Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 6, стр. 844-854

ВВЕДЕНИЕ

Учение о русловых процессах – сравнительно молодая отрасль знаний, возникшая в недрах речной гидротехники (или, по мнению М.А. Великанова [12], одновременно с ней) в связи с воднотранспортным освоением рек. О его молодости свидетельствует тот факт, что лишь во второй четверти ХХ в. появилось само словосочетание “русловые процессы” [23], а в англоязычной литературе для их обозначения и сейчас применяется более общее определение – флювиальные процессы (fluvial processes) [50, 52]. Первое определение этого понятия было дано в середине века М.А. Великановым [11]. С этого времени русловые процессы стали рассматриваться как раздел (обычно завершающий) бурно развивающейся новой науки – “динамики русловых потоков” [10, 14, 21]. В то же время морфологические характеристики речных русел с некоторыми элементами их динамики стали входить в гидрографические описания рек [8, 16], лоции речных водных путей (где они всегда были обязательным элементом [9, 30], и многие термины в русловедении имеют лоцийное происхождение). Общие сведения о морфологии русел и их деформациях помещались в учебники по общей гидрологии и гидрологии рек [7, 46], а о формах русла (в основном излучинах, перекатах, плесах) – по общей геоморфологии [10, 47].

В 1950–60-е годы прогресс в изучении русловых процессов привел к тому, что они как объект исследования стали отпочковываться от динамики русловых потоков и выделяться в самостоятельный раздел гидрологии рек. Об этом, в частности, свидетельствует появление книг М.А. Великанова “Русловой процесс” [12] и К.В. Гришанина “Теория руслового процесса” [15]. При этом М.А. Великанов обратил внимание на обособленность этой научной дисциплины от динамики русловых потоков, он называл ее “русловой гидрологией” (или “гидрологией русла”) и рассматривал “в качестве самостоятельного раздела … гидрологии суши” [12, c. 347]. Тогда же впервые появилась и самостоятельная учебная дисциплина при подготовке специалистов-гидрологов “Русловые процессы” в Московском университете, которую стал читать Н.И. Маккавеев [26]; в гидрометеорологических институтах и других вузах начали преподавать “Динамику протока и русловые процессы” (с таким названием вышел учебник Н.Б. Барышникова и И.В. Попова [3]), впоследствии разделившуюся на два самостоятельных курса [1, 2]. В 1990-е годы было предложено собственное название учения о русловых процессах – русловедение, наукa, которая изучает условия и закономерности формирования речных русел и разрабатывает приемы и методы их регулирования (управления русловыми процессами) [41].

Необходимость выделения учения о русловых процессах – русловедения – как самостоятельной отрасли в рамках гидрологии рек подчеркивал М.А. Великанов: “…средства и возможности, которыми располагает современная русловая гидрология и в экспериментальной методике (а также натурных исследованиях [добавлено авторами]) и в теоретическом аппарате, несравнимы с теми, которыми пользовались ее основоположники 60–80 лет назад (а тем более, по современным меркам, уже 120–130 лет [добавлено авторами]). Отсюда, наука о речном русле, которая, как всякая наука о природе, должна самостоятельно идти вперед” [12, с. 348–349].

В упомянутых книгах М.А. Великанова [12] и К.В. Гришанина [15] динамика русловых потоков, по существу, рассматривается уже как раздел, хотя и самый крупный по объему, учения о русловых процессах. При этом изложение его теории и методологии с некоторыми вариациями в принципе сходное: морфология русел рек и их переформирование, динамика потока, его структура, турбулентность, движение наносов, методы прогноза и расчета русловых деформаций, прикладные задачи и практические применения. Такой же подход принят в монографии [40, 41] и учебниках [27, 39], но в них вопросы динамики потоков занимают подчиненное положение, а в трудах ГГИ [19, 20] и учебнике Н.Б. Барышникова [2] они вообще вынесены за скобки, хотя подразумевается и учитывается ведущая роль потока в русловых процессах.

