книги из ГПНТБ / Федосеев, Иван Андреевич (1909-1998). Развитие гидрологии суши в России

жет оыть только в случае кругового движения воды, но о нем эти авторы не говорят. Определенные указания на поперечную циркуляцию при подъеме и спаде уровня можно найти только в более поздних сочинениях. В «Курсе физической географии» П. И. Броупова читаем: «Когда уровень воды выпуклый, вода поверху движется от середины к берегам (от более высокого уровня к более низкому), вследствие чего посередине вода под пимается к поверхности, вызывая этим движения вдоль дна от берегов к середине; у берегов же образуются нисходящие тече­ ния. Вращения в обратные стороны бывают при спаде вод» 112.

Оциркуляции именно таких направлений можно прочесть и

унекоторых современных авторов. При этом они ссылаются как на наблюдения в натуре (скопление плывущих предметов у бе­ регов при подъеме и па стрежне при спаде), так и па лабора­ торные опыты.

Вместе с тем укажем на то, что в современной литературе су­ ществует и другая, противоположная схема поперечных цир­ куляций при подъеме и спаде уровня,. Так, в работе «Метод ис­ кусственной поперечной циркуляции» М. В. Потапов, говоря о причинах возникновения поперечной циркуляции, указывает на

слабо выраженную двойную поперечную циркуляцию с расхо­ дящимися донными токами при увеличении расхода и со сходя­ щимися — при его уменьшении, которая наблюдается при не-

установившемся течении 113.

Таким образом, у гидрологов и до сих пор существуют раз­

личные точки зрения по вопросу о поперечной циркуляции при неустановившемся режиме: во-первых, не все согласны с тем,

что при подъеме и спаде уровня создаются условия, вызывающие поперечную циркуляцию; во-вторых, те, кто допускает, что такие условия возникают (повышение уровня на стрежне, по сравне­ нию с уровнем у берегов во время подъема половодья, и пони­ жение уровня — во время его спада), по-разному представляют направление циркуляций. Вместе с тем следует подчеркнуть, что бесспорных экспериментальных подтверждений той или дру­ гой точки зрения не существует.

Возвращаясь к рассмотрению научной деятельности Н. С. Ле-

лявского, мы укажем еще на его доклад съезду русских деятелей

по водным путям в 1896 г. «Об исследованиях передвижения

песчаных кос у гор. Александровска», явившийся значительным вкладом в учение о русловых процессах. Передвижения кос были изучены путем наложения друг на друга тщательно снятых в

разные годы планов. Оказалось, что переформирования русла и передвижение кос происходят главным образом во время весен­

112 П. И. Броунов. Курс физической географии. Пг., 1917, стр. <321. 113 М. В. Потапов. Сочинения, т. I, М., 1951, стр. 39.

167

них половодий п тем интенсивнее, чем выше и продолжительнее половодье. Н. С. Лелявский пришел к следующим общим выво­

дам 114:

1.Речные косы периодически появляются, передвигаются и уничтожаются на определенном участке реки.

2.Появление и исчезновение песчаных кос совершается в одних и тех же местах, определяемых очертанием меженнего русла и конфигурацией речной поймы.

3.Выправительпые сооружения, возведенные в пределах пе­

редвижения песчаных кос, отодвигая весьма мало вверх места их образования, ускоряют спускание и удлиняют район их рас­ пространения.

4.Исследования подтвердили сделанные ранее Лелявским

определения расположения подводных гребней песчаных кос о том, что эти гребни пересекают русло наискось зигзагообразно,

связывая оконечность каждой надводной косы с нижеследую­

щей косой противоположного берега, обращаясь при этом своими

выпуклостями попеременно то к одному, то к другому берегу.

Переходя к освещению роли в развитии русловой гидрологии

других русских инженеров-гидротехников, прежде всего оста­ новимся на выдающейся научной деятельности В. М. Лохтин»

(1849-1919).

Изданная им в 1895 г. в Казани монография «О механизме речного русла» представила собой глубокую и оригинальную ра­ боту в области русловой гидрологии. Она явилась крупным вкла­ дом русской творческой мысли в познание русловых закономер­ ностей. В. М. Лохтин был одним из наиболее образованных ин­

женеров-гидротехников своего времени, прекрасным знатоком

наших рек. Он написал целый ряд значительных работ, касаю­ щихся как общих вопросов речного быта, так и важнейших спе­ циальных проблем, в том числе льдообразования и режима на­ носов. В. М. Лохтин по праву считается одним из основателей

учения о формировании речного русла.

Мы уже называли его работу «Река Днестр», в которой были высказаны оригинальные мысли автора о руслообразовательных процессах. Укажем также на интересный доклад В. М. Лохтипа

«Современное состояние вопроса об изучении свойств рек», про­

читанный в 1884 г. и являющийся продолжением его доклада 1883 г. «Современное положение вопроса о способах улучшения рек». В этом докладе В. М. Лохтин, противопоставляя гидрологи­ ческий («натуральный») и гидравлический («математический») методы изучения потоков, говорит, что теория о параллельно­ струйном движении воды в реках является неправильной и из­

лагает теорию, которая «исключает самое понятие о струйном движении воды и противопоставляет ему внутренние движения

114 «Вопросы гидротехники свободных рек», стр. 154.

168

воды в своей массе» 115.116Тут же он указывает, что эта теория дает

-объяснение спирального движения воды, обусловливающего фор­ му дна русла. Однако вопроса о спиралеобразном движении жидкости автор не развивает. В этом докладе В. М. Лохтин го­ ворит о трех элементах, определяющих особенности каждой реки: климатические условия, строение почвы и рельеф бассей­ на. Интересно еще привести высказанный в докладе взгляд В. М. Лохтина па место гидрологии в системе наук. По этому по­ воду в докладе говорится: «...раз вопрос об утилизации вод со­ ставляет нераздельное целое с гидрологией, то и эта последняя тем самым делается наукой специально инженерной, соприкаса­ ющейся с одной стороны с науками натуральными и с другой,—

с наукой собственно о водяных сооружениях с точки зрения их

устройства и проектирования» Н6.

Наиболее полное выражение взгляды В. М. Лохтина на рус­

лообразовательные процессы нашли в упомянутой его работе

«О механизме речного русла», на которой мы и остановимся.

Как мы видели, пи Фарг, установивший определенные со­ отношения между глубинами и формой русла, ни Лелявский,

давший обстоятельный анализ процесса взаимодействия потока и русла, ни другие исследователи не учитывали такого важного обстоятельства, что расходы и уровни воды в реках не являются постоянными и могут изменяться в значительных пределах. Они сделали свои обобщения главным образом применительно к меженнему режиму.

Между тем для наших равнинных рек, имеющих преимуще­

ственно снеговое питание, большая амплитуда колебания уров

ней особенно характерна. Во время весенних половодий уровень большинства наших крупных рек повышается более чем па 3 м, па Волге подъем доходит до 10—13 м, на Дону до 7—10 м, на Днепре до 6—8 м. На указанный недостаток предыдущих ис­ следований, адресуя свою критику главным образом француз­ ским инженерам, и обратил внимание В. М. Лохтин. Следует сказать, что книга В. М. Лохтина была тогда же переведена на французский язык.

В. М. Лохтин устанавливает следующие, не зависящие друг от друга, элементы, определяющие характер всякой реки:

1)многоводность, определяемая осадками и почвенными ус­ ловиями бассейна;

2)скат или крутизна, обусловливаемая рельефом пересекае­ мой рекой местности;

3)степень размываемости или устойчивости ложа реки.

115В. Л о х т и н. Современное положение вопроса о способах улучше­ ния рек. СПб., 1886, стр. 73.

116Там же, стр. 85.

170

Поскольку все эти элементы могут проявляться в разной степени и находиться в различных сочетаниях, ясно, что для изучения режима каждой данной реки необходимо знание физи­ ко-географических условий бассейна. Отсюда следует важный практический вывод: раз не может быть рек с одинаковым гид­

рологическим режимом, пе может быть и универсальных прие­

мов их выправления. Лохтин настойчиво возражал против ме­ ханического перенесения на наши реки методов выправительных работ, выработанных в Западной Европе.

Он впервые вводит деление рек на устойчивые и неустойчи­

вые. Для характеристики устойчивости он предлагает пользо­ ваться коэффициентом, представляющим отношение среднего диаметра составляющих ложе частиц к километрическому паде­ нию водной поверхности:

ь_ JL

1 ~ АН •

Свой анализ русловых явлений Лохтин в основном посвящает руслу устойчивому, т. е. такому, в котором чередуются глубокие и мелкие места, плесы и перекаты, сохраняющие почти неиз­

менным свое местоположение. Из рассмотрения данных гидро­ метрических измерений на некоторых реках Лохтин делает очень важный вывод, что продольный профиль водной поверх­ ности устойчивых рек имеет ступенчатый характер, причем во время высоких вод уклон больше на плесах, а во. время низ­ ких — на перекатах. По поводу правильного чередования в устойчивых реках плесов и перекатов он говорит следующее: «Имея в своем падении единственную силу для удаления посто­ янно поступающих в русло засорений и ощущая в этой силе не­ достаток, по сравнению с сопротивлением наносов, река как бы

экономит ее, сосредоточивая большую ее часть то тут, то там,

смотря по тому, где опа в данное время всего более нужна. При высоких уровнях уклон концентрируется па плесах, чтобы, очи­ стив их от наносов, перейти по спаде вод па перекаты и при­ ступить к сносу отложений, которые временно были оставлены здесь высокими водами за недостатком силы. Таким образом,

как те, так и другие отдельные участки русла, плесы и перека­ ты, являются здесь неизбежными и необходимыми орудиями в

общем деле влечения наносов и притом определенно разграни­ ченными и постоянно сохраняющими свои места расположения, сообразно органически присущим руслу местным условиям» 117.

Ясно, что между устойчивыми и неустойчивыми реками на­ ходятся реки промежуточного характера, но что касается не­ устойчивых рек, то они, согласно Лохтину, характеризуются од­ нообразным уклоном продольного профиля водной поверхности

*17 В. Лохтин. О механизме речного русла. Казань, 1895, стр. 33.

171

и непрерывным влечением наносов вдоль всего русла. Лохтин

особенно подчеркивал, что главную роль в формировании русла

имеют высокие воды. Говоря о методах инженерного улучшения рек, он считал, что они должны быть дифференцированными в зависимости от гидрологических особенностей и прежде всего от степени устойчивости той или иной реки.

В толковании Лохтиным отдельных русловых явлений мож­

но, в свете современных знаний, обнаружить некоторые недос­

татки, одпако они настолько несущественны, что положения,

развитые основателем русской школы русловой гидрологии, в

основном остаются в силе и сегодня.

Представления Лохтина о русловых процессах есть плод его

огромного практического опыта, наблюдательности и глубокого

проникновения в сущность речных явлений. Недаром моногра­ фию «О механизме речного русла» Лохтин заключил словами: «Поменьше формул и побольше наблюдательности — вот то по­ желание, которое дело изучения рек, сообразно современному своему положению, может высказать специалистам в интересах

дальнейшего своего развития» 118.

В те годы, когда наиболее активно протекала научная и практическая деятельность В. М. Лохтина и Н. С. Лелявского (конец XIX — начало XX в.), в русловой гидротехнике, наряду со спорами между сторонниками водостеснительных и струена­ правляющих сооружений, развернулась острая борьба между

118 В. Лохтин. О механизме речного русла. Казань, 1895, стр. 49.

172

приверженцами, так сказать, ортодоксальной системы улучше­ ния рек, которые считали, что для выправления русел должна быть использована сила самого потока, и представителями нового метода — землечерпания. Последние, возглавлявшиеся профессором Петербургского института инженеров путей со­ общения В. Е. Тимоновым и инженером В. Г. Клейбером, долго

оставались в меньшинстве, но все же в конце концов победа

осталась за ними. Победе сторонников механического землечер­ пания способствовали, прежде всего, прогрессивность самого метода, его надежность и оперативность, убедительно доказан­ ные Клейбером, который в навигацию 1901 и 1902 гг. с помощью

землечерпания добился на некоторых волжских перекатах не­ обходимой глубины в меженнее время. В дальнейшем землечер­ пательные работы почти полностью вытеснили выправительные. На разработке теоретических вопросов речной гидрологии это обстоятельство сказалось явно отрицательным образом, так

как его результатом было то, что изучению структуры потока стало уделяться меньше внимания.

Крупный вклад в теорию русловых процессов после Лохтина и Лелявского внес Н. Н. Жуковский; его весьма интересные ис-

ледования пришлись уже на первые годы после Октябрьской революции. Из современников Лохтина и Лелявского, выска­

завших много ценных и плодотворных идей, кроме Тимонова в Клейбера, назовем еще В. А. Макарова, Н. И. Максимовича,

Ф. Г. Зброжека, С. П. Максимова, Н. П. Пузыревского.

В. Г. Клейбер вслед за М. Меллером высказал мысль об ис­ кусственной поперечной циркуляции, возбуждаемой установ­ кой в русле щитов под углом к направлению течения. Он указал

в 1894 г. на то, что «щитовая плотина, опущенная на некоторую

глубину, дает могущественное средство для разделения струи на поверхностную и донную, сообщая струям, ударяющим в щиты и проходящим под ними, скорости по двум взаимно перпенди­ кулярным направлениям: параллельному и нормальному к щи­ там. Целесообразною установкой этих плотинмогут быть вы­ званы в русле те именно течения, которые должны привести к

образованию ложбины в желаемом направлении». И далее: «У поверхности течение отклонится щитами к фарватеру; здесь вследствие столкновения струй справа и слева произойдет под­ пор, под влиянием которого донные струи, насыщенные наноса­

ми, разойдутся в обе стороны по направлению к плотинам, чему

еще более будут содействовать струи воды, проходящие под щи­ тами нормально с последними.

Вследствие постоянного притока к фарватеру струй, лишен­ ных наносов, и удаления с него более насыщенных ими, посте­

775

пенно должна разработаться вдоль фарватера ложбина, которою

и воспользуется судоходство» 119.

Предложение Клейбера в 30-х годах XX в. было всесторонне разработано в теоретическом и инженерном отношении советски­ ми учеными М. В. Потаповым, А. И. Лосиевским и др.

В. Г. Клейбер впервые организовал на Волге в 1894 г. служ­ бу прогноза колебаний уровней воды и глубины на перекатах,

о чем им было доложено III съезду русских деятелей по водным путям. Первый прогноз, составленный им 30 мая 1894 г., гласил: «Ожидается до 9 июня на перекатах выше Нижнего глубина не менее 11 четвертей 1 вершка» 12°.

Большой заслугой В. Е. Тимонова является организация им в 1907 г. первой в России гидротехнической лаборатории в Ин­ ституте инженеров путей сообщения в Петербурге.

В. А. Макаров первым у нас начал исследование зависимо­ сти между горизонтами воды и высотой перекатов. На I съезде- инженеров-гидротехников в 1892 г. он сделал доклад по этому вопросу, основанный на обработке сведений за 1886—1890 гг. по 73 волжским перекатам между Рыбинском и Казанью. Иссле­ дования В. А. Макарова показали, что высота перекатов нахо­

дится в прямой зависимости от высоты горизонта воды, т. е. при высоких горизонтах перекаты наращиваются, а при низких —

размываются 121.

Отмечая значительность вклада, внесенного в развитие рус­

ловой гидрологии Ф. Г. Зброжеком, укажем на то, что некото­ рые положения, так убедительно развитые В. М. Лохтиным (о

руслообразующей роли высоких вод, о соотношении уклонов на плесах и перекатах в половодье и межень и зависящих от этого

деформациях русла), в общей форме были высказаны Зброже­ ком в его докладе «Современное положение в России вопроса о выправлении рек», прочитанном в Институте путей сообщения

вноябре 1887 г.

ОЗброжеке следует еще сказать, что в 1890—1896 гг. он опубликовал «Курс внутренних водяных сообщений», представ­ ляющий собой лекции, прочитанные автором в Институте ин­ женеров путей сообщения. В этом курсе имеется глава «Реки,

вестественном состоянии», в которой говорится о происхожде­ нии и питании рек, гидродинамических элементах и общих свой­ ствах потока, движении наносов, руслообразовательных процес­ сах, ледовых явлениях. В 1897 г. вышло второе, переработанное

174

вновь. Ниже будет сказано о большой роли Ф. Г. Зброжека в ис­ следовании вопроса о максимальных расходах воды. Теперь мы очень кратко остановимся на истории проблемы образования долин, т. е. того элемента рельефа, в пределах которого как раз и развиваются русловые процессы и который сам является по большей части продуктом деятельности текущей воды.

Процесс образования долин все более выяснялся по мере на­ копления знаний об общих законах водной эрозии. Впервые определенные закономерности, присущие долине и руслу, под­ мечают итальянские ученые. Так, Г. Галилей (1564—1642) дает определение профиля равновесия реки как вогнутой кривой, при которой в реке устанавливается соответствие между размыва­ ющей силой потока и сопротивления русла 122.

Немало замечательных мыслей о рельефообразующей дея­ тельности водных потоков было высказано М. В. Ломоносовым в его знаменитом сочинении «О слоях земных» (1763).

Установлению основных положений водной эрозии много способствовали исследования, проведенные в 1841 г. француз­ ским инженером А. Сюреллем 123. Из этих положений примени­ тельно к речным долинам, в частности, вытекает, что все они имеют линейное протяжение, характеризуются однообразным продольным уклоном, никогда не пересекаются друг с другом,,

т. е. при встрече соединяются в одну долину.

Из русских ученых взгляд об эрозионном происхождении

долин вполне разделял, например, И. А. Двигубский (1771—

1839). В более позднее время, в 1861 г., совершенно отчетливо об этом писал также И. И. Глушинский. Так, он считал, что обра­ зование речного русла и долины «связано с общим изменением вида земной поверхности, продолжающимся и доныне, и зави­ сит исключительно от физических и отчасти химических сил, воды.

Всякая поверхность, по которой протекает вода,— продол­ жал Глушинский,— даже твердейшие слои непременно должны уступить хотя медленному, но разрушительному ее действию...

Конечно, размываемость скалы не может происходить скоро...

однако ж нет никакого сомнения, что именно таким образом обра­ зовались глубокие долины, прорезывающие горные хребты и в них углубленные с некоторою даже извилистостью русла рек» 124.

Вопрос о происхождении долин, о процессе их образования привлекал внимание многих естествоиспытателей. Особенно ин­

издание лекций 1861—62 г., записанных Н. В. Бернацким), стр. 3.

/75

принадлежит разработка теорий, отличающихся оригинально­ стью мысли и широтой охвата проблемы.

Выдающийся русский ученый В. В. Докучаев (1846—1903) опубликовал в 1878 г. обширную монографию «Способы образо­

вания долин Европейской России», в которой изложил свою те­

орию образования долин путем естественного соединения об­ ширной системы озер, покрывших, как он полагал, Русскую рав­ нину в послеледниковое время, причем первостепенную роль в этом процессе слияния озер он отводил оврагам. Однако другие

ученые не были склонны придавать этому способу образования долин универсальный характер.

Так, известный геолог С. Н. Никитин (1851 —1909) считал 12а,

что теория В. В. Докучаева, пригодная для области финляндских и прибалтийских озерных систем, к рекам центральной России применима лишь в единичных случаях. Теория В. В. Докучаева, прогрессивная ио своей идейной сущности, поскольку в ней по­ лучил последовательное развитие эволюционный подход к про­ цессам, происходившим и происходящим на земной поверхности, по-прежнему оставляла необъявленными некоторые особенности

в строении долин, например, несимметричность террас, их обры­ вочность.

В теории, предложенной С. Н. Никитиным, эти особенности нашли убедительное объяснение. Весь процесс образования до­

лин связывается С. Н. Никитиным с деятельностью самих рек, с их непрерывным блужданием по пойме и глубинной эрозией.

Между прочим, В. В. Докучаев, касаясь формы луговых приреч­ ных долин, также считал, что опа частично объясняется «стран­ ствованием рек от одного берега к другому», о чем он говорил еще в 1876 г. в своем докладе «Об обмелении рек в Европейской России». Но, конечно, главное объяснение этой формы он видел

в происхождении долин путем слияния озер. Следует, однако, от­

метить, что распространение долин эрозионного происхождения С. Н. Никитин, очевидно, преувеличивал. Остановимся далее на вопросе, касающемся формы поперечного профиля долин и русел и имеющем отношение к явлению меаидричности рек.

Многими натуралистами, в частности еще известным путе­ шественником П. С. Палласом (1741—1811), была замечена одна почти всеобщая русловая особенность, состоящая в том, что у рек нашего полушария правый берег крутой, а левый пологий.

Но, говорит Бер, Далласе, ио-видимому, не нашел физической причины такого правила. Считается, что первым, кто указал на суточное вращение земли как на причину этого явления, был русский ученый, исследователь Сибири П. А. Словцов (1767—*

125 С. Н и к и т и п. Общая геологическая карта России. Лист 56. СПб., 1884.

176