврагов по крутым склонам. Скопляющийся вначале у основания склона конус выноса рыхлых материалов затем перекрывается новыми слоями наносов, и высота конуса увеличивается. При дальнейшем развитии русловой системы происходит прорезывание верхней части конуса выноса, т.е. регрессивная аккумуляция прекращается.

Регрессивная аккумуляция может происходить также при поднятии уровня водоема, в который впадает русловая система. Этому виду регрессивной аккумуляции в схеме эрозионных циклов Дэвиса отводится особо важная роль.

На особенностях процесса регрессивного заиления мы остановимся при рассмотрении влияния эвстатических колебаний базиса эрозии на продольный профиль реки. Здесь же отметим лишь основные ошибки сторонников теории эрозионных циклов. Во всех рассуждениях и схемах они обычно принимают поток равномерным, а русло и долину – каналообразными, не меняющими форм сечения в зависимости от горизонта затопления. Кроме того, совершенно не обращается внимания на источник материала,

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

поступление которого необходимо для заиления. Вследствие излишней схематизации процесса не учитываются такие важные явления, как приустьевый спад и снижение водораздельных пространств.

Регрессивная аккумуляция рек (за исключением, конечно, тех участков, которые подвергались непосредственному затоплению) может распространиться выше зоны подпора лишь на ограниченное расстояние. Постановка плотин в низовьях балок и оврагов, согласно теории эрозионных циклов, должна вызвать «волну» регрессивной аккумуляции вплоть до истока. Однако даже после полного заиления водохранилища размыв в верхней части оврага продолжается (Кобезский, 1949).

На крутых склонах долины Днепра в районе порогов имеется много оврагов.

Значительное повышение базиса эрозии плотиной Днепрогэса не вызвало понижения активности роста той части оврагов, которая осталась незатопленной. Наоборот, местами начинают развиваться новые овраги, так как волнением подточено основание склонов и крутизна последних (и, следовательно, средний уклон) все более и более увеличивается.

На реках после заиления водохранилищ происходит некоторое увеличение длины зоны аккумуляции (Алтунин, 1950), однако нигде еще не удалось наблюдать, чтобы аккумуляция распространялась до истока.

Выравнивание транспортирующей способности посредством эрозии также может создавать неровности продольного профиля, так как степень податливости пород эрозии колеблется в очень широких пределах (размывающие скорости в зависимости от грунта изменяются от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров в секунду; в еще большей степени колеблется растворимость различных минералов). Кроме того, пласты твердых пород почти всегда имеют трещины различного размера и направления. Даже относительно однородные породы размываются неравномерно. Так, гранитное коренное дно Днепра местами образует глубокие депрессии, заполненные аллювием; например, отметка дна ямы, расположенной у плотины Днепрогэса, достигает 30 м ниже ур. м. (Пясковский, 1933).

Относительная высота (отнесенная к общему падению реки) неровностей обычно больше у рек с малым средним уклоном. Если построить так называемый относительный профиль, в котором падение отдельных участков выражается в долях общего падения реки, а расстояние в долях общей длины, то наиболее правильную и плавную кривую с выпуклостью вниз образуют, например, такие реки Кавказа, как Кура, Рион, Терек, Малка, Сунжа, Белая, или такие реки Сибири, как Иркут и Ока (Григорьев, 1946). Напротив, реки относительно пониженных частей Фенно-Скандинавского и Канадского щитов отличаются крайней изломанностью продольного профиля, доходящей до того, что бльшая часть падения реки концентрируется на порогах и водопадах. Река Вуокса, например, на протяжении 25 км образует 12 перепадов, в том числе водопады Таниенкоски (падение 5,6 м), Линакоски (5,2 м), Большую Иматру (18,5 м) и др.

Сильную изломанность профилей рек Финляндии объясняют наличием неравномерных вертикальных поднятий. Однако вряд ли эти поднятия более интенсивны, чем поднятия в зонах альпийской складчатости, к которым относится Кавказ, где, как упоминалось выше, у многих рек продольный профиль сравнительно сглажен.

Сглаживание продольного профиля при том небольшом среднем уклоне, который характерен для рек Финляндии, по-видимому, вообще невозможно, так как в этом случае процесс выравнивания транспортирующей способности проявляется сравнительно слабо, в то время как неодинаковая скорость разрушения горных пород, вызванная различной их стойкостью по отношению к химическому и физическому выветриванию, является причиной, непрестанно подготовляющей новые каверны и переломы профиля взамен сглаженных силой течения. Вследствие слабости меха

Рассматривая пороги как естественные плотины, многие исследователи считают, что на участке порога может проявляться лишь регрессивная эрозия, происходящая в результате подмывания основания уступа, и что кривая спада выше грани слива почти не распространяется вверх по течению. Так, Боли, например, утверждает, что влияние слива на увеличение скоростей течения распространяется вверх по реке лишь на несколько сотен метров. При подобном подходе оставались необъясненными такие явления, как образование ям и длинных плесовых участков перед порогами. Правда, отдельные исследователи высказывали предположение о том, что перед порогами образуются водовороты, обладающие значительной кинетической энергией. Однако объяснить деятельностью водоворотов образование длинных плесов вряд ли возможно, и, по-видимому, глубинная эрозия выше порогов имеет другую причину.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Нами исследовано распределение уклонов при различных уровнях воды на порожистых участках нескольких рек (фиг. 41). Перепад на пороге, как известно, уменьшается с повышением уровня воды. Выше порога, следовательно, кривая спада распространяется тем дальше, чем выше уровень воды. Длина зоны, в которой уклоны в половодье возрастают, составляет десятки километров. Здесь наблюдается известная аналогия с приустьевыми участками, где усиленный уклон в половодье способствует образованию глубоких плесов. Разница состоит в том, что в устьях распластывание паводка происходит из-за резкого расширения зеркала потока, а на порогах – за счет слива. Впрочем, участки порогов иногда характеризуются некоторым расширением русла.

Фиг. 41. Продольные профили водной поверхности и уклоны при различных уровнях воды на днепровских порогах (по данным за 1920-1934 гг.).

