Геоморфология и палеогеография, 2021, T. 52, № 3, стр. 48-63

ВВЕДЕНИЕ

Русла рек, разветвленные на рукава (многорукавные), – самые сложные и многообразные морфологически, по режиму переформирований и возможностям регулирования при решении воднотранспортных и водохозяйственных задач. Тем не менее в литературе о разветвлениях существует большой терминологический разнобой: многорукавные русла, хотя это может быть всего два рукава; разветвленность русла и разветвленность потока (разделение его на ветви течения); осередки (отмели посередине русла, обсыхающие в межень), которые нередко называют островами, и ставится знак равенства между осередковыми и русловыми (островными) разветвлениями [1], в обоих случаях именуемых многорукавностью (но осередки разделяют лишь меженный поток на ветви течения – протоки; у островов, покрытых растительностью, ветви сохраняются при их затоплении в многоводную фазу режима); рукава (или протоки?), создающие собственно разветвления русла, и разветвления, возникающие на излучинах или при их спрямлении (новое русло и староречье); разветвления, созданные небольшими островами, возле которых ширина русла в пойменных бровках остается неизменной, и островами, поперечники которых превосходят ширину русла в несколько раз, а суммарная ширина обоих рукавов больше ширины русла перед узлом разветвления, и т.д. Часто один и тот же термин применяется для обозначения совершенно разных по морфологии и условиям формирования разветвлений или их элементов. Наглядный пример тому – применение понятий “рукав” и “протока”. Протоками называют и относительно маловодные извилистые водотоки, расчленяющие пойму большой реки на отдельные, разных размеров и конфигурации массивы (о-в Симан на Оби имеет длину 36 км при ширине русла 600 м), и протоки, огибающие в межень осередки (ответвления, по Н.И. Маккавееву [2], – еще один термин для их обозначения), и равноценные по водности и морфометрическим характеристикам рукава, разделенные островами. Эти разночтения нашли отражение в терминологическом словаре Д.А. Тимофеева [3]. С другой стороны, на картах (как предназначенных для водных путей, так и общегеографических) и в лоциях все рукава называются протоками, если они не имеют местные наименования (полои на Сев. Двине, шары на Печоре, воложки на Волге), а в ряде случаев рукава длиной в десятки и сотни километров – реками (Ахтуба на нижней Волге, Турунчук на Днестре, Малая, Горная и Большая Обь на нижней Оби), равно как и островами – небольшие острова в русле реки, и огромные пойменные массивы между основным руслом и пойменными протоками (упомянутый о-в Симан на р. Оби длиной 36 км).

Все это обусловлено при очень большом морфологическом многообразии разветвлений [4] их слабой изученностью вплоть до середины ХХ века. Она была связана с рядом причин. Сложные разветвления (именно многорукавность) – прерогатива больших и крупнейших рек, хотя уже размер рек создавал трудности постановки исследований. На них, с одной стороны, глубины и другие параметры русел из-за многоводности рек не создавали затруднений при их использовании как водных путей сообщения, а прокладка коммуникаций через реки была столь редка, что позволяла изыскивать обходные пути, где река собирается в едином неразветвленном русле. С другой стороны, в большинстве случаев такие реки протекают по слабо освоенным еще в недалеком прошлом и мало населенным территориям, вследствие чего создаваемая ими опасность была эпизодична или невелика по масштабам проявления. На сравнительно небольших реках разветвления, особенно сложные по морфологии и динамике, встречаются в предгорьях и во внутригорных котловинах. И хотя здесь они всегда характеризуются повышенной опасностью, но ограниченность распространения и вместе с тем большие технические трудности организации и проведения русловых исследований (но по другим причинам, чем на крупнейших реках – большие скорости течения, галечно-валунный аллювий) обеспечивают до сих пор их состояние “белых пятен” в познании руслового режима рек, и именно за их руслами закрепились определения “разбросанные” или “блуждающие”. Лишь в 1960–1980-е годы появились результаты первых серьезных исследований механизмов, условий формирования, морфологии, режима деформаций и регулирования разветвлений [5–7], приведшие к настоящему времени к созданию теоретических представлений о генезисе, морфодинамике и гидроморфологии разветвлений речных русел [8–11]. В то же время некоторые классификации русел и типизации русловых процессов продолжают сохранять выделение всего одной-двух типов разветвлений под общими названиями (в отличие от меандрирующих русел), не дающими возможности судить об их морфологии и режиме переформирований.

Задача настоящей статьи – на основе накопленных материалов исследований русловых процессов на разветвленных реках с конца 50-х годов ХХ века, их обобщения и новейших данных по рекам разных размеров, протекающих в разных условиях, с разной водоносностью, водным режимом и стоком наносов, в том числе получаемых с применением все более современных методов и аппаратуры (космических снимков, ГИС-технологий, допплеровских измерителей течений и т.д.), и развивая предлагаемые подходы к их типизации, обосновать усовершенствованную классификацию как разветвлений в рамках морфодинамической классификации речных русел МГУ [8, 10–12], так и составляющих их элементов (проток и рукавов, островов и островных массивов) с учетом развития их типов на разных структурных уровнях проявлений русловых процессов, установленных лишь в последнее время [12], и получения в ходе продолжающихся исследований новейших данных о морфодинамике разветвлений. Это неизбежно влечет за собой уточнение терминологии разветвлений, точнее приведение в соответствие с предлагаемой классификацией основных понятий – рукав, протока, ответвление; остров, осередок, островной массив и т.д., снабдив их необходимыми поясняющими определениями.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

В связи с отмеченными терминологическими разночтениями следует дать определения основным понятиям, которые в статье, как и в других работах авторов, применяются для характеристики разветвленных русел:

осередки – отмели посередине реки или отделенные от берегов протоками, представляющие собой повышенные части гряд – мезо- или макроформ рельефа речного русла, в межень обсыхающие и создающие осередковые разветвления;

острова – части суши на реке, покрытые растительностью, отделенные от берегов рукавами, вызывающие рассредоточение стока во все фазы водного режима и затопляемые в половодье или высокие паводки; пойменные (аккумулятивные) острова образуются при зарастании осередков, цокольные острова – то же, но на выступах посередине реки коренных пород (если растительность отсутствует, то такие выступы называют огрудками); при врезании реки они превращаются в незатопляемые коренные острова; при затоплении в многоводный период (половодье, паводок) разделение потока на ветви течения сохраняется благодаря растительности (кустарниковой, лесной, луговой) и большей высотой по сравнению с осередками или огрудками, а на поверхности островов происходит аккумуляция наносов, создающих пойменную фацию аллювия; образование островов приводит к формированию русловой (островной) разветвленности русел;

протоки – по Н.И. Маккавееву [2, c. 309], “разветвления, длина которых близка к длине изгиба меженного русла реки (т.е. к длине периметра побочня переката) … Разделяются … низкими, обычно лишенными растительности осередками” – осередковая разветвленность;

рукава – “разветвления, длина которых составляет величины одного порядка с длиной излучины весеннего русла. … Разделены островами, затопляемыми только в высокое половодье и покрытыми растительностью” [2, с. 309]; являются элементами русловых (островных) разветвлений (русловой многорукавности);

пойменные протоки – маловодные по отношению к руслу реки ответвления, расчленяющие пойму на отдельные островные массивы и создающие пойменную многорукавность.

Под разветвлениями при этом понимается широкий спектр разделений потока на ветви течения, проявляющихся в рельефе русла на уровне грядовых образований (осередков) как форм перемещения наносов, в структуре (морфологии) самого русла – морфодинамическом его типе, в виде единичных форм и морфологически однородных участков, в образовании разветвлений 2–3-го порядков в рукавах самих разветвлений, на излучинах русла и в прямолинейном неразветвленном русле. Это обусловливает необходимость уточнения терминов, определяющих каждый тип или разновидность разветвлений.

СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ К КЛАССИФИКАЦИИ РАЗВЕТВЛЕНИЙ

Обзор и анализ отечественных классификаций разветвлений содержится в ряде публикаций [9, 10, 13, 14]. И хотя практически во всех отмечается морфологическое многообразие разветвлений и специфичность подходов к управлению русловыми процессами при решении водохозяйственных и воднопутевых задач [5, 6, 15–18], это многообразие нашло отражение только в морфодинамической классификации русел МГУ [4]. В ней оно рассматривается на всех структурных уровнях развития русловых процессов, в формировании морфологически однородных участков и единичных форм разветвлений, в том числе в рукавах разветвлений, на излучинах и в прямолинейном неразветвленном русле, где они представляют собой образования 2–3-го порядков, пойменной и дельтовой многорукавности, и ветвях течения, огибающих отмели (осередки) посередине рек. Всего выделено 25 типов разветвлений, разделенных по 5 уровням их формирования; наибольшее число разветвлений – на островном (русловом) уровне (11, создающих морфологически однородные участки, и 4, встречающиеся в виде единичных форм), причем для каждого типа даны принципиальные схемы их регулирования. В широко распространенной классификации ГГИ [1], классификации Н.А. Ржаницына [19] и некоторых других выделено всего две разновидности разветвленных русел: например, по ГГИ – осередковая или русловая многорукавность и пойменная многорукавность.

Анализ большинства существующих зарубежных классификаций показал, что они основываются исключительно на очертаниях русел в плане. На этот недостаток указано в аналитическом обобщении [20], в котором подчеркнута необходимость учитывать и другие характеристики разветвлений, но отмечено, что в разветвленных руслах трудно поддаются количественной оценке темпы русловых деформаций и существуют сложности получения морфометрических характеристик, сильно варьирующих в зависимости от водности рек. Решению этой проблемы посвящены разработки автоматизированных систем оценки деформаций [21], в том числе с использованием индексов плановых (горизонтальных) переформирований ИПП, технологий дистанционного зондирования и ГИС.

В последние годы был предложен ряд классификационных схем, существенно изменивших, подобно отечественным работам, представления о разнообразии морфодинамических типов разветвленных русел и их географическом распространении. Впервые в зарубежной литературе были выделены и обоснованы русловая и пойменная многорукавность (“anabranching”, “anastomosing” в англоязычной терминологии) [20, 22], выявлены их морфодинамические отличия от разветвленности, соответствующей формам руслового рельефа (“braided channel”) – осередковой. Показано, что многорукавные русла (“anabranching channels”) доминируют на всех крупнейших реках (с расходом воды более 17 000 м³/с), за исключением р. Миссисипи [23] (на реках России таковыми исключениями являются средняя Обь и нижний Иртыш). Указывалось, что морфодинамические типы русел этих рек вообще отличаются от традиционно рассматриваемых в литературе, что характерно и для отечественных исследований.

