Тема 8: основні засади гідроморфологічної теорії руслового процесу

План

1. Основні положення гідроморфологічної теорії руслового процесу.

2. Зворотні і незворотні деформації. Зв'язок руслових деформацій з транспортом наносів.

3. Дискретність руслового процесу та структурні рівні.

4. Основні фактори руслоутворення.

1. Особливість взаємодії людини і природи в межах деформації річкових русел полягає в тому, що у відношенні людини до річки, які є об’єктом не живої природи проявляються риси, що властиві спілкуванню з живим розумним організмом. Людина змушена рахуватися з характером річки, прогнозувати напрямок довільних переміщень русла в плані. Тому, важливе значення для прогнозування направленості деформації русел мають основні положення гідроморфологічної теорії руслового процесу.

Ці положення полягають у наступному:

1. Невід’ємною складовою руслових процесів є руслові деформації, які являють собою безперервне переформування русла під дією текучою води (Р.С.Чалов). А русловим процесом – називають зміни в гідроморфологічній будові річкового русла і річкової заплави, що постійно протікають під дією текучої води.

2. Складовою частиною гідроморфологічної теорії руслового процесу є гідроморфологічний аналіз, до якого входить: виявлення морфологічних утворень в руслах і заплавах річок, отримання кількісних характеристик руслових та заплавних форм, їх деформацій, факторів, що визначають процес, а також виявлення зв’язків цих факторів з деформаціями річкових русел і заплав.

2. Зворотні та незворотні деформації, що безпосередньо спостерігаються в природних умовах в конкретний момент часу, переважно не супроводжуються змінами морфологічних характеристик річки в їх осередненій статистичній оцінці. Це свідчить про те, що ці деформації зворотні. Однак, поряд з цими зворотними деформаціями існують також, однонаправлені незворотні деформації, що протікають повільно і важко виявляються в природних умовах. В незворотних деформаціях виражається багатовіковий розвиток річки або пристосування її до поточних змін в природному середовищі.

Руслові та заплавні деформації є не від’ємною частиною переміщення наносів, які здійснюються їх перевідкладанням. Крім того, транспорт наносів не може бути здійсненим без річкових морфологічних перетворень.

Транспорт наносів необхідно розглядати, як зміст руслового процесу, а морфологічні перетворення, як його зовнішнє вираження. Тобто, природний потік має властивість в широких межах змінювати свою транспортуючу здатність в залежності від режиму кількості та складу наносів, що поступають у річку.

Стан річки при якому руслові та заплавні деформації знаходяться в повній відповідності з витратою наносів називається станом динамічної рівноваги.

3. Стосовно руслового процесу, дискретність – це його властивість утворювати цілісні неподільні елементи, що здатні групуватися в більш крупні. Кожна група дискретних утворень, що мають спільне утворення, подібні форми та розміри утворюють структурний рівень. В межах кожного структурного рівня існують притаманні йому форми утворень, закономірності їх переміщення, зв’язки між окремими елементами, а також формами і факторами, що їх визначають.

У гідроморфологічній теорії виділені такі структурні рівні:

1. Рівень окремої твердої частинки. На цьому рівні розглядаються питання гідравлічної крупності, стійкість донної частинки та поведінки завислої частинки в полі пульсуючих швидкостей. В основу аналізу закладаються гідродинамічні закони обтікання твердого тіла потоком.

2. Рівень мікроформ. Мікроформи – це невеликі піщані гряди, що мають повсюдне поширення в руслі, вони характеризують не загальну морфологічну будову русла, а шорсткість дна і відповідно витрати енергії потоку. Переміщення макроформ виражає витрати донних наносів. Розміри макроформ можна спів ставити з глибиною русла на ділянці їх поширення. Існування мікроформ пов’язана з турбулентністю потоку. Із зміною гідравлічних характеристик потоку майже одночасно відбувається перебудова поля окремих гряд, тобто форми та розміри гряд відповідають гідравлічним характеристикам потоку.

3. Рівень мезоформ. Мезоформи – це крупні грядоподібні накопичення наносів, які за їхніми розмірами можна спів ставити з шириною русла. Ці форми уже визначають морфологічну будову русла. Вивчення мезоформ, дає можливість виявити основні закономірності руслового процесу.

4. Рівень макроформ. На цьому рівні русловий процес отримує найбільш повне вираження. Він охоплює не тільки русло, але і її заплаву. Макроформи – це комплекс тісно взаємопов’язаних елементів русла різного порядку, що в цілому визначають зовнішній вигляд річки. Найбільш поширеним видом макроформи є річкова звивина, що складається з таких невід’ємних елементів, як перекати та плеса; увігнутий берег, що переважно розмивається або випуклий берег або пляж, що намивається. Схема макроформ річкового русла зображена на рис.1.