В районе порога, следовательно, в русле имеет место как регрессивная, так и трансгрессивная эрозия. Подтачивание порога идет и снизу и сверху. Поэтому неудивительно, что пороги, как показали исследования В.Г. Хименкова (1914), могут перемещаться не только вверх, но и вниз по течению. Направление этих перемещений определяется в значительной мере геологическим строением порога. Рассматривая фиг. 42, можно видеть, что при дальнейшем врезании русла верхний порог будет перемещаться в сторону верховья реки, а нижний – в сторону устья.

Отметим еще одну интересную деталь гидравлики потока в районах порогов.

Ниже порога также обычно имеется зона, где продольный уклон возрастает с уровнем воды. Это явление вызывается, по-видимому, резким сужением русла ниже порога. В частности, на Днепре имел значение крутой изгиб русла на участке, который называется «Школа». Большие уклоны в половодье способствуют и здесь поддержанию глубоких плесов.

В л и я н и е н а п р о д о л ь н ы й п р о ф и л ь г л у б и н ы д о л и н ы. Из концепции о профиле «равновесия» следует, что продольный профиль русла должен принять форму, «не связанную с формой поверхности» (Соболев, 1948). Это полоМаккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне жение является источником многочисленных ошибок при анализе рельефа. Наблюдая перелом продольного профиля в местах пересечения выпуклой формы рельефа, геоморфологи школы Дэвиса никогда не упустят случая высказать предположение о молодости долины прорыва и найти свидетельства перехвата или недавнего поднятия. Между тем глубина эрозионного вреза должна сказываться на продольном профиле реки до тех нор, пока существует та складка местности, которая вызвала изменение глубины вреза. Это объясняется, во-первых, тем, что складки местности обычно являются водоразделами между притоками и в районе каждой складки происходит более или менее значительное изменение расхода воды и наносов, вызванное впадением притока. Кроме того, значительная высота склонов долины в местах прорыва определяет большой уклон мелких притоков первого порядка и, следовательно, значительное поступление грубого материала в реку. Чем выше складка, тем резче проявляется ее влияние на продольный профиль реки.

Фиг. 42. Продольный профиль р. Рейс от Фирвальдштетского озера до Форка (Jasmund, 1923).

На фиг. 43 показан продольный профиль р. Арун, начинающейся на относительно низком непало-тибетском водоразделе и затем пересекающей Гималаи. Пунктиром соединены вершины прилегающих гор. Сглаживание крутого участка продольного профиля (от устья Яру-Шу до 280-й мили) невозможно, пока не уменьшится разница между высотами прилегающих гор в среднем и нижнем течении, т.е. пока горные потоки не уменьшат своего падения и расхода крупнообломочного материала, загромождающего в настоящее время русло Аруна. Очевидно также и то, что данный перелом продольного профиля не будет регрессивно перемещаться вглубь равнинной части территории, как того требует теория Пенка, и что сглаживание его произойдет постепенно, по мере уменьшения высоты горной цепи.

Фиг. 43. Продольный профиль р. Арун с показанием глубины вреза долины (Wager, 1937).

Менее наглядно влияние глубины долины проявляется у равнинных рек, однако и там оно может быть обнаружено при внимательном анализе.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

ВОЛНИСТОСТЬ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ

Продольный профиль руслового потока всегда имеет серии ступеней или, вернее, пологих волнообразных изгибов, не вызывающих разрыва непрерывности подобно порогам и водопадам. Ступенчатость как обязательная особенность русловых потоков отмечалась большинством исследователей.

Ступенчатость продольного профиля в первую очередь связана с неоднородностью коренных пород по длине реки. Состав горных пород сказывается на крупности и форме частиц аллювия, крутизне склонов долины, форме русла, т.е. на целом ряде факторов, влияющих на гидравлический уклон потока и скорость эрозии. На р.

Чусовой, согласно исследованиям Г.И. Горецкого (1948), уклоны среднего течения колеблются от 0,000313 до 0,000505, причем обычно снижение величины уклонов происходит в области залегания пород, относительно легко поддающихся эрозии.

Однако имеются и такие участки, где влияние горных пород на уклон реки не прослеживается. А.И. Спиридонов (1950), изучавший продольные профили сухоречий, считает, что ступенчатость может развиваться и при однородных породах.

Крупные ступени продольного профиля определяются чередованием зон поднятия и опускания земной коры. Л.Д. Белый (Инженерно-геол. исследования. 1950) следующим образом описывает чередование подобных ступеней по длине одной из рек сверху вниз по течению: I зона (в верховьях) – долина отличается значительной шириной; мощность аллювиальных отложений достигает 100 м; II зона – долина суживается и характеризуется отвесными склонами; коренные породы залегают непосредственно под слоем современного аллювия; III зона – снова расширение долины; коренные породы покрыты толщей аллювия, мощность которого превышает 100 м; IV зона – узкая долина с отвесными нависающими стенками, сложенными известняками; под слоем современного аллювия близко к поверхности залегает порог из скальных пород. Аналогичные примеры для типичных равнинных рек описал В.В. Ломакин (1948).

В прогибах остается часть транспортируемого материала, вследствие чего на поднимающиеся участки дна поступает относительно осветленный поток. Энергичной эрозионной деятельности потока в области поднятия способствует образование кривой спада перед выходом потока на расширенный участок долины. В результате обоих процессов происходит усиленное пропиливание дна долины почти без образования поймы. На склонах такой «долины прорыва» террасы слабо развиты и в большинстве случаев сохраняются только узкие карнизообразные уступы.

На участках местного поднятия древние террасы имеют наибольшую относительную высоту и постепенно снижаются к участкам прогиба, где уходят иногда под уровень молодого аллювия. Пример подобного изменения уровней террас в долине р. Нарын приводит Н.И. Николаев (1949).

По Л.А. Рагозину (1948), в юго-восточной части Западно-Сибирской низменности прослеживается несколько валообразных поднятий приблизительно широтного простирания. В местах пересечения этих валообразных структур долины рек Томи, Яи, Кии, Чети, Чулыма сужаются и образуют коленообразные изгибы. Крупность современного аллювия на таких участках долин увеличивается; наблюдаются выходы дочетвертичных пород, столь редкие в этом районе.