Наибольшую известность в англоязычной литературе в последние годы получили морфодинамическая классификация A.D. Knighton и G.C. Nanson [24] и гидролого-морфологическая классификация B. Eaton и др. [25]. В основе первой лежит положение о существовании разветвленных русел двух основных категорий: “braided” и “anabranching”. Разветвленное русло “braided” – это русло, разделенное осередками, находящимися в пойменных бровках (соответствует осередковым разветвлениям). Разветвленное русло «anabranching» состоит из большого количества рукавов, разделенных островами, размеры которых превосходят размеры самих рукавов. Среди них выделяется 6 типов: 1) Cohesive-sediment anabranching rivers (anastomosing rivers) – многорукавные русла в связных группах, отличающиеся малыми уклонами, малой мощностью, относительной стабильностью и низкими значениями показателей b_p/h (b_p – ширина русла, h – глубина); развитие русел таких рек происходит при отложении наносов; 2) Sand-dominated, island-forming rivers – русловая многорукавность песчаных русел; стабильность разветвлений обусловлена малой мощностью потока и распространением растительности по берегам, что препятствует их размывам; 3) Mixed-load, laterally active anabranching rivers – блуждающие разветвленные русла, с меандрирующими рукавами, характеризующиеся поперечным смещением в пределах пойменного сегмента; 4) Sand-dominated, ridge-forming anabranching rivers – разветвленные русла с песчаным аллювием и развитыми аллювиальными формами, характерны для рек аридных регионов, отличаются субпараллельным положением рукавов, разделенных узкими, обрывистыми песчаными грядами, вершины которых закреплены растительностью; формирование таких гряд связано либо с появлением растительности посередине русла (зарастание осередков), либо с отделением пойменного сегмента (прорванные излучины); 5) Gravel-dominated, laterally anabranching rivers – галечно-валунные и гравийные блуждающие разветвленные русла, обычные для рек горных регионов; под термином “wandering” понимается переходный тип между меандрирующими и разветвленными руслами; эти реки отличаются высокой мощностью потока, достаточной для значительных переформирований (в классификации МГУ они соответствуют полугорным и горным рекам с развитыми аллювиальными формами); образование островов связано с массовой остановкой материала при переходе от гор к равнинам [20, 23]; 6) Gravel-dominated, stable anabranching rivers – галечно-валунные устойчивые русла – небольшая группа рек с большими уклонами; острова сложены грубообломочным материалом; новые рукава формируются в основном в результате образования древесных заломов и аккумуляции наносов. Для этой классификации характерны использование неоднородных морфологических признаков и отсутствие четких типологических параметров.

Классификация B. Eaton и др. [25] развивает известные построения, принятые для дифференциации русел по гидролого-морфологическим зависимостям и QI-диаграммам [20]. Пороговые значения определяют границы между неразветвленными (прямолинейными и меандрирующими) и многорукавными (разветвленными) руслами. Вторая граница проходит между стабильными разветвленными руслами “anabranching channels” и нестабильными разветвлениями – осередковой разветвленностью “braided channels”. Сами зависимости и их пороговые значения аналогичны зависимостям, предложенным еще в середине ХХ века [26]. Разветвленные русла разных типов группируются в разных областях QI-диаграммы.

Приведенный анализ показывает ограниченность зарубежных классификаций, отсутствие в них морфодинамического подхода и, как следствие, невозможность применить к оценке сложных разветвлений, их многообразия, эволюции и трансформации при изменении природных факторов и антропогенных воздействиях (относительно последнего – кроме [25]); в ряде классификаций, в том числе отечественных [19], принят подход, не позволяющий проводить сопоставления с другими подходами, в том числе из-за разноплановости признаков, по которым происходит выделение типов разветвлений.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗВЕТВЛЕНИЙ

В соответствии с представлениями о дискретности русловых процессов [1, 9] формирование разветвлений русла рассматривается на нескольких структурных уровнях [12]. Точечные разветвления [21] проявляются только в межень, когда образующие их формы обсыхают, будучи связанными с крупными наносами (валунами, глыбами) или грядовыми ультрамикро- и микроформами руслового рельефа на мелководьях. В многоводные фазы водного режима этот вид разветвленности утрачивается, а образующие его валуны или гряды слагают формы движения влекомых наносов, первые – на горных галечно-валунных реках, вторые (микро- и ультрамикроформы руслового рельефа) – по периферии прирусловых отмелей на равнинных реках.

Осередковые разветвления [1] связаны с грядовым движением наносов, представляя собой протоки меженного русла, разделенные обсыхающими осередками (рис. 1а). В многоводные фазы режима они, оказываясь под воздействием потока, перестают разделять поток на ветви течения, смещаются, составляя макроформы грядового движения наносов. Осередки могут быть [27]: 1) элементарными (простыми), представляющими собой высокие части одиночных больших гряд – макроформ, занимающими от 1/5 до 1/10 ширины русла; 2) большими (сложными) состоящими из нескольких надвинувшихся друг на друга гряд – макроформ, шаг которых сопоставим с шириной русла или рукава, в котором они сформировались; 3) побочнями, отделенными от берегов побочневыми протоками; 4) косами в ухвостьях островов, отчлененными от них протокам, вследствие разницы в уровнях воды в рукавах.

Рис. 1.

Осередок ((а) – средняя Лена, выше г. Якутска) и острова разных типов: (б) – элементарный (верхняя Обь, Акутихинское разветвление), (в) – малый (средняя Лена, “разбой Рассолода”), (г) – средний (средняя Лена, о-в Пономарев), (д) – большой (нижняя Обь, о-в Сухоруковский), (е) – островной массив (средняя Лена, выше Кангаласского камня) [30, с изменениями и дополнениями], (космоснимки).