Как и любая наука, русловедение (учение о русловых процессах) имеет предмет, цели, задачи и методы исследований [38, 40], связи со смежными дисциплинами, характеризуется своей внутренней структурой и обладает собственными законами и терминологиeй. Однако не все они получили должное освещение в литературе, что иногда приводит к неоднозначному их толкованию. Поэтому настоящая статья посвящена именно этим вопросам, среди которых главное внимание уделяется методологии морфодинамики и гидроморфологии речных русел, соотношениям между ними и динамикой русловых потоков. При этом морфодинамика речных русел достаточно полно изложена в специальных работах [36, 39, 41], в которых даны соответствующие определения, тогда как гидроморфология, несмотря на широкое употребление этого термина и связанных с ним словосочетаний (например: гидроморфологическая теория руслового процесса [20] – название одной из ведущих научных школ в учении о русловых процессах, гидроморфология судоходных рек [19], гидролого-морфологический анализ и т.д.), не получила своего определения. В ряде случаев она рассматривается как синоним морфодинамики, либо как ее составная часть или наоборот – вопросы морфодинамики русел оказываются включенными в гидроморфологию.

СТРУКТУРА РУСЛОВЕДЕНИЯ И МОРФОДИНАМИКА РЕЧНЫХ РУСЕЛ

Любая наука имеет свою структуру, разделяется на характеризующиеся собственным содержанием части, которые взаимодействуют между собой, вытекают и дополняют одна другую, определяют познание объекта от частного к общему и, наоборот, от общих законов его развития, эволюции и изменений приходят к частным их проявлениям и закономерностям. Это соответствует одному из основных положений диалектики, которое, согласно Ф. Энгельсу, “выражает переход одной из наук в другую, следовательно, как существующую между ними связь, непрерывность, так и различие, дискретность обеих” [48, c. 218]. Подобно тому, как учение о русловых процессах (русловедение) является частью гидрологии рек, изучая механизмы и формы проявления взаимодействия речных потоков и грунтов, слагающих на ложе, и представляя собой завершающее звено в изучении речного стока, само русловедение состоит из нескольких взаимосвязанных разделов (рис. 1). Среди этих разделов – динамика водных потоков (гидродинамика) и учение о речных наносах (речная седиментология), с одной стороны, являются частями русловедения, а с другой – они в известной мере автономны по отношению к нему, так как имеют свои законы, предметы, цели, задачи и методы исследования. Первая связана с русловедением и является его частью, поскольку движение потока – “двигательная пружина” (по выражению Н.С. Лелявского [22]), активная составляющая руслового процесса, определяющая механизмы отрыва частиц грунта и перемещение наносов, образование и развитие форм русла и форм руслового рельефа. Вторая изучает условия формирования, состав и сток наносов; будучи автономной по отношению к русловым процессам, она в то же время является его составной частью, поскольку перемещение наносов водными потоками составляет физическую сущность русловых процессов, а многие их закономерности определяются величиной и изменчивостью стока и механизмом транспорта наносов. По Н.Е. Кондратьеву, “транспорт наносов следует рассматривать как содержание руслового процесса, а морфологические преобразования – как его внешнее выражение, форму” [20, c. 11]. Н.И. Маккавеев, подытоживая оценку значения водного потока и стока наносов в формировании речных русел, определил русловые процессы как “отображение поверхностью твердой среды особенностей движения воды и перемещаемых ею наносов” [25, с. 137], одну “из форм перемещения твердого вещества текущей водой” [25, с. 139].

Рис. 1.

Структура учения о русловых процессах (русловедение).

Основными разделами русловедения, в наибольшей мере отражающими предмет исcледования, являются морфодинамика (channel/rivers morphodynamics) и гидроморфология речных русел (hydromorphology [49], или channel geometry [54]). Иногда можно встретить мнение, что понятие морфодинамика подменяет термин “русловые процессы” [35]. Это вытекает из определения русловых процессов как “изменения в морфологическом строении речного русла под действием текущей воды” [20, с. 11], которое, по существу, ставит знак равенства с определением “русловых деформаций” как динамической формы их проявления: “изменения размеров и положения в пространстве речного русла и отдельных русловых образований, обусловленные работой потока и связанные с переотложением наносов” [45, с. 162].