Третьей причиной образования ступеней является впадение притоков. После впадения каждого крупного притока не только резко изменяется расход воды реки, но нередко меняются также режим уровней и характер наносов. Во многих случаях слияние довольно резко отражается на форме продольного профиля. Особенно большое влияние оказывает переменный подпор, который распространяется выше

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

узла слияния на десятки километров и содействует значительному расширению долины.

Три вышеперечисленные причины обычно обусловливают образование крупных ступеней продольного профиля, длина которых на больших равнинных реках доходит до 100-200 км и более. Эти ступени можно назвать ступенями первого порядка.

Кроме того, отмечаются ступени второго порядка, связанные с элементами мезорельефа русла, излучинами и перекатными участками. Длина их на крупных реках доходит до двух-трех десятков километров. Мелкие изгибы линии продольного профиля (ступени третьего порядка) соответствуют отдельным косам и перекатам, мелким извилинам меженного русла и местным изменениям ширины последнего.

Ступени первого и второго порядков относительно устойчивы. Так, Г.И. Горецкий (1948) установил, что переломы продольного профиля у террас р. Чусовой прослеживаются на тех же местах, где расположены перепады современного потока. Ступени третьего порядка обычно довольно быстро смещаются по длине реки.

Остановимся несколько подробнее на характеристике крупных ступеней продольного профиля.

На многих реках наблюдается чередование участков относительно суженной долины со сравнительно крутым падением водной поверхности при высоких уровнях и участков с довольно широкой долиной и малым падением в половодье. Длина этих участков обычно связана с размером реки. Так, на небольшой р. Лопань А.Д.

Дубах (1925) обнаружил ступени первого порядка, длиной по несколько километров каждая. На Рейне в его среднем течении наблюдаются три такие ступени, на Эльбе

– пять; средняя их длина составляет три-пять десятков километров. Приблизительно такая же длина ступеней отмечается на Дону и его главных притоках (Трофимов, 1950), а также на верхнем Днепре, Вычегде и других относительно небольших реках. На Волге же длина ступеней обычно превышает 100 км. Судя по тому, что на нижней Оби Н.А. Нагинский (1949) отмечает только три «долины прорыва», длина ступеней здесь должна быть еще большей. По ориентировочным подсчетам, длина ступеней первого порядка в среднем составляет около 200 ширин русла.

На верхней Волге от г. Щербакова до г. Горького чередуются два участка с узкой и два участка с широкой долиной. К первым относятся отрезки долины от г.

Щербакова до г. Ярославля и от г. Костромы до г. Юрьевца. Такие суженные отрезки долины мы в предыдущих работах называли р а й о н а м и г л у б и н н о й э р о з и и. Их следовало бы назвать участками ограниченной боковой эрозии, так как они иногда на большую глубину заполнены аллювием, однако, поскольку этот термин уже вошел в обиход, мы, сохраняя его в дальнейшем изложении, подчеркнем его условность. Участки с расширенной долиной мы назвали р а й о н а м и с преобладанием боковой эрозии.

Так как в верхней части расширения долины («четки») происходит распластывание волны половодья, а в нижней части «четки», перед входом в сужение, – подпор и подъем волны, то в общем с повышением уровня с р е д н и й у к л о н в р а й о н е б о к о в о й э р о з и и у м е н ь ш а е т с я. Наоборот, районы с преобладанием глубинной эрозии характеризуются у в е л и ч е н и е м п р о д о л ь н о г о уклона в периоды высоких уровней и относительно малыми уклонами в межень.

На фиг. 44 приведены графики изменения уклонов и уровней на двух соседних участках Волги: Щербаков – Ярославль и Ярославль – Кострома. На первом участке, где боковая эрозия не выражена, среднее значение уклона в межень 0,000027, а в половодье 0,000086. На втором участке боковая эрозия ясно выражена: здесь среднее значение меженного уклона 0,000048, в половодье уклон слабо повышается

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

только при прохождении передней части паводковой волны, а затем падает до 0,000027 на пике и до 0,000023 в тыловой части волны половодья 1.

В связи с повышением уклона при высоких горизонтах воды, в районах глубинной эрозии русло формируется преимущественно расходами половодья, а в меженный период существенных изменений в рельеф русла не вносится. Русло здесь относительно стабильное, плавное и рукава встречаются редко. Перекатов мало, сложены они относительно крупным аллювием. Пойма развита слабо. Так, на участке Щербаков – Ярославль средняя ширина поймы (до регулирования) не превышала средней ширины меженного русла.

Фиг. 44. График изменения уровней воды (сплошная линия) и уклонов (пунктир) двух смежных участков р. Волги.

Характерно, что короткие реки (например, Нева), вытекающие из озер, почти на всем протяжении имеют гидравлический режим и морфологию русла, типичные для районов глубинной эрозии. Так как половодья этих рек вызываются высоким стоянием воды в озере, то подъем уровней сопровождается увеличением уклона, и в формировании русла доминирует влияние высоких вод. Вода в половодье несет очень мало наносов, что также способствует развитию преимущественно глубинной эрозии. Пойма у таких рек узкая, долина каньонообразная. Последнее и является поводом к тому, что озерные реки часто причисляют к «молодым» рекам.

В преддельтовых участках вследствие распластывания паводковой волны уклон в половодье выше меженного. Здесь также нередко образуются районы глубинной эрозии (Маккавеев, 1949б), но сложный режим изменений, вызванный устьевым удлинением реки, лишает эти районы той стабильности, которая характерна для среднего течения реки.

Типичные районы глубинной эрозии наблюдаются в низовьях некоторых притоков, где их образование связано с особенностями режима слияния рек.

В районах с преобладанием боковой эрозии в формировании русла, кроме половодья, значительную роль играют и расходы воды при низких уровнях. Часто здесь можно видеть формы руслового рельефа, связанные с деятельностью потока при различных уровнях. Наносы, перемещающиеся в половодье из расположенных выше районов глубинной эрозии, загромождают русло мелями, отсюда – изобилие перекатов и рукавов. Пойма обычно имеет значительную ширину. На верхней Волге, как мы уже упоминали, типичный район боковой эрозии протягивается от г.

