книги из ГПНТБ / Зайков Б.Д. Очерки гидрологических исследований в России

дящееся, веерообразное, уклоняющееся постепенно от направления сбойного по фарватеру к почти нормальному направлению к бере­ гам. Действием донного течения грунт, вырытый на фарватере и размытый из вогнутого берега, складывается на пологие отмели и по ним катится, перебрасываемый зигзагами в косых направле­ ниях, по поверхностям песчаных валиков.

струи верхового течения, начинается ослабление сбоя воды, сопро­ вождающееся уменьшением глубин на фарватере. Затем по мере отступания берега от общего направления русла уменьшается угол схождения струй и, наконец, струи вместо того, чтобы сходиться к фарватеру, начинают растекаться в разные стороны. В этом ме­ сте гладкая продольная вымоина дна заменяется волнообразной поверхностью с постепенно уменьшающимися глубинами; фарва­ тер как место сходящихся струй прекращается, и мутное донное течение выходит на поверхность воды ...

3.Результатом воздействия водного потока на размываемое речное ложе должна обнаружиться следующая конфигурация по­ верхности речного русла. Вдоль расположения фарватерного тече­ ния должны лечь продольные, узкие, гладкие, языкообразные вы­ моины, а на мелях — постепенно приподнимающиеся пологие возвышения дна с гребенчатою поверхностью, усеянною валиками, направленными поперек течения воды...

4.Вследствие изменений в горизонте воды, в особенности быст­ рых, речной поток изменяется иногда до неузнаваемости, причем ему приходится протекать по руслу, далеко ему не свойственному, иногда очень широкому и мало изогнутому, иногда совсем обратно. При таких обстоятельствах поток движется не по руслу, им для себя выработанному, а по руслу какой-то другой реки, форма ко­ торого влияет на расположение речных течений, направляя их совершенно иначе, чем было в том же потоке при других горизон­

тах воды. Из сказанного можно усмотреть, что речное русло даже в рыхлом и однообразном грунте, выработанное потоком извест­ ной силы, при другом горизонте воды, не соответствуя условиям движения потока другой силы, воздействует само на расположение течений в этом новом потоке, подвергаясь в свою очередь перефор­ мированиям от воздействия на него этого нового потока. Эти вза­ имные воздействия совершаются не моментально, но никогда не прекращаются».

В этой формулировке Лелявского «совершенно отчетливо,— писал А. К. Проскуряков [319], — выступает диалектическое един­ ство руслового процесса как процесса непрерывного взаимодейст­ вия водного потока и его подвижного русла».

Теория Лелявского была оценена по достоинству на V I Между­ народном конгрессе по судоходству, состоявшемся в 1894 г. в

157

Гааге. Известный французский гидротехник Жирардон, занимав­ шийся исследованиями русловых процессов на р. Роне, в своем докладе признал, что опыты Лелявского отличаются большей точ­ ностью, чем его собственные, а инженер Фарг, известный своими работами в области речной гидравлики, высказал мнение, что тео­ рия Лелявского является «особым событием в речной гидравлике, переворотом».

Следует отметить некоторую эволюцию представлений Леляв­ ского о внутренних течениях в потоке и причинах, их вызывающих, происшедшую за время между его докладами в 1893 и 1904 гг. Сущность указанной эволюции рассмотрена Проскуряковым [319].

Наблюдения Лелявского за расположением речных струй кроме своей основной задачи, дали весьма ценный материал для практики гидрометрических работ, позволяющий судить о степени точности измерения расходов воды.

Лелявский один из первых обратил внимание на наличие в реч­ ном русле особых песчаных образований в виде «кос» и исследовал их передвижение путем точных повторных съемок [218].

Общие выводы, к которым пришел Лелявский, заключаются в следующем:

«а) речные косы периодически появляются, передвигаются и

образования, ускоряют их спускание и удлиняют район их распро­ странения;

г) те же исследования подтвердили сделанные нами ранее оп­ ределения расположения подводных гребней песчаных кос, а имен­ но: эти гребни пересекают русло зигзагообразно, связывая оконеч­ ность каждой подводной косы с нижележащей косой противопо­ ложного берега, обращаясь при этом выпуклостями попеременно то к одному, то к другому берегу».

Базируясь на своих представлениях о структуре внутренних те­ чений в потоке и о взаимодействии их с подвижным песчаным ло­ жем реки, Лелявский создал оригинальную систему регулирования

лирован принцип непрерывного взаимодействия потока и русла и показана превалирующая роль половодья в формировании послед­ него. Но в отношении механизма течений и русловых деформаций

1 В 1901 г. В. И. Чарномский [422] предложил новый способ измерения реч­ ных струй, по его мнению более простой и точный, чем метод Лелявского. Однако К. А. Акулов [4] показал, что результаты, даваемые подводным флюге­ ром Лелявского, гораздо ценнее в практическом отношении, чем полученные по способу Чарномского.

