ЛандшАфт- и РУСЛо-формирующая деятельность рек Западного Тянь-ШАНя и УкрАинских Карпат
ФОТО Автора; Река Нау-Гарм-Шан (НаугарзАн) приТОк АХАН-ГарАна
В регионах - и Западного Тянь-ШАНя, и УкрАинских Карпат - для горных рек (включая самые крупные, но особенно в верхнем течении, где все реки еще имеют категорию малых) местные особенности рельефа водосборов и долины, а также предистории развития русел рек являются определяющими факторами формирования продольного профиля русла. Наибольшее влияние особенности рельефа оказывают на самые верхние участки, где уклоны русловых врезов близки к общему уклону поверхности. В Карпатах истоки многих рек находятся в пределах поверхностей выравнивания различного происхождения (древнеледниковые долины, тектонически обусловленные платообразные поверхности и др.), где уклоны русел обычно укладываются в пределы десятков %о. Ниже эти реки пересекают участки перегибов днищ долин, приуроченных к краевой морене ледника, тектоническим нарушениям или к сложному сочетанию обеих причин. Здесь реки, еще являясь слабыми потоками 1-2 порядка, не имеют достаточной эродирующей способности, а их уклон продолжает оставаться близким к уклону склонов, причем реки на перегибах или образуют узкие V-образные (селевые) врезы с изменяющейся глубиной при общей тенденции к увеличению глубины вреза вниз по течению, или формируют двух-трехрукавные блуждающие водопадные русла с очень слабо выраженным русловым врезом и практически полным отсутствием собственных аллювиальных форм. Ниже, где начинается некоторое выполаживание днищ долин и где реки принимают по 2-3 притока, становясь реками 3-4-го порядка, уменьшаются уклоны и появляться следы собственной русловой деятельности. Еще ниже по течению на изменение уклонов все большее влияние начинает оказывать возрастание водности водотоков и характер подстилающих пород. Наблюдается повышение продольных уклонов русел рек и уровней террас вглубь Карпат, что обусловлено современными эндогенными процессами - поднятием осевой части главного водораздельного хребта. Образование зон аккумуляции наносов обусловлено не только локальными опусканиями днищ котловин, но и поднятиями. Эти результаты исследований касаются в основном малых рек (а также верховий крупных) в самой верхней высотной зоне Укр. Карпат. На более крупных реках, а также в более низких высотных зонах русловые процессы сводятся в основном к глубинной эрозии - неупорядоченному чередованию углублений и наращиваний донных отложений. В террасированных расширениях долин наблюдается также боковая эрозия, которая носит скачкообразный характер и приурочена к прохождению паводков. После выхода рек из гор интенсивность речной эрозии в паводки усиливается и достигает максимума в предгорьях (особенно в Предкарпатье). Вследствие уменьшения скорости течения часть наносов оседает, так что реки текут в своих собственных или в размытых отложениях, что вызывает большую неустойчивость русел - в паводки они легко размываются и реки, разрушая берега, создают новые русла и протоки; на некоторых реках это доходит до блуждания русел. По мере удаления от гор энергия потока уменьшается, а стойкость берегов и закрепленных растительностью пойм возрастает, в связи с чем интенсивность боковой эрозии снижается. Однако это наблюдается не везде и наиболее четко проявляется в Закарпатье.
Русловые процессы и переформирование русел и пойм при прохождении руслоформирующих расходов воды (Qф) на малых и средних реках обоих регионов протекают в целом по однотипной схеме, отличаясь скорее количественно, чем качественно. На исследованных реках обоих регионов наблюдается не менее трех интервалов Qф; из них наибольшую обеспеченность имеют два диапазона Qф - нижний и средний. При прохождении самого низкого интервала (соответствующего максимальному расходу маловодных лет) на участках, где есть отложения наносов, побочни и осередки еще не затопляются, хотя заметно сокращаются в размерах, поток в основном транспортирует взвешенные наносы, поступившие с водосбора; русло приобретает устойчивую форму за счет местного перераспределения наносов.
При прохождении Qф среднего интервала происходит полное затопление и начало размыва русловых форм, подмыв пойм и высоких побочней в их нижних по течению частях и массовое поступление воды на пойму сверху с растеканием по поверхности поймы и осаждением на ней взвешенных наносов; сезонные деформации в русле достигают значительных размеров (величина деформаций близка к среднему диаметру отмостки). На наименее устойчивых участках русла и в стрежневой зоне начинается перемещение влекомых наносов с их сортировкой по крупности. На участках широкопойменного русла относительно крупных рек после выхода в межгорные котловины или перед выходом из гор вода при таких расходах идет по двум-трем рукавам, которые при очень больших расходах воды могут сливаться в одно русло.
Прохождение Qф верхних интервалов сопровождается массовым размывом ложа и транспортом руслообразующих наносов. Пойма в расширениях днища долин, как правило, затопляется. Подъем уровня воды на реках Зап. Тянь-Шаня - 1-2м, в сужениях может достигать 2-3м; в Карпатах - от 3-6м до 9-13м по сравнению с меженным, при этом зачастую потоком может быть занято все днище долины. При этих расходах начинается перемещение крупновалунного материала на участках русел ПВ и НАФ. Массовый характер приобретают размывы берегов из аллювиальных и склоновых отложений.