Юрьевца до г. Горького, где на развитие боковой эрозии влияет подпор половодья водами Оки. Ширина поймы здесь больше, чем в описанном выше районе (ЩербаВ настоящее время в связи с постройкой плотины режим уклонов здесь существенно изменился.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне ков – Ярославль), и достигает местами 5 км; перекатов 47, причем большинство их отличается неустойчивостью фарватера. Глубина плесов здесь меньше, чем в расположенном выше районе Кострома – Юрьевец.

ОПЫТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОРМЫ

ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ

Попытки перевести законы формирования продольного профиля на язык математики пока еще не вполне удачны. Сложность формирования продольного профиля и недостаточная изученность физической природы многих деталей этого процесса заставляют исследователей принимать ряд допущений, лишь более или менее отвечающих действительности.

Некоторые авторы, используя гипотезу о «профиле равновесия», считают, что продольный профиль в стадии «зрелости» реки должен иметь определенную, при любых природных условиях неизменную форму. Параметры кривой равновесия неоднократно пытались определить путем анализа формы продольного профиля естественных потоков, имеющих сглаженный, выровненный вид. Примером выведенных таким путем формул является уравнение Грина

h = a k lg ( p x ),

где h – высота пункта над уровнем моря, x – расстояние от устья, p – полная длина реки, a – высота истока, k – константа, определяемая для каждой реки.

Любопытно, что даже для р. Моул, рассматриваемой Грином в качестве типичного примера, расчетная кривая даст удовлетворительное совпадение с натурной кривой только в верховьях реки (Wooldridge and Morgan, 1937).

Кроме логарифмической кривой, нередко предлагаются для характеристики «профиля равновесия» гипербола, парабола (Иванов, 1951), циклоида и биноминальная кривая (Penck, 1894). Для любой реки, несомненно, можно подобрать какую-нибудь правильную геометрическую кривую, приближенно описывающую ее продольный профиль. Однако нет никаких оснований предполагать, что вне зависимости от условий формирования жидкого и твердого стока, первичного рельефа и характера горных пород может установиться какое-то общее, однотипное для всех случаев изменение продольного уклона по длине реки. Поиски законов развития продольного профиля путем анализа внешних особенностей его формы, без учета факторов, обусловливающих образование этой формы, заранее обречены на неудачу.

Вторая группа предложенных формул основывается на закономерностях, связанных с истиранием наносов. При построении таких формул обычно используется формула Штернберга, приведенная во втором разделе настоящей главы.

Форхгеймер, предположив, что ширина русла изменяется пропорционально расходу воды и что по длине русла удельный расход остается постоянным, и приняв за основу формулу Штернберга, получил следующее уравнение продольного профиля потока:

( ) Z = A1 e A2 x 1, где Z – высота точки, x – расстояние от устья, A1 и A2 – коэффициенты, зависящие от свойств породы. Из формулы следует, что продольный профиль реки определяется только процессом истирания наносов и на его конфигурацию не влияют ни форма русла, ни расход воды. Истирание наносов, несомненно, имеет большое зна

Необходимо заметить, что уклон на отдельных участках реки с выровненной транспортирующей способностью зависит от средней величины падения на 1 км.

Вследствие этого нахождение зависимости между уклоном и расходом воды путем статистического анализа не может привести к сколько-нибудь точному результату.

Кроме того, к процессам эрозии, рассматриваемым в геологическом масштабе времени, понятие о предельной неразмывающей скорости неприменимо.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Развитие продольного профиля определяется столь большим числом факторов, что трудно говорить о построении полных уравнений, пока не будут разрешены, например, вопросы о том, как влияют на потерю напора твердый расход и процесс эрозии, как меняется форма русла в зависимости от гидравлических характеристик потока, гидрологического режима и характера грунтов, как учитывать влияние притоков, если фазы гидрографа в сливающихся реках не синхронны.

В настоящее время мы можем оперировать с уравнениями скорее иллюстративными, чем расчетными.

Такой иллюстративный характер имеет и наше уравнение, устанавливающее приблизительную связь между продольным уклоном и формирующим расходом воды:

K J= 0. 2 Q3 Вывод этого уравнения был приведен в главе II. При его обосновании мы допустили, что выравнивание транспортирующей способности потока приводит к выравниванию скорости течения по длине реки (при формирующем русло расходе воды).

Данное допущение, как показывают наблюдения, может быть принято для многих равнинных рек, где действительно средние скорости течения при формирующем расходе сравнительно мало изменяются на всем протяжении от истока до устья. Для рек, где процесс выравнивания транспортирующей способности не завершен, данное допущение приводит к грубым ошибкам при построении профилей. Во избежание этих ошибок значение коэффициента K 0 следует определять для каждого участка реки.

Коэффициент K 0 приблизительно пропорционален среднему уклону, кубическому корню из средней величины диаметра руслообразующих наносов (по Штриклеру и Чангу), а также зависит от формы русла.

Уравнение продольного профиля можно получить непосредственно из формулы, выведенной нами для мутности воды в потоке:

где v – средняя скорость течения при формирующем расходе; n – коэффициент шероховатости по Маннингу; K 3 – коэффициент в уравнении связи глубины и расхода воды; A2 – коэффициент в уравнении связи длины русла и площади бассейна;

A1 – коэффициент интенсивности стока; J – средний уклон реки.

Так как величины J и v 2 приблизительно взаимно пропорциональны, а величина A2 для бассейнов правильной формы может быть принята постоянной (для больших рек она равна примерно 3), то расстояние точки максимального врезания от водораздела, по-видимому, в основном зависит от шероховатости русла, от характера связи между глубиной и расходом воды и от интенсивности стока. Шероховатость русла в речной гидравлике определяется таким образом, что коэффициент n является «сборным» коэффициентом, учитывающим не только влияние неровностей ложа, но также потери на транспорт наносов и отрыв частиц от ложа. Величина n возрастает с увеличением размера аллювия и насыщенности воды наносами.

