УДК 556.537
О проблеме расчета плановых деформаций русел меандрирующих рек
М.М. Гендельман*
Критический анализ концепций и конкретных методов расчета плановых деформаций меандрирующих русел свидетельствует о несостоятельности большинства из них. Особые достоинства присущи приему, базирующемуся на сопоставлении или дешифрировании карт и фотопланов, а также лито-и дендрохронологическому подходам, используемым для датировки элементов рельефа преимущественно аккумулятивных берегов. Пригодны для практического применения и эмпирические связи скорости плановых деформаций с морфометрическими показателями речных излучин. Перспективен путь создания расчетного метода на основе версии о сбалансированном переотложении влекомых наносов в пределах излучины.
Меандрирование — самый распространенный в природе тип руслового процесса. Это и весьма многогранная гидролого-морфологическая проблема. Настоящая работа в основном касается плановых деформаций меандрирующих русел. Сведения о русловых деформациях необходимы для принятия экономически и экологически оправданных решений при освоении русел и пойм, в частности при размещении различного рода сооружений на реках.
В отечественной и зарубежной литературе в качестве синонимов понятия "плановые деформации русла" употребляются такие как "миграция русла, нормальная к его центральной линии", "миграция меандра", "линейная эрозия берегов", "поперечное смещение русла" и т. п. Терминологическое различие нередко отражает и своеобразное понимание исследователями этого явления (процесса). В гидролого-морфологической теории, основы которой заложены в Государственном гидрологическом институте Н. Е. Кондратьевым и И. В. Поповым [7], термин "деформации русла" подчеркивает важнейшую предпосылку этой теории о сбалансированном транспорте наносов, т. е. о неизменности объема русловой емкости и изменении лишь ее формы на динамически устойчивых, транзитных участках рек.
Несмотря на почти полувековой поиск и разнообразие его направлений, пока не предложено ни одного метода расчета и прогноза плановых деформаций русла, который был бы достаточно убедительно научно обоснован, доведен до возможности практического использования без каких-либо принципиальных ограничений и давал бы результаты, приемлемые по надежности для любой прикладной задачи.
* Государственный гидрологический институт.
Исключение составляет безупречный по своей сути прием, базирующийся либо на сопоставлении разновременных состояний русла, зафиксированных на картах и фотопланах, либо на дешифрировании материалов даже одной аэрокосмической фотосъемки. Сопровождаемый необходимым анализом факторов руслоформирования (гидрологических и геологических условий), этот прием вряд ли когда-либо будет превзойден по точности, и поэтому обращаться к нему следует при малейшей возможности. Впрочем, и его использование лимитируется рядом очевидных обстоятельств (к примеру, слишком мелкий масштаб съемки; недостаточный временной интервал между съемками; густая растительность не оттеняет, а, напротив, маскирует микрорельеф поймы), и поэтому он должен совершенствоваться на основе выявления новых признаков плановых деформаций русла непосредственно в натуре и на фотопланах. Возможности такого рода открывают, в частности, дендрохронология и литология.
Еще в 1955 г. была опубликована замечательная статья И. В. Попова, в которой подводился итог работ ГГИ по использованию материалов крупномасштабных съемок рек, в том числе и аэрофотосъемок, с целью восстановления истории речных русел [10]. В этой статье исключительно подробно и внятно обосновано речное происхождение гофрированного, выраженного чередованием гряд и ложбин пойменного микрорельефа. При этом прокомментированы имеющие отношение к данному вопросу многие работы геоморфологов, почвоведов и луговедов. Статья содержит конкретные рекомендации по установлению прежних положений русла и их хронологии на основе дешифрирования микрорельефа поймы, анализа стратиграфии аллювиальных отложений и определения вида и возраста древесно-кустарниковой растительности.
Получение сведений о динамике русел путем совмещения разновременных картографических материалов широко внедрилось в практику гидрологов и геоморфологов. Определение возраста береговых валов, а следовательно, и интенсивности смещений русла в плане по растительности и отложениям на пойме не нашло распространения. В России в середине 1960-х годов дендро-литохронологические исследования были выполнены с указанной целью Г. Г. Русаковым [12] на двух участках перехода линий электропередачи через р. Иртыш в нижнем течении. Дендрохронологиче-ской интерпретации геоморфологических процессов посвящена большая и интересная работа Ю. Алестало, опубликованная в мало цитируемом издании Географического общества Финляндии [13]. Более известны работы Э. Хикина и Г. Нансона [19—22], которые успешно воспользовались этим приемом при исследовании меандрирования р. Биттон в Канаде. Ограниченность интереса исследователей к этому приему можно объяснить его трудоемкостью и тем, что он основан на следствиях, а не на причинах рассматриваемого процесса, и поэтому не может ориентировать в отношении мероприятий по его регулированию.
