2.4.12. Поняття про русловий процес річок

Перше, що привертає увагу при розгляді річкових русел — це поєднання індивідуальних рис, різноманітності та певних ознак типовості. Виділення і дослідження типових процесів — це перший крок до пізнання основних закономірностей розвитку даних природних об’єктів.

Русла, русловий рельєф — це відбитки роботи (функціонування) потоків води. Але русла тимчасових потоків у ярах і русла річок досить різні. Характерною рисою річок є постійність дії потоку і пов’язана з цим виробленість, розробленість, відносна стабільність русла та долини. Якщо розглядати річку як складну саморегульовану систему, то її стабілізація пов’язана з певною збалансованістю як зовнішніх умов, так і внутрішніх закономірностей розвитку. Ці закономірності в першу чергу мають фізичну (гідродинамічну) основу, але поєднуються з найважливішими гідрологічними, геоморфологічними та географічними закономірностями. Розкрити цю єдність — основне завдання теорії руслового процесу, або руслознавства.

Русло любої річки характеризується ієрархічною будовою, тобто складається з елементів різного рангу, рівня. Окремі частки наносів взаємодіють з дрібними турбулентними утвореннями — вихорами, які можуть їх підхоплювати, перекочувати, посувати. Рух часток відбувається, як правило, певними скупченнями. Рух придонних, руслоформуючих наносів відбувається у вигляді донних гряд. В залежності від того — чи є вони масовими, багатосичельним елементом дна (системи потік — русло), чи займають більшу частину ширини русла, їх поділяють на мікроформи та мезоформи. Мікроформи бувають різномасштабні і розташовані відносно нерівномірно, хаотично. Мезоформи більш впорядковані, хоча також бувають різної форми та розмірів. За рахунок утворення звивин та розвитку заплави виникають макроформи, що включають русло та заплані масиви. Мезо- та макроформи можуть об’єднуватися у певні комплекси, взаємодіяти групами. Їх відносна однорідність, подібність може зберігатися на ділянках долин (русел), які називають морфологічно однорідними.

Таким чином на нижчих рівнях ієрархія і особливості розвитку процесу залежить від турбулентності потоку, а на вищих — від географічних геоморфологічних особливостей місцевості та характеристик річки. Дрібні елементи русла змінюються швидко, а крупні — повільно. Тобто режим деформацій (русловий режим річки) також ієрархічно побудований. У цьому він подібний до водного режиму. І як у водному режимі основна увага приділяється сезонним складовим, так у русловому треба виділити найбільш характерну складову.

Розміри власне русла визначаються мезоформами. З ними тісно пов’язаний розвиток макроформ (рис. 2.64.). Вони визначаються з дією як внутрішніх (гідродинамічних) факторів, так і зовнішніх (гідрологічних та географічних). Послідовність відносно однорідних мезоформ (і макроформ) подібна до послідовності хвиль. Їх можна характеризувати певним кроком (довжиною хвилі). З кроком тісно пов’язана ширина русла. Дослідження показують, що існує залежність типа:

, (2.41)

де L — крок мезоформ, а — коефіцієнт пропорційності, т — степінь (менше одиниці). Таким чином річкові потоки формують собі русла певних розмірів. Характерною особливістю цього процесу є нелінійність. Вона проявляється по-різному. Вплив потоку на русло (руслоформуючий ефект) залежить від витрат у степені більше «2». Це призводить до того, що наслідки діяльності деяких найбільших, але не дуже рідких, витрат залишаються і переважають. Кажуть також про інерційність твердої фази (наносів, русла) відносно рідкої та про успадкування крупних руслових форм. Ці особливості були враховані М.А. Велікановим у сформульованому ним (у середині XX століття) принципі взаємного впливу (взаємодії) потоку та русла.

Іншими проявами нелінійністі є те, що при збільшенні абсолютних розмірів потоків вони стають все більш розпластаними (збільшується відношення ) та зменшують поздовжні похили (при інших рівних умовах). Ці види нелінійності отримали назву «масштабний ефект». Їх врахування необхідне при проведенні руслових досліджень.

У вступі ми вже говорили про те, що річки виникають там де процеси ерозії та акумуляції відносно стабілізуються. Це знайшло своє відображення у принципі динамічної рівноваги руслового процесу М.Є. Кондратьєва. Врівноважені, циклічні процеси в руслах поєднуються з поступовим, повільним розвитком (динамікою більших масштабів часу, вищого ієрархічного рівня). Відносна стабільність проявляється зокрема у взаємній відповідності між величиною потоку, крупністю донних відкладів та поздовжніми похилами дна долини. Це явище можна назвати виробленістю частин поздовжнього профілю річки. Відхилення від неї пов’язані з особливими умовами. Можна записати, що:

(2.42)

Додатковим фактором можуть виступати розміри стоку руслоформуючих наносів (навантаженість потоку наносами).

На вільний розвиток русел річок впливають різноманітні зовнішні обмеження. Як правило — це взаємопов’язана дія вертикальних (глибинних) та бічних обмежень. Вони пов’язані як з наявністю важкорозмивних порід, так і з тектонічними та геоморфологічними умовами місцевості (ділянки долини). В горах переважають врізані, порожисті русла; на рівнинах — вільні, широкозаплавні. Можуть бути річки притиснуті до одного з бортів долини. Це впливає на розвиток руслових форм. В цілому на обмеження річки реагують збільшенням поздовжніх похилів, стрімкості течії, живої сили потоку. Це також прояв саморегуляції системи потік-русло. Ще у 1946 році М.А. Веліканов писав: «Але річка не може бути «будь-якою». У природі немає, і не може бути річок, що спокійно протікають по кам’янистому ложу, або бурхливих річок, що швидко течуть по намулистому дну...».

Саморегуляція річок спрацьовує не миттєво. Вона залежить від конкретних обставин та масштабів впливу. Швидко реагуючими складовими можуть бути окремі частки наносів та дрібні мікроформи. Для зміни крупних мікроформ потрібні більший вплив і час. Поздовжні похили річок можуть розвиватися за геологічні проміжки часу. Можна сказати, що саморегуляція системи потік-русло це також складна ієрархічно побудована система. Вона включає в себе як різноякісні (характеристики стійкості ложа потоку, різні типи процесу), так і різноманітні елементи. Таким чином комплексні, синтетичні закономірності розвитку русел річок, про які ми говорили на початку, повинні розглядати саморегуляцію, реакцію системи на зміни провідних факторів. До основних факторів можна віднести зміни клімату (водного режиму та водності потоків), зміни обмежуючих умов, характеристик та кількості наносів, а також антропогенний вплив. До додаткових факторів відносять рослинність, дію вітру, вплив льодових явищ, льодовиків та інші. Внутрішніми факторами є фізичні характеристики води, потоку води з наносами.

Виходячи з наведеного аналізу дамо визначення руслового процесу річок. Це зміни характеристик їх рельєфу (морфології) різного масштабу (ієрархічного рівня) під дією мінливого турбулентного річкового потоку та інших основних та додаткових факторів.