Следовательно, чем меньше мутность потока и чем мельче средний диаметр частиц наносов, тем ближе к гребню водораздела располагается точка максимального врезания. Форма кривой, характеризующей связь между глубиной и расходом воды, зависит в значительной степени от относительной ширины русла. Чем меньше эта () B величина H, тем ближе точка максимального врезания к водоразделу.

Интенсивность стока в половодье находится в прямой зависимости от слоя зимних осадков 1. Таким образом, чем больше слой осадков, тем ближе к водоразделу точка максимального врезания. Не меньшее значение имеет продолжительность половодья, которая в еще большей степени зависит от запаса воды в снеге.

Так как крупность и количество материала, приносимого в речную систему склоновыми потоками, величина слоя стока, его распределение в году и, наконец, форма русла существенно изменяются в результате различных изменении физикогеографической среды и в процессе развития самой русловой системы, то положение точки максимального врезания непрерывно смещается в ту или другую сторону.

Определения пунктов максимального врезания дают особенно наглядные результаты, когда сравниваются реки с прилежащими бассейнами (и одинаковым падением) или когда сравниваются притоки одной и той же реки. Например, правые притоки р. Лены имеют больший сток, чем левые; в связи с этим верховья ее правых притоков имеют больший уклон, тогда как у притоков левых продольный профиль в верховьях относительно сглажен.

В лесной зоне вследствие большей высоты слоя стока и большей относительной глубины русел область наибольшего врезания долин находится ближе к водоразделу, чем в степной зоне, т.е. в среднем течении рек отношение уклона к площади водосбора в обеих зонах резко различны. Примеры, характеризующие эту разницу продольных профилей, были приведены в главе III.

Реки, дренирующие хорошо орошенные территории, нередко пропиливают водоразделы и захватывают прилегающие части бассейнов рек, текущих в местностях При прочих равных условиях модуль максимального весеннего стока находится в прямой зависимости от высоты слоя весеннего стока (Алексеев, 1953).

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне с меньшим слоем стока. «Гидрографическая асимметрия» Урала, в южной и средней части которого водораздел сдвинут к востоку, по-видимому, в основном вызвана тем, что осадков в Предуралье выпадает больше, чем в Зауралье. В Америке, к югу от 44 ю. ш., на западных склонах Анд количество осадков местами превышает 5000 мм в год (Джемс, 1949), тогда как в восточных предгорьях оно составляет величину порядка 150 мм. В связи с этим реки западного склона прорезали насквозь колоссальные горные массивы; водораздел между Атлантическим и Тихим океанами проходит по низине, лежащей у подножия восточных склонов Анд. Бассейн Дуная, имеющий меньший слой стока, чем бассейн Рейна, постепенно захватывается притоками последнего, о чем можно судить по большому числу следов перехватов (Мартонн, 1945).

Необходимо, впрочем, заметить, что слой стока далеко не всегда является определяющим фактором развития эрозионного рельефа и гидрографической асимметрии. В западной части Большого Кавказского хребта Терек, Ардон и Белая текут на север, рассекая так называемый главный водораздел, хотя южные склоны Кавказского хребта значительно богаче атмосферными осадками и средний многолетний сток текущих к югу рек больше, чем текущих с северного склона. С.С. Кузнецов (1950) объясняет возникновение гидрографической асимметрии Кавказа неравномерностью и неодновременностью поднятия отдельных частей хребта. Длина бассейнов главных рек Русской равнины, текущих на юг (Волга, Дон, Днепр), примерно вдвое превосходит длину бассейнов главнейших рек, текущих к северу (Сев.

Двина, Печора), хотя по условиям формирования стока следовало бы ожидать обратной картины. Очевидно, на конфигурацию главных водоразделов Русской равнины основное влияние оказали историко-геологические причины, а не распределение осадков.

ТИПЫ ПРОДОЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ

Продольные профили рек обычно классифицируют на основании одного лишь признака – распределения уклонов по длине реки. Различают профили вогнутые, выпуклые, прямолинейные, резко ступенчатые и сглаженные. Отдавая должное этой классификации, достоинство которой заключается в простоте и наглядности, мы все же вынуждены отметить, что одна только форма не может характеризовать направление происходящего процесса и стадию развития реки. Поэтому мы рассмотрим еще две группы признаков, по которым можно классифицировать продольные профили.

1. Степень интенсивности эрозии:

а) профили русловых систем в стадии усиленной эрозии;

б) профили систем в стадии «нормальной» эрозии;

в) профили систем в стадии ослабленной эрозии.

2. Степень выровненности транспортирующей способности:

а) профили выработанные, характерные для потоков с относительно выровненной транспортирующей способностью;

б) профили невыработанные, присущие потокам с невыровненной транспортирующей способностью.

1а. П р о д о л ь н ы е п р о ф и л и р е к, н а х о д я щ и х с я в с т а д и и у с и л е н н о й э р о з и и. Термин «усиленная эрозия» введен нами для обозначения такой эрозии, при которой частицы грунта ложа реки в преобладающей массе имеют крупность меньше критической. Насыщение потока наносами в таком случае достигает огромной величины; при крутом уклоне поток переходит в лавину, где вода играет лишь роль смазки, ослабляющей трение частиц.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

Больших рек в стадии усиленной эрозии в природе не встречается, так как время, необходимое для развития крупной реки, несомненно, больше, чем период, в течение которого главный ствол реки размоет оказавшиеся на его пути пласты грунтов с крупностью ниже критической. Только в исключительных случаях на отдельных отрезках реки (например, при прорыве шеек излучин) на крупных реках можно наблюдать явление усиленной эрозии. На таких участках продольный профиль реки временно получает выпуклую форму. В дальнейшем увеличенный уклон сглаживается за счет распространения врезания вверх по течению и отложения части наносов ниже участка прорыва.

