авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

и.в. ПОПОВ

ЗАГАДКИ

РЕЧНОГО

РУСЛА

И.В. ПОПОВ

ЗАГАДКИ

РЕЧНОГО

РУСЛА

ГИДРОМ ЕТЕОИЗДАТ

ЛЕН И НГРА Д

1977

П опов И. В.

П 57 Загадки речного русла. Л., Г и д ром етеои здат,

1 9 7 7 г.

168 с. с ил л,

Книга посвящена жизни речного русла и разработке мето­

дики борьбы с его деформациями. Автор ее — крупнейший

специалист в области изучения морфологии речных русел и разработки методов их рационального использования, один из создателей гидроморфологической теории. В книге широко использована научная литература и практика современного.гид­ ротехнического строительства Размышления и суждения автор подкрепляет многочисленными примерами из своей практики, призывает бережно относиться к нашему главному достоянию — окружающей нас природе.

Рассчитана на специалистов, научная и практическая деятель­ ность которых связана с жизнью рек, а также на широкий круг читателей.

556. 2 0 8 0 6 -1 7 П -------- --------- ---------7 5 - 7 0 6 9 (0 2 )-7 С О Д Е Р Ж А Н И Е ВВЕДЕНИЕ ЧАСТЬ ПЕРВАЯ Необходимость знания закономерностей переформирования речных русел МАЛЕНЬКИЕ РАССКАЗЫ Немного истории О РЕЧНОМ РУСЛЕ Смещение речного русла в плане 37 Песчаные гряды Русловой процесс и конструкции соору­ жений на реках 45 Речная пойма. Источники поступления на­ носов в реку ji* Случаи разрушения речной поймы а' Обвалование поймы и деформации речного & русла 55 Прогноз хода деформаций речного русла и поймы ЧАСТЬ ВТОРАЯ 62 Сколько лет нашим рекам ЧТО ТАКОЕ 70 Необратимые н обратимые деформации ГИДРО­ речного русла МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ 73 Сток наносов РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА 85 Различные законы движения взвешенных и донных наносов 92 Малые, средние и крупные формы речных русел 98 Типы руслового процесса 99 Ленточные гряды и побочни Вековые изменейия излучин речного русла 115 С корости д е ф о р м а ц и и р е ч н о го р у с л а 117 Деформации русла, ограниченные в плане Русло реки с неограниченными плановыми деформациями Незавершенное меандрирование Образование многорукавного русла при наличии поймы 129 Многорукавность, образую щ аяся в русле реки 133 О смешанных типах руслового процесса 137 Что делать дальше?

138 Вихри в потоке О возможности количественной характе­ ристики типов руслового процесса * \ ЗАКЛЮЧЕНИЕ Каждый может внести свой вклад в ^ сс л е дование деформаций речных русел и пойм * 162 Практическое значение разработок по мор­ фологии речных русел и пойм ВВЕДЕНИЕ Реки! К аж ется, нет более привычного понятия. В едь только на территории С о­ ветского С ою за насчитывается около миллионов рек, общ ая длина которых пре­ вышает 10 миллионов километров.

Ч еловечество с незапамятных времен стремилось к рекам, селилось на их бере­ гах, используя реки в самых разных це­ лях.

Н едаром м еж дуречье Тигра и Евфрата считают «колыбелью человечества».

Именно с этими реками связана культура вавилонян и ассирийцев. Египет — это Нил, говорят египтяне. Ганг — священная река Индии. Х уанхэ и з-за катастрофиче­ ских наводнений и огромной изменчивости ее русла называют «горем Китая». И сто­ рия Рима тесно связана с Тибром. Волга олицетворяет Россию.

Что ж е влекло человека к рекам?

П р еж д е всего сам а вода, необходимая для питья, хозяйственны х н уж д, для во д оп оя дом аш них животных и орошения ? посевов. Река — это и удобны е пути сооб­ щ ения, и возм ож ность кормиться рыбой и использовать энергию текущих вод. К рекам человека привлекали и речные д о ­ лины с их ровными террасам и и поймами, столь удобными для хозяйственного ис­ пользования, для разм ещ ения поселений, пастбищ и посевов.

О днако освоение рек требовало их зн а­ ния, поскольку и речные долины, и поймы, и речные русла весьма изменчивы. Весьма изменчив и сам речной поток, то бурно несущ ий воды в период половодий и па­ водков, то обсы хаю щ ий до такой степени, что и лодке по нему не пройти. П о мере того как человек переходил от использо­ вания тех благ, которые давала ему при­ р ода, к попыткам заставить работать ре­ ку в нужном для него направлении, в оз­ растала и необходим ость изучать реки и происходящ ие на них явления.

З а всю свою историю человек накопил м нож ество сведений о поведении рек и причинах, его обусловливаю щ их, при­ обрел богатый опыт строительства на ре­ ках самых различных сооруж ений.

Д о сих пор вызывает удивление тонкое и соверш енное знание реки Нила древними египтянами, жившими за 6 тысяч лет до на­ ших дней. О сваивая эту реку, египтяне достигли высокого строитель­ ного искусства, создали целый ряд вспомогательных наук, о б о г а ­ тивших математику, геометрию, геодезию, астрономию. Египтяне стремились объяснить причины ' нильских наводнений. Именно в Древнем Египте была впервые со зд а н а сеть устройств для наблю ­ дений за высокими уровнями Нила — знаменитые * ниломеры, по принципу действия не отличаю щ иеся от современных реечных водо­ мерных постов, распространенны х по всему миру. Ряды н абл ю де­ ний по этим ниломерам, охваты ваю щ ие период продолжительностью около 1400 лет, не имеют себ е равных. Египтяне сумели построить сложнейш ую сеть оросительных каналов и обеспечить их нормаль­ ную работу. Строительство первых защ итны х сооруж ений от на­ воднений — дам б — на Ниле приписывается легендарном у царю М е несу (IV тысячелетие до н. э.). Ф араон А менемхет III, живш ий в период С реднего царства (X X I— XVIII вв. до н. э.), прославился как инициатор ирригационного строительства.

На б а зе развитого орош ения, использую щ его речные воды, про­ цветали целые древние государства, например Д ревний Хорезм в Средней Азии.

В книге Р. Фюрона «П роблем а воды на земном ш аре» (в 1966 г.

в Гидром етеоиздате вышел перевод этой книги на русский я з ы ^ целый раздел -посвящен описанию «долин изобилия» — речных уч а­ стков, на которых с древнейш их времен воды реки использовались для орош ения. # Человек всегда осваивал реку в борьбе с теми явлениями, ко­ торые мешали его хозяйственной деятельности. В течение ты сяче­ летий китайцы вели непрерывную борьбу с рекой Х уанхэ. Ещ е за две тысячи лет до нашей эры проводились работы по укреплению берегов этой реки, а легендарный строитель Юй был д а ж е про­ возглаш ен императором.

П озж е защ итные сооруж ения на Х уанхэ неоднократно р а зр у ­ шались, и тогда затапливались огромные площ ади, гибли миллионы лю дей, заносились песком плодородны е поля, причем слой песка, отлож енного рекой во время наводнений, достигал крыш дом ов.

Люди вновь возводили защ итные сооруж ен и я и стремились о б у з ­ дать реку. Три самые крупные катастрофы на Х уанхэ были вы зва­ ны войнами. Во время войны с японцами в 1936 г., когда китайцы в целях обороны разруш или защ итны е дам бы, река, хлынув на прилегающую равнину, затопила ее и унесла несколько миллионов человеческих ж изней. При этом река Переместилась к югу примерно на 500 км, вернувшись в одно из своих старых русел. Когда, ж е человеку удавалось обуздать реку, справивш ись с неблагоприят­ ными явлениями, это давал о больш ой эффект в хозяйстве и эконо­ мике страны. ‘ С XIII столетия сущ ествую т в Ш веции каналы и канализован­ ные реки, позволяющ ие д а ж е крупным морским судам заходи ть далеко в глубь страны. Б лагодаря огромным работам, проведен ным ещ е столетия н азад, многие реки Европы оказались смирен­ ными. Ещ е в начале прош лого века были построены берегоукрепи­ тельные сооруж ен и я на Висле, на многих участках О дера, Эльбы, Рейна, Сены, Гаронны, П о и многих других рек.

У нас известны судоходны е системы Петровской эпохи — М а­ риинская, соединивш ая Волгу с Балтийским морем, Тихвинская и др. При П етре проектировалось — и у ж е д а ж е начали вестись работы — соединить Волгу с Д он ом. О днако построен был Волго Д онской канал только в наши дни.

Д еятельно осваивались и естественные реки, на которых разви­ валось судоходств о и велся лесосплав. В XI в. возникают поселе­ ния с пристанями на северных реках России, развивается судо­ ходство на Северной Д вине, Сухоне, Свири, Ш ексне и др. В XVII в.

Волга становится рекой с самым интенсивным судоходством в мире.

О сваиваю тся великие сибирские реки.

XVIII в., особенн о ж е XIX и начало XX в. проходят под зн а­ ком интенсивного развития судоходства на реках России. Однако только после установления Советской власти возникает идея с о з­ дать единый судоходны й путь — соединить реки самых различных областей нашей родины. Ныне эта идея оказы вается в значительной мере воплощ енной в жизнь.

И все ж е, неоаотря на столь длительное знакомство с реками, человек ещ е н е^ С сп ол агает достаточны ми знаниями о них, которые позволили бьг создать общ епризнанны е теоретические концепции, методы инж енерны х расчетов и прогнозов многих гидрологических явлений. С^б этом свидетельствует наличие в гидрологии — науке о природных водах — многочисленных школ и направлений. Это ж е п одтвер ж дает и практика: неполадки в работе сооруж ений на ре­ ках, неож иданны е эффекты, которые вызывают водохозяйственные мероприятия, растущ ие объемы землечерпательны х работ на суд о­ ходных участках рек и многие другие факты.

К наименее изученным областям гидрологии относится так на­ зываемый русловой процесс. Что это такое?

Русловой процесс — это происходящ ие постоянно под действием текущ ей воды деф орм ации речного русла и поймы. Часто они при­ нимают такие размеры, что д а ж е определяю т судьбу многих соору­ жений в речном русле и на пойме. Именно русловом у процессу и посвящ ена эта книга.