Отталкиваясь от исходного понятия “руслового процесса как взаимодействия потока и русла”, данного М.А. Великановым [12, c. 7], полная его формулировка выглядит следующим образом: русловые процессы … совокупность явлений, связанных с взаимодействием потока и грунтов, слагающих ложе реки, эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов, определяющих размывы дна и берегов рек, развитие различных форм русла и форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых изменений [27, 38]. В такой трактовке динамика русловых потоков является частью русловедения, составляя единое целое с морфодинамикой, гидроморфологией, учением о речных наносах, изучением факторов русловых процессов и разработкой методов и приемов управления ими. Морфодинамика как часть русловедения изучает морфологическое строение речных русел, их рельеф (морфологию), русловые деформации (динамику речных русел) и те изменения в морфологии и динамике русел, которые происходят как при естественных изменениях природной среды, так и при техногенных (антропогенных) воздействиях на русла и факторы русловых процессов [36]. Таким образом, морфодинамика, будучи составной частью русловедения, сама состоит из нескольких взаимосвязанных разделов (рис. 2), из которых основными являются морфология речных русел (channel geometry [56]) и динамика речных русел (или, по М.А. Великанову, динамика русловых процессов). Они находят отражение в выделении морфодинамических типов русел (извилистые, меандрирующие; разветвленные на рукава; относительно прямолинейные, неразветвленные), их разновидностей, перекатов, грядовых и других форм руслового рельефа, текущих, сезонных, многолетних и вековых, периодических, направленных и текущих деформаций, многообразия их сочетаний, зависящих от условий, в которых они развиваются (водности рек и стока наносов, устойчивости русел, состава руслообразующих наносов, прохождения руслоформирующих расходов воды и т.д.).

Рис. 2.

Структура морфодинамики речных русел.

Специфичность и разнообразие техногенных изменений русел, их деформации и факторов русловых процессов дает основание для выделения связанного с ними особого раздела морфодинамики [4].

Производной русловых деформаций является пойма, рельеф которой отражает морфодинамический тип русла на разных этапах ее формирования. С другой стороны, поймы рек являются важным фактором русловых процессов, представляя собой консервацию части перемещаемых потоком наносов в пойменных отложениях, являясь в то же время источником их поступления при размыве пойменных берегов и создавая большую или меньшую рассредоточенность потока при затоплении поймы в многоводные фазы водного режима. Поэтому поймы рек и пойменные процессы также представляют собой объект исследования морфодинамики речных русел.

Особое место в морфодинамике речных русел занимает изучение продольных профилей рек, вертикальных русловых деформаций и их морфологических проявлений. Отражая изменения потерь энергии потока и соотношений между стоком наносов и транспортирующей способностью потока по длине рек [25, 26], форма профиля, темпы врезания или аккумуляции наносов (вертикальных деформаций) создают общий фон, на котором осуществляются горизонтальные русловые деформации, которые вместе с тем определяют особенности развития форм русла и руслового рельефа, а через нее – специфику управления русловыми процессами. В естественных условиях вертикальные деформации обычно проявляются в исторических и геологических масштабах времени (исключение – интенсивная аккумуляция наносов на Хуанхэ [43], Амударье [29] и нижнем Тереке и врезание р. Алабуги [34]), но при антропогенных воздействиях на русловые процессы и факторы русловых процессов приобретают иногда превалирующее значение – таковы, например, размывы русла ниже водохранилищ [2].

Итогом морфодинамических исследований является обоснование и разработка прогнозных оценок русловых деформаций. Ретроспективный анализ переформирований русла за многолетний период позволяет определить направленность и темпы русловых деформаций, их периодичность и длительность отдельных циклов, выявить связь с определяющими факторами и экстраполировать полученные закономерности на перспективу с учетом саморазвития (эволюции) русловых форм, сезонных и многолетних колебаний и изменений водности и стока наносов как следствие изменений природной среды, климата и антропогенных воздействий [24, 37]. Прогнозные оценки русловых деформаций должны быть дополнены гидролого-морфологическим анализом и математическим (гидродинамическим) моделированием, что существенно повышает их точность. Прогноз русловых деформаций, в свою очередь, позволяет дать оценку вероятности опасных и неблагоприятных проявлений русловых процессов в будущем, определяет возможности управления русловыми процессами, составляющими завершающий раздел русловедения.