При прохождении селевых паводков (Qф верхнего интервала) происходит формирование селевых форм (продольные валунные гряды, селевые заплески и т.п.). На отдельных створах отмечены Qф очень малой обеспеченности, наблюдаемые при прохождении селевых паводков и половодий редкой повторяемости. При них деформации в русле приобретают массовый характер, что может изменять тип русловых процессов. Ширина зоны затопления при прохождении паводков определяется не только расходом воды, но и морфометрическими характеристиками русел и долин рек, наличием сооружений в русле, на берегах и пойме.
Структурная организация русел рек
Структурная организация русла на любом участке реки определяется его продольным и поперечным профилями, а также взаимным и пространственным распределением их элементов: тальвега, дна, откосов дна и берегов, бровок и линий урезов меженных и высоких уровней вод. В продольном микро-профиле русла выделяются участки горизонтальные и с уклоном, направленным преимущественно вниз по течению, но на отдельных коротких участках - и навстречу течению. В зависимости от соотношения этих элементов и их пространственного распределения формируется структурная организация русел малых горных рек. Для русел различных типов характерны свои структуры и формы продольного и поперечного профиля. Для русел с РАФ характерна грядовая структура; горные реки на участках с небольшими уклонами и числом Фруда (Fr<<1) характеризуются образованием аккумулятивных гряд преимущественно антидюнной формы с отложением крупного аллювия на изгибах потока так, что гребни гряд почти параллельны линии вогнутого берега, образующего отвесный (а местами и нависающий уступ), вдоль которого располагается глубокий, относительно спокойный плес, в пределах которого стрежень потока делает поворот на ~90 градусов; здесь возникает глубокая плесовая лощина - зона со спокойным потоком, отложением и устойчивым скоплением наносов, образующих перекат. На горных реках по мере увеличения уклона происходит перенос гребней перекатов, возможны антидюнные формы, соизмеримые с параметрами живого сечения, развиваются гряды только одной генерации - соизмеримые с шириной русла. Во время половодий обычно происходит размыв дна плесов и наращивание нижележащих перекатов, а на спаде половодья наблюдается обратный процесс - размыв переката. В результате происходит то уменьшение, то увеличение уклона русла и на участках с выработанным профилем эти изменения взаимно погашаются. В циклы высокой водности (такой цикл теперь наблюдается в Карпатах), когда высокие половодья следуют одно за другим в течение ряда лет, наращивание переката накапливается и профили на участке изменяются. При увеличении уклона и бурности потока грядовая форма транспорта наносов исчезает, формируется русло с равномерным распределением глубин по длине потока, нарушаемым крупными валунами и глыбами; отдельные скопления валунного аллювия не образуют грядовых форм, а создают лишь узкие полоски-площадки, полого наклоненные в сторону меженного русла и строго приуроченные к зонам замедления течения у выпуклых берегов, ниже мысов и у крупных глыб. Отдельные редкие углубления-плесы, на которых поток изменяет бурный характер на спокойное течение, возникают лишь на свале течения к скалистым берегам. Такие русла с неразвитыми аллювиальными формами считаются бесструктурными. Для них характерны более крупный аллювий, преобладание врезанных русел, слабое развитие поймы.
На участках истоков и верхнего течения малые горные реки обычно находятся на ранних стадиях эрозионного цикла, когда они интенсивно размывают русло и выносят все образующиеся при этом наносы. По мере удаления от истока русло постепенно углубляется, образуя врез с крутыми берегами и откосами берегов; в местах пересечения потоком твердых пород образуются пороги и водопады; продольный профиль еще не выработан; в плане русло, занимающее всё или большую часть дна долины, делает извилины и повороты, обусловленные первоначальным рельефом местности и различной размываемостью грунтов. На участках с небольшими уклонами и скоростями течения (обычно перед выходами на поверхность трудно размываемых пород, создающих подпор потоку) начинают отлагаться наносы и образуются фрагменты поймы. Дальше, по мере врезания потока, продольный профиль несколько выравнивается, но еще остается ступенчатым; в местах с пониженными уклонами усиливается боковая эрозия, русло расширяется, его плановые очертания становятся менее резкими, все чаще появляются участки с поймой, отмелями и осередками, а после выхода в межгорные котловины или в предгорья - и с островами, то есть возникают мезоформы. Такова в общих чертах последовательность динамики русловых процессов в структурной организации русел и образовании мезо- и макроформ на малых горных реках.