О правомерности ее появления свидетельствуют многочисленные факты, убедительно показы ваю щ ие, сколь отрицательно сказывается на хозяйственной деятельности человека недостаточное знание рус­ лового процесса. Такие факты приводятся и в публицистической, и в худож ествен ной литературе, не говоря у ж е о литературе спе­ циальной, С ними сталкиваются проектировщики и строители гидро­ технических сооруж ений на реках.

В первой части книги обобщ ен личный опыт автора. Здесь автор рассказы вает о том, с чем приш лось столкнуться гидрологам при обеспечении проектирования сооруж ений на реках примерно в два последних десятилетия. Во второй части книги излагается теория руслового процесса. В о введении ж е имеет смысл показать лишь общ ую картину проблем руслового процесса.

Н едавно мне пришлось прочитать статью Н. В. Гоголя «Мысли о географии». М еня поразило то, что многие мысли этой статьи остаю тся актуальными и в наши дни. Гоголь писал: «...п ерехода нет от природы к произведениям человека: они отрублены, как т о ­ пором, от своего источника». Конечно, не о русловом п роцессе говорил Гоголь, а о природе вообщ е, но ведь река — это неотъем ле­ мый элемент природы. Великий писатель, страстно влюбленный в природу, не мог оставаться равнодуш ным, видя, как человек теряет с ней связь, как непроизводительно растрачивает ее богатства.

Хищническое использование природных богатств — характерная черта того времени и того общ ественного строя, при котором жил Гоголь. С переходом к новому социальному строю, с устан овле­ нием Советской власти, когда природные богатства стали п ринадле­ ж ать народу, ученые и государственны е деятели не могли равн о­ душ но пройти мимо проблемы взаим одействия человека и природы.

В годы, когда началось осущ ествление крупнейш их хозяйственны х мероприятий, известный советский географ и геохимик академик А. Е. Ф ерсман особенно настойчиво ратовал за всесторонний учет того влияния, которое природные процессы оказы ваю т или могут оказывать на хозяйственную деятельность наш его общ ества. П ер ­ вый и необходимый шаг в познании окруж аю щ ей нас среды, с ч н ^ тал ученый,— это аэроф отосъем ка, позволяю щ ая с больш ой н агляд­ ностью и подробностью наблю дать окруж аю щ ие нас природные комплексы.

«Ни один инженер, проектирующий крупные хозя й ств ен н ое у с т а ­ новки, ни один проектировщик хозяйственного освоения какой-либо территории не мож ет считать свою задач у выполненной, если не проверит своих выводов путем визуальных наблю дений с сам олета, если до начала своих работ д а ж е не попытается общ ие черты нам е­ чаемого хозяйственного плана продумать сверху, на осн ове л е ж а ­ щей под его ногами грандиозной, но соверш енно конкретной карти­ ны поверхности зем ли »,— писал А. Е. Ф ерсман в 1929 г.

И осваивая сегодня природные ресурсы, мы стремимся соблю дать эти заветы. В последнее время особенн о много внимания уделяется экологическим проблемам — проблемам взаимовлияния человека и окружаю щ ей его природной среды. Ч еловек понял, что произволь­ ное нарушение природных связей, когда не учитываются зак он о­ мерности взаимодействия различных природных процессов, н еи зб еж ­ но ведет к неожиданным и часто очень неблагоприятным п осл ед­ ствиям.

Но если это действительно так, то читатель вправе упрекнуть автора в том, что слова Гоголя он считает актуальными и в нашу дни. О днако приводя слова писателя сегодня, мы имели в виду преж де всего проблему деф орм аций речного русла, а по отношейИЮ к ней все сказанное остается справедливым. ы И вот прямое подтверж дение справедливости этих слов. В 1972 г.

автору пришлось просмотреть около 40 нормативных документов по проектированию сооруж ений на реках — и ведомственных, и общ е­ государственны х. И ни в одном из них не содерж алось конкретных рекомендаций по учету русловых и пойменных деформаций при проектировании. А результат? А результат мы мож ем проверить на работе у ж е построенных и действую щ их гидросооруж ений. Причи­ ной многих неполадок и прямых аварий на таких сооруж ениях очень часто является как р аз недооценка роли русловых и поймен­ ных деф орм аций. П о самым скромным подсчетам, только прямые убытки по этой причине составляю т 10— 15% от суммы капитало­ вложений в строительство на реках. Косвенные ж е убытки, связан ­ ные с наруш ением ритмичности работы предприятий, нормальная деятельность которых обеспечивается этими гидросооружениями, значительно превышают приведенные цифры. Д орого приходится платить за явное пренебреж ение законами руслообразования, за то, что вмеш ательство в ж изнь реки нередко доверяется человеку, имеющ ему сам ое общ ее представление о ней и ее работе, о ф акто­ рах, определяю щ их деформации речного русла и поймы, о русло­ вом процессе — явлении очень слож ном, чутко реагирующем на малейш ее вмеш ательство, идущ ее в разрез с тенденциями его р а з­ вития.

Спрямляются реки, разрабаты ваю тся или стесняю тся их русла, затопляю тся и л ^ -п ссуш аю тся речные поймы, наруш ается целост­ ность их поверхности — и как часто при этом забы ваю т, что река не терпит необдум анного вторжения в свою жизнь! Нарушишь одно звено в ее жизни — и выходят из повиновения другие, и чрезвы­ чайно труДно справиться с начавш ейся «цепной реакцией».

К сч а ст ь ю — или к несчастью? — не кричит река, когда вмеши­ ваются в ее ж изнь неумелые руки, иначе этот крик лишил бы спокойствия и сна тех, кто не ж ел ает считаться с законами ее ж изни.

В док ладе на VI М еж дун ародн ом судоходном конгрессе в Гааге в 1904 г. видный русский инж енер-путеец и ученый Н. С. Леляв ский говорил: «В следствие отвлеченности и неверности взгляда на дви ж ен и е воды, лица, заним авш иеся выправлением рек, не могли уяснить себе многих явлений, содер ж ащ и хся в русле и имевших то или иное практическое влияние на выполнение работ. В одном донош ении министерству по поводу неоднократных разрушений Ч ерторойских сооруж ений (они обеспечивали движение судов на днепровских порогах.— И. П.) было наивно и чистосердечно м еж ду прочим сказано, что причина их, т. е. явлений, произведш их р а з­ руш ения, «сокрыта на глубине водной пучины».

Нет ничего удивительного, что слова, которые приводит Н. С. Ле лдвский в своей речи, говорились три четверти века тому назад.

Удивительно то, что иногда примерно такие ж е слова приходится Слышать и сегодня, когда даю тся объяснения причин неполадок и недоразум ений на гидросооруж ениях.

Н е лучш е обстоит дело и за р убеж ом. И здесь в самых солид­ ных и авторитетных книгах по гидрологии о деформации речных русел и пойм зач астую д а ж е не упоминается.

В 1945 г. в Соединенных Ш татах Америки появилась л ю бо­ пытная брош ю ра-пам ф лет «Гидрология и война», характеризую щ ая состояние гидрологии в СШ А и отнош ение к ней со стороны проек­ тировщиков и строителей.

В этом памфлете рассказы валось о том, как одной фирме, н а­ зывающ ейся «Строй — изучишь после», было поручено строитель­ ство поселка. Работы возглавил деятель по прозвищ у «Вы сокое давление». Очень энергично и в короткий срок он и зрасходовал на строительство 5 млн. долларов, с величайшим трудом доставив строительный материал и рабочих к месту строительства. Н еустанно работая днем и ночью, он построил замечательны е сооруж ен и я, прочные, красивые, со всеми удобствами.

О днако в последний момент обн аруж и лось, что никто не по­ дум ал об источниках водоснабж ения;

воды в этом районе о к а за ­ лось очень мало, да и та была соленой. Приш лось забросить по­ селок и начать новое строительство. Время было потеряно, деньги выброшены в трубу.

Картина эта, описанная известными американскими гидрологами Д. Стивеном и М. Б ернардом, достаточно красноречива. И если к гидрологии как к науке в целом относятся точно так ж е, то, очевидно, и к частному ее р аздел у — учению о речном русле — относятся не лучше.

Прош ло 20 лет. В 1965 г. у ж е в нашей стране издательствам «Энергия» публикуется книга «Гидравлические и гидротехнические лаборатории СШ А», написанная Е. П. П етровской, М. Ф. Склад невым и П. В. Самостреловым по личным впечатлениям. Г осудар ­ ственные ассигнования на эти лаборатории составляю т около 10 млн. долларов в год, но на комплексное исследование руслового процесса тратятся в общ ем мизерные суммы. А водь проблема деформаций речных русел и пойм в СШ А, пож алуй, стоит ещ е острее, чем у нас, хотя бы потому, что реки Соединенных Ш татов отличаются ещ е большей подвижностью русел, чем наши, а пло­ щ ади, занятые водосборам и рек, подвержены эрозии, и, сл ед о в а ­ тельно, с них выносится много наносов, которые поток вы нуж ден транспортировать. Р. Фюрон в у ж е упоминавш ейся книге пишет:

«Само собой разум еется, все рекорды принадлеж ат Соединенным Ш татам, в том числе и рекорды по эрозии... З а 10 лет эрозия разруш ает в СШ А такое количество почвы, которое составляет площадь двух департам ентов Ф ранции». Одна только Миссисипи выносит в море около 211 млн. кубометров земли в год. Сенатор Д. Беннет, выступая в конгрессе, напоминает об уменьшении пло­ щади обрабаты ваемы х земель в США: « Д а, господа, со времени вчерашнего заседания мы потеряли 112 гектаров».

Несмотря на все это, д а ж е Фюрон, рассматриваю щ ий в своей книге различные области гидрологии, о деф орм ац и ях речных русел и пойм д а ж е не упоминает.

Почему ж е так недооценивается русловой процесс?

По-видимому, п реж де всего это объясняется тем, что он не­ достаточно изучен, а поэтому нет общ епризнанной теории этого ю процесса, которая легла бы в основу создания методов его расчета и прогнозирования. Если бы проектировщики сооруж ений на реках знали, каких разм еров могут достигать деформации речных русел и пойм, как они происходят и от чего зависят, если бы они знали, как м ож но рассчитать эти деф орм ации и' предсказать их, то, на­ верное, никаких неполадок в работе сооруж ений давно бы уж е не было.