Русловые (островные) разветвления наиболее многочисленны и разнообразны по морфологии и переформированиям, определяют морфодинамический тип русла, связаны с образованием в русле островов, разделяющих реки на ветви течения даже во время максимального их затопления и представляющих собой важный элемент консервации руслообразующих наносов. Выделяются элементарные острова (рис. 1б), формирующиеся при зарастании осередков, сохраняющие их форму и размеры (на верхней Оби их длина и ширина от нескольких десятков до сотен метров, на средней Лене – до 1–2 км при ширине русла, соответственно, до 2.5 и 5–7 км); малые острова (рис. 1в), возникающие при объединении 2–3 элементарных; преобладающие их размеры на больших реках – сотни метров (реже первые километры) в длину и 200–300 м в ширину при средней суммарной ширине русла вместе с островами – 3–5 км; средние острова (рис. 1г), образующиеся как несколькими объединившимися малых или элементарных, а также вследствие причленения к ним побочней со стороны рукавов или к оголовкам, и кос в ухвостьях при частичном, обычно с оголовков, размыве; их размеры сопоставимы с размерами русла, имея на больших реках – верхней Оби и средней Лене – 3–5 км в длину и 1–1.5 км в ширину при суммарной ширине русла соответственно 3–4 и 7–8 км; большие острова (рис. 1д), представляющие собой несколько объединившихся малых и средних при обсыхании и зарастании разделяющих их проток; это – наиболее крупные формы в русловых разветвлениях, квазистабильные, подверженные лишь частичным переформированиям в течение многих десятилетий и даже столетий. В ширину они достигают на средней Лене 3–5 км при длине до 10–12 км.

В процессе эволюции (причленения и зарастания побочней) развития кос в ухвостьях и объединения острова приобретают все большие размеры, сохраняя соотношение длины и ширины L_o/B_o = 3–4, соответствующее минимуму гидравлических сопротивлений [28, 29]. Со временем они образуют островные массивы (рис. 1е) сложной конфигурации и с размерами, превосходящими ширину русла [30], создавая уже более высокие уровни разветвленности.

Пойменно-русловые разветвления связаны с островными массивами, причем каждый рукав имеет свой морфодинамический тип русла, представленный несколькими излучинами, русловыми разветвлениями и прямолинейными, неразветвленными участками или их чередованием по длине рукавов. Они формируются: а) на реках с меандрирующим руслом (Ока, Вычегда, средняя Обь между устьями Томи и Ваха) там, где их русла по диагонали пересекают пойму, перемещаясь от одного борта долины к другому, при глубоком затоплении поймы в многоводную фазу режима (рис. 2а); б) на реках с разветвленным руслом (Сев. Двина, Печора, Обь, Киренга); связаны они с образованием больших островов также на перевале реки от одного борта долины к другому (рис. 2б); в) ниже выступов и мысов коренных берегов (верхняя и нижняя Обь, Лена между устьями Алдана и Вилюя, нижняя Волга), оказывающих на поток направляющее воздействие, и поворотов долины реки (рис. 2в); г) в узлах слияния больших рек (Амуро-Уссурийский узел; Обь и Томь), в которых один из рукавов, первый соединяющийся с притоком, характеризуется при различном сочетании уровней воды на главной реке и притоке переменным направлением течения то в одну, то в другую сторону (рис. 2г); д) сложные трех-, четырехрукавные с развитыми, крутыми или прорванными излучинами (рис. 2д); эта разновидность разветвлений описана совсем недавно [12], и их генезис еще не установлен; е) вследствие размыва перешейка между руслом (в том числе рукава раздвоенного русла) и пойменной протокой (средняя Обь, левый рукав раздвоенного русла нижней Оби – Малая Обь, Енисей между Майнским гидроузлом и Красноярским водохранилищем) и увеличения водности последней из-за отвлечения в них части стока, иногда значительной, из основного русла и превращения их в рукава реки (рис. 2е); ж) при образовании прорванных излучин или спрямлении двух-трех смежных излучин (средняя и нижняя Обь) и рассредоточении стока между старым руслом, превратившимся в рукав, и спрямляющим рукавом, русло которого меандрирует или, в свою очередь, разветвляется (рис. 2ж). Иногда, в трех-, четырехрукавных пойменно-русловых разветвлениях возникают комбинации рукавов, имеющих различный генезис. Например, на верхней Оби ниже Тарадановской вписанной излучины трехрукавное пойменно-русловое разветвление сформировалось ниже вогнутого правого коренного берега, причем левый рукав представляет бывшую пойменную протоку, между которой и современным центральным рукавом через узкий перешеек во время половодья образовался проран; каждый из рукавов состоит из чередования прямолинейных отрезков, пологих сегментных излучин и одиночных разветвлений (рис. 2з).

Рис. 2.

Пойменно-русловые разветвления: (а) – на реке с меандрирующим руслом (р. Вычегда, Иртовско-Ленское разветвление), (б) – на реке с разветвленным руслом (р. Печора), (в) – ниже выступов коренных ведущих берегов или изгибов возле них долины (нижняя Обь, Алешкинское разветвление), (г) – в узле слияния рек (Обь–Томь), (д) – сложное трехрукавное с развитыми, крутыми и прорванными излучинами рукавов (средняя Обь, Сытоминско–Салманское разветвление), (е) – образовавшееся при размыве перешейка между основным руслом и пойменной протокой (нижняя Обь – Лапорское разветвление Малой Оби), (ж) – следствие спрямления излучин – прорванная излучина (средняя Обь, Нижневартовское разветвление), (з) – трехрукавное с рукавами разного генезиса (верхняя Обь, ниже Тарадановской излучины). 1 – коренные берега; 2 – пойма; 3 – прирусловые отмели; 4 – проран в пойменном перешейке.