158

эти ученые не могли в то время выйти за пределы чисто качест­ венных обобщений, так как уровень гидродинамики был тогда весьма невысок.

Крупный вклад в теорию руслового процесса внес H. Н. Жу­ ковский, который в результате многолетних исследовательских ра­ бот, изучения многочисленных материалов по р. Волге и практи­ ческой работы по руководству землечерпанием на верхнем ее плёсе, выработал определенные представления о естественном про­ цессе формирования речного русла и частично изложил их в ста­ тье — «О руководящем принципе улучшения естественно-судоход­ ного состояния рек» [145]. Приведем основные выводы из этой статьи:

1. «Во всякой реке и водотоке осуществляются три механиче­ ских процесса, которые должны быть выделены в качестве суще­ ственнейших и простейших:

а) процесс падения вод вдоль ската реки; б) процесс размыва русла;

в) процесс удаления за пределы русла продуктов этого раз­ мыва, т. е. наносов.

Первый процесс представляет собою основной процесс жизни реки как таковой, а остальные два — процессы временные и про­ изводные. Совокупное осуществление этих трех процессов и создает сложный процесс формирования рекою своего русла».

2. «Расходами, формирующими русло, должны всегда счита­ ться расходы высоких вод (у нас обычно весенние), так как, во-

тогда как роль низких вод по отношению к итогам этой деятель­ ности всегда оказывается ничтожной, несмотря на всю продолжи­ тельность стояния таковых в течение года и несмотря на то, что меженные изменения в русле, с точки зрения меженных же требо­ ваний судоходства, способны иногда быть признаны весьма ощу­ тительными; и, во-вторых, только высокие воды охватывают все русло реки в целом. Поэтому большинство наших рек всего пра­ вильнее рассматривать в отношении их формирующей деятельно­ сти как реки периодически текущие, а расходами, формирующими русло, — считать расходы высоких вод».

3. «Большие, однообразные глубины всегда во всех реках яв­ ляются преобладающими, тогда как малые глубины, распростра­ няясь на ограниченном протяжении реки, являются исключитель­ ными. Отсюда вытекает, что процессу естественного формирования свойственна весьма важная закономерность: естественный про­ цесс формирования рекою своего русла всегда происходит так, что он приводит к осуществлению концентрации речных вод в русле,

ане к их деконцентрации».

4.«Соответствие между процессами размыва и удаления нано­ сов зависит от свойств грунта, образующего русло. Точная согла­

159

продуктов размыва, сколько он может удалить, представляет со­ бою частный случай. Общих же случаев может быть, очевидно,

удаления наносов, «в русле реки неизбежно должны местами воз­ никать застои наносов в виде скоплений тех или иных форм. Так как эти скопления складываются в среде движущихся вод, то вполне естественно, что по отношению к дальнейшему своему раз­ мыву они обладают значительной степенью устойчивости. Тем не менее наблюдения показывают, что устойчивость эта лишь отно­ сительная и что в периоды стояния в реке горизонтов формирую­ щих вод идет непрерывная работа по разрушению всех располо­ женных в главном русле скоплений наносов, причем эти последние

вод все более и более совершенно собирается в единое относительно глубокое русло, приобретающее по течению однообразные глубины и размеры живых сечений. Те же самые по существу своему ре­ зультаты деятельности вод мы находим также и в реках, проте­ кающих в плотных трудноразмываемых породах, но там в дости­ жении этих результатов не принимает столь деятельного участия процесс удаления наносов, в связи с особенностями которого в грунтах рыхлых и легкоразмываемых возникает своеобразней­ шая часть русла, а именно речная пойма». Жуковский, таким об­

сам по себе приводит к тем результатам, к достижению коих стре­ мится гидротехника свободной реки,— к обеспечению наиболее свободного стока речных вод вдоль русла...

Руководящим принципом мероприятий гидротехники следует признать признак воспособления естественной формирующей дея­ тельности речных вод».

Наиболее полно свои исследования Жуковский осуществил и опубликовал после Великой Октябрьской социалистической рево­ люции.

Из современников Лохтина, Лелявского и Жуковского, инте­ ресовавшихся русловым процессом и внесших значительный вклад в развитие теории процесса, следует отметить В. А. Макарова, В. Е. Тимонова, В. Г. Клейбера, Н. И. Максимовича, Ф. Г. Збро­ жека, С. П. Максимова и Н. П. Пузыревского.