ГИДРОМОРФОЛОГИЯ РЕЧНЫХ РУСЕЛ

Гидроморфология речных русел устанавливает количественные и корреляционные связи между морфологическими, морфометрическими и динамическими параметрами, характеризующими размеры и конфигурацию форм русла и форм руслового рельефа (излучин и разветвлений, перекатов, мезо- и макроформ грядового рельефа), поперечное сечение (ширину, глубину, площадь) и уклоны русла, скорости размыва берегов, смещения излучин, островов, перекатов и побочней, врезания/аккумуляции наносов, темпы развития/обмеления рукавов и т.д.) [39], с одной стороны, и показателями водности, стока и крупности наносов, устойчивости русла и транспортирующей способности потока, руслоформирующими расходами – с другой, а также соотношения между ними (рис. 3) и пространственно-временные изменения этих связей и соотношений. Таким образом, в гидроморфологии намечается четыре основных направления (см. рис. 3): гидролого-морфологическое (собственно гидроморфология русел), гидроморфометрическое (гидроморфометрия русел), морфометрическое (морфометрия русел) и гидролого-морфодинамическое (гидроморфодинамика русел). Будучи взаимосвязанными, они имеют прямой выход на прогнозы русловых деформаций и вместе с прогнозными оценками, вытекающими из морфодинамического анализа, позволяют предвидеть в определенных временных интервалах в количественном выражении изменения морфологии, динамики и морфометрии русел. В свою очередь, знание возможных изменений в русле, как естественных, происходящих вследствие эволюции русловых форм, изменений стока воды и наносов, так и вызванных антропогенными воздействиями на реки и факторы русловых процессов, определяет подходы к управлению русловыми процессами гидротехническими (инженерными) воздействиями на них при обеспечении гидроэкологической безопасности.

Рис. 3.

Структура гидроморфологии речных русел.

Гидролого-морфологический анализ речных русел заключается в выявлении зависимостей между параметрами форм русла π (радиусом кривизны r; шагом L; степенью развитости излучин l/L, где l – их длина; разветвленности русла n_о/х, где n_о – количество островов на единицу длины русла x; размерами островов – их шириной В_о и длиной L_o и т.д.) и показателями водности реки. В англоязычной литературе гидроморфологические зависимости, представляющие собой связи между параметрами форм русла и характеристиками речного потока, описываются термином adjustmens [50]: например, с расходами воды – channel adjustment [44, 54]. Применяя зависимости π = f(Q) для данной реки (бассейна или рек региона, однородных по природным условиям), можно оценивать возможные изменения параметров при увеличении/уменьшении водности реки, при разработке многолетних и долгосрочных прогнозов русловых деформаций. Такую же операцию можно делать для многолетних и долгосрочных прогнозов в отношении излучин рукавов реки, водность которых меняется в процессе переформирований разветвлений, раздельно для излучин, находящихся на разных стадиях развития и т.д. Использование таких гидролого-морфологических зависимостей позволяет установить тенденции переформирований русел и экстраполировать их на отрезки времени, в пределах которых ожидается изменение водности реки или стока наносов – ведущих активных факторов русловых процессов [37]. Применив подобные связи для палеогидрологических построений и восстанoвив очертания древних русел по рельефу поймы, можно получить (по соотношению их параметров с параметрами современного русла) изменение средних расходов воды по сравнению с прошлыми эпохами. Это, в свою очередь, открывает путь к разработке перспективных (многовековых) прогнозных оценок трансформации параметров русел при глобальных изменениях природной среды и климата [33].