Пойменный уровень разветвлений свойственен только широкопойменному руслу. В раздвоенном русле река протекает двумя (на нижней Оби местами до четырех) самостоятельными рукавами длиной на больших и крупнейших реках до нескольких десятков и даже сотен километров. Между ними находятся обширные пойменные массивы (межрукавья, по [31]), расчлененные пойменными протоками. Разновидности раздвоенных русел: а) на крупнейших реках (средняя и нижняя Обь, нижний Амур) при соотношении В_п/b_p > 10 (B_п – ширина поймы, b_p – русла), количество рукавов раздвоенного русла – от 2 до 4 при соотношении водности рукавов 1 : 1 до 1 : 3, что создает условия для развития пойменной многорукавности, обеспечивающей гидравлическую связь между рукавами при условии прохождения руслоформирующего расхода воды Q_ф при глубоко и на длительный срок затопляемой пойме (рис. 3а); б) “реликтовые”, являющиеся отражением заполнения наносами ингрессионных заливов – бывших дельт выполнения (Волга–Ахтуба, Днестр–Турунчук), причем в зависимости от условий прохождения Q_ф рукава могут иметь или не иметь соединений по пойменным протокам (рис. 3б); в) в условиях направленной аккумуляции наносов на малых и средних реках: Чарыш [31], Туул [32], Аргунь [33] (рис. 3в); г) пойменные проточно-озерные разветвления (Янцзы, Терек) [10] (рис. 3г); д) образующие “внутренние дельты” (Нигер) [34].

Рис. 3.

Раздвоенные русла: (а) – на крупнейшей реке (нижняя Обь), (б) – реликтовое (Днестр–Турунчук), (в) – на малой реке (р. Туул, Монголия) [32], (г) – пойменное проточно-озерное (р. Янцзы, Китай).

1 – основные рукава раздвоенного русла; 2 – пойменные протоки; 3 – коренные берега; 4 – пойма; 5 – озера.

На этом же уровне формируются дельтовые разветвления в устьях рек и разветвления на конусах выноса рек, выходящих в предгорья (подгорные наклонные равнины) и во внутригорные котловины, в том числе образующие “слепые” устья.

Своеобразные раздвоенные русла возникают при слиянии рек (левый рукав нижней Оби – Малая Обь и Сев. Сосьва, Обь – Кеть), где приток соединяется с относительно коротким рукавом или пойменными протоками главной реки; по ним во время половодья на притоке может возникать противотечение в главную реку. Размыв поймы между руслом реки или основным его рукавом и притоком – малой рекой (на Оби – р. Уень), выходящей на пойму главной большой реки и протекающей в тыловой ее части, приводит иногда к тому, что нижняя часть притока становится рукавом главной реки, образовавшим раздвоенное русло (в приведенном примере на Оби до 30% расхода воды забирает бывший небольшой приток, превратившийся в рукав раздвоенного русла – протоку Симан). Аналогичная ситуация создалась при слиянии Оби с р. Кетью [35].

Пойменная многорукавность – расчленение поймы пойменными протоками, представляющими объединившиеся между собой бывшие староречья, образовавшимися при спрямлении излучин или на месте бывших рукавов при причленении островов к пойме. Отшнуровавшиеся от русла рукава полностью отмирают не все, если руслоформирующий расход проходит при затопленной пойме и вдоль них концентрируется пойменный поток, обеспечивая их функционирование [10].

МОРФОДИНАМИЧЕСКИЕ ТИПЫ РУСЛОВЫХ (ОСТРОВНЫХ) РАЗВЕТВЛЕНИЙ

Развитие разветвлений на разных структурных уровнях определяет очень большую сложность морфологического строения, рассредоточения стока, режима деформаций, изменений транспортирующей способности потока и аккумуляции наносов. При этом русловые (правильно называть – островные) разветвления представляют собой основной уровень разветвлений, который определяет морфодинамический тип русла, рукавов пойменно-русловых разветвлений и раздвоенных русел и условия управления русловыми процессами. Русловые (островные) разветвления составляют морфологически однородные участки или одиночные формы, образованные отдельными островами как на реке, так и в рукавах раздвоенного русла, разветвления 2–3-го порядков в прямолинейном русле, на излучинах русла и в рукавах русловых разветвлений в их истоках как следствие снижения транспортирующей способности из-за рассредоточения стока и при слиянии рукавов. Но развитие форм русла на реке в целом или в рукавах разветвлений более высокого уровня отражается в морфологических, морфометрических и динамических характеристиках и, соответственно, в русловом режиме рек, поскольку все параметры русел (π) зависят от водности (Q) реки и рукавов, стока наносов (W), т.е. π = f (Q, W). Поэтому и морфодинамические типы русла, рукавов раздвоенного русла и пойменно-русловых разветвлений могут быть различными, а если и совпадают, то отличаются по размерам, конфигурации и, соответственно, структуре потока и направленности деформаций.

Морфодинамические типы разветвленных русел, составляющих русловой (островной) уровень разветвленности, достаточно широко освещены в литературе [2, 4, 7, 9–13]. Поэтому можно ограничиться их перечислением, или привести лишь дополнительные характеристики и дать некоторые терминологические уточнения.

При характеристике разветвлений того или иного морфодинамического типа важны размеры, морфология и количество образующих их островов [30], их положение в русле и друг по отношению к другу. Элементарные острова вследствие русловых переформирований либо объединяются, создавая малые, а затем при их объединении – средние и большие острова, которые сохраняют оптимальное соотношение L_o/В_о = 3–4 [28, 29] или, подвергаясь частичному размыву при одновременном причленении к ним с оголовка и в рукавах побочней и кос в ухвостьях, обмелении и зарастании межостровных проток, приобретают удлиненную (L_o/B_o ≫ 5) или квазиовальную (L_o/B_o ≪ 5) форму. Острова разделяют русло на рукава, либо встречаются в виде единичных форм или группами в зонах замедления течения и устойчивой аккумуляции наносов. В этих условиях при направленном горизонтальном смещении русла возникают пойменные островные массивы, являющиеся уже следствием объединения островов разных размеров, отмирания рукавов между ними и превращения рукавов в пойменные ответвления. В случае раздвоенных русел пойму между их рукавами В.Г. Смирнова [31] предложила называть межрукавьями, которые при развитой пойменной многорукавности состоят из множества островных массивов.