8. А. Макаров [237] на основании произведенных бакенщиками промеров глубин (за пятилетие 1886—1890 гг.) на волжских пере­ катах впервые построил совмещенные графики изменений отметок дна перекатов и уровней воды. Анализ этих графиков показал, что

160

изображенные на них кривые в общем подобны или, иными сло­ вами, глубина переката изменяется в зависимости от стояния го­ ризонта.

Это явление еще с давних пор было известно волжским лоцма­ нам, его наблюдали на Волге также Плисов, Богуславский и дру­ гие исследователи. Заслуга Макарова в данном случае состоит в том, что он впервые обобщил это явление на большом числе пе­ рекатов (73) и длинном участке реки (от Рыбинска до Казани).

Выявленная Макаровым зависимость с большим успехом ис­

что колебания отметки дна перекатов не могут представлять собой функцию только одних колебаний уровней; на формировании русла должны сказываться также изменения живой силы потока, движение наносов и целый ряд других причин. В связи с этим на некоторых перекатах наблюдается обратная картина, т. е. при по­ вышении уровней перекаты не намываются, а наоборот, размы­ ваются.

К числу факторов, способствующих деформации ложа сибир­ ских рек, Ячевский [465] относит явление донного льда. Под влия­ нием последнего быстро и постоянно изменяется конфигурация речного ложа и островов, а вдоль берегов образуются «опечки» — подводные бугры наносного материала.

С. П. Максимов в 1903 г. в докладе на X съезде русских дея­ телей по водяным путям [88] остановился на некоторых вопросах, касающихся речных наносов. Он привел ряд примеров, показы­ вающих роль ветра в создании большой мутности рек на отдель­ ных участках. Так, например, по сообщению работавшего на Волге инженера Н. В. Попова, в 1891 г. Ураковский перекат вследствие сильного шторма был занесен песком, перенесенным ветром, и

с кос и начинает мести песок, располагая его на снежном и ледя­ ном покрове реки.

Действие ветра не ограничивается только переносом тонких частиц, но в значительной степени способствует размыву бере­ гов. Так, во время шторма в апреле 1901 г. обвал берега в Тетюшах составил несколько десятков тысяч кубических метров.

Максимов отмечает также роль льда в размыве русла и в уве­ личении наносов и мутности рек. При замерзании реки скорости по вертикали перераспределяются и донные скорости увеличива­ ются, что вызывает размыв русла. Ледоход разрушает берега и также способствует увеличению наносов.

Движение донных наносов продолжается и зимою, но движе­ ние взвешенных наносов совершенно прекращается. Вода в реке

становится чистой и прозрачной. Наблюдения в 1901 г. с помощью батометра на Васильевских перекатах р. Волги не обнаружили

наносов, Максимов высказал мнение, что отношение количества взвешенных наносов к донным зависит от формы поперечного профиля долины реки: на реках, которые имеют возвышенное над поймой русло, например на Миссисипи, количество наносов, пере­ двигающихся постоянно во взвешенном состоянии, чрезвычайно велико и играет значительно большую роль, чем количество тех наносов, которые катятся по дну. В зависимости от места наблю­ дений количество донных наносов колебалось на этой реке от 1 до 10% всего количества движущихся наносов. Максимов считает, что на р. Волге, которая имеет значительно углубленное русло, относительное количество частиц, которые держатся во взвешен­ ном состоянии, не так велико.

Далее Максимов остановился на вопросе измерения речных наносов, движущихся по дну. Существующие способы состояли в том, что на повторных планах в горизонталях изучались линии перемещения урезов, наибольших или равных глубин. Максимов предложил на реках с песчаным устойчивым руслом изучать пе­ редвижение определенных точек, линий и объемов, свойственных определенным морфологическим формам — косам, плёсам и пере­ катам, т. е. стремился придать изучению геометрический характер. Однако это предложение не получило распространения.

В. Г. Глушков на X I I съезде русских деятелей по водяным пу­ тям в 1910 г. [103] доложил о работах гидравлической лаборато­ рии Мургабских изысканий (см. стр. 115), при этом он сделал некоторые выводы по исследованию наносов, носящие теоретиче­ ский характер.