Естественно, возникает вопрос, чем объяснить, что древние строители возводили сооруж ен и я на реках, которые стоят века и безотказно работаю т, а ныне, в наш атомный век, мы то и дело сталкиваемся со всякими неполадками? М ож ет быть, мож но строить и без знаний руслового процесса, или, м ож ет быть, древние знали о реках больш е, чем мы?

Чтобы ответить на все эти вопросы, попытаемся преж де всего выяснить, какие задачи стояли перед древними строителями и какие возникают в наши дни.

Ещ е с древних времен и до сравнительно недавнего времени, всего несколько десятков лет тому н азад, на реках возводились преимущ ественно одиночные сооруж ен и я, не влияющие на водный реж им и сток наносов, а следовательно, и на ход деформаций речных русел и пойм. Н ебольш ие плотины на маленьких реках могли вызывать переф орм ирование речных русел и пойм только на коротких участках — на расстоянии не более 2 0 — 30 км. Строи­ телей всех эр(х сооруж ений интересовали только те переформиро­ вания, которые происходили непосредственно на участке соор уж е­ ния. Эти местные деф ормации нетрудно было пронаблю дать и учесть.

Зар ан ее о гр а ж д а я себя от всех неблагоприятных последствий, строи­ тели прибегали к сам ом у простому и н адеж н ом у способу — они со ­ здавали сооруж ен и я с огромными запасам и прочности, благо, в те времена это не составляло особой проблемы, поскольку использо­ вался практически даровой труд рабов.

Кроме того, следует иметь в виду, что до наших дней сохр а­ нились, по-видимому, лишь отдельные, наиболее прочные соору­ ж ения, в то время как м нож ество других наверняка были разр у­ шены потоком. Таким о б р а зо м, факт сущ ествования и в наши дни древних сооруж ений ещ е не говорит о том, что в древности гидро­ техники были бол ее искусными и знающ ими строителями, чем в н а ­ ши дни. Кстати, это м ож но док азать и документально. В I в. до н. э.

жил крупнейший строитель своего времени Марк Витрувий Поллион.

Он был военным инж енером при Юлий Ц езар е, а затем при импе­ раторе Августе. Витрувий написал трактат «Д есять книг об архи­ тектуре». В этих книгах обобщ ал ся опыт древних строителей Гре­ ции и Рима по возведению самых р азнообразны х сооруж ений, в том числе и на реках. Витрувий очень хорош о понимал, что при строительстве н еобходим о учитывать местные условия и д а ж е кли­ мат. О днако он нигде не говорит о том, как разм ещ ать соор уж е­ ния на бер егах рек. Работы Витрувия усиленно анализировались специалистами вплоть до XIX в. Н а русский язык эта книга впер­ вые была переведена в 1790— 1797 гг.

В наше время требования к оценке русловых деф орм аций н е­ измеримо усложнились. Строительство на реках приобрело массовый характер. П оявилось множ ество • десятки и сотни тысяч — самых — разнообразны х сооруж ений. На участках длиной всего в несколько десятков километров мож но встретить сотни сооруж ений, при строи­ тельстве которых надо оценивать русловой процесс с самых р а з­ ных точек зрения и которые сами по-разном у влияют на этот про­ цесс. Появились целые каскады водохранилищ, «подобны х морям».

Плотины ГЭС, созданны е на таких водохранилищ ах, пересекают все русло и пойму, позволяя регулировать сток воды. Это ведет к коренным изменениям в водном реж им е, стоке наносов и, как следствие,— в ходе деф орм аций, которые идут иначе, чем в естест­ венных условиях. Влияние водохранилищ распространяется на сотни километров выше и ниж е плотин. И зм еняю тся условия впадения притоков в главную реку, изм еняется и ход деф ормаций на целой системе притоков. Таким образом, в результате создан и я в одохр а­ нилища на крупной реке переформирования охваты ваю т целые системы речной сети.

Проектировщик крупного сооруж ен и я, регулирую щ его водный режим и сток наносов, долж ен отдавать себе ясный отчет в том, как регулирование повлияет на м нож ество сооруж ений, расп ол о­ женных не только у воздвигаем ой им плотины, но и на всех участ- у ках, где могут произойти изменения. С ледовательно, необходимо"' иметь фоновый прогноз руслового процесса на больш их участках главной реки и ее притоков, а не только предвидеть то, что м ож ет случиться непосредственно на участке проектируемого сооруж ения.

Новые и ответственные задачи! И ведь речь идет не о том, чтобы составить прогноз на несколько лет вперед, а о том, чтобы пред­ видеть, что будет через 50, 100, а иногда и более лет — именно таков срок безаварийной работы гидросооруж ений, предусмотренный государственными стандартами. Н еобходим ость прогнозирования на столь длительный срок заставляет считаться с деф орм ациям и, кото­ рыми раньше можно было пренебречь. Так, если сооруж ен и е дол ж н о проработать безаварийно 100 лет, то смещ ение берега реки всего на 1 м в год дел ается весьма ощутимым, так как в течение этого времени при однонаправленных деф ор м ац и ях река уйдет в сторону от своего первоначального положения на 100 м и м ож ет ок азаться не перед водозабором, например, а позади него.

При проектировании часто использую тся карты 5 — 8-летней д а в ­ ности, в то время как, вообщ е-то говоря, надо ориентироваться на будущ ую карту участка сооруж ен и я. Вот ее-то и надо уметь составить.

Д ля того чтобы прогнозировать русловой процесс, надо п реж де всего знать, как он развивается в природе. Затем эти знания нуЖф, но обобщ ить, переложить на язык цифр и у ж тогда создавать методы инженерного расчета и прогноза.

И зучение руслового процесса представляет значительные тр уд­ ности. К азалось бы, чего проще: раз русловой процесс — это по­ стоянные, непрерывные видоизменения морфологического строения У Изменение гидрологических условий и типа русла в результате регулирования стока воды водохра­ нилищем.

График первый —колебания уровня воды: / —уровень воды до регулирования, 2 —уровень воды после регулирования. Гра­ фик второй — колебания расходов воды: 3 —расход воды до регулирования стока, 4 —расход воды после регулирования стока.

речного русла, то и надо изучать это морфологическое строение и соответствую щ ие ему свойства речного потока. Если бы деформации русла и поймы на участке данного сооруж ен и я определялись только свойствами потока на этом участке, то зад ач а была бы сравни­ тельно простой. О днако на дел е все значительно слож нее, чем в приведенной выше исходной предпосылке.

Начнем с того, что река — самый изменчивый элемент ландш аф ­ та земли — это путь стока воды по земной поверхности. Р аз так, то количество стекающ ей воды и режим этого стекания зависят от количества атмосферны х осадков, выпадающих на водосборной площ ади реки. И менно поэтому основополож ник нашей отечествен 1?

ной климатологии А. И. Воейков утв ер ж дает, что реки — продукт климата. Реки и ручьи текут по поверхности зем ли, разруш аю т слагаю щ ие ее породы, захваты ваю т размытые частицы грунта и несут их в водоприем ник- - другую реку, озеро или море. Р азм ы ­ вая поверхность земли, поток о б р азует речную долину — этот в а ж ­ нейший элемент рельефа местности. Р азм ы ваем ость грунтов з а ­ висит от их вида, степени закрепления поверхности растительностью, промерзания и других факторов. Количество вынесенного рекой грунта определяется так ж е уклонами местности, обусловливаю щ и­ ми скорость течения воды и размы ваю щ ую силу потока.

Если скорость течения, количество поступаю щ его грунта и его крупность таковы, что поток м ож ет безостановочно нести наносы до своего водоприемника, т. е. проходить транзитом, деф ормации русла сведутся к повышениям и понижениям дна, вызванным сп ол­ занием по нему обычно сущ ествую щ их на дне рек песчаных гряд.

Если ж е поток оказы вается неспособным беспрепятственно выно­ сить все поступающ ие в него наносы, он будет вы нуж ден р азгр у­ зиться от них, отлож ив часть наносов, с тем чтобы затем размыть эти временные скопления и все-таки донести их до водоприемника.

Таким образом, в этом случае наносы будут выноситься не тр ан ­ зитом, а путем последовательных переотлож ений.

П ереотлож ения могут иметь самые различные формы. В о д н и х:

случаях это будут большие прибрежны е скопления наносов — бочни, которые поток переносит только в половодье. В друИ^х случаях, откладывая наносы, поток м ож ет начать меандрировать, т. е. развивать излучины. В х оде плановых изменений цвлучин начинает формироваться пойма реки — затопляем ая в половодье часть дна речной долины. На пойме отклады ваются наносы, которые река несет в половодье, и высота ее постепенно нарастает. П о ­ этому, если произойдет д а ж е сравнительно небольш ое врезание русла в дно речной долины, пойма м ож ет перестать затопляться полыми водами и превратится в терр асу речной долины. На наших русских реках на склонах долины часто мож но проследить не­ сколько таких разновысотных террас. Вместо старой поймы поток начнет формировать новую, бол ее низкую.

Очевидно, что для того, чтобы понять и объяснить все эти тесно взаимосвязанны е явления, надо знать и климат, и о собен ­ ности строения рельефа водосбора изучаемой реки, знать условия формирования наносов и их свойства, знать, как они транспорти­ руются потоком, и свойства этого потока. Таким обр азом, ок азы ­ вается, что русловой процесс — явление слож н ое, и вопросы, свя­ занные с его изучением, л еж а т на стыке нескольких смеж ны х наук — преж де всего геоморфологии, гидрологии, гидравлики, м е­ ханики грунтов и др. З а исключением гидравлики, все эти науки относительно молодые, и в них ещ е много гипотетичных п ол ож е­ ний, не получивших общ его признания и нуж даю щ ихся в более основательном подкреплении фактическим м атериалом. А у ж если речь пойдет о деф орм ациях, которые вызваны сооруж ениям и, регу­ лирующими сток воды и движ ение наносов, то материалы, позво ляю щ ие судить о том, как изменился русловой процесс, весьма скудные, так как такие сооруж ен и я стали создаваться совсем не­ равно, а систематических длительных наблюдений за русловым Процессом после окончания строительства обычно не ведется.