Для порожисто-водопадных русел (скульптурных, глыбово-валунных, безгрядовых, бесструктурных) характерны ступенчатый профиль, скопления аллювия зачастую беспорядочны, нагромождения крупных обломков и глыб в русле. В прибрежной части потока и на затопленных валунно-глыбовых отмелях в паводок глубины небольшие. Состав наносов изменяется вниз по течению от обломков скал, глыб и необработанного щебеночного материла в верхнем течении до галечно-валунного (с включением более крупных обломков и более мелких гравийно-песчаных фракций-наполнителей) в днищах широких долин, где происходит аккумуляция наносов, вынесенных паводками из вышележащих участков бассейна реки. Верховья малых рек и их притоков имеют крутопадающие узкие долины (V-образные и реже - U-образные) и характерны мощными скоплениями глыб и обломков (размером до 3-4м), образующими (вместе с выходами коренных скальных пород) пороги и водопады в русле. Большая часть грубообломочного материала перемещается (подвергаясь по пути измельчению, окатыванию, сортировке и пополнению за счет поступления наносов и склонового материала) во время паводков вниз, где в расширениях выположенных долин образуется пойма и аллювиальные формы в виде побочней, осередков и гряд, сложенных валунно-галечным материалом с гравийно-песчаным наполнителем.
Устойчивость и сопротивляемость русел рек
Понятие "устойчивость русла" (как один из залогов стабильности не тоько русел рек, но и ландшафта) применимо для сравнения рек по скорости развития русловых деформаций. Её оценивают как количественными характеристиками русловых деформаций (скоростью перемещения побочней, перекатов, интенсивностью размыва берегов и т.д.), так и качественными описаниями, опирающимися на зависимость формы русла от степени его подвижности (при прочих равных условиях реки с неустойчивыми руслами характерны делением их на рукава и отсутствием типичных излучин). Есть участки рек, где переформируется только дно, на других преобладают плановые изменения при относительной неизменности дна. Поэтому надо учитывать устойчивость не только ложа, но и берегов, подвижность которых зависит от прочности коренных пород, от крупности и цементации отложений, от наличия и состояния растительного покрова и др. Поскольку учет многих факторов практически затруднен, обычно задачу оценки устойчивости упрощают, игнорируя влияние берегов и закладывая в основу критериев соотношение между силой лобового давления потока на донную частицу и силой её сопротивления сдвигу. Наиболее устойчивыми считаются участки русел с минимумом диссипации (рассеивания) энергии и минимальными деформациями; на таких участках взаимосвязи между уклоном, гладкостью ложа и стоком наносов. Скальные и переходные участки можно считать наиболее устойчивыми, а у селевых участков (в момент прохождения селя) разграничение "поток и русло" теряет смысл (исключением являются скальные участки, в которых русло и при прохождении селя может сохранить свою прежнюю форму). По характеру деформаций на аллювиальных участках выделены две группы русел: 1) неустойчивые, деформируемые при паводковых расходах на величину, превышающую в поперечных сечениях размер диаметра наносов крупных фракций, слагающих естественную отмостку русла; при этом изменяются не только поперечные, но и плановые формы; 2) устойчивые: при одних расходах паводка они совсем не деформируются или деформируются в пределах выступов шероховатости; при других средняя величина размывов и отложений достигает размера dОтмостки без изменения очертаний русла в плане. Динамически устойчивы аллювиальные участки русел там, где русловой процесс определен тремя основными гидроморфологическими факторами: расход воды, крупность наносов и уклон русла, а при нарушенном или селевом режиме добавляется четвертый фактор - расход донных наносов.
Количественная оценка устойчивости различных (по составу аллювия и по морфометрическим характеристикам) русел ряда рек сравниваемых регионов, выполненная нами с помощью числа В.М.Лохтина (критерия устойчивости профиля русла) и коэффициента плановой стабильности русла Н.И.Маккавеева, показала, что зависимость числа Лохтина и коэффициента стабильности и их взаимосвязь для рек Карпат практически аналогична подобным зависимостям для рек Зап. Тянь-Шаня. При этом самые низкие значения коэффициента стабильности превышают 200, а местами превышают 1000, что свидетельствует о высокой устойчивости русел к плановым переформированиям. Число Лохтина, наоборот, почти на всем протяжении от истоков до устья не поднимается до уровня устойчивости продольного профиля, что свидетельствует о большой размывающей способности мощных крутопадающих водных потоков. Подробнее эта тема изложена в нашей работе [61].
На основании разработок русловой школы МГУ в качестве показателя сопротивляемости русел антропогенным воздействиям нами принята удельная потенциальная мощность (УПМ) речного потока, отнесенная к 1 км длины русла и учитывающая два из трех основных факторов русловых процессов - расход воды и уклон русла. Установлено, что УПМ водных потоков малых горных рек Зап. Тянь-Шаня и Укр. Карпат весьма значительна, что благоприятствует их активной сопротивляемости антропогенным воздействиям на их потоки и русла. Для рек длиной 40-60 км УПМ на Зап. Тянь-Шане в несколько раз больше, чем в Укр. Карпатах, поскольку на реках Тянь-Шаня уклоны значительно больше при примерно близких (с реками Карпат) среднемноголетних расходах воды. По этой же причине на Тянь-Шане УПМ больше, чем для подобных рек других горных систем страны (в частности, Крыма, Алтая, Восточной Сибири). Подробнее эта тема изложена в нашей работе [62].
КрылEнко Владимир 10 июня 2013