Глушков считал, что взвешивание наносов является следствием вертикальной составляющей скорости течения, что эта составляю­ щая возникает, по-видимому, периодически при пульсации скоро­ стей течения и что ее существование доказано многочисленными опытами. Величина вертикальной составляющей, по опытам Глушкова и других авторов, колеблется от Ѵіг до Ѵго нормальной ско­ рости течения. «Ввиду несжимаемости жидкости разные скорости на протяжении одной и той же струи возможны лишь тогда, когда более быстрые участки ее, напирая на идущие впереди медленные, отклоняются или, говоря иначе, расползаются во все стороны и между прочим вверх. Это и есть восходящие течения или верти­

2 мм/с. Это важное положение было высказано Глушковым впер-

162

вые и в последующем подтверждено работами гидрометрических частей в Туркестане в 1910—1913 гг. [302] и на Кавказе в 1910— 1912 гг. [301].

Для р. Мургаб у ст. Таш-Кепри Глушков выявил эмпирическую связь

ворительный результат, а подсчет годового стока наносов оказался заниженным, вероятно благодаря не учтенным формулой обвалам берегов. Поправочный коэффициент для года оказался равным 1,38.

Ю. Ц. Балталон [20] в 1912 г. впервые организовал регулярные наблюдения за прозрачностью воды с помощью диска Секки в волжской протоке Басарге (см. стр. ПО). Прозрачность воды, как известно, тесно связана с наличием в воде взвешенных веществ, спо­ собствующих рассеянию и поглощению проникающих солнечных лучей: чем больше мутность воды, тем менее ее прозрачность. Таким образом, прозрачность воды служит до некоторой степени харак­ теристикой мутности воды. Наблюдения показали, что прозрач­ ность воды имеет годовой максимум в 1,1 м подо льдом в конце января; в дальнейшем она сначала постепенно, затем быстро уменьшается до минимальной величины (0,1 м) в конце подъема весеннего половодья. Во вторую половину года прозрачность в об­ щем растет, но испытывает неравномерные колебания: увеличи­

пания североскандинавского ледника, была образована гидрогра­ фическая сеть (лощины, суходолы, долины) и генетически связан­ ные с ней склоны местности, падающие от водораздела к гидро­ графической сети.

Развитие современной эрозии обусловливается сельскохозяй­ ственной деятельностью человека, нарушающей нормальный про­ цесс стока поверхностных вод, установившийся после прекраще­ ния роста (вернее окончания формирования) гидрографической сети. В результате распашки водосборных площадей и уничтожения

естественной лесной и травяной растительности поверхностный сток усилился и стал весьма неравномерным, что повлекло за собой резкое увеличение размывов отдельных элементов древней гидро­ графической сети.

Главнейшим фактором развития эрозионных образований в рас­ паханных водосборах является относительная разность высот во­ доразделов и .прилегающих низин (чем эта разность больше, тем размыв сильнее).

Лес, растущий на берегах рек, полностью предупреждает раз­ витие берегового размыва и несколько ослабляет донный размыв. Береговой размыв усиливается на более инсолируемых склонах.

Селевые явления изучались в рассматриваемый период глав­ ным образом лесоводами. Большая часть опубликованных в это время работ [178, 222, 326, 327, 410 и др.] содержит результаты ис­ следований влияния растительности на селеобразование и реко­ мендации по борьбе с этим явлением путем лесомелиорации.

Наряду с лесоводами исследованием селей занимались и дру­ гие специалисты. М. П. Псарев [320] на основании проведенного им обследования сообщил о движении и причинах образования се­ лей, прошедших в июне 1884 г. в Нахичеванском уезде и сильно

образования селей; механизм движения селя достаточно подробно описан H. Н. Пыльцовым [324], свидетелем прохождения селя

в1901 г. на р. Кишчай в бассейне р. Алазань.

С1909 г. вопросами образования селей и разработкой меро­ приятий по борьбе с ними начало заниматься Водное управление на Кавказе. Н. Петров [309, 310] выявил селеопасные районы, со­ брал сведения 'о прошедших селях и существующих способах борьбы с ними.

В1913 г. А. М. Эссен [460] впервые поставил вопрос о необхо­ димости для выяснения селевой активности бассейна вести гидро­ метрические работы совместно с наблюдениями за количеством и характером атмосферных осадков и наметил ряд пунктов, в кото­ рых эти наблюдения следует производить.

Влияние деятельности человека на речной сток

В рассматриваемый период продолжалась начатая ранее ди­ скуссия по вопросу о влиянии вырубки лесов на речной сток и было положено начало новой дискуссии о влиянии на речной сток осушения болот и агротехнических мероприятий.