И зучение руслового, процесса ослож н яется еш е и тем обстоя­ тельством, что природные условия на территории нашей страны крайне разн ообразны, а следовательно, и развитие рек — способы транспортирования ими наносов и формы их перемещения — долж но быть тож е весьма разнообразны м. П оэтом у рассчитывать на то, что, изучив детально речное русло и пойму какой-либо одной реки, тем самым получишь представление обо всех остальных реках,— нельзя. Только обобщ и в сведения о м нож естве рек в самых р а з­ личных природных условиях, м ож но делать какие бы то ни было выводы. З а д а ч а очень непростая!

Н о, вероятно, все трудности изучения руслового процесса были бы преодолены, если бы не было других ослож няю щ их обстоя­ тельств. Речь идет вот о чем.

Бурное развитие техники породило известное пренебреж ение к природе и ее изучению. х\\ожно быстро углубить судоходную про­ резь, изъяв с переката несколько миллионов кубометров грунта;

м ож н о быстро проложить транш ею по дну реки для укладки в ней труб или кабеля;

м ож но быстро прорыть канал, спрямляющий длинную излучдиу, разруш ить на реке старую плотину и возвести новую, намырГ д а м б у, перегораж иваю щ ую пойму хоть на десятки километров, и т. д. и т. п. В се м ож но — техника в наш век мо­ гущ ественна. Но если она используется нерасчетливо, непродуман­ но, то вйе усилия человека могут быть ликвидированы рекой в течение нескольких месяцев, иногда недель, а иногда и часов.

И тогда все надо начинать сначала. А ведь разум нее не бороться с рекой, а, детально изучив ее характер, использовать ее свойства в нужном нам направлении. Приведенные выше примеры грубогс вмеш ательства в ж изнь реки, по-видимому, и являются д о к а за ­ тельством и иллюстрацией переоценки возмож ностей техники v недооценки природы.

Отрыв от природы, от изучения природных за к о н о м е р н о с т руслового процесса связан не только с. переоценкой возмож носте{ техники. Больш ие успехи в области изучения гидравлики соору ж ений привели к убеж ден и ю, что теперь м ож но просто решить i задачи речной гидравлики, перенося на живую реку строгие — и i определенном смысле механистичные законы гидравлики. B m c c t i с тем условия реш ения задачи в этих двух случаях совершенш разны е. При гидравлическом расчете сооруж ений всегда имеютс:

ж есткие граничные условия, задаваем ы е габаритами и конструк цией сооруж ений, и за д а ч а реш ается сравнительно просто. А име:

д ел о с размываемым руслом, которое непрерывно изменяется, и н зн ая законов этих изменений, за д а ч у решить нельзя.

С итуация ещ е бол ее осл ож н яется тем, что основные положени гидравлики сооруж ений основаны на представлениях о так назы ваемом континиуме, т. е. на представлении о сплошности средь Те ж е процессы, которые происходят в речном русле, дискретны:

они осущ ествляются в виде перемещ ения определенны х структур­ ных образований в русле и на пойме реки, причем появляются и соответствующ ие им структурные образовани я в потоке — вихри разных разм еров, различные вторичные течения, области с резко отличающимися свойствами потока. Р азвитие морфологических о б ­ разований разных порядков осущ ествляется не только под влия­ нием различных факторов, но и по разным законам. В се это зн а ­ чительно ослож няет русловой процесс и делает весьма трудными расчеты русловых переформирований. Попытка рассчитывать р ус­ ловой процесс на чисто гидравлической основе привела к появле­ нию грубых осреднений и м нож еству допущ ений и постулатов, при этом нередко выявляются только второстепенные детали процесса.

Природа исчезла, а на первый план выступил сложный м атем ати­ ческий аппарат, очень схематично описывающий явление. Р езу л ь ­ таты расчета часто оказы вались весьма далекими от того, что наблюдалось в натуре.

Н евозм ож ность построить теорию руслового процесса б ез зн а ­ ния того, как он развивается в природных условиях, отлично осознавалась теми русскими инйенерам и-путейцам и, которые д о л ­ гое время занимались выправлением рек с целью улучшения их судоходных условий и потому имели возм ож ность непосредственно^ наблюдать развитие речного русла и поймы. М ож но назвать немало имен русских ученых и инж енеров, разрабаты вавш их идеи построе­ ния и развития учения о речном русле. Но наиболее отчетливо такая идея была сформулирована известным русским инж ейером путейцем В. М. Лохтиным ещ е в конце прош лого века.

Вот что писал Лохтин о том, как важ но знать природные про­ цессы: «У богая деревня, населенная преимущ ественно волжскими лоцманами и матросами. Длинный зимний вечер. П росторная изба, наполненная разместивш имися на лавках чинными бородаты ми л оц ­ манами, пришедшими на вечернюю б еседу. Огонь потуш ен, чтобы в темноте яснее думать. Они приходят для повторения расп ол о­ жения ф арватера своего плёса, подробно вспоминая, где и как л е ­ жит вода, как располагаю тся пески, осередки, косы и какие у лоцманов приметы. И если бы и наши инженеры послуш али все эти разговоры, то нашли бы богатый материал для доп ол н е­ ния своих планов, богаты х техническими данными, но крайне л а ­ коничных и д а ж е бедных в своем ж изненном интересе.

Н едаром так много плавал русский народ по рекам своим, не­ даром он воспевал их в своих песнях. В оспевал и лю бил, любил и сж ивался с ними, наблю дал их как что-то прекрасное, ж ивое, осмысленное, вдумывался в слож ность их явлений. И кому только привелось ознакомиться с этой обш ирной областью такой наблю ­ дательности и ясного ума, тот смело скаж ет: «Н ет такого народил в мире, у которого было бы подобное богатство в этом отнош ении»1.

В своей монографии «О м еханизм е речного русла», изданной в :

наиболее полном виде в 1908 г., Л охтин писал, что объяснить, по­ чему река создает русла разного типа, деф орм ирую щ иеся по р а з­ личным схем ам, м ож но, только зная, как формируется сток нано­ сов, ибо деф орм ация русла — это ф орма транспорта этих наносов, способ их переноса к водоприемнику. П оэтом у он считал, что для познания руслового процесса надо изучать его независимые ф ак­ торы — сток воды и наносов, «скат местности», слагаю щ ие ее по­ роды. Л охтина см ело мож но назвать основоположником науки о речном русле. К сож алению, в дальнейш ем исследователи исполь­ зовали только предлож енное им аналитическое вы ражение, харак­ теризую щ ее устойчивость р усл а,— так называемый «коэффициент устойчивости Л охтина», а общ ие его концепции были забыты.

Б урное развитие техники, городов приводит к тому, что человек постепенно теряет свои связи с природой. Сейчас на берегах рек не так-то просто найти старож ила: народ кочует с одной ново­ стройки на другую, многие селения превращ аю тся в города. Р азве что рыбаки подолгу бывают на реке, да бакенщики знают каждый водоворот, каж дую подводную гряду. Но надо ли так знать реку, как знали ее лохтинские лоцманы? Ведь ныне на реках судовой х од — ф арватер — строго обозначен и путь судам указывают огоньки бакенов, а необходим ую глубину на перекатах обеспечиваю т земле черпатели. И все-таки реку знать надо, и надо знать всем. Косы и пески как двигались, так и дви ж утся по своим законам, и зн а ­ ние этих законов м ож ет сущ ественно уменьшить объемы зем ле­ черпания и обе&ггйить нормальную работу множ ества сооружений на берегах и в руслах рек, сооруж ений, которым «несть числа».

М огут возразить: «П озвольте, ведь строительная площ адка всегда вы бирается целой группой специалистов, всегда предлагаю тся кон­ курирующ ие варианты и из них осущ ествляется лучший, всегда использую тся все ранее накопленные материалы». Д а, это так, но при выборе строительной площ адки вопрос об устойчивости русла реки ставится в последню ю очередь, а иногда и вовсе не ставится.

М огут сказать такж е: «Есть ж е специалисты, прямой обя зан ­ ностью которых является изучение рек». Д а, реки изучаются гидро­ логами всесторонне и у ж е достаточно давно. Но в области иссле­ дования деф орм аций речных русел обобщ аю щ и е работы начали появляться лишь в последние десятилетия, и их ещ е очень мало.

Д а ж е студенты специальных гидрологических высших учебных з а ­ ведений не проходят курсов по русловому процессу, не имеют практики наблюдений за деф ормациям и русла. В системе Главного управления Гидром етслуж бы С ССР д о недавнего времени не велись постоянные наблю дения за изменением речных русел и пойм, а без длительных наблюдений во многих точках очень трудно судить о том, что происходит с реками в природе, насколько сущ ествен­ ны их переформирования, каков их реж им.

Итак, для того чтобы обеспечить запросы современного проек­ тирования и строительства сооруж ений на реках, очень важ но по­ дойти к этой проблеме комплексно, всесторонне, учитывая природ­ ные факторы, определяю щ ие русловой процесс.

Попытки создан и я обобщ аю щ ей теории руслового процесса пред­ принимаются у ж е два или три десятилетия. К настоящ ем у времени основы такой теории обрисовались у ж е достаточно отчетливо в ряде работ специалистов Гидропроекта И. А. Кузьмина и К. И. Р о с ­ сийского. Н о в наиболее конкретном виде они сформулированы в работах Государственного гидрологического института в Л енин­ граде.

Этот институт — почти ровесник Советской власти: он был с о ­ здан в 1919 г. Институт является всесоюзным центром изучения вод суши — рек, озер, водохранилищ и болот. П оэтому вполне з а ­ кономерно, что именно в его стенах, в О тделе русловых процес­ сов, начала разрабаты ваться новая теория руслового процесса, получившая название гидроморфологической. С ледуя заветам В. М. Л охтина, ее создатели стремились наиболее широко и все­ сторонне охватить русловой процесс, рассм атривая его с позиций и геоморфологии, и гидравлики, и гидрологии.

Отдел русловых процессов был создан в 1954 г. взамен гидрав лико-математического отдела, сущ ествовавш его с момента осн ова­ ния института. Тому, кто внимательно читал все, что у ж е здесь было сказано, понятно, что такая реорганизация была отнюдь не случайна. Возглавил новый отдел Н. Е. К ондратьев, считавший, что решение проблемы руслового процесса леж ит на стыке геом орф оло­ гии и гидрологии. Гидротехник и гидравлик по специальности, он отличается философским складом ум а, широтой подхода к п р о ^ блемам.