Среди русловых (островных) разветвлений выделяются шесть их разновидностей:

А) одиночные: 1) простые, образованные элементарными, малыми, средними или большими островами; 2) сложные, образованные группами из двух-трех элементарных или малых, реже средних и еще реже больших островов; 3) веерного типа (“голова утки” по китайской терминологии [34]), в которых три-четыре рукава в одном поперечнике характеризуются все более крутыми изгибами от одного берега к другому. Они представлены единичными формами, разделяющими протяженные участки прямолинейного неразветвленного русла, формами второго порядка в русловых разветвлениях или, чередуясь с относительно короткими прямолинейными отрезками, образуют морфологически однородные участки. Этот тип разветвлений подробно описан в [4];

Б) прибрежные (рис. 4): 1) односторонние; 2) чередующиеся односторонние; 3) на крыльях или в привершинных частях излучин; 4) двусторонние (образованные цепочками островов, вытянутыми вдоль обоих берегов). Эти разветвления отличаются наличием одного постоянно (во все фазы водного режима) многоводного рукава, тогда как остальные, находящиеся за островами, маловодны, могут пересыхать в межень, т.е. являются всегда второстепенными. Иногда функционирование таких рукавов поддерживается ледовыми заторами, когда поток половодья частично направляется в них, обходя ледовую “плотину”. Образующие их острова, как правило, средние и большие, часто это – несколько островов, особенно в чередующихся разветвлениях;

Рис. 4.

Прибрежные разветвления: (а) – односторонние (верхняя Обь), (б) – чередующиеся односторонние (средняя Лена, ниже Кангаласского камня), (в) – на излучинах русла (нижняя Обь, Малая Обь у с. Теги), (г) – двусторонние (верхняя Обь, выше устья Чарыша).

В) сопряженные: 1) простые, образованные малыми и средними островами, вытянутыми цепочкой посередине реки; развитие рукавов в них происходит по правилу “восьмерки” [5, 10]; 2) сложные, представленные группами островов, по протокам между которыми осуществляется гидравлическая связь между рукавами и происходит перераспределение стока; 3) сдвинутые, в которых ухвостье верхнего острова спускается ниже оголовка нижнего острова (разветвления этого типа, их морфология и режим переформирований получили особенно широкое освещение в русловедческой литературе из-за применения правила “восьмерки” при проектировании водных путей [4, 5, 7, 8, 10, 13, 15, 16]);

Г) “дельтовые”, формирующиеся при слиянии рек или рукавов раздвоенного русла в условиях переменного подпора; обычно они представлены малыми, средними и большими островами, создающими “дельты” выдвижения одной из рек (рукава) в общую акваторию, “дельты выполнения” приустьевого расширения русел одной или обеих сливающихся рек (рукавов раздвоенного русла) или комбинацией обеих разновидностей [10, 35];

Д) параллельно-рукавные, в которых поток разделяется по двум равнозначным по водности рукавам, разделенным цепочкой элементарных и малых островов, а местами осередков (в слабо- или неустойчивом русле) или большими островами (относительно устойчивое русло), вытянутыми посередине реки. Это – наименее изученный тип разветвлений, несмотря на имеющиеся специальные публикации [36, 37], и в то же время наиболее сложный и разнообразный по морфологии, режиму деформаций и условиям формирования. Параллельно-рукавные разветвления свойственны в основном большим и крупнейшим рекам, имеющим большую ширину русел (и наибольшее значение критерия квазиоднородности потока И.Ф. Карасева [38] $\theta = \frac{{{{b}_{р}}}}{h}\sqrt \lambda $ , где b_р – ширина, h – глубина русла, λ = $\frac{{2g}}{{{{C}^{2}}}}$ – коэффициент гидравлических сопротивлений, С – коэффициент Шези), вследствие чего в потоке возникают две стрежневые зоны, между которыми посередине реки, где скорости относительно понижены, аккумулируются наносы и формируется цепочка островов и осередков. Особенно характерны они для слабо- или неустойчивых русел при отсутствии влияния на поток коренных берегов, прохождении руслоформирующего расхода в условиях затопленной поймы и ее сравнительно небольшой ширине (В_р = 2–4b_p). На реках с врезанным руслом параллельно-рукавные разветвления аналогичны по морфологии и режиму деформаций широкопойменным, отличаясь большими размерами и удлиненностью больших островов, но встречаются в скальных устойчивых руслах со скульптурными и скульптурно-аккумулятивными островами и галечно-валунными руслообразующими наносами (Ангара). По русловому режиму параллельно-рукавные разветвления индивидуальны практически на каждой реке. Поэтому для них не существуют универсальные подходы к управлению русловыми процессами, и методы и приемы регулирования русел разрабатываются с учетом их особенностей;

Е) разбросанные, представляющие собой сборную разновидность очень разнообразных и практически неизученных морфологически и по режиму деформаций сложно разветвленных русел, чаще всего встречающихся в переходных условиях от гор к равнине и во внутригорных котловинах при резком уменьшении уклонов и изменении формы транспорта руслообразующих наносов.