При построении гидролого-морфологических зависимостей надо учитывать высокую вариабельность параметров русловых форм, изменяющихся в ходе их естественной эволюции (саморазвития). Она определяет некорректность осреднения параметров форм русел в пределах морфологически однородных бесприточных участков. Поэтому представляется более правильным использование модальных значений параметров, и лишь, например, для излучин, находящихся на одной стадии развития из-за их относительной малочисленности и сравнительно небольшого диапазона соотношения l/L, соответствующего каждой стадии, возможно использовать средние значения.

Разновидностью гидролого-морфологического анализа является построение QI-диаграмм (Q – среднемаксимальный или руслоформирующий расход воды, I – уклон днища долины), позволяющих определять условия формирования русла того или иного морфодинамического типа и возможность его изменения при увеличении/уменьшении водности реки [42, 52 ] .

Гидроморфометрические зависимости (hydraulic geometry [50, 54]) связывают между собой параметры (ширина, глубина, площадь поперечного сечения) русел и гидравлические элементы потока. Они отражают устойчивые соотношения между ними, сформировавшиеся в процессе русловых деформаций и дающиe представлениe о предельной форме сечения русла, к которой стремится система “поток–русло”. Они могут устанавливаться для отдельных створов (at-a site hydraulic geometry), так и осредненно для морфологически однородных участков рек и по формам русла (downstream hydraulic geometry). Поэтому сравнение расчетных значений параметров русла (или его рукавов) с фактическими при данных характеристиках водности и стока наносов используется для прогнозной оценки направленности вертикальных деформаций. Таковы показатель поперечного сечения подвижного русла К.В. Гришанина [15] M = $\frac{{h{{{(g{{b}_{{\text{р}}}})}}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}}}{{{{Q}^{{0.5}}}}}$ (Q – среднесуточный расход воды, м³/с; h – глубина, b_р – ширина русла), значение которого в пределах 0.75 < M < 1.05 свидетельствует об относительно устойчивом его состоянии, М < 0.75 – о размыве русла, М > 0.05 – об аккумуляции наносов, а также гидроморфометрические зависимости В.Н. Михайлова [28], в которых несоответствие расчетных значений фактическим отражает развитие или отмирание рукавов.

Морфометрические зависимости связывают между собой параметры сечения русла (ширину и глубину). Один из первых таких показателей $\frac{{\sqrt {{{b}_{{\text{р}}}}} }}{h}$ = Γ был предложен В.Г. Глушковым, который установил его зависимость от противоэрозионной устойчивости грунта. Важное значение имеют зависимости h, b_р и b_р/h от водности реки и стока наносов, поскольку они позволяют прогнозировать их изменение при увеличении/снижении характеристик речного стока. С.И. Рыбкин [32], а позднее В.Е. Сергутин и А.Л. Радюк [32] установили, что ширина h и глубина b_р по-разному возрастают при увеличении расходов воды от межени к половодью (паводку), так как их соотношение зависит от формы поперечного сечения русла.

Гидролого-морфодинамические связи устанавливаются между параметрами, характеризующими интенсивность русловых деформаций и гидравлическими элементами потока (шириной, глубиной, уклоном, расходом воды, скоростями течения, шероховатостью русла и т.д.), и морфологическими показателями, описывающими формы русла (излучин, разветвлений и пр.). Скорости размыва берегов увеличиваются по мере роста кривизны излучин, поскольку он сопровождается трансформацией скоростного поля потока и местным увеличением его мощности; одновременно происходит изменение протяженности фронта размыва вогнутого берега, который в начальной стадии находится в нижнем крыле излучины, но по мере ее развития распространяется на всю вогнутость. Соответственно увеличивается область аккумуляции наносов у выпуклого берега, растет высота прирусловой отмели возле него.