Пригласили работать в Отдел и автора этих строк как Спе­ циалиста, знакомого с геоморфологией, географией и гидрологией суши и у ж е кое-что сделавш его в области применения аэ^юмето дов в гидрологических исследованиях.

. Каковы ж е итоги многолетней и слож ной работы О тдела русл о­ вых процессов, насчитывающ его в настоящ ее время около ста сп е­ циалистов?

О главном у ж е было сказано: удал ось создать основы новой, гидроморфологической теории руслового процёсса.

В книге будут подробно рассмотрены содерж ан и е и особенности нашей теории. Отметим лишь, что основой основ этой теории является знание того, как развиваю тся речные русла и поймы, систематизация и типизация видов деф орм аций речных русел и пойм, разработка методов количественной их оценки. С оздан и целый ряд способов изучения карт, аэрофитоснимков и других м а­ териалов о реках. П оэтому нет никакого ф окуса в том, что чело­ век, знающий все это, придя на реку, а иногда только глядя на ее аэрофотоснимок или д а ж е на обычную карту, ср азу м ож ет оценить тип деф ормаций и предсказать их дальнейш ий ход. Д ел о в том, что мы вооружены знанием природных закономерностей переформирования речных русел и стараем ся передать свои зн а ­ ния и другим.

З а истекшие двадц ать с лишним лет специалистам наш его О тде­ ла множ ество раз приходилось применять гидроморфологическую теорию к решению практических задач. О б этом и хочется р асск а­ зать широкому кругу читателей.

Так как книТа научно-популярная, автор не ставил перед собой задач у систематического излож ения теории руслового процесса и способов ее применения в виде сухого перечня положений, фактов и рекомендаций. Д л я этого сущ ествую т учебники и учебные посо­ бия, специальные монографии и статьи. З а д а ч а популярной книги, как нам к аж ется, до л ж н а заклю чаться в том, чтобы привлечь внимание к рассм атриваемой в ней проблеме, показать ее значение, обрисовать круг входящ их в нее вопросов, дать общ ее научное обосн ован ие этой проблемы в ее современном виде, не забы вая и истории науки, которая бывает очень поучительна.

П усть не см ущ ает читателя то обстоя ­ ЧАСТЬ ПЕРВАЯ тельство, что в ряде эпизодов, о которых М АЛ ЕН ЬК И Е пойдет речь в этой книге, все выглядит очень просто: приехали, посмотрели, ре­ РАССКАЗЫ шили — и все в порядке. Если известны О РЕЧНОМ законы р услообразования, типы д еф о р м а ­ РУСЛЕ ций речного русла, если уметь увидеть их в природе, то все действительно оказы ­ вается достаточно просто.

При чтении наш их рассказов читатель не всегда узнает, было ли осущ ествлено строительство сооруж ений, для которых оценивался русловой процесс. З а д а ч а гид ролога-русловика — дать исходные д а н ­ ные для проектирования. О сущ ествление ж е сам ого строительства — дело проекти­ ровщиков и строителей, а гидролог за это ответственным быть не м ож ет. Он отве­ чает только за качество даваем ы х им прогнозов русловых переформирований.

Эти прогнозы составляю тся на норм а­ тивный срок безаварийной работы соор у—,ч жений. Так, например, по государствен ным стандартам, опоры линий вы соко­ вольтных передач на переходах через ре­ ки, переходы через них трубопроводов, водозаборы долж ны работать безав ар и й ­ но от 30 до 50 лет. И м ож но подумать, что для того чтобы проверить, оправды ­ вается ли наш прогноз, надо ж дать 3 0 — 50 лет. О днако дело обстоит значительно проще: чтобы судить о том, происходят ли деф орм ации речного русла и поймы и в каком именно направлении, нуж ен значительно меньший срок — 5 — 10 лет.

З а этот срок у ж е достаточно уверенно о б ­ наруж иваю тся тенденции в ходе д еф о р м а ­ ций русла и поймы реки. И зм енения в их развитии в том случае, если основные факторы р услообразовани я (водный ре­ ж им, сток наносов и особенности геоло­ гического строения дна речной долины) не меняются, маловероятны. Д ел о в том, что определенным типам комбинаций этих ф акторов всегда присущи и определенны е схемы деф орм аций речного русла и по#- мы, т.* е. определенный тип руслового процесса. Типы ж е эти сейчас хорош о известны. Они выделены на основе натур ных материалов по рекам, общ ая длина которых составляет несколь­ ко сот тысяч километров, причем выделены для самых различных природных условий и многократно проверены. П оэтом у нет особых оснований сомневаться в том, что если правильно определены тип руслового процесса и скорости деф орм аций, то изменений их в бли ж ай ш ее время ж дать не приходится. И зменения могут иметь место только в результате вмеш ательства человека, а уж их-то достаточно просто предвидеть, особенно в условиях нашего плано­ вого хозяйства.

Н еобходимость знания законом ерностей переформирования речных русел Случай, о котором я хочу сейчас рассказать, особенно памятен.

С него началось широкое изучение деформаций речных русел, по­ скольку он убедительно показал пробелы в наших знаниях. Первые ж е результаты исследований дали возм ож ность сделать обн адеж и ­ ваю щ ие выводы и показали, что задач и, ранее казавш иеся н ераз­ решимыми, реш аю тся, и притом относительно простыми средства­ ми и способам и.

П еред нами письмо из А зги пр оводхоза, город Баку, датирован­ ное 23 ф евраля 19Ъ4 г.;

адр есат — директор Государственного гидро­ логического института в Л енинграде.

«В связи с постройкой М ингечаурского водохранилищ а на р. Куре и изменением ее водного реж им а требуется оценить, как будут развиваться деф ормации русла реки на всем ее протяжении от створа плотины д о устья, т. е. на участке длиной 560 км. Т а­ кая оценка необходим а для выяснения условий работы многочислен­ ных водозабор ов и насосных станций, имеющих целью орош ение земель К уро-А раксинской низменности, а такж е для размещ ения вновь проектируемых водозабор ов, улучш ения местного судоходства и ры боводства, имеющ его экспортное значение (осетровы е рыбы)».

Ответить на поставленные вопросы поручили О тделу русловых процессов института.

З а д а ч а ок азалась непростой. Ведь на деформации русла реки Куры влияет не только регулирование ее стока водохранилищ ем М ингечаурской ГЭС, но так ж е и систематическое снижение уровня воды в Каспийском море.

Н а первых порах мы пытались решить задач у традиционным путем — с помощ ью гидравлических расчетов. Расчеты показали, что продольный профиль Куры на всем ее протяжении от Минге чаура до устья будет постепенно сниж аться, то есть русло реки станет врезаться со скоростью 3 см в столетие. Во всех расчетах учитывалось и систематическое сниж ение уровня Каспийского моря.

Оценив скорости течения, которые установятся в реке при регули­ ровании ее стока, и определив, будут ли при этом размываться грунты, из которых слож ено русло Куры, уж е м ож но было соста­ вить уравнение балан са наносов по длине реки. С удя по всему, на участке, леж ащ ем выше устья главного притока Куры — А ракса, должны появиться участки размы ва и отлож ения наносов длиной 30— 40 км. А ниже устья Аракса водный режим реки долж ен восстановиться благодаря притоку воды из Аракса и стать пример­ но таким ж е, как в естественных условиях.

• К таким ж е выводам — и с помощью подобны х ж е расчетов — пришли и в другом учреж дении, ведущ ем проектирование крупных гидроузлов на реках с целью регулирования стока воды.

К удивлению наш их гидрологов, А згипроводхоз, ознакомивш ись с их выводами и поблагодарив за выполненную работу, сообщ ил, что ему требую тся совсем другие данны е. Д л я проектирования сооруж ений на берегах Куры и выяснения судьбы у ж е имею щ ихся полутора сотен водозабор ов строители п р еж де всего хотят знать, в какой именно форме будет проходить размыв или намыв русла, усилится или осл абеет свойственное К уре в ее естественном состоя ­ нии меандрирование, т. е. образов ан и е излучин, постепенно приоб­ ретающ их форму петли. Не произойдет ли в результате регулирова­ ния стока воды выравнивание дна Куры — уменьш ение разницы в глубинах на плёсах и перекатах или, м ож ет быть, эта разница будет увеличиваться по сравнению с наблю давш ейся в естествен ­ ных условиях.

Н о для ответа на эти вопросы надо п реж де всего знать, как,^ деформирую тся речные русла на естественных, а не лабораторнеГх и схематизированны х реках, каким закономерностям подчиняется процесс деформаций, какими факторами он определяется.

Итак, мы могли в полной мере использовать достиж ения ги д р ав ­ лики. и гидродинамики, лишь «налож ив» их на действительно про­ исходящ ие на реке переформирования. А для этого в первую Очередь надо было приступить к изучению рек в натуре. Приш лось начать с изучения картографических и аэрофотосъемочны х м атериа­ лов разных лет. П редстояло выяснить, какие ж е формы русел сущ ествую т в природе, насколько они разнообразны, сколь су щ е­ ственны размывы и намывы берегов и дна русла, с чем именно они связаны. Естественно, что изучение началось с сам ой Куры, с ее лоцманских карт, имевш ихся с начала наш его века. Карт было мало, и все ж е по ним удалось выявить и проследить с д остаточ ­ ной надежностью основные особенности переформирований русла Куры.

Что ж е обнаруж илось при ан ализе карт?

П р еж де всего обращ али на себя внимание четкие линии дам б, насыпанных вдоль реки, чтобы предотвратить затопление низменных участков, тянущ ихся вдоль Куры. Точно совм ещ ая очертания этих дам б на картах разных лет, наши гидрологи получили возм ож ность с уверенностью оценить виды переформирований и скорости д е ф о р ­ маций.

Н ельзя было не заметить и того, что все пространство м еж ду дамбами занято речными излучинами различных очертаний, пре­ имущественно хорош о развитыми. Больш инство вершин этих и зл у­ чин упирается непосредственно в поднож ие дам б.


Схема р. Куры в ее рав­ нинной части.

/ — валы, насыпанные вдоль ре­ ки для защиты от разливов, 2 — оросительные системы, 3 —на­ сосные станции.

1 # 2 Устойчивы эти излучины в плане или способны изменять свои очертания?

Сличение карт разных лет показало, что с годами кривизна излучин увеличивается. При этом участки русла у вершин излучив изменяются в плане очень сильно, а участки русла м еж ду смеж ны ­ ми излучинами очень устойчивы. О казалось, что скорость смещения бровок берегов в плане огромна — до 100 м за одно половодье.

Развитие излучин заканчивается прорывом перешейка м еж ду см еж ­ ными излучинами. Река, таким образом, спрямляется. В результа те увеличивается скорость подмыва ее берегов, поскольку увели­ чиваются уклоны потока и скорости его течения. А это в свою очередь приводит к формированию новой излучины. При смешении вогнутого берега выпуклый берег русла, наращ ивающ ийся за счет осаж ден и я наносов, следует за перемещ ением вогнутого. П оэтому ширина реки в общ ем меняется мало.

А что происходит с глубинами русла? Вот тут обнаружились любопытные факты. То, что в верш инах излучин находятся глубо­ кие участки — плёсы, а на перегибах русла от одной излучины к другой располагаю тся мелководные участки — перекаты,— факт общ еизвестны й. Н е менее известно такж е и то, что плёсы в поло­ водье углубляю тся, а перекаты намываются, что в м'ежень идет обратный процесс — перекаты размы ваются, а размытый на них песок сносится в плёсы и они мелеют. Н о неожиданными оказались размеры намывов и размывов дна: они достигали 7 м, т. е. высоты двухэтаж н ого дом а. Кроме того, выяснилось, что для продольного профиля дна Куры характерно чередование выпуклых и вогнутых участков длиной 3 0 — 40 км и что участки эти постепенно сползают вниз по течению реки. Плёсы и перекаты отдельных излучин оказы ­ ваются как бы нанизанными на эти длинные выпуклые и вогнутые участки дна Куры. Вот такая слож н ая схема деформаций русла обн ар уж и л ась на Куре.

Как ж е предусмотреть, что будет дальш е, когда под влиянием водохранилищ а изменится водный реж им Куры и половодье будет задер ж и ваться в водохранилищ е, а межень, благодаря попускам воды из него, будет повышенной?

П опробуем подойти к решению этого вопроса с морфологиче­ ских позиций, р ассуж дая следующ им обр азом. Если на реке построе­ но водохранилищ е, то оно неизбеж н о будет задерж и вать и накапли­ вать наносы, из которых поток строит свое русло. С ледовательно, ниже плотины участок реки будет испытывать недостаток наносов, которые ранее поступали по реке, а теперь задерж ан ы в водохран и ­ лище. Однако на этом ж е участке по-преж нему будут наблю даться поступление воды и размыв русла. Д о сооруж ения плотин размыв русла компенсировался поступлением наносов с вы ш ележ ащ их участков реки, теперь ж е размыв, превратившись в некомпенсиро­ ванный, начинает преобладать на всем протяжении реки до участка, на котором восстановится прежний объем переносимых рекой н а­ носов.

Восстановление объем а переносимых потоком наносов мож ет произойти под влиянием их выноса из притоков, который в общ ем долж ен увеличиться, так как ниж е плотины уровни воды будут понижены вследствие задерж к и половодья водохранилищ ем.

Итак, не подлеж ит сомнению, что ниж е плотины д ол ж ен иметь место размыв, не компенсированный поступлением наносов по реке.

Однако чрезвычайно важ но выяснить, в какой ф орме будет прохо­ дить этот размыв — начнется ли врезание реки или она будет расширять свое русло? Вот тут-то особенно нуж но знать, как де * формировалось русло реки д о постройки плотины.

Р ассу ж да я примерно таким обр азом, мож но было дать значи­ тельно более обоснованный прогноз того, что м ож ет быть с руслом Куры после создания М ингечаурского водохранилищ а, чем это п о­ лучилось в первом, чисто расчетном варианте решения.

Д а, действительно, как ож и дал ось в первом варианте, на про­ тяжении всего участка Куры от М ингечаура до впадения Аракса преобладаю щ ей тенденцией останется тенденция к размыву русла, поскольку Араке — первый приток, который м ож ет восполнить д е ­ фицит наносов, задерж ан ны х водохранилищ ем. Размы в будет вы­ раж аться во врезании русла, потому что Кура течет по мощной толще достаточно легко размываемых речных отлож ений. Так как русло реки было извилистым, то врезание потока будет соп ровож ­ даться повышением берегов, в том числе и подмываемых. П оэтом у, кроме врезания, будет наблю даться усиление смещ ения реки в плане — развитие излучин. Этого в первом, гидродинамическом в а­ рианте не предусмотрели.

Д а л ее возникает вопрос о том, будут ли сглаж иваться отметки дна глубоководных участков и мелководных перекатов. Здесь дело долж но обстоять так. И з-за дефицита наносов перекаты будут намываться на меньшую величину, чем в естественных условиях, их размыв и з-за снижения уровня воды при регулировании стока соответственно ослабеет, но зато размыв будет поддерж и ваться прй повышенной межени. Таким образом, в плёсы, по-видимому, будет сноситься прежнее количество наносов, и сущ ественного изменения отметок их дна не произойдет. И этого явления при первом, гидро­ динамическом варианте не предусматривалось.

ллл При перемещении наносов р. Курой образуются чередующиеся по длине реки участки преобла­ дающего размыва и намыва русла, что создает в п е ч а т л е н и е гигантских, д л и н о й 3 0 — 4 0 к м, п л ё ­ сов и п е р е к а т о в, на ф о н е к о т о р ы х существуют обычные п л ё с ы и перекаты.

/ —плёсы и перекаты, образованные на излучинах русла, и средняя линия дна по съемке 1914 г., 2 —средняя линия дна по съемке 1939 г.

Вот так многоступенчато, пройдя весь этот сложный путь,, удалось ответить на все вопросы проектировщиков.

С той поры прошло двадцать лет. И насколько известно, ни­ чего не предвиденного на реке не произош ло.

Немного истории П осле случая с Курой были развернуты широкие исследования деформаций русел рек. Когда перед исследователем возникают но­ вые вопросы, п реж де всего необходим о ознакомиться с тем, что в этой области сделано предш ественниками.

Р абота началась с изучения материалов о формах речных ру­ сел и их изменениях. Мы просмотрели сотни библиографических карточек, статей и монографий, опубликованных в нашей и за р у ­ беж ной литературе по гидрологии, геоморфологии, гидротехнике и гидравлике. Здесь затрагивались многие вопросы, связанные с деформациям и речных русел, выяснились отдельные свойства потока на повороте русла, строение берегов и т. п., но о величинах д е ­ формаций, особенно о разм ерах подмыва берегов, данных практи­ чески не было. Среди множ ества формул для расчета отдельных характеристик потока — причем потока, который, как правило, те­ чет в лабораторном лотке,— не было ни одной, которая позволяла бы оценить возмож ны е смещ ения речного русла в плане, т. е. оц е­ нить скорость подмыва его берегов. И уж соверш енно отсутствова­ ли во всей этой литературе общ ие представления о причинах образовани я речных излучин, о том, какие именно факторы опре­ деляю т деф орм ацию речного русла. Д остаточно сказать, что о при­ чинах м еандрирования рек сущ ествовало более тридцати различ­ ных гипотез, не только мало согласую щ ихся м еж ду собой, но иногда и прямо противоположны х. Почти не было фактических данных о том, как ведут себя речные русла и поймы на за р е г у ­ лированных участках рек. О казалось, что наиболее полные пред­ ставления о речных излучинах, и в наиболее конкретной форме, содерж атся в работах ф ранцузского инж енера-гидротехника Л. Ж. Ф арга, исследовавш его реку Гаронну. В 80-х годах прошлого века он сформулировал ряд полож ений о том, как распределяю тся по длине излучин глубокие — плёсовые и мелководные — перекатные участки, и установил их связь с кривизной излучин.

И с тех пор столь ж е широких обобщ ений относительно р а з­ вития излучин не появлялось. П равда, многие русские ученые п од­ черкивали, что упомянутые «законы Ф арга», выявляющие зак он о­ мерности строения речных излучин, подтверж даю тся далеко не всегда. И из «законов» они превратились в «правила Ф арга».

А как обстоит дело с нашими знаниями движ ущ ей силы русло­ вого процесса — водного потока^, В едь очевидно, что знания тех форм, в которых проявляется русловой процесс,— сколь бы ни были эти формы изучены,— ещ е недостаточно для полного пред­ ставления о самом водном потоке и о тех дви ж ущ и х силах, кото­ рые заставляю т русло принять ту или иную форму. В ода и сегодня представляется вещ еством, во многих отнош ениях зага точным, о б л а ­ дающим рядом аномалий по сравнению с другими ж идкостями.

Она ещ е недостаточно изучена и в спокойном состоянии, и в дви- ;

жении. В текущем потоке возникают сложны е кинематические стру#-'” ' туры — турбулентные возмущ ения, иногда обладаю щ ие колоссаль­ ной энергией и вызывающие катастрофические последствия. П оэтом у к осреднениям свойств потока надо подходить очень осторожн©. В д о ­ бавок ко всему, нередко вода содерж и т огромное количество твер­ дого вещ ества. Так, в единице объем а воды м ож ет содерж аться 50 и более процентов твердых частиц разной крупности, состава, формы и подвижности. А ведь это материал, из которого поток строит свои берега и русло!

И зучением движ ущ егося потока заним ается гидравлика. Как наука речная гидравлика сущ ествует около пяти веков;

основная задача этой прикладной науки — обеспечение строительства с о о р у ­ жений на реках, прокладки каналов, труб и т. п. И в этой о б л а с­ ти были достигнуты значительные успехи, найдено много приемов решения задач, позволяющ их н адеж н о обеспечить прокладку кана­ лов и труб. Удачно рассчитываются и конструкции сооруж ений на реках, пока речь идет о б их габаритах и воздействии на русло.

Однако, когда пытаются перенести эти реш ения на расчет деф о р ­ маций сам ого русла, все разработанны е приемы и реш ения ок а­ зываются несостоятельными.


Пусть читатель не подумает, что, разрабаты вая теорию русло­ вого процесса, мы ничего не мож ем взять из современной речной гидравлики. Взять м ож но все, что помогает выяснить способность потока к размыву или отлож ению наносов.

В пределах настоящ ей книги мы не имеем возм ож ности р ассм от­ реть все разработки в' области гидродинамики и гидравлики, кото­ рые могут найти применение в создании теории руслового процес са. Это обусловлено не только огромным числом различных р азр а­ боток, но и слож ной историей развития этих наук.

В ероятно, читатель знает, что в тех случаях, когда исходный фактический материал получить трудно, исследователям приходится иногда очень грубо схем атизировать явления. А потому неуди­ вительно, что воззреция, сущ ествовавш ие десятки, а иногда и сотни лет и считавш иеся бесспорны ми, в дальнейш ем, когда наука делала решительный ш аг вперед, оказы вались несостоятельными.

Так, например, во времена Э. Торричелли (1608— 1647) счита­ лось, что наибольш ие скорости потока в реке должны располагать­ ся не у поверхности воды, а у дна. Это объяснялось влиянием давления ж идкости, благодаря которому придонные слои в потоке как бы выпираются вниз по течению и потому должны обладать большими скоростями. П одобны е взгляды господствовали до 30-х годов X V I11 в., когда А. Пито (1 6 9 5 — 1771) изобрел свою знам е­ нитую трубку — прибор, позволяю щ ий измерять распределение ско­ ростей течения в сечении потока. И зм ерения скоростей течения показали, что реш аю щ ее влияние на их распределение в сечении потока оказы вает сопротивление движ ению, вызываемое ш ерохо­ ватостью дна русла. Выяснилось, что наибольш ую скорость течение имеет не у дна, а у поверхности воды, в точке, расположенной примерно на 0,2 глубины потока.

О днако есть $'4ак и е взгляды, которые, сформировавш ись очень давн о, бытуют и д о сегодняш него дня.

Теоретические основы современной механики ж идкости были залож ены в,X V III в., главным образом трудами Д аниила Бернул­ ли, ЛеонарДа Э йлера и Ж ан а Д ’А лам бера.

Ш вейцарский ученый Д аниил Бернулли (1 7 0 0 — 1782) опубли­ ковал первый капитальный труд по гидродинамике. Его работа так и назы вается «Гидродинамика» (1 7 3 8 ). Он составил уравнение установивш егося (не меняющ егося во времени) движ ения идеаль­ ной ж идкости при постоянном р а сх о д е ее.

Д р угой ученый, труды которого во многом не устарели и теперь,— Л ео н а р д Эйлер (1 7 0 7 — 17 8 3 ). Блестящий математик, Эйлер предложил известные дифференциальны е уравнения дв и ж е­ ния ж идкости, п озж е названные его именем. Ж ан Л ерон Д ’Аламбер (1717— 1783), французский ученый, написал трактат «Опыт новой теории о сопротивлении ж идкости» (1 7 5 2 ).

Ш ироко используются в наши дни работы ф ранцузского м ате­ матика и механика Ж о зеф а Л уи Л а гр а н ж а (1 7 3 6 — 1813). Он пред­ лож ил свой аналитический метод исследования движ ения жидкости, непохож ий на метод Э й л ера,— так называемый метод Л агран ж а.

Он впервые рассм отрел закономерности перемещ ения волн малой высоты. Л а гр а н ж был учеником Эйлера.

Редкий гидрологический расчет обходи тся без применения так назы ваемой формулы Ш ези, по которой рассчитывается средняя скорость течения. Антуан Ш ези (1 7 1 8 — 1798) был французским инж енером. Н е лиш не зам етить, что его формула долгое время оставалась неизвестной ученым.

К числу самых фундаментальных формул, постоянно исполь­ зую щ ихся и сегодня, относится уравнение Навье — Стокса, п озво­ ляющ ее рассчитывать движ ение ж идкости. Анри «Луи Мари Навье (1785— 1836) был профессором механики в Политехнической школе и Школе дорог и мостов в П ари ж е. Он ввел в уравнение ж и д ­ кости Эйлера дополнительный член, учитывающий силы в заи м о­ действия молекул жидкости при ее движении (силы сопротивления).

Английский физик и математик Д ж о р д ж Габриель Стокс (1 8 1 9 — 1913) усоверш енствовал уравнение Навье, введя в него коэф ф и­ циент вязкости жидкости. Как это часто бывает при м атем атичес­ ком описании мало исследованного в натуре явления или процесса, в уравнениях появляются коэффициенты, физический смысл кото­ рых не всегда ясен. Так случилось и с этим уравнением. Н авье ввел в свое уравнение этот коэффициент, но объяснить его ф изи ­ ческий смысл не смог и считал не слишком существенным. Стокс вскрыл физическую сущ ность этого коэффициента и показал, как важ но его учитывать.

Н еобходим о такж е упомянуть работы, вскрывшие физическую сущность так назы ваемого скоростного коэффициента в формуле Ш ези. Это преж де всего исследования ирландского инж енера Р о ­ берта Маннинга (1 8 1 6 — 1897) и ш вейцарских инж енеров Эмиля Оскара Гангилье (1 8 1 8 — 1894) и Вильгельма Р удольф а К уттера (1818— 1888). ^ В аж нейш ее значение в гидродинамике имеют работы Оскала Рейнольдса (1 8 4 2 — 1 9 1 2 )— английского физика и инж енера. О. Р ей ­ нольдс выяснил критические условия перехода турбулентного (в и х­ ревого) потока в ламинарный с послойным движ ением жидкости.

Д о сих пор исследую тся и соверш енствую тся уравнения ф ран ­ цузского ученого Ж ан а-К л ода Барре де С ен-Венана (1 7 9 7 — 1886).

Эти уравнения, составленные в общ ей дифф еренциальной форме, позволяют рассчитать движения неустановивш егося потока — про­ хож дение волн паводков и попусков по реке.

В гидравлических лабораторны х исследованиях часто упоми­ нается «число Ф руда». Уильям Ф руд (1 8 1 0 — 1879), английский инженер, разрабаты вал законы подобия лабораторны х потоков на­ турным. Он предложил упомянутое число — критерий, показы ваю ­ щий степень турбулентности потоков.

К слову сказать, в истории гидрологии встречается немало лю ­ бопытных парадоксов. О казы вается, первооткрывателем законов подобия и «числа Ф руда» является вовсе не сам Ф руд, как это принято считать, а ф ранцузский ученый Фридерик Риич (1 8 0 5 — 1880). Главная ж е работа Ф руда — исследование так назы ваемого пограничного слоя (слоя ж идкости у стенок и дна, в котором з а ­ рож даю тся вихри в потоке) — предана забвению.

Д о сих n«f не потеряли своей актуальности исследования н е­ мецкого ученого Л ю двига П рандтля (1 8 7 5 — 1953). П араллельно.sc Д ж. И. Тейлором и Т. Карманом он разработал полуэмпирическую теорию турбулентности. О собенно известны работы Л. П рандтля в области пограничного слоя.

Некоторые из перечисленных ученых — Л. Эйлер, И. Бернулли (отец Д. Бернулли) и д р.— длительное время работали в России.

И во второй половине XIX в. в нашей стране возникает своя школа вы дающ ихся гидравликов и гидродинамиков, школа, и поныне заним аю щ ая ведущ ее место в мире. Д л я исследований руслового процесса особое значение имеют работы Н. Е. Ж уковского (1847— 1 9 2 1 ), выдвинувш его гипотезу о сущ ествовании в потоке катящихся вихрей эллиптической формы, Н. С. Л елявского, выделившего в конце прош лого века различные виды течений в речном потоке, работы А. И. Л осиевского (30-е годы наш его века) по воспроиз­ ведению циркуляционных течений в лотках. Новым шагом явились исследования М. А. Великанова (1 8 7 9 — 1964), выделившего в по­ токах явления макротурбулентности, исследования К- В. Гришани­ на, установивш его связь м еж д у шагом песчаных гряд на дне пото­ ка и шагом турбулентных вихрей.

М ож но назвать десятки работ других отечественных и за р у б е ж ­ ных ученых, без которых не могла бы развиваться теория руслового процесса.

П ервостепенное значение имеют и исследования в области дви­ ж ения наносов. Среди них особенно важ ен так называемый закон Эри, устанавливаю щ ий зависимость м еж ду весом перемещаемых частиц наносов и скоростью течения потока. В 1834 г. Эри обн а­ руж ил, что если-^бкорость течения потока увеличить в два раза, то поток см ож ет перемещ ать наносы в 64 раза более тяжелые, чем д о увеличения его скорости. Этот закон формулируется так:

вес влекомых по дн у русла частиц наносов пропорционален шестой степени скорости потока. Интересны разработки К. И. Российского по расчетам движ ения донных наносов, выполненные у ж е в наши дни — в 70-х годах. Засл уж и ваю т внимания диф ф узионная теория движ ения взвешенных наносов, развитая В. М Маккавеевым и его учеником А. В. Карауш евым, гидравлические исследования И. В. Е ги азар ова, Г. В. Ж елезнякова и многих других.

О днако ещ е раз повторим: ни одна из перечисленных работ не дает возм ож ности судить о структурных образовани ях в руслах и на поймах рек. Все формулы и расчеты хороши только для усло­ вий, в которых транспорт наносов идет без образования четко вы­ раж енны х структур.

Как перейти к структурным представлениям, должны сказать гидродинамики, при этом они обязательно долж ны исходить из представлений о дискретности руслового процесса и о том, что он всегда протекает в структурных формах.

Известный советский гидравлик Р. Р. Чугаев в своей работе «Развитие и ф ормирование технической механики ж идкости (гидрав­ лики) », изданной отдельной брош ю рой Ленинградским политехни­ ческим институтом (1 9 7 5 ), говорит о том, что, «казалось бы, эле­ ментарные представления механики ж идкости осваивались чело­ вечеством... в течение весьма продолж ительного времени». На усвое­ ние идеи неразры вности движ ения ж идкости, приводит пример Ч угаев, потребовалось 1500 лет. В основе этих представлений ле жит допущ ение о возмож ности замены свойств среды, состоящ ей из более или менее однородны х элементов, свойствами сплошной среды. П одобн ая зам ена очень удобн а, потому что дает в о зм о ж ­ ность вместо множ ества характеристик пользоваться одной.

Уравнение неразрывности используется и при исследованиях руслового процесса;

но применение его значительно ограничивается, поскольку в потоке обнаруж иваю тся у ж слишком разнородны е элементы, например, вихри разны х разм еров, форм и свойств, ко­ торые играют в движении наносов и подвижных их скоплений на дне русла различные роли.

П ож алуй, основной причиной того, что никак не удавалось пе­ ренести законы гидравлики на открытые русловые потоки, было то обстоятельство, что реш ение уравнений гидродинамики требует жестких граничных условий. К огда речь идет о гидравлическом расчете сооруж ений, эти условия налицо — сооруж ен и е ж есткое.

Но как только вопрос касается речного русла, полож ение о с л о ж ­ няется тем, что русло реки непрерывно меняется. Вы ход м ож ет быть только один: реш ение задачи на основе знания зак он ом ерн ос­ тей, определяю щ их изменения м орфологического строения речных пойм и русел.

Н евозм ож ность решения задачи руслового процесса на/ основе одной только гидравлики становится все более очевидной. Чтобы.

не быть голословным, приведу высказывания некоторых крупне^?^ ших зарубеж ны х гидравликов на конгрессе м еж дународной а ссо ­ циации гидравликов (М А Г И ), проходивш ем в П ари ж е в сентябре 1971 г. В выступлениях таких крупных американских ученых, как Г. Эйнштейн (он ещ е в 1937 г. предлож ил ф орм улу для расчета движения донных наносов в речных потоках) и Д. Кеннеди (сп е­ циалист по грядовому движ ению н ан осов ), сквозила одна и та ж е мысль: слишком часто расчетные данны е не совпадаю т с натурой;

причина этого — весьма упрощ енные представления об изучаемы х явлениях и процессах, происходящ их в реках, а следовательно, их грубая схематизация.

Удивительная ситуация! Гидравликой занимаю тся вот у ж е при­ мерно пять Столетий, а лишь во второй половине наш его века выяснилось, что без знания морфологии речного русла рассчитать деформации нельзя, и значит, надо пересматривать многие устан о­ вившиеся за эти пять веков представления и заново приспосабли­ вать к этой задач е уж е имеющ иеся решения.

Что значит установить связь м еж ду формами русла и движением вод потока? Это в первую очередь озн ач ает необходим ость и зу ­ чения динамических структур, имею щ ихся в потоке, и установления их связей со структурами русловых образований. К аж ется, все очень просто: надо объединить наши знания о строении речного русла и поймы, со знаниями структур п о т о к а — ^ тогда все станет на свои места. Н о б еда заклю чается в том, что уровни наш их св е­ дений о морфологической структуре русла и поймы и гидравличе­ ских структурах потока слишком различны. И пытаться объединить их — это все равно что пытаться совместить шестеренки с различ ным ш агом зу б ц о в. П ол ож ен и е ослож няется ещ е и тем, что иссле­ дователь, изучаю щ ий поток, скован многолетней традицией, при­ вычкой подходить к явлению с позиций континиум а— сплошности среды, в то время как она дискретна.

К слову сказать, о том, сколь оп асн о при гидравлических ис­ следованиях увлекаться умозрительными схемам и, отходя от и зу­ чения тех явлений, которые происходят в реальных потоках, гово­ рил ещ е Л ео н а р до да Винчи. Как известно, он был не только ве­ ликим худож ником, но и мыслителем, ученым, изобретателем и и нж енером, построившим ряд крупных сооруж ений в Италии. К со ­ ж алению, его работы, мысли, высказывания, связанны е с гидравли­ кой, стали известны только спустя четыреста лет после его смерти — у ж е в XX в.

Великий ученый считал, что теория — это полководец, а практи­ к а — сол дат. Н о говоря о потоках, он предупреж дал: если хочешь изучать дви ж ен и е ж идкости, то сначала наблю дай, а потом уж е применяй рассуж ден и е. С ледуя сам этим правилам, Л еон ардо да Винчи разобр ал ся в сущ ности многих явлений, происходящ их в реках, и пришел к таким выводам, к которым инженеры и ученые придут лиш ь 3 0 0 — 400 лет спустя. Н едаром другой великий ученый, Галилей, говорил, что изучение движ ения небесны х тел представ­ ляет меньш ие тр уМ ости, чем изучение протекающ их перед нашими глазам и струй ] ||№ К вопроса№ *изучения гидродинамических структур в естествен­ ных п о т о к а х Л ы ещ е только подходим, д а и то в основном с по­ зиций статистики, а не с позиций создан и я хотя бы грубых, но надеж ны х граф и ческ и х схем этих структур.

И ссл едован ие и фиксация гидродинамических структур в потоке представляю т значительные трудности. К сож алению, в гидрологии лишь в последние годь^ начали внедряться новые, совершенные методы измерений;

в области ж е измерений характеристик турбу­ лентности, данны е которых удовлетворяли бы требованиям структур­ ных представлений о потоке, работа ещ е только начинается. Гово­ рят, нет необходим ости и зобретать лож ку — она нас вполне устраи­ вает. А вот рейка, которой пользовались ещ е египетские жрецы, проводивш ие наблю дения на Н иле 2 — 3 тысячи лет тому н азад, и которой пользую тся гидрометристы и в наши дни, у ж е давно нас не устраивает, но все ещ е незам енима.

Что у ж говорить о б изм ерениях скоростного поля потока, если д о сих пор нет н адеж н ого прибора д а ж е для измерения направле­ ния течений и приходится измерять эти направления весьма прибли /^женно?

И зач астую исследователи в своих вы водах либо основываются на умозрительных схем ах, грубо осредняю щ их те явления, которые в действительности происходят на реках, приспосабливая природу к возм ож ностям сущ ествую щ его м атематического и гидравлического аппарата, либо пользую тся данными, полученными для рек, со зд а н ­ ных в лабораторны х условиях и потому далеко не идентичных естественным рекам, О собенно наглядно это проявляется в работах по изучению по­ ведения потока на повороте русла, т. е. в излучине. Н аи более распространенное представление сводится к тому, что здесь, на излучине, речной поток о б р азует циркуляционный винт. С огласно установивш имся воззрениям, дело происходит так. П оток, н абеж ав на участок вогнутого берега русла, начинает испытывать подпор.

Вследствие этого уровень воды у вогнутого берега оказы вается повышенным, и струи воды, начав опускаться вниз, ко дну, вы хо­ дят затем к выпуклому берегу. Размытые на откосе вогнутого б е ­ рега наносы переносятся циркуляционным течением и отклады ваю т­ ся на выпуклом берегу, обр азуя пляж. Как будто бы рассуж ден и е соверш енно логичное и вполне соответствует действительности. Тем более, что перекос водной поверхности с наклоном от вогнутого берега к выпуклому п одтверж дается натурными измерениями. Уче­ ные, занимавш иеся этим явлением, выполнили целый ряд л а б о р а ­ торных исследований по воспроизведению поперечной циркуляции.

Такие опыты выполнил ещ е А. Я. М илович в 1912 г.;

на его ра­ боты ссылаются д о сего дня. К азал ось бы, все ясно.

Но вот в 30-х годах А. И. Л осиевский, работая на лабораторны х лотках, получает циркуляционные винты на соверш енно прямолиней­ ных руслах (впервые это явление обнаруж ил немецкий ученый М юллер).

При этом выясняется, что в таких условиях обр азуется н и ­ сколько параллельных циркуляционных винтов, и тем в б ол ь р ём количестве, чем шире лоток. В лотке треугольного сечения^был получен только один винт.

В. природе, на настоящ их реках, структура потока и з/ч а л а сь чрезвычайно редко. Одни исследователи продолж али говорить о наличии циркуляции, другие ж е в естественных реках ее не о б н а ­ руживали. Характерно, что при исследованиях течений на повороте русла почему-то избегали применять термин «излучина». Говорили о повороте, изгибе и т. п. М ож ет быть, это одно из свидетельств того, что при постановке экспериментов больш е дум али о каналах и лотках, чем о настоящ их речных излучинах. М еж ду тем, если бы исследователи больш е помнили о настоящ ей речной излучине, часто имеющей сложны е очертания в плане, и о том, каково соотн ош е­ ние глубины и ширины русла, они осторож н ее предлагали бы свои схемы строения потока на излучине и осторож н ее переносили бы данные лабораторного эксперимента на естественную реку.

Д ел о в том, что в лабораториях,.и зучая гидравлику потока, исследователь вынужден резко искаж ать соотнош ения м асш табов глубины и ширины русла, так что ширина и глубина лабораторной реки разнятся несущ ественно. (Чтобы увидеть, каково расп р едел е­ ние скоростей в потоке по его глубине, надо, чтобы глубина потока позволяла установить внутри него достаточно больш ой изм еритель­ ный прибор.) В действительности ж е, в настоящ ей реке, г л у б ш а русла составляет ничтожную долю его ширины. Д остаточн о часто оказывается, что при ширине реки в 1 км ее глубина составляет всего 10— 15 м, т. е. глубина в 7 5 — 100 раз (!) меньше ширины.

(Если вычертить поперечное сечение реки таким образом, чтобы масштаб ширины и глубины русла был одинаков, то на чертеже получилась бы узенькая, но очень длинная полоска.) Не надо дока­ зывать, что при столь вытянутых формах поперечного сечения ре­ ки предполагать наличие общего циркуляционного винта нет ника­ ких оснований. Речь может идти только о существовании в реках нескольких циркуляционных винтов.

Таким образом, скудость представлений о том, как происходят переформирования речного русла на настоящих реках, ограничен­ ные возможности использования для суждений о русловом процес­ се наших знаний по гидравлике, накопленных к настоящему време­ ни, приводили к неизбежному выводу: необходимо заново пере­ смотреть существующие взгляды на методы изучения этого сложного природного процесса.

С м е щ е н и е р е ч н о го р у с л а в п л а не Было это в 1959 г. В Отдел русловых процессов пришел за со­ ветом главный специалист-гидролог института «Теплоэлек'гро проект» В. И. Иванов. Тогда этот институт занимался проектиро­ ванием тепловых л^ектростанций и строительством линий высоко­ вольтных п ер еда?^ В. И. Иварбв рассказал, что наибольшие трудности в проекти­ ровании линий высоковольтных передач возникают в тех случаях, когда лини^ должны пересекать реки. Длина пролета между опора­ ми определяет высоту мачт, на которых подвешиваются провода.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.