В зависимости от устойчивости русла, условий прохождения руслоформирующих расходов воды, наличия или отсутствия коренных ведущих берегов, рассредоточения стока наносов и расположения по отношению к местным источникам их поступления рукава русловых разветвлений могут образовывать разветвления 2–3-го порядка. Размеры образующих их островов (или группы островов) зависят от водности рукавов, создавая в них или одиночные разветвления, приуроченные к узлам разветвления или слияния основных рукавов, сопряженные системы из двух-трех звеньев, прибрежные односторонние, чередующиеся односторонние и двусторонние разветвления с островами (группой островов) возле большого острова, образующего основное разветвление. В результате создается сложная картина общей многорукавности реки, особенно если учесть одновременное развитие более высоких уровней разветвленности, пойменных проток (ответвлений), осередковых разветвлений, в которой выделение основных рукавов возможно только при выполнении руслового анализа, что имеет принципиальное значение при решении вопросов управления русловыми процессами.

В разветвлении любого морфодинамического типа острова являются причиной не только разделения потока на ветви течения, но и изгибов его динамических осей. В прямолинейном неразветвленном русле осередковая разветвленность в межень вызывает образование извилин динамической оси потока [2], вследствие чего в протоках, огибающих осередки, она подходит к берегу под углом, вызывая сжатие потока и активизацию размыва берегов, очертания которых в плане приобретают вогнутую форму, русло расширяется, способствуя стабилизации осередков и создавая условия для их превращения в острова. В разветвленных руслах рукава, огибая острова, образуют пологие и развитые излучины, развиваются по законам меандрирования, а параметры излучин определяются водностью самих рукавов. Меандрирование – характерный процесс переформирований рукавов пойменно-русловых разветвлений и рукавов раздвоенных русел, в которых параметры излучин зависят от водности рукавов π = $f({{Q}_{{{\text{рук\;}}}}})$. Таким образом, меандрирование проявляется на всех структурных уровнях и в разветвлениях любого типа: извилины динамической оси потока возле осередков в относительно прямолинейном русле → пологие излучины в одиночных или звеньях других типов русловых (островных) разветвлений → меандрирование рукавов пойменно-русловых разветвлений и разбросанных русел. Излучины больших рек осложнены разветвлениями, вследствие чего поток рассредоточивается по рукавам, особенно в многоводную фазу режима, образуются прорванные формы, в которых спрямляющие рукава или, наоборот, староречья забирают до 25–30% расхода воды.

Структура потока в разветвлениях любого морфодинамического типа (распределение скоростей, циркуляционные течения) аналогична таковой на излучинах, вследствие чего процесс меандрирования рукавов служит основным механизмом развития разветвленного русла. На это накладывается снижение транспортирующей способности в узлах разделения потока по рукавам, ее рост в рукавах в связи с неравномерным распределением скоростей на изгибах при обтекании островов и гидравлических явлений (подпор–спад) в узлах слияния рукавов [10, 11].

Параметры излучин рукавов и скорости размыва берегов в них определяются водностью самих рукавов. Характерной формой проявления процессов меандрирования в развитии разветвлений является искривление русла одного из рукавов до достижения им критического значения степени развитости l/L = 1.4–1.7 (l – длина русла, L – шаг излучины) [2, 10]. Это приводит к перераспределению стока между рукавами и вызывает переформирования в смежных узлах разветвления. При определенных условиях одиночные разветвления приобретают сложную конфигурацию, вплоть до образования веерной формы, при которой функционируют одновременно и спрямляющий рукав, и изогнутые два-три рукава, образующие крутые сегментные излучины, расходящихся веером от узла разветвлений и сходящиеся при слиянии рукавов. Формирование прорванных излучин, приводящее к образованию пойменно-русловых разветвлений, представляет собой один из путей эволюции излучин, после спрямления которых устойчиво сохраняются старое изогнутое русло и новое, его спрямляющее.

В ходе эволюции разветвлений, в связи с естественными изменениями водности, различных других природных факторов и под влиянием антропогенных воздействий происходят определенные трансформации разветвлений [39]. Временнáя трансформация разветвлений при изменении определяющих природных факторов и антропогенных воздействиях осуществляется следующими путями [41]: 1) при увеличении водности: развитые и крутые излучины → прорванные излучины; сопряженные разветвления → параллельно-рукавные разветвления; прямолинейные неразветвленные русла → одиночные, сопряженные, параллельно-рукавные разветвления; чередующиеся односторонние разветвления → сопряженные разветвления; при сохранении извилистого русла → усложнение излучин вследствие образования островов у выпуклых берегов на крыльях излучин и в их привершинных частях; 2) при снижении стока воды – последовательность преобразований обратная; 3) увеличение стока наносов и их аккумуляция: усложнение разветвлений или их образование в бывшем неразветвленном русле → превращение осередковой разветвленности в русловую; развитые и крутые излучины → прорванные излучины; 4) в нижних бьефах гидроузлов: вследствие врезания рек – разветвление любого типа → прямолинейное неразветввленное русло; сопряженные разветвления → пологие сегментные излучины; прорванные излучины → развитые и крутые излучины при отмирании старых русел; вследствие аккумуляции наносов ниже зоны размыва русла – увеличение степени разветвленности или образование односторонних, одиночных или сопряженных разветвлений (промежуточный этап – осередковые разветвления); 5) выше водохранилищ: развитые и крутые излучины → прорванные излучины; прямолинейное неразветвленное или слабоизвилистое русло → разветвления разного типа; восстановление стока в староречьях и образование прорванных излучин; 6) дноуглубительные и выправительные работы: разветвления любого типа → прямолинейное неразветвленное русло; сопряженные разветвления → одиночные или односторонние разветвления; расчленение морфологически однородных участков на более короткие, разделенные более простыми по морфологии разветвлениями, сужение пояса активных русловых деформаций и, соответственно, суммарной ширины разветвленного русла.

ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУСЛОВЫХ (ОСТРОВНЫХ) РАЗВЕТВЛЕНИЙ

Каждый морфодинамический тип русла характеризуется своими значениями количественных морфологических и динамических критериев и гидролого-морфологическими и морфометрическими соотношениями. В качестве основных параметров приняты показатель степени разветвленности русла n_o/х (n_o – количество островов на единицу длины русла х) и критерий квазиоднородности потока И.Ф. Карасева Θ [38]. Величина последнего закономерно изменяется по морфодинамическим типам русла в направлении их усложнения: сопряженные → пойменно-русловые → сложные одиночные → прибрежные → параллельно-рукавные. При этом для разветвлений Θ находится в пределах 30–60 ед., но его конкретные величины зависят от устойчивости русла, возрастая по мере снижения показателей устойчивости [40]. Это коррелирует с обратной зависимостью показателя разветвленности n_o/х и относительного размера островов L_o/В_о (здесь L_o – длина, В_о – ширина острова) от устойчивости русла К_с: n_o/x = f (К_с)^–m и L_o/B_o = f (К_с)^–m. При этом соотношение между L_o и В_о четко дифференцируется по типам русловых разветвлений: у параллельно-рукавных разветвлений на верхней Оби В_о = 0.19L_o + 1.05, на средней Лене В_о = = 0.34L_o + 4.8, у чередующихся односторонних разветвлений на верхней Оби В_о = 0.34L_o + 122.11, у односторонних и сложных одиночных разветвлений В_о = 0.32L_o + 85.9 на верхней Оби и для этих двух типов русла на средней Лене В_о = = 0.5L_o – 604.2. Аналогичные соотношения были получены для Сев. Двины, Вычегды, Мезени и Печоры, для которых они четко дифференцировались по типам разветвлений, характеризуясь наибольшим значением L_о/B_о у параллельно-рукавных разветвлений (на Печоре – 8.1, на Северной Двине – 5.7), т.е. острова имеют более вытянутую в длину форму по сравнению с островами, образующими разветвления других типов. При вводе поправочного коэффициента а = 6.5 (cотношение размеров верхней Оби и средней Лены по водности и по ширине русла) обе зависимости n_о/x = f (К_с)^–m и L_o/Bo = f (К_с)^–m становятся едиными для всех рек с разветвленным руслом (рис. 5) [30].

Рис. 5.

Зависимости степени разветвленности русла n_o/х (а) и их относительной длины L_о/В_о (б) от устойчивости русла K_с для верхней Оби (1) и средней Лены (2) и объединенные для обеих рек с учетом поправочного коэффициента на размер реки (в, г).

Аналогичные зависимости были получены для осередковых разветвлений [27], но они соответствуют рассредоточению стока только на спаде половодья (паводков) и в межень. Относительная ширина островов В_о/b_р (b_p – ширина русла выше узла разветвления) зависит от удельного среднемаксимального расхода воды ${{q}_{{{\text{макс}}}}} = \frac{{{{Q}_{{{\text{ср}}{\text{.макс}}}}}}}{{{{b}_{{\text{р}}}}}}$: $\frac{{{{B}_{о}}}}{{{{b}_{р}}}} \pm k{{q}_{{{\text{макс}}}}}$, в которой коэффициент k закономерно увеличивается от сопряженных разветвлений на реках севера ЕТР, и в обратном порядке – от сопряженных к параллельно-рукавным на средней и нижней Лене, что связано с различиями в размерах рек, их водном режиме, общих условиях формирования. Также неодинаковы в разветвлениях разного типа соотношения параметров рукавов различной водности с направленностью изменений зависимости ширины рукавов от руслоформирующего расхода воды в них: ${{b}_{{{\text{ру}}{{{\text{к}}}_{{\text{ф}}}}}}}$ = = $k{{Q}_{{{{{\text{ф}}}_{{{\text{рук}}}}}}}} + \alpha $, где индекс ф_рук означает, что руслоформирующий расход воды в реке приведен к рукавам [41]. Значение коэффициента k в уравнении возрастает, подобно относительной ширине, от параллельно-рукавных разветвлений к сопряженным. Ширина рукавов растет с увеличением расходов воды в разветвлениях всех типов; самые широкие рукава, имеющие относительно прямую конфигурацию, характерны для параллельно-рукавных разветвлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разветвления речных русел – наиболее морфологически многообразный тип русла, сложный по режиму деформаций, механизмам и условиям формирования. Это определяет многоуровенность их развития, начиная от разделения потока осередками на ветви течения в меженный период до раздвоенных и сложно разветвленных (многорукавных) русел, в ряде случаев характеризующихся обобщенными определениями (разбросанные, блуждающие). На это накладывается временнáя трансформация русла, связанная с саморазвитием форм русла, изменениями природных факторов и антропогенными воздействиями, развитие форм разветвлений 2–3-го порядков, извилистость (меандрирование) потока и самих русел рукавов и т.д. В свою очередь, управление русловыми процессами в разветвлениях и его эффективность определяются их изученностью и использованием при разработке проектов закономерностей руслового режима разветвлений. Предложенный подход к классификации разветвленных русел и соответствующие ему уточнения терминологии открывают новые возможности регулирования русел и обеспечения гидротехнической и экологической безопасности при освоении водных и связанных с ними земельных, минеральных и других речных ресурсов.