На рис.1: 1 – перекати; 2 – багатоводні ділянки русла; 3 – мілководні

ділянки русла; 4 – увігнутий берег, який розмивається і біля якого формуються найбільші глибини; 5 - пляж – випуклий берег, що омивається; 6 – плеса.

Рис.1. Схема макроформ річкового русла

Макроформа – це результат впливу на транспорт наносів великої кількості зовнішніх факторів, що знаходяться за межами ділянки річки, яка зайнята макроформою.

Для того, щоб пояснити чому на даній ділянці існує той чи інший тип макроформ, або чому на ділянці має місце звивина, або чому воно багато рукавне. Необхідно знати звідки поступають наноси, який їх гранулометричний склад, який режим надходження наносів.

5. Рівень морфологічно однорідної ділянки, тобто ділянки з одним типом макроформ чи закономірним чергуванням різних їх типів. Для пояснення причин існування таких ділянок, необхідно знати геологічну історії річкової долини, а також фактори, що обмежують річковий процес. Треба знати водний і льодовий режим в їх історичному розвитку та місця розташування джерел живлення річки наносами.

6. Структурний рівень і річка в цілому від витоку до гирла. В цьому випадку досліджуються загальні закономірності формування гідрографічної мережі та дається оцінка її ролі як основного рельєфоутворюючого фактора. Виділення структурних рівнів, які розглянуті в русловому процесі має першочергове значення для його визначення. Зокрема, виділення структурних рівнів дозволяє дати оцінку правомірності усереднення характеристик морфологічних елементів русла та заплави.

4. Основними факторами руслоутворення є стік води в річці, тобто її водний режим, стік наносів, обмежуючі фактори – такі як перевищення основної частини водозбору над базисом ерозії, місцеві базиси ерозії у вигляді відслонень не розмивних порід та інженерна діяльність людини, яка створює штучні базиси ерозії у вигляді гребеня та обмеження пропускної здатності русел та заплав через створення дамб.

При цьому водний потік, який підпорядкований гідрологічному режиму впливає на середовище, яке має свої властивості і своєю реакцією взаємодіє з потоком. Звідси випливає необхідність врахування впливу на русловий процес геоморфологічних факторів. Сам русловий процес за формами свого прояву є процесом геоморфологічним, тому що в ході його розвитку утворюються чітко виражені морфологічні елементи в руслах річок та на заплавах. При цьому формування рельєфу земної поверхні і його розвитку – це процес віковий, незворотний і здійснюється в масштабах геологічного часу. А русловий процес здійснюється в порівняно короткі строки і значно швидшими темпами. Він є зворотнім, оскільки зводиться до постійного відкладання наносів. Тому долини, по яких протікають сучасні річки, мають значно більш тривалу історію свого формування, ніж руслові та заплавні утворення, що створені сучасними річками.

Як відомо, сучасний клімат і як наслідок, сучасна водність річок та русловий процес встановились після закінчення скидання талих вод останнього зледеніння. Тривалість періоду від закінчення скидання флювіогляціальних вод останнього зледеніння до наших днів для східної Європи налічується приблизно 10 тис. років на широті Санкт-Петербурга, приблизно 20 тис. років на широті Москви та біля 40 тис. років на широті Києва.

Окремі спеціалісти в вважають, що річки на поверхні землі безперервно змінюючись під впливом різних факторів, все таки, не здатні зберігати загальний напрямок стоку протягом кількох різко відмінних між собою геологічних епох.

Сучасна гідрографічна мережа в основному була підготовлена потоками третинного часу, коли сформувалися долини сучасних річок. В цілому русловий процес річок за період після скидання флювіогляціальних вод суттєво не змінився. Загальним його фоном є стан динамічної рівноваги русла. На загально віковому фоні, в окремі періоди, мала місце одно направлена зміна деформацій річкових русел і заплав, яка пов’язана із природними ритмами водності. Відомий російський вчений Шнітніков встановив ритми водності тривалістю 1800 років. З них 1100 років триває зростання водності і 700 років – зниження водності.

Ця обставина зумовила необхідність виділення, крім незворотних та зворотних деформацій ще й умовно незворотні деформації - охоплюють морфологічно однорідні ділянки та мають більш чіткі і визначені форми свого прояву. Зворотні деформації в основному властиві окремо макро-, мікро- та мезоформам руслового процесу.