Усиленную эрозию в чистом виде можно наблюдать при прохождении наводка в небольших горных потоках с очень крутым уклоном (селевые потоки) и в небольших оврагах, особенно если последние врезались в лёссы и лёссовидные грунты. В обоих случаях продольный профиль всего потока имеет выпуклую форму. Дальнейшее развитие идет по пути врезания верховья и аккумуляции непосредственно ниже того участка, где заканчивается усиленная эрозия. Не останавливаясь на деталях этого процесса, рассмотренного выше, отметим, что усиленной эрозии сопутствует не менее энергичная аккумуляция в низовьях. При высокой насыщенности воды наносами аккумуляция иногда происходит не в форме медленного постепенного оседания одной фракции за другой, а в виде «забоя», т.е. почти внезапного выпадения огромных количеств совершенно несортированных наносов. Эти массовые отложения нередко вызывают регрессивный рост конусов выноса. Регрессивное накопление приустьевых отложений является вообще характерной чертой данной стадии формирования продольного профиля.

Вследствие неодинаковой скорости размыва слагающих ложе потока различных пород развивается довольно резкая ступенчатость продольного профиля.

1б. П р о ф и л и р е к в с т а д и и « н о р м а л ь н о й » э р о з и и. Русло реки слагается грунтами, крупность частиц которых в основном больше критической.

Перемещение руслообразующего аллювия происходит со значительной потерей напора, и поэтому насыщение потока твердыми частицами относительно невелико.

Размыв и аккумуляция перемежаются по длине реки, вследствие чего создаются своеобразные аккумулятивные формы рельефа, определяющие более или менее правильную волнистость профиля. К этому типу относится большинство горных и равнинных рек.

1в. П р о ф и л и р е к в с т а д и и о с л а б л е н н о й э р о з и и. Механическая эрозия уступает по интенсивности химической эрозии или производит на русло более слабое воздействие, чем деятельность льда, ветра, тектонических движений, растительности и других факторов. Для продольного профиля характерна относительно большая высота ступеней, вызванных неодинаковой податливостью пород выветриванию, лесными заломами, зарослями водной растительности, тектоническими нарушениями и т. п. Примерами рек с продольными профилями данного типа являются перекрытые заломами малые таежные реки, заблокированные отмершими водорослями реки тропиков, исчезающие реки карстовых областей, порожистые реки кристаллических щитов (Канадского и Фенно-Скандинавского) и др.

2а. В ы р а б о т а н н ы е п р о ф и л и р е к ( с о т н о с и т е л ь н о в ы р о в ненной удельной транспортирующей способностью поток а ). Мутность потока по длине всей русловой системы приблизительно одинакова, т.е. количество удаляемого материала (для равнинных рек) приблизительно пропорционально величине стока воды в каждой из частей системы. Форма продольного профиля находится в тесной зависимости от расхода воды, шероховатости русла и формы поперечного сечения последнего. В зависимости от соотношения перечисленных факторов продольный профиль может иметь самую разнообразную форму,

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

но для рек с увеличивающимся к устью расходом воды и уменьшающейся в этом же направлении крупностью аллювия типична вогнутая книзу кривая (гипербола).

Глубина эрозионного вреза увеличивается при пересечении складок и уступов местности, но в местах таких «долин прорыва» обычно наблюдается более или менее хорошо выраженный перегиб продольного профиля в сторону увеличения местной крутизны. Кроме того, ступенчатость продольного профиля связана с впадением притоков, сменой горных пород и с излучинами русла.

При однородном уклоне местности и «правильной» – грушевидной – форме бассейна максимальная глубина врезания располагается в среднем течении реки, тем ближе перемещаясь к водоразделу, чем больше слой и интенсивность стока.

Выравнивание транспортирующей способности никогда не может быть полным.

Если бы даже не было постоянно протекающих тектонических процессов, колебаний климата и изменений других элементов физико-географической среды, то все же речной поток никогда не выровнял бы транспортирующей способности, так как последняя непрерывно изменяется в процессе развития русловой системы. В этом заключается одно из важнейших противоречий процесса развития реки. Устьевое удлинение русла и снижение водораздельных высот являются причинами медленной, но непрерывной трансформации общей формы продольного профиля. Одновременно с этим происходят по всей длине русловой системы то более, то менее интенсивные местные изменения продольного профиля, вызванные процессами развития форм мезорельефа (прорывы новых рукавов, образование излучин, смещение перекатов и т. п.) и боковой эрозией (изменение падения и длины притоков вследствие укорачивания или удлинения их русла при смещении главного ствола).

Таким образом, в природе мы всегда встречаем продольные профили потоков с невыровненной транспортирующей способностью, в связи с чем можно говорить только об относительной выровненности транспортирующей способности.

Дальнейшее развитие продольного профиля реки с относительно выровненной транспортирующей способностью в общем идет в следующем порядке.

В приустьевой части, где происходит постепенное удлинение русла и наращивание поймы, старые террасы реки перекрещиваются с террасами более молодыми, погружаясь под уровень последних. Точка «перекрещивания» террас по мере врезания смещается вниз по течению. На остальной части долины вместе со снижением водораздельных пространств идет постепенное врезание русла; террасы здесь располагаются «веером», т.е. их относительная высота увеличивается к верховьям 1.

Так как в процессе врезания обнажаются все новые слои пород, у которых сопротивляемость эрозии и выветриванию неодинакова, то вообще последовательные уровни террас не образуют подобных фигур. Нулевая точка, где не происходит ни врезания, ни аккумуляции, постепенно должна смещаться вниз по течению, так как с уменьшением общего падения реки уменьшается гидравлический уклон потока и, следовательно, врезание реки в низовьях может осуществиться при меньшем уклоне местности. Река постепенно прорезает верховую часть конуса дельтовых отложеСогласно широко распространенной концепции, «лестница террас, обнаруживаемая в долинах рек. свидетельствует об опусканиях базиса эрозии или об относительном поднятии суши. Поднятие развивается неравномерно во времени, то убыстряясь, когда происходит врезание русла, то замедляясь, и тогда вступает в действие боковая эрозия, вырабатывающая широкое днище долины на очередном уровне. Если на террасе накапливаются аллювиальные отложения, следует заключить, что поднятие местности прерывается обратным движением, т.е. некоторым опусканием. » (Белоусов, 1949).

Однако, учитывая, что: 1) ширина долины при врезании нередко сужается и 2) русло реки обычно смещается под влиянием отклоняющего действия вращения земли, ветра и других причин, следует признать возможность образования террас при совершенно равномерном врезании реки. Образование «лестницы» террас при постоянном базисе эрозии доказано опытами М.А. Великанова в лаборатории русловых процессов Академии Наук СССР.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне ний. По мере уменьшения общего падения реки увеличивается вероятность искажений плавной формы продольного профиля, так как при уменьшающейся живой силе поток все медленнее пропиливает препятствия, вызванные деятельностью тектоники, неоднородностью пород или другими причинами. При достижении рекой некоторого определенного для данных климатических условий среднего уклона начинается отмирание (редукция) системы, которое выражается: а) в отступании истоков от водоразделов, б) в блокировке устья и в) в разрывах непрерывности русловой системы. Эти три явления не происходят синхронно и с одинаковой интенсивностью. Несмотря на отмирание всей системы в целом, отдельные ее части обычно продолжают свое развитие. Процессы редукции русловых систем очень плохо исследованы, хотя знание их законов явилось бы ключом к разрешению вопросов о механизме образования террас. По-видимому, редукция сводится в общем к уменьшению размеров бассейнов и образованию ряда местных базисов эрозии в виде полупроточных и непроточных озер. Так как одновременно с этим происходит пополнение вещества материка, то наряду с редукцией должны происходить процессы частичного восстановления и развития новых систем. Вследствие этого, как подчеркивалось выше, процессы развития эрозионного рельефа продолжаются даже при полной стабильности территории в тектоническом отношении.

2б. Н е в ы р а б о т а н н ы е п р о д о л ь н ы е п р о ф и л и р е к ( с н е в ы р о в н е н н о й т р а н с п о р т и р у ю щ е й с п о с о б н о с т ь ю п о т о к а ). Реки с невыровненной транспортирующей способностью потока отличаются тем, что в одном из звеньев всей русловой системы или на отдельных участках главного ствола и основных его ветвей наблюдается более высокая интенсивность аккумуляции или эрозии. Нарушение равномерности транспортирующей способности потока вызывает постепенное изменение всей формы продольного профиля. Типичные случаи таких изменений рассматриваются в следующем разделе.

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ

ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

На изменение формы продольного профиля в равной степени могут влиять и тектонические движения и изменения климата территории. Широко распространенное мнение о том, что только цикловые террасы могут иметь значительную высоту, как будет показано ниже, ничем не обосновано. Особенно велико значение климатического фактора для равнинных рек.

Влияние изменений климата на продольные профили р у с л о в ы х с и с т е м. Изменения климата влияют на размер бассейна русловой системы, глубину эрозионного вреза, положение пункта максимального врезания, соотношение интенсивности эрозии в системе различных звеньев эрозионной сети, высоту местных базисов эрозии и являются причиной, могущей вызвать коренные изменения формы продольного профиля.

Приведем следующий пример. В настоящее время р. Чу не достигает СырДарьи, заканчиваясь «слепым» устьем, затерявшимся в озерах и болотах, хотя долины обеих названных рек смыкаются. Широкая долина в низовьях р. Чу заполнена мощными слоями аллювиальных наносов и продолжает ими заполняться при современных климатических условиях. Морфологическим бассейном этой реки является чаша, имеющая площадь около 400 000 км2, ограниченная с юга и юго-запада хребтами Киргизским и Кара-Тау, с востока – отрогами Заилийского Ала-Тау, а с севера – массивами Центрально-Казахстанского мелкосопочника. Поверхностный сток с этой огромной территории только частично попадает в р. Чу, так как СарыСу, Талас и многие другие реки, берущие начало с краевых возвышенностей, теря

Если изменение климата произойдет настолько быстро, что снижение водораздельных высот не будет особенно значительным, то образовавшаяся в результате врезания терраса будет напоминать хорду, стягивающую кривую нового профиля, причем продольный уклон террасы в среднем течении будет больше уклона реки.

Обратный процесс, т.е. заполнение наносами русла вследствие уменьшения стока, должен идти, по-видимому, весьма сложным путем: одновременно с общим увеличением уклона по главному стволу в связи с трансгрессивно наступающей акку

Увеличение крупности аллювия с высотой террасы наблюдается, по-видимому, и ниже по течению. В Марийской АССР так называемая «песчаная равнина», имеющая относительную высоту от 70 до 150 м (т.е. составленная несколькими высокими террасами), покрыта аллювиальными отложениями, нижние слои которых содержат валуны до 0,5 м в диаметре.

В долине Дона, по Б.Б. Полынову (1926), породы, слагающие третью (наиболее высокую) террасу, свидетельствуют о более или менее непрерывном отложении преимущественно песчаных осадков, и хотя Б.Б. Полынов полагает основной причиной отложений высокое стояние базиса эрозии, он вынужден признать, что осадки отлагались проточными водами. Этот же исследователь неоднократно упоминает о находках валунов не только в основании отложении, но и в средней и верхней толще разрезов. На тех участках, где средний Дон подмывает высокие левобережные террасы (например, у г. Павловска, у с. Красноярского и др.), мы визуально сравнили крупность древнего и современного аллювия; везде средняя крупность последнего оказалась в полтора-два раза меньше, чем древнего.

Увеличение суровости климата в периоды четвертичных похолоданий вызвало ослабление химического выветривания и, по-видимому, сопровождалось уменьшением зимних осадков. Во всяком случае климат был более континентальным, чем современный, особенно в восточной половине равнины.

Уменьшение слоя зимних осадков в наших широтах способствовало ослаблению эрозионной и транспортирующей способности крупных рек, т.е. главных стволов больших русловых систем. Увеличение площади вечной мерзлоты ослабило грунтовое питание рек. Существенное влияние на формирование русла оказало также действие ледохода, который стал «тяжелее» вследствие увеличения толщины льда и промерзания многих рек до дна. Растаскивая крупный аллювий по длине реки, ледоход нарушил сортировку наносов, что повысило шероховатость русла в среднем течении и в низовьях. Шероховатость еще более повысилась из-за нарушения ледоходом плавности форм русла.

Долины при этом могли заполняться не только наносами, но и льдом или погребенным снегом, подобно тому как это наблюдается теперь в северо-восточной Сибири, где ископаемые льды встречаются как в русловом, так и в пойменном аллю

происходило. Если учесть и эти два процесса, то можно представить себе и такой случаи врезания, когда террасы вплоть до своего выхода на бровку долины сохраняют равную высоту над меженным уровнем реки.

В опытах, проведенных в лаборатории Института географии АН СССР Д.Л. Армандом (1950) и в лаборатории Эдинбургского университета (Ogilvie, 1936) по исследованию влияния эвстатических колебаний на врезание русел, моделировался очень крутой шельф, вследствие чего было обеспечено врезание при понижении базиса эрозии. Опытов с шельфом, более отлогим, чем уклон местности, в лабораториях не производилось.

Последний приток – р. Атбара – впадает в Нил в 1700 км от устья. Ниже впадения р. Атбара расход Нила постепенно убывает.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне Если уклон обнажившегося шельфа меньше, чем средний уклон территории речного бассейна, то в любых условиях климата повышение территории (т.е. понижение базиса эрозии) не скажется на увеличении врезания. Наоборот, в вышележащем участке реки врезание замедлится и даже может смениться аккумуляцией. Выравнивание транспортирующей способности потока приведет к тому, что русло реки расположится в валах, лежащих выше приморской равнины. Поднятие русла вызовет некоторый подпор вышележащего участка реки и аккумуляцию на отрезке, лежащем выше по течению. Образование поднятого над равниной русла является причиной прорыва валов и может привести к полной ликвидации русловой формы (образование приустьевых разливов). Применявшийся с глубокой древности метод защиты от прорыва посредством обвалования берегов рек имеет то достоинство, что этим мероприятием достигается увеличение гидравлического радиуса потока в половодье и, следовательно, повышается его транспортирующая способность. Однако полезная в этом отношении роль валов через некоторое время ослабевает, так как приустьевое удлинение ускоряется, уклон постепенно уменьшается и транспортирующая способность потока ослабляется, вследствие чего в русле снова начинается отложение наносов. По китайским хроникам, обвалование низовий больших рек удовлетворительно защищало от разливов в течение одного тысячелетия. В дальнейшем борьба с прорывами усложнилась и нередко кончалась катастрофами; устройство крупных водохранилищ, задерживающих поступление наносов в низовья реки, позволит еще на ряд столетий предотвратить блуждание рек Китая.

В том случае, когда шельф имеет уклон, значительно превосходящий средний уклон территории речного бассейна, врезание крупных русловых систем произойдет при любых климатических условиях. Чем крупнее река, тем быстрее и глубже врезаются ее низовья. Малые реки «привлекаются» в эрозионные врезы больших рек и становятся притоками, не образуя предварительно приустьевых разливов, как при отлогом шельфе.

Для того, чтобы более или менее точно судить о возможности врезания каждой реки, необходимо иметь данные о рельефе шельфа, по расположению основных понижений наметить будущую долину реки и определить средний уклон на участке причленяемой территории. Вследствие извилистости русла и извилистости долины уклон новообразующегося участка реки будет в 2,5-3 раза меньше среднего уклона освобождаемой морем территории. Полученную величину уклона нужно сравнить с уклоном реки в среднем течении, сделав еще поправку на ожидаемую прибыль или убыль расхода воды при изменении площади водосбора и длины русла.

Весьма своеобразные условия создаются в случае равномерного опускания всей территории или поднятия уровня приемного бассейна. При равномерном опускании территории соотношения уклонов между отдельными звеньями гидрографической сети на незатопленной части территории не изменяются. Тем не менее в геоморфологии прочно утвердилось мнение, будто бы поднятие базиса эрозии вызывает обязательно регрессивное заиление русловых систем, в результате которого дно долин (на всем протяжении незатопленного участка вплоть до истоков реки) должно подняться на высоту, равную амплитуде изменения базиса. Такое мнение, в частности, защищали Д.Л. Арманд (1950) и Е.В. Шанцер (1951), считая, что иначе нарушится равномерность течения потока. Этот довод неубедителен, поскольку одной из основных особенностей руслового потока является неравномерность течения. Иначе подходили к решению этого вопроса П.С. Макеев (1941) и К.К. Марков (1948), которые высказали сомнение в правильности так называемой «классической концепции» о влиянии поднятия базиса эрозии на аккумуляцию в долинах, указывая, что однозначной связи между этими явлениями не может быть.

Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне

Приустьевый спад, возникающий при впадении потока в обширный водоем (Маккавеев, 1951), служит даже причиной некоторого врезания на приустьевом участке реки, но так как одновременно с этим происходит приустьевое удлинение русла, то врезание затем обычно сменяется регрессивной аккумуляцией.

Если была затоплена узкая долина и устье приняло вид длинного узкого эстуария, приустьевое удлинение может вызвать заметный и сравнительно быстрый подъем уровня реки выше затопленного участка, но слой отложившихся наносов должен выклиниваться к истоку.

При малом твердом стоке реки действие приливно-отливных и отгоннонагонных течений может задержать приустьевое удлинение и способствовать эрозии в приустьевом участке. Воронкообразные эстуарии нередко долго сохраняют значительную глубину.

Пороги и водопады, оставшиеся незатопленными, являются препятствиями, возле которых регрессивная аккумуляция полностью останавливается.

При самых благоприятных условиях для регрессивной аккумуляции (узкий эстуарий, большая концентрация наносов в потоке) слой отложений должен выклиниться в верховьях реки. Если же учесть, что материал для построения аллювиальной равнины получается в результате снижения водоразделов (что, в свою очередь, способствует врезанию реки в среднем ее течении), то выклинивание слоя отложений следует ожидать на значительном расстоянии от верховья, где регрессивная аккумуляция встретится с трансгрессивной эрозией.

Источник