Лито- и дендрохронологические методы обычно используются для датирования элементов рельефа аккумулятивных берегов меандриру-ющих русел. Физическое же объяснение и математическая формализация процесса меандрирования чаще всего сводятся к физико-математической интерпретации механизма смещения только эрозионного берега, что, строго говоря, нельзя считать достаточным.
Большинство специалистов считают фундаментальным такое рассмотрение явления размыва берегов, при котором учитываются исключительно динамические (силовые) факторы. В результате этот подход приводит к связям плановых деформаций русла со скоростями или касательными напряжениями потока и эрозионными характеристиками грунтов. На первый взгляд, такой путь может быть воспринят как наиболее логичный и физически оправданный, а потому и перспективный. Но в действительности он бесконечно сложен и к тому же не вполне отражает сущность рассматриваемого явления. В частности, дело в том, что обрушение берегов обычно дополнительно обусловлено оползневым механизмом и носит дискретный во времени и пространстве характер. Следовательно, этот процесс, как правило, не синхронен и не всегда адекватен воздействию потока. Учет этих обстоятельств в корне изменит и еще более усложнит данную теоретическую схему, особенно в условиях нестационарного режима потока. В ней существенное значение приобретут вопросы, связанные не только с кинематикой потока, но и с устойчивостью берегового склона, т. е. с механикой грунтов, слагающих берега, с действием в них капиллярных сил в условиях переменного увлажнения и с другими факторами. Надо сказать, что и сам по себе расчет поля скоростей потока до сих пор является непростой задачей прежде всего по причине сложности определения и учета гидравлических сопротивлений естественных русел. Кроме того, не совсем ясно, на какой гидрограф или расход воды следует ориентироваться при прогнозе плановых деформаций. Проблемой остается и определение критических значений скоростей или касательных напряжений потока. В работах данного направления этим важнейшим вопросам не уделяется должного внимания. К тому же, ни один исследователь, по понятным причинам, даже не ставил задачи описания деформаций аккумулятивного берега на основе гидродинамического метода, что свидетельствует о его ограниченности. Совершенно очевидно, что без прояснения этих вопросов модели данного типа не могут быть признаны полноценными.
Ученые из разных стран, среди них Г. Холторфф [23], Г. Паркер, С. Икеда и К. Саваи [25, 30], А. Ховард и Т. Кнутсон [24], А. Кросато [15], В. И. Замышляев [4] и другие, предпринимали попытки создать математические модели меандрирования, исходя из понятия устойчивости русла, которое, кстати сказать, трактуется ими по-разному. По этому поводу заслуживает внимания мнение профессора К. В. Гришанина. Он считает, что "существенный шаг вперед в проблеме плановой устойчивости удастся сделать лишь после того, как будут созданы способы расчета деформаций берегов" [3, с. 68]. Иначе говоря, решение проблемы расчета деформаций берегов может прояснить проблему плановой устойчивости русел, а не наоборот. Это прямой намек на сомнительную перспективность и такой концепции определения деформаций русла в плане.
Некоторые авторы, как было упомянуто выше, вводят в свои модели касательные напряжения вместо скоростей потока. Но такая замена не упрощает решения задачи расчета деформаций. Более того, справедливо утверждают китайские исследователи Лю Ксингнян, Цао Шую и Фан Жонлинь [27], что в настоящее время "рассчитать распределение касательных напряжений потока в излучение невозможно". Впрочем, схема расчета де-74
формаций русла, которую они, в свою очередь, предлагают, и их представление об универсальности физических законов тоже весьма сомнительны. В качестве излучины они рассматривают упругую балку на двух опорах, а ее деформацию под действием некоторой силы, приложенной в некотором месте, интерпретируют как деформацию речной излучины. При этом не поясняется, с чем отождествляются эта сила, ее величина и место приложения. Даже для расчета относительного распределения деформаций вдоль излучины эта схема имеет ограничения. Предложение считать, что сосредоточенная сила проходит через точку пересечения векторов скорости потока в створах, ограничивающих излучину, является недостаточно определенным, поскольку эта точка может оказаться вне пределов русла, и, главное, немотивированным. Кроме того, никак не оговаривается то обстоятельство, что балка на двух опорах под действием любых сосредоточенных нагрузок не может изогнуться хотя бы на 180°, в то время как речные излучины способны достигать и больших углов разворота. Принципиальное различие между рассматриваемыми явлениями заключается в том, что для изменения деформации балки нужно изменить нагрузку, в то время как излучина реки может развиваться под действием стабильных р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.