Вырубка лесов. В 1871 г. Воейков [78], анализируя данные по средним десятилетним уровням р. Волги у г. Астрахани за период 1828—1867 гг., пришел к выводу, что режим Волги в этом пункте постепенно меняется: начало половодья и высший уровень теперь наступают раньше, чем прежде, продолжительность половодья и высота воды стали гораздо больше прежних. Причину такого изме­ нения режима реки Воейков видел в вырубке лесов и распашке

164

земель из-под леса, благодаря чему снег весною стал таять быст­

же пункту за еще более продолжительный период — с 1792 по 1909 г. Ю. Ц. Балталон [20] в 1913 г. воздержался от использования указанных данных, мотивируя тем, что «водомерные рейки у г. Аст­ рахани неднократно переносились, и единство нуля их, особенно до 40-х годов прошлого столетия, едва ли сохранилось». Правиль­ ность заключения Балталона впоследствии была подтверждена

искусственного подсчета по десятилетиям сравнить средние за пер­

нее. Видимая же правильность изменения средних объясняется за­ сушливостью 30-х и влажностью 50-х годов XIX столетия.

В 1875 г. в Академию наук поступило из Венской академии наук сочинение Г. Векса «Об убыли воды в реках и ручьях куль­ турных стран и о сопровождающем это явление усилении полово­ дий» (1873 г.) [479]. Рассмотреть это сочинение и составить заклю­ чение о нем было поручено комиссии, состоявшей из академиков

Г.Гельмерсена и Г. Вильда [93].

Всвоем сочинении Веке высказал мысль «о понижении высоты воды в реках и о находящемся в связи с этим явлением уменьше­ нии общего количества стекающей в них воды». Основной причиной этого он считал истребление лесов, влияющих не только на увели­ чение осадков, но и на обилие подземных вод и источников, питаю­ щих реки. Кроме того, известную роль играет осушение болот, рас­ пашка полей, спуск озер и прудов, возделывание и улучшение по­

ждал свои мысли данными многолетних наблюдений за уровнями западноевропейских рек. Разделяя ряды на два периода, одина­ ковые по числу лет, и сравнивая полученные средние, он пришел к заключению, что высота воды в ближайший к нам период зна­ чительно понизилась, следовательно, реки несут теперь меньше воды, чем прежде, т. е. они обмелели.

Правильность мнения Векса оспаривалась рядом известных гидротехников (Гаген, Гребенау, Маас и др.), объяснявших пони­ жение горизонта рек размывом дна вследствие регулирующих водостеснительных работ.

165

Академики Гельмерсен и Вильд в своем заключении в общем согласились с доводами и выводами Векса. К приводимому им ряду примеров (Палестина, Персия, Греция, Сицилия, Испания), предостерегающих от неразумной вырубки леса, они присоединили ту часть Южной России, в которой 150—200 лет тому назад нахо­ дились громадные лесные пространства и которая ныне представ­ ляет собою голую степь с безводными возвышенностями.

Но, соглашаясь в общем с мнением Векса, комиссия, однако, полагала, что следует точнее, чем это делает Веке, различать сле­ дующие два вопроса: 1) уменьшалось ли в историческое время абсолютное количество -протекающей по рекам воды? и 2) измени­ лось ли более или менее значительно по временам года количество речной воды независимо от перемены в общем годовом его коли­ честве?»

На первый вопрос комиссия не смогла дать утвердительного ответа и высказала следующее: «истинное уменьшение ежегодного количества воды кажется нам недоказанным фактически ни для одной реки; что же касается до обусловливающих факторов, то дождевые измерения, по крайней мере в Западной Европе, где они производились в течение 100—200 лет, не показывают ни малей­ шего изменения в количестве выпадающей влаги ни в одном реч­ ном бассейне». Этот вопрос «может быть решен только в будущем,

На второй вопрос комиссия ответила утвердительно: «леса и болота должны бесспорно считаться регуляторами атмосферной влаги и количества стекающей по рекам воды... Итак, истребле­ ние лесов и осушение болот, как это подтверждает, по-видимому, и опыт, должны производить более неравномерное против прежних лет распределение стекающих по обнаженной местности в продол­ жение года речных вод» [93].

В связи с поднятым вопросом об уменьшении проточных вод Академия наук обратилась за содействием к Московскому об­ ществу испытателей природы и Московскому обществу любителей естествознания, антропологии и этнографии. В 1877 г. из членов означенных обществ составилась комиссия «по исследованию во­ проса об изменении уровня проточных вод и о влиянии на это ле­ сов» под председательством Я. И. Вейнберга [65].

Комиссия постановила составить краткую программу необхо­ димых исследований и наблюдений и присовокупить к каждой та­ кой программе серию отдельных вопросов, ответы на которые до­ ставят требуемые сведения. Этот труд комиссии был напечатан

главленной «Программы и вопросы, составленные комиссией по ис­ следованию вопроса об уменьшении проточных вод и влиянии на это лесов и пр.» (под редакцией Я- И. Вейнберга и А. А. Крылова).

166