К этой же категории гидроморфологии относятся расчеты по электрическим формулам. Одни из них опираются на изменчивость глубин русла возле вогнутых размываемых берегов излучин и степень развитости излучин (таковы формулы Н.Е. Кондратьева [18]), другие [2, 6, 27] – на водность потока, высоту подмываемого берега и/или крупность наносов и соотношения скоростей потока при руслоформирующем расходе и критической скорости потока, при которой начинается размыв отложений, слагающих берег. Е.В. Камаловой [17] под руководством К.М. Берковича разработаны номограммы, связывающие скорости размыва берегов С_б с уклоном для рек разной водности, и их аналитические выражения вида С_б = kIⁿ, где k – коэффициент, возрастающий от 2.4 у рек с Q_ср < 50 м³/с до 22.5 у рек с Q_ср = 500–1000 м³/с.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ РУСЛОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Морфодинамические и гидроморфологические исследования русловых процессов имеют своей конечной целью, во-первых, выявление закономерностей формирования и развития речных русел, их пространственно-временных изменений, режима сезонных, многолетних и вековых русловых деформаций, связей с динамикой потока, стоком и движением наносов в различных природных и природно-антропогенных условиях; во-вторых, прогнозирование русловых деформаций на различные временные интервалы, начиная от текущих, происходящих на глазах и вызывающих постоянное изменение русла и русловых образований, до многолетних и долгосрочных, рассчитанных на годы и десятки лет. Перспективные прогнозы составляются при глобальных изменениях водности рек и стока наносов и реализации крупных водохозяйственных проектов. При различных подходах к прогнозированию методами морфодинамики и гидроморфологии русла “не следует отдавать предпочтение какому-нибудь одному методу, а нужно их комбинировать в соответствии с участком реки и целями прогноза” [15, c. 187].

Прогнозирование русловых деформаций, основывающeeся на пространственно-временных и гидролого-географических закономерностях развития и формах проявления русловых процессов как в естественном состоянии рек, так и при различных по масштабу антропогенных нарушениях, является главным принципом управления русловыми процессами. Оно заключаются в искусственном воздействии на русла рек, при котором обеспечивается максимально возможная их (как природных объектов) гидроэкологическая безопасность; их формы закрепляются в оптимальном положении, позволяющем свести к минимуму опасные и неблагоприятные проявления русловых процессов и в то же время обеспечить достижение поставленной цели (углубление русла при транспортном использовании реки, разработку русловых карьеров стройматериалов, защиту берегов от размыва, противопаводковое обвалование и т.д.). Поэтому проекты использования рек и их ресурсов (водных, земельных, минеральных) будут обоснованы, если учтены направленность и темпы русловых деформаций, возможные изменения русел и специфика проявления процессов в различных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основными взаимосвязанными разделами учения о русловых процессах (русловедения) являются морфодинамика и гидроморфология речных русел; динамика русловых потоков и учение о речных наносах входят в русловедение теми своими частями, которые определяют процессы руслоформирования и без которых невозможно их изучение.

2. Объектом морфодинамики является морфологичекое строение речных русел, их форма и рельеф (морфология), русловые деформации (динамика речных русел) и те изменения в морфологии и динамике, которые происходят при естественных изменениях водности и стока наносов (следствие изменений природной среды и климата), а также антропогенных воздействий на русла и факторы русловых процессов.

3. Морфодинамика речных русел, в свою очередь, состоит из двух основных структурных подразделов – морфологии и динамики русел, которые дополняются изучением их техногенных (антропогенных) изменений, формирования пойм и пойменных процессов, рассматриваемых как производные русловых процессов, и продольного профиля реки как мегаформы морфологических проявлений, связанных с общими направленными вертикальными деформациями.

4. Гидроморфология как раздел русловедения разрабатывает гидролого-морфологические, гидроморфометрические, морфометрические и гидролого-морфодинамические зависимости, связывающие параметры форм русла, руслового рельефа и поперечного сечения русел, интенсивности русловых деформаций между собой и с показателями, характеризующими водность рек, сток наносов, устойчивость русел, гидравлическими элементами потока, его транспортирующей способностью и т.д.

5. Эти зависимости и соотношения являются основой для прогнозирования русловых деформаций, на которые, в свою очередь, опираются принципы и методы управления русловыми процессами при хозяйственном использовании рек и речных ресурсов.