Взаимодействие потока и русла

Взаимодействие потока и  русла (Взаимозависимость, Взаимоуправление, Саморегулирование)

Одним из самых давних является принцип  взаимодействия потока и русла, сформулированный М.А. Великановым (1948а, 1955).

Попытка выработать подобный подход была сделана ещё В.М. Лохтиным (1897). Он считал, что не только поток определяет ход русловых процессов, но также и геоморфологическая обстановка в виде ската местности, и геологическая обстановка в виде разнообразных грунтов, в которые врезается река (Кузьмин И.А., 1973, с. 185). В показатель устойчивости В.М. Лохтина входят как показатели потока (уклон), так и характеристика русла (диаметр наносов).

Этот принцип возник при осмыслении практики применения выправительных сооружений (струенаправляющие, струестесняющие и т.п.) на реках Западной Европы в XVIII-XIX веках и в России в конце XIX – начале ХХ века. В его разработку большой вклад внесён Н.С. Лелявским (Вопросы гидротехники…, 1948).

М.А. Великанов сам формулировал этот принцип так: «Механическая  сущность русловых процессов может быть в самом общем виде охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдые поверхности, ограничивающие поток, направляют движение частиц жидкости, поэтому можно сказать: «русло управляет потоком». С другой стороны, твёрдые частицы, образующие собою граничные поверхности потока, сами обладают в большей или меньшей степени подвижностью, под влиянием воздействия на них движущихся жидких частиц сами приходят в движение, и двигаются до тех пор, пока не будет достигнута иная, новая форма этих поверхностей, и именно такая, при которой воздействие жидких частиц на твёрдые либо временно прекращается, либо ослабляется, и наступает состояние равновесия. Здесь можно высказать обратное положение: «поток управляет руслом». Эта специфическая для всех естественных русловых потоков – рек, ручьев, селей – особенность представляет собою диалектическое единство двух взаимно воздействующих друг на друга факторов – потока и русла – и самую основу, механическую сущность руслового процесса, как такового» (Великанов М.А., 1948а, с. 483).

И.А. Кузьмин (1973, с. 185) критикует  этот принцип, считая, что он «фактически ничего не изменил, поскольку русло в этой постановке задачи выступает лишь одной своей стороной – граничная поверхность потока. По мнению И.А. Кузьмина, рассматривая такое взаимодействие, М.А. Великанов лишал подстилающий русло грунт его индивидуальных качеств. Им не принималась во внимание неоднородность грунтов, имеющая большое значение для формирования речных русел».

«Механическая сущность руслового процесса может быть охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдая поверхность, ограничивающая поток, направляет движение частиц жидкости, т.е. русло управляет потоком; с другой стороны, те же твёрдые частицы, обладая в известной степени подвижностью, приходят под влиянием воздействия на них жидких частиц в движение, переносятся, осаждаются в другом месте; в этом смысле вступает в силу обратное положение: поток управляет руслом. В этом двустороннем процессе взаимного управления потока и русла или одна, или другая сторона обычно имеет перевес. Если направляющее воздействие русла на поток имеет характер более длительный и устойчивый при сравнительно малой подвижности твёрдых частиц, составляющих русло, то мы говорим о реке более устойчивой; наоборот, если подвижность частиц велика, и также велика скорость потока, то русловые деформации происходят с гораздо большей скоростью, русло быстрее меняет свою форму, и мы говорим в этом случае о реке мало устойчивой» (Великанов М.А., 1955, с. 241).

А.Н. Ляпин (1973) предлагает расширить  этот постулат и учитывать взаимодействие потока не только с дном, но и с  берегами: «В большинстве случаев  этому тезису придаётся несколько  ограниченное представление, имея в  виду, главным образом, взаимодействие дна русла и речного потока. Между тем, ещё В.Г. Глушков (1925) отмечал, что «поток находится с породой дна и берегов в живом взаимодействии», и даже вводил специальный коэффициент формы русла, «связанный с соотношением прочности береговых и донных пород»» (Ляпин А.Н., 1973, с. 117).

У М.А. Великанова (1958) принцип  взаимодействия потока и русла статичен, он показывает лишь естественное состояние  каждого русла: «…в результате постепенного воздействия отдельных струй  на отдельные части руслового рельефа речное русло приобретает всё более и более плавные очертания, отчего сглаживается и форма струй, пока, наконец, русло и поток не становятся единым органически связанным комплексом, в котором русло приобретает форму потока, а поток отражает форму русла».

Н.И. Маккавеев (1955) развивает  принцип взаимодействия потока и  русла М.А. Великанова и придаёт  ему формулировку «взаимной обусловленности  потока и русла». «В наиболее общей  форме процесс руслообразования можно определить как процесс  «отображения» поверхностью твёрдой среды (т.е. грунтами, слагающими ложе) особенностей движения воды и перемещаемых ею наносов». В качестве примера такого отображения Н.И. Маккавеев (1955) приводит изменение рельефа поверхности раздела двух сред (волны Гельмгольца).

Принцип взаимодействия потока и русла, введённый М.А. Маккавеевым  и развитый Н.И. Маккавеевым является первой половиной принципа саморегуляции  русла, который по-разному формулировался некоторыми исследователями. Отличительной  чертой последующих формулировок принципа саморегуляции является существование не только констатации факта влияния русла на поток, а потока на русло, но и формулировки направления изменения системы «поток–русло» для достижения нарушенного динамического равновесия.

«Деформируя грунт, поток создает себе такие русловые формы, которые отвечают его скоростному полю, а русловые формы в свою очередь определяют скоростное поле потока. При несоответствии русловых форм и скоростного поля происходит их взаимная перестройка». (Михайлова Н.А., Шарашкина Н.С., 1970)

«Главным фактором взаимодействия потока и русла следует считать  происходящий между ними взаимообмен  наносами, несбалансированность которого приводит к однонаправленным деформациям  русла. Явно прослеживаются как прямые, так и обратные связи, обусловливающие саморегулирование необратимых русловых деформаций и транспорта наносов. Процессы транспорта, переотложения наносов в русловых потоках, деформации русла следует рассматривать как саморегулируемые процессы, регулятором которых является транспортирующая способность потока» (Караушев А.В., Романовский В.В., 1986, с. 13-14).

Принцип взаимодействия потока и русла постепенно трансформируется в принцип взаимозависимости, затем  взаимоуправления потока и русла, а  теперь и в принцип саморегулирования системы «поток–русло».

Аналогичные принципы саморегулирования  можно сформулировать и на других системных уровнях, на которых обычно рассматриваются проявления русловых процессов.

На уровне системы «водосбор–река»: Взаимодействие между рекой и  водосбором проявляется в саморегулировании продольного профиля реки и рисунка гидрографической сети, что является ответным откликом на нарушение баланса между соответствующими определяющими параметрами.

На уровне «поток–русло»: Взаимодействие между потоком и  руслом проявляется в саморегулировании типов русловых процессов, что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (поступлением наносов и транспортирующей способностью потока).

На уровне «струя–песчинка»: Взаимодействие между струёй и песчинкой проявляется в саморегулировании формