ИХ СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
Чалов Р.С.
Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, chalov@mail.ru
Self-adjustment in erosive-channel systems, their structure and behaviour
Сhalov R.S.
Lomonosov Mosсow State University, Faculty of Geography, Moscow, [email protected]
Аннотация. Дается определение эрозионно-русловых систем (ЭРС), устанавливается их связь с типами водных наносов и эрозионно-аккумулятивными процессами, формулируются общие законы, объединяющие все типы процессов в единые системы. Показано, что основу механизмов функционирования ЭРС составляют процессы в склоновых ручейках, руслах оврагов, малых, средних и больших рек, а также связь параметров русел с водностью потоков и стоком наносов.
Abstract. We defined erosive-channel systems and linked it to sediment types and erosion-accumulation processes. General laws of the variety of processes were further formulated. Behavior of erosive-channel systems depend on processes in slope rills, channel of gulleys and small, middle and large rivers as far as on relationships between water runoff and sediment load.
Вся совокупность процессов смыва и размыва почв, горных пород и отложений, перемещения, переотложения и накопления наносов водными потоками составляет комплекс эрозионно-аккумулятивных процессов, отдельные звенья которых тесно связаны между собой и зависят друг от друга. Сток воды, сток и транспорт наносов при этом выступают в качестве активных факторов процессов, литогенная основа, ‒ как важнейшая пассивная составляющая взаимодействия потоков с подстилающей поверхностью, сопротивляющаяся размыву слагающих ее грунтов; рельеф и почвенно-растительный покров представляет собой фон, контролирующий деятельность водных потоков по отрыву частиц грунта, их перемещению и накоплению. В итоге эрозионно-аккумулятивные процессы отражают взаимодействие водных потоков с поверхностью суши, составляя главнейший и наиболее мощный агент ее денудации.
Вся совокупность эрозионно-аккумулятивных процессов [1] состоит из трех взаимосвязанных и последовательно расположенных звеньев, соответствующих определенным типам водных потоков: 1) временным нерусловым, осуществляющим плоскостную эрозию на склонах (эрозию почв); 2) временным русловым, обусловливающим линейную (овражную) эрозию; 3) постоянных русловых (рек), взаимодействие которых с грунтами, слагающими ложе – дно и берега, приводящее к их размыву (эрозии), транспорту и аккумуляции наносов определяют развитие самих русел, форм руслового рельефа, их сезонные, многолетние и вековые изменения [2, 3]. Водные потоки, подстилающие поверхность, на которую они воздействуют, эрозионно-аккумулятивных процессы, являющиеся следствием взаимодействия двух сред, из которых одна находится постоянно в движении, другая – относительно стабильна, и создаваемые ими формы рельефа образуют эрозионно-русловые системы (ЭРС). Они функционируют в пределах водосборных бассейнов, состоят из ЭРС разных рангов, соответствующих водосборам от элементарного склонового до бассейна крупнейшей реки, каждая из которых представляет собой совокупность частных подсистем: эрозионно-склоновой, овражно-балочной, речной и устьевой (рис. 1). Выделение последней возможно в тех ЭРС, которые замыкаются на приемном водоеме и которые характеризуются последовательным рассредоточением стока, абсолютным преобладанием аккумулятивных процессов и влиянием на поток и сами процессы явлений, связанных с приемным водоемом (сгоны и нагоны, для устьев рек, впадающих в моря –приливы и отливы, вдольбереговые течения и т.д.). С другой стороны, понижение ранга ЭРС может сопровождаться редуцированием ее структуры – выпадением тех или иных ее элементов (подсистем); то же происходит в определенных природных условиях. Например, на низменных плоских равнинах отсутствует овражно-балочная подсистема, речная впадает в бессточных областях и т.д.
Рис. 1. Структура эрозионно-русловой системы и эрозионно-аккумулятивных процессов. Связи: 1 – потоков с процессами разных типов; 2 – процессов и создаваемых ими форм рельефа. Направление перемещения: 4 – воды; 5 – наносов. Обратные связи между процессами.
Главными следствиями воздействия временных нерусловых потоков на склон являются понижения его отметок, формирование делювиальных шлейфов у их подножья и вынос части материала смыва и размыва почв и грунтов в овражно-балочную сеть и реки. Овражная эрозия как следствие работы временных русловых потоков расчленяет поверхность, создает условия для увеличения уклонов склонов (или вообще приводит к их возникновению) и, следовательно, для активизации их эрозии нерусловыми потоками. Она приводит к образованию оврагов как отрицательных форм флювиального рельефа, имеющих свое русло, склоны, борта, формирует конуса выноса в балках, на поймах рек и у подножья склонов, являющих их базисом эрозии, или поставляет материал размыва в реки. Благодаря склоновой и овражной эрозии в реках формируется бассейновая составляющая стока наносов, создающая большую часть взвешенных наносов. Вместе с тем в этих подсистемах (склоново-эрозионной и овражно-балочной) деятельность водных потоков, смыв и размыв почв и грунтов, перемещение ими смытого материала осуществляются на короткие расстояния.
Речные подсистемы только у ручьев и самих малых рек оказываются соизмеримыми с эрозионно-склоновыми и овражно-балочными. Постоянные водотоки низших порядков (первого-второго) находятся в прямом контакте со своими водосборами, принимая значительную (а во многих случаях – основную) часть смываемого с их площади материала. По мере увеличения порядка реки эта связь становится все более опосредованной. Большие и крупнейшие реки осуществляют перенос вещества на расстояния, соизмеримые с шириной поперечника или половины поперечника материков. При этом за счет размыва дна и берегов реки практически полностью формируется сток влекомых наносов (некоторая его часть может формироваться из овражных выносов, а также, особенно в горах, обвально-осыпными процессами) и определенная часть стока взвешенных наносов – благодаря размыву пойменных берегов, в строении которые принимает участие пойменная супесчано-суглинисто-глинистая фация аллювия, и подмыву коренных берегов, сложенных вывертрелыми или пластичными породами. Другим отличием в функционировании речной подсистемы от предыдущих является отсутствие продольной дифференциации зон эрозии, транспорта и аккумуляции наносов, образования и эволюция аккумулятивных форм руслового рельефа, развитие на их основе благодаря закреплению растительностью форм русла, многократное переотложение перемещаемого твердого материала, формирование поймы и аллювиальных отложений. Систематическое накопление наносов свойственно нижнему течению рек, где регрессивная аккумуляция является следствием их устьевого удлинения, колебания уровня моря (базиса эрозии) или тектонических прогибов земной коры. Она проявляется на протяжении вековых и геологических отрезков времени, но на ее фоне происходит периодические русловые деформации, обусловливаемые размывами и намывами берегов и дна рек в многолетнем, сезонном и текущем временных масштабах [4]. Исключения из этого представляют участки рек со скальным руслом, которые все наносы проходят транзитом из-за стеснения русла и, как следствие, очень больших скоростей течения (зачастую вне зависимости от уклона реки), горные реки с порожисто-водопадным руслом и некоторые участки равнинных рек с врезанным руслом.
Функционирование эрозионно-русловых систем (ЭРС) связано с действием общих законов эрозионно-аккумулятивных процессов. Единство и неразрывность эрозии, транспорта и аккумуляции наносов как составная частей эрозионно-аккумулятивных процессов на склонах, в оврагах и в реках (рис. 2), взаимосвязь и взаимообусловленность этих процессов в различных звеньях (подсистемах) ЭРС – два наиболее общих закона, составляющие методологическую основу теории эрозионно-русловых систем. Их сущность была раскрыта Н.И. Маккавеевым в монографии «Русло реки и эрозия в ее бассейне» [1], уже само название которой отражает их содержания.
Рис. 2. Соотношение зон эрозии, транспорта и аккумуляции наносов: А – на склонах; Б – в оврагах; В – в реках: I – по продольному профилю реки; II– при формировании поймы; III – при развитии излучины; IV – при смещении грядовых форм руслового рельефа. 1 – зоны размыва; 2 – зоны аккумуляции наносов; 3 – аккумуляция наносов на пойме; 4 – перемещение потоком наносов; 5 – уровни воды в реке; 6 – уровень приемного водоема.
Сущность эрозионно-аккумулятивных процессов в разных звеньях стока водных потоков и, соответственно, во всех подсистемах ЭРС отражают еще пять универсальных законов также установленных Н.И. Маккавеевым, проявляющихся как в системах самого большого ранга (бассейнах крупнейших рек), так и в элементарных водосборах, соответствующих ЭРС самого низкого ранга: нелинейности связей, факторной относительности, взаимной обусловленности потока и подстилающей поверхности (русла), ограниченности морфологических комплексов и автоматического выравнивания транспортирующей способности потоков, определяющего саморегулирование эрозионно-аккумулятивных процессов (полный их анализ был дан нами в специальных работах[3, 5]). Кроме того, очевидно, можно говорить о законе временнóй и пространственной дискретности и континуальности эрозионно-аккумулятивных процессов, в наиболее полном виде рассмотренных для речных русел [3, 6, 7]. Он проявляется в специфике развития процессов на разных структурных уровня, на разных участках склона, оврага или балки, на морфологических однородных участках реки, в ее верховьях, среднем и нижнем течении, в устьевой области и по-разному во времени в зависимости от сезона, фаз режима, вероятности пересыхания или отсутствия стока, с одной стороны, в непрерывности потоков и поля отметок склона, днища оврага или дна русла, во временной непрерывности и возобновлении заданной направленности развития после периода прекращения стока, частичного обсыхания или резкого снижения активности процесса, с другой. Структурная организация (дискретность) русловых процессов показана на рис. 3; примечательно к склоновым эрозионно-аккумулятивным процессам и овражной эрозии она проявляется в развитии ручейковой сетки, образовании протоки, их превращении в овраги, различных в формировании русла оврага на разных его участках и на конусе выноса и т.д. Однако схемы дискретно-континуальности для них требует еще специальной проработки.
Рис. 3. Схема дискретности русловых процессов на средние и больших реках и взаимодействие между структурными уровнями их проявления.
Общим для всех типов потоков, их взаимодействия с подстилающей поверхностью и формах проявления эрозионно-аккумулятивных процессов является образование русел от первичных, эфемерных элементарных линейных углублений на склонах (ручейки дождевой или талой воды), оврагов на разных стадиях развития с руслами, занимающими все их днище или его большую часть, если образовались характерные формы русла (как правило, это – врезанные излучины, реже – разветвления, прорванные излучины) [8], русла в оврагах, имеющих постоянный водоток (если они врезались до водоупорного пласта горных пород) и, наконец, русла самых малых‒малых‒средних‒больших и, в конечном счете, крупнейших рек. То обстоятельство, что склоновые потоки любого генезиса, по-существу, представляют собой сеть ручейков (микро-, ультрамикроручейков) учтено во многих моделях для расчета смыва почв и склонов. Так, в модели ГГИ [9] для определения объемов смыва
, где – a, n – параметры, зависящие от типа ручейковой сети на склоне, агротехнического фона и типа почвы; другие обозначения – hP% ‒слой стока за период весеннего половодья заданной вероятности превышения Р%; М – модуль стока наносов той же Р% за период весеннего половаодья, т/га; b – коэффициент, учитывающий влияние агротехнического фона за предшествующий год на смыв почвы; k – коэффициент, учитывающий крутизну склона. В модели, разработанной в США [10], эрозия на склонах делится межручейковый смыв и ручейковый размыв, причем вклад межручейкового смыва в масштабах склона принимается незначительным; поэтому основу модели составляет учет ручейкового смыва. Ручейковый размыв (ручейковая эродируемость почвы) входит в гидрофизическую модель эрозии, разрабатываемую под руководством Г.А. Ларионова [10]; им же по существу механизм ручейковой эрозии изучается в гидравлических лотках. Однако рисунок сети русел ручейков непостоянен, в том числе из-за размывов бортиков между ними. На сельскохозяйственных землях возникающие русловые бороздки заравниваются при обработке почвы (вместе с тем они создаются искусственно при распашке) или быстро заполняются наносами. На склонах с естественной растительностью ручейковая сеть постоянно изменяется под влияниями заторов в ложбинах, деятельности землемеров, динамики растительности, а, главное, вследствие горизонтальных деформации самих русел, т.е. благодаря русловым процессам в них. Кроме того, при увлечении стока возможно образование потоков, затопляющих и без того узкие пространства между руслами ручейков, их промывы, а саму поверхность склона, покрытого текущей водой, можно рассматривать как аналог поймы реки во время половодья. Если учесть, что в абсолютном выражении ширина поймы достигает нескольких десятков километров на крупнейших реках (на нижней Оби превышает 50 км, будучи расчлененной многочисленными пойменными протоками, то же можно сказать о Волго-Ахтубинской пойме шириной около 40 км), а на малых реках отношение ширины поймы к ширине меженного русла оставляют более 300, аналогия дна долины реки во время половодья (паводочного периода на реках Дальнего Востока) и склоновых нерусловых потоков (ручейки+пространства между ними) становится вполне очевидной.
Следствием эфемерности существования русел ручейков на склонах и площадного их влияния влияния на смыв почв и грунтов является отнесения ручейков к разновидности нерусловых потоков, а ручейковой эрозии – к плоскостенной (склоновой) эрозии. Однако каждый ручеек, создавая элементарное линейное эрозионное углубление русла, вытянутое вдоль склона, обусловливает концентрацию в нем потока, рост его скорости (по формуле Шези 
, где h – глубина потока, I – уклон, С – коэффициент, зависящий от шероховатости русла), активизацию размыва (
, где Wтр – транспортирующая способность потока) и, как следствие, дальнейшее увеличение глубины (
). Поэтому ручейковая глубинная эрозия на склонах представляет собой потенциальную возможность развития овражной эрозии, которую, в свою очередь, можно рассматривать как самовозбуждающийся процесс.
Возникновение оврага (на первых стадиях – промоины) уже само по себе представляет собой формирование русла; но, как и в ручейковой сети на склонах, это – эрозионное русло, образующееся вследствие врезания временного потока в поверхность склона. По мере развития оврага, оно сохраняется только в его верхней части, тогда как в средней и нижней трансформируется в аналогичное рекам врезанное русло с аккумулятивными формами; последние формируются наиболее активно, если овраг вскрывает водностной горизонт, и в его русле появляется постоянный водоток.
Таким образом, линейные ручейковые углубления на склонах, промоины, русла оврагов, временных водотоков в балках, постоянных водотоков в оврагах и балках и русла рек во всем их многообразии (врезанные, адаптированные, широкопойменные; скальные; различных морфодинамических типов и т.д.) представляют собой единую русловую сеть. Такой подход развивал еще Н.А.Ржаниццын [12], предложивший порядковую структуру водотоков от элементарных ручейков на склонах до крупнейших рек. Но если ручейковая сеть на склонах формирует временные эфемерные русловые образования, то уже русло оврага – это квазиустойчивая форма, развивающаяся по законам русловых процессов, но, в отличие от рек, всегда с абсолютными преобладанием вертикальных деформаций отрицательного знака (врезания).
Трансформация эрозионного русла склонового ручейка в русло промоины, а затем оврага представляет собой отражение закона автоматического выравнивания транспортирующей способности потока, обусловливающего саморегулирование овражно-балочной подсистемы ЭРС и ее связь со склоново-эрозионной подсистемой. Этот закон проявляется в развитии всех эрозионно-аккумулятивных процессов, определяя их физическую сущность. Его основу составляет соотношения транспортирующей способности потока Wтр и фактического расхода наносов W. Если Wтр > W поток размывает подстилающую поверхность (ручейковая бороздина на склоне превращается в промоину, промоина в овраг, происходит его углубление; на реках преобладает врезание), сток наносов возрастает, что проявляется в балансе наносов на участке склона (оврага, русла реки): 
, где Wi – объем стока наносов в i-м и (i-1)-м створах, ΔW - результирующая баланса. Если Wтр < W, происходит аккумуляция избыточного количества наносов, и тогда 
. Таким образом, увеличение или уменьшение W через механизм саморегулирования взаимодействия потока и русла приводит к понижению или повышению отметок дна русла и, соответственно, увеличивает или уменьшает глубину вреза, а через нее – поступление твердого материала из выше расположенных ЭРС более низких рангов, что, в свою очередь, приводит к активизации или затуханию вертикальных деформаций. К аналогичным эффектам приводят изменения водности рек при сохранении неизменным стока наносов. При W = const увеличение Qср сопровождается ростом Wтр вследствие чего возникает условие Wтр > W, и поток будет углублять свое русло (ручья, оврага, реки); при снижении Qср создается условие Wтр < W и происходит аккумуляция наносов, заиление, вплоть до деградации, русла.
Нарушение баланса наносов и изменения транспортирующей способности потока происходит также в пределах отдельных форм русла. На излучинах, которые возникают из-за неустойчивости прямолинейного движения потока, благодаря дифференциации скоростного поля и циркуляционных течений возникает дефицит наносов в одних частях русла и избыток по отношению к Wтр в других, что определяют чередование по длине русла и в поперечном сечении чередование зон размыва и аккумуляции наносов и является условием дальнейшего развития излучин. Этот эффект усиливается общим ростом Wтр на излучине вследствие дифференциации поля скоростей. В результате усиливаются размывы русла (дна и берегов) в зоне ускорения течения и аккумуляция наносов у выпуклого берега в зоне замедления течения. При этом происходят местные увеличения мощности потока (и его кинетической энергии), но до определенного предела, определяемого одновременным ростом затрат энергии потока на преодоление гидравлических сопротивлений. При равенстве ΔEкин = Iг (ΔEкин – прирост кинетической энергии, Iг – гидравлический уклон как сумма потерь энергии потока, относенная к единице длины русла) излучина спрямляется или трансформируется из сегментной в петлеобразную, т.е. происходит разделение единой излучины на три сегментных, из которых две формируются на крыльях исходной, а одна наследует ее привершинную часть (рис. 4).
Рис. 4. Эволюция развития свободных излучин. Стадии развития: сегментные – а, б, в; прорванные – г, д; петлеобразные – е , ж, з. 1 – пути эволюции; 2 – зоны размыва берегов.
В этом случае восстанавливается условие ΔEкин < Iг, и излучина продолжает развиваться, спрямляясь за счет размыва шейки при сближении вторичных излучин на крыльях.
Прямолинейное русло формируется при наличии дополнительных факторов, способствующих его закреплению [2, 3, 13, 14]. Наличие последнего необходимо, т.к. прямолинейное движение потока неустойчиво. Поэтому извилистая форма русла нехарактерна для ручейковой сети на склонах, потоки которых отличаются дефицитом наносов, особенно влекомых. Это не позволяет формироваться микропобочнями, способными завершить первоначальные изгибы потока, а возникающие быстро смещаться, разрушая бортики ручейков, обеспечивая их миграцию на склоне и эфемерность существования самих русел.
В разветвленных руслах рассредоточение потока сопровождается снижении Wтр, вследствие чего в узлах разделении потока происходит местная аккумуляция наносов и образование крупных аккумуляционных форм руслового рельефа – перекатов. Однако в каждом рукаве (протока) возникает изгиб потока возле острова, происходит соответствующий рост его мощности и Eкин [15] и дальнейшее развитие разветвления, которое, подобно, излучинам проходит ряд стадий: углубления и повышения водности одних рукавов, обмеление других и т.д.
Со сложноразветвленным руслом по рисунку можно сопоставлять ручейковую сеть на склонах. Переплетение русел ручейков из-за их постоянной миграции, разрушения бортиков, перераспределение стока при возникновении заторов и местных скоплении наносов обусловливает временный характер концентрации потока в одном из них, снижения вероятности их превращения в промоины и далее промоин в овраги. Тем не менее рисунок ручейковой сети на склонах очень похож на рисунок сети рукавов и проток рек, выходящих из гор в предгорьях, где вследствие резкого изменения уклонов и расширения дна долины происходит изменение условии транспорта влекомых наносов, которые образуют здесь многочисленные грядовые формы рельефа.
Другим фактором саморегулирования русел ручейков, ручьев, малых, средних и больших рек является зависимость параметров их форм и форм руслового рельефа (излучин, разветвлений, перекатов, побочней, осередков) от характеристик стока воды и наносов. Например, параметры излучин зависят от расхода воды Q (руслоформирующего ими среднемаксимального) – радиус кривизны r=f(Q), шаг излучины L=f(Q) и т.д. [13, 14]. П.Н. Резников [16] установил связи удельной концентрации влекомых наносов 
и удельной мощности 
(здесь Iд - уклон дна долины), соответствующие областям существования русел или преимущественного развития (в % от длины участков русла) излучин того или иного типа. Существование этих зависимостей (или связей) обусловливает трансформацию во времени формы русловых образований (увеличение/уменьшение их параметров) при увеличении или уменьшении водности потока или величины стока наносов, в т.ч. при антропогенном воздействии на реках (регулировании стока воды и перехват наносов водохранилищем, разработка русловых карьеров; рассредоточение стока на склонах и т.д.), вплоть до смены морфодинамического типа русла, т.е. происходит адаптация русла к изменяющимся условиям их формирования. Подобные изменения носят как направленный (если происходит вековые/тысячелетние повышения/понижения стока воды и наносов), так и периодический характер (при чередовании циклов повышенной или пониженной водности). Последнее демонстрируют переформирования разветвленного русла Лены (выше устья Алдан) за 50 лет, в течении которых спряженное разветвление (на рис. 5 показано его центральное звено) в многоводный период, совпавший с изменением развитости рукавов, трансформировалось на 15 лет в параллельно-рукавное, но затем, в последующие маловодье, восстановилось сопряженное, но с развитием рукавов в противоположной части русла.
Таким образом, функционирование эрозионно-русловых систем осуществляется по общим законам эрозионно-аккумулятивных процессов и характеризуется формированием русел водотоков – элементарных эфемерных русел ручейковой сети на склонах, эрозионных русел оврагов в их верховьях и на ранних стадиях развития, русел временных и постоянных водотоков в оврагах и балках (последнее – при вскрытии водоносного горизонта), русел малых, средних, больших и крупнейших рек. Однако их руслоформирующая деятельность в каждом звене водных потоков и во всех подсистемах (эрозионно-склоновой, овражно-балочной, речной, устьевой) отличается своими специфическими особенностями, определенными водностью потоков, параметрами и формами русла, их соотношениями, стоком наносов и другими характеристиками позволяющими выделять соответствующие типы русловых процессов.
Рис. 5. Трансформация сопряженных разветвлений р. Лены (выше слияния с Алданом) в параллельно-рукавное и восстановления сопряженных разветвлений.
Литература
1. Маккавеев Н.И. Русло реки эрозия в ее бассейне. М., 1955. 347 с.
2. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М., 1986. 264 с.
3. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Том 1. Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления и условия формирования речных русел. М., 2008. 608 с.
4. Алексеевский Н.И., Чалов Р.С. Движение наносов и русловые процессы. М., 1997. 166 с.
5. Чалов Р.С. Законы флювиальной геоморфологии // Проблемы теоретической геоморфологии. М., 1988. С. 111-121.
6. Кондратьев Н.Е. О дискретности русловых процессов // Проблемы русловых процессов. Л., 1964. С. 3-18.
7. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла. СПб., 1992. 126 с.
8. Тарбеева А.М. Морфология и динамика русел водотоков овражно-балочной сети и малых рек лесной зоны Европейской территории России. Автореф. дисс. … канд. геогр. наук. М., 2007. 25 с.
9. Сток наносов, его изучение и географическое распределение. Л., 1977. 240 с.
10. Ларионов Г.А., Добровольская Н.Г., Краснов С.Ф., Лю Б.Ю., Неринг М.А. Теоретико-эмпирическое уравнение фактора рельефа для статистической модели водной (дождевой) эрозии // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 11. М., 1998. С. 25-44.
11. Ларионов Г.А. Истирание почвенных агрегатов в склоновых потоках // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 16. М., 2008. С. 74-83.
12. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. Л., 1960. 240 с.
13. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М., 1979. 232 с.
14. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Том 3. Морфодинамика речных русел. М., 2011. 960 с.
15. Алексеевский Н.И., Чалов С.Р. Гидрологические функции разветвленного русла. М., 2009. 240 с.
16. Резников П.Н. Сток наносов и его проявления в морфодинамике режима русел. Автореф. дисс. … канд. геогр. наук. М., 2007. 24 с.