Источник: Хон Алексей Валерьевич, Саморегуляция в динамике воздействия речного потока и русла.

     Актуальность работы. Главной задачей геоморфологии является изучение закономерностей пространственного перераспределения вещества и его рельефообразующих следствий. Решение этой задачи требует количественных оценок протекающих на земной поверхности процессов. Одним из главных агентов экзогенного рельефообразования служат водные потоки, а создаваемый ими комплекс русловых и долинных форм является наиболее устойчивым внешним проявлением их взаимодействия. Развитие системы "водный поток - русло" происходит в условиях действия на нее множества хаотизирующих факторов. В частности, поступление воды в русловую сеть является неравномерным и в различной степени зависит от режима осадков и температуры. Количество и крупность продуктов разрушения горных пород вдоль водотока также не является регулярным и зависит от геологического строения речного бассейна и распределения уклонов на его территории. Наблюдаемая в этих условиях высокая степень устойчивости системы предполагает наличие у нее механизмов приспособления к пространственной и временной сменеусловий своего функционирования. Таким образом, система "водный поток - русло" представляет собой естественным образом формирующийся природный автомат, действующий на основе обратных положительных и отрицательных связей, лежащих в основе процессов саморегулирования. Саморегулирование осуществляется через взаимообусловленные процессы деформации русла, вызываемые ими локальные изменения поля скоростей течения, перераспределение донных отложений и изменение морфологии русла в целом. При этом все русло приобретает сложное морфологическое строение, которое оказывает обратное действие на общую структуру скоростного поля и турбулентность. Скоростное поле руслового потока определяет изменение морфологических параметров русла на уровне системы "плес-перекат" и отдельной излучины. На этом же уровне осуществляется взаимодействие руслового потока с инженерными сооружениями, возводимыми в поле влияния русла: в самом в русле, на пойме, на речных террасах. Этим определяется одна из главных задач исследования процесса русловой геоморфодинамики - изучение формирования поля скоростей течения в русловом водном потоке, вызываемого закономерными изменениями форм русла в поперечном и продольном сечениях. Не решая данную задачу, во-первых, нельзя добиться удовлетворительного прогноза русловых переформирований как в естественных условиях его развития, так и вследствие техногенных воздействий. Во-вторых, становится невозможной разработка управления системой "водный поток —русло". Другой важной задачей в решении проблем русловой геоморфодинамики является изучение гранулометрической дифференциации аллювия, осуществляющейся в результате взаимодействия водного потока с отдельными частицами. Строгая теоретическая реализация ее имеет важное прикладное значение, и не только в отношении образования повышенных концентраций полезных минералов с большим удельным весом, но и с точки зрения дальности и скорости переноса обломочного материала и различных загрязнителей по руслу. Решение данных задач имеет важное практическое значение, и этим определяется актуальность диссертационного исследования.

     Объект и предмет исследования. Объектом исследования является взаимодействующие междусобой водный поток и русло, которые образуют динамическое структурное единство саморегулирующуюся систему, осуществляющую наиболее активное преобразование рельефа и играющую важную роль в хозяйственном освоении речных долин. В качестве предмета исследования выступают механизмы саморегуляции в процессе развития речного русла, а также взаимовлияние морфологии русла и динамических характеристик водного потока.

     Глава первая, "Структурные элементы и механизмы взаимодействия речного потока и русла", посвящена рассмотрению русловых потоков как сложных динамических систем. Необходимость такого рассмотрения отмечена в работах М.А. Великанова [1958, 1964], Н.И. Маккавеева [1955, 1971], А.В. Позднякова [1988, 2001, 2002], Н.С.Знаменской [1992] и др. Взаимозависимость динамики потока и системы русловых форм на любом участке естественного руслового потока подробно раскрыта в работах Р.С. Чалова [1979, 1984, 1998] и других научных сотрудников Лаборатории эрозии и русловых процессов МГУ. Приводится обзор имеющихся на настоящее время способов расчета распределения местных скоростей по поперечному сечению в одномерной [Караушев, 1947, 1960; Гончаров, 1962] и двумерной [Рогунович, 1989] постановке задачи. Волновой характер движения воды по руслу реки вызывает согласованные колебания глубины руслового потока и колебания направления струй потока в плане. Внешним отражением этих колебаний является закономерное чередование по длине речного потока участков уменьшения и увеличения глубины потока, а также формирование и самовоспроизведение излучин по длине реки. Источником энергии этих колебаний являетсяпотенциальная энергия гравитации. Согласно определению, приведенному в работе И.В. Попова и Н.Б. Барышникова [1988], саморегулирующимися называются такие механические и природные системы, которые способны путем внутренней перестройки продолжать выполнение своих функций при ограниченных изменениях внешних условий, в которых они развиваются. Данное определение отражает процесс приспособления системы путем частичного изменения своей структуры, но не учитывает возможной нейтрализации природным объектом малых возмущений, выводящих его из состояния динамического равновесия без изменения структуры связей между элементами. Именно этот процесс снижения степени внешнего воздействия без структурных изменений понимается как саморегулирование. Самоорганизация же понимается как совокупность процессов, в ходе которых создается, воспроизводится и совершенствуется структурная организация сложной динамической системы. Самоорганизация любой системы происходит за счет притока внешней упорядоченной энергии [Арманд, 1988; Поздняков, 1988; Черванев, Поздняков, 1996]. Рис. 1. Схема строения системы "плес-перекат". Самоорганизация на уровне отдельных излучин и составляющих эти излучины систем "плес-перекат" заключается в формировании турбулентных струйных течений в местах естественного сужения поперечного сечения руслового потока. Основной причиной, обусловливающей самопроизвольное сужение потока, является движение по руслу гряд и концентрация потока на изгибах в результате действия центробежной силы. Динамика плеса, обусловленная образованием и самоограничением струйных турбулентных течений, выглядит следующим образом (рис.1). В паводок на участке переката формируется сжатая турбулентная струя, движущаяся на перекате безотрывно. Эрозионно-аккумулятивный процесс определяется соотношением донной Vд и неразмывающей VH скоростей. Как только Vд >VH - начинается размыв дна и берегов, формируется углубление дна - плес. С этого момента водный поток, выходя на плесовый участок, становится ядром затопленной турбулентной струи с ясно выраженными параметрами свободной струи. Причем отрыв может происходить не только от дна, но и от берегов. Поле скоростей такого течения более адекватно будет моделироваться зависимостями теории свободных турбулентных струй. А гранулометрическая дифференциация взвешенного и влекомого обломочного материала на плесе осуществляется в соответствии со скоростным полем. Таким образом, на участке плеса, сформированного паводковым потоком на спаде уровня и в межень, формируется аккумулятивное тело, которое образует вложенную морфологическую пару "плес-перекат". При последующем снижении уровней и скоростей течения это аккумулятивное образование вызывает деление потока в плане на две самостоятельные струи, развивающиеся в меньшем масштабе по тем же закономерностям. Появление в русле островов предопределяет подпор и локальное повышение уровня, которое увеличивает уклон водной поверхности и скорость течения на нижележащем перекате, что инициирует развитие на следующем плесе подобного процесса. Размываемость берегов становится причиной колебания руслового потока в плане путем формирования излучин. Увеличение угла подхода струи к подмываемому берегу происходит в результате действия положительной обратной связи. Случайно образующийся начальный выступ одного из берегов вызывает отклонение струй к противоположному берегу, и он размывается. Отступание подмываемого берега способствует увеличению кривизны русла, еще большему отклонению струй и дальнейшему нарастанию кривизны излучины. Формирование турбулентной струи происходит, когда эта струя подходит под углом к одному из берегов русла с повышенной скоростью. Выходящая из корыта переката под некоторым углом к берегу турбулентная струя, в результате размывая его и примыкающую к нему часть русла, формирует плесовую ложбину. В силу того, что скорость по длине струи закономерно падает, в нижней части плеса развивается аккумуляция влекомых наносов, что кладет начало формированию следующего переката. На этом перекате вновь происходит концентрация потока, формирование корыта и турбулентной струи. Таким образом формируется один из самых главных динамических элементовруслового потока - система "плес- перекат". Параметрами этой системы являются: начальная скорость сформированного на гребне переката струйного течения (v0), длина плесового участка и крупность донных отложений. Данная система начинается на гребне переката, включает в себя плесовую лощину и напорный склон следующего переката (рис. 1). Функцией системы "плес-перекат" в речном русле следует считать перевод части кинетической энергии движения в потенциальную энергию и ограничение области интенсивного размыва участком развития водоворотной зоны. В динамике русла важное значение имеет дальность переноса обломочного материала, зависящая от его гидравлической крупности и пульсационной скорости на дне. Ими определяются процессы гранулометрической дифференциации обломочного материала по крупности и плотности, что имеет важное прикладное значение в раскрытии механизмов россыпеобразования. В работе получены количественные аналитические зависимости для определения дальности перемещения обломочных частиц за счет качения и сальтации. Для оценки дальности сальтационного перемещения частиц в основу было взято уравнение , в котором учитывается подъемная сила, вес обломков известной плотности и сила сопротивления движению частицы. Из решения уравнения получена зависимость для определения дальности Lc перемещения обломков за счет сальтации: Анализ формулы и численные эксперименты по определению величины перемещения обломочных частиц размером от 0,002 м до 0,07 м в диаметре позволили получить следующие выводы: 1. Увеличение диаметра частиц до некоторой величины вызывает увеличение длины скачка. Причем для различных скоростей течения эта критическая величина диаметра будет разной. 2. Дальнейшее увеличение поперечных размеров частицы приводит к снижению дальности перемещения вплоть до отсутствия сальтационного движения, в случае снижения скорости течения до значений ниже размывающей скорости для данной крупности. 3. Данные закономерности обусловлены более быстрым ростом подъемной силы за счет увеличения площади воздействия в первом случае и более значительным ростом массы частицы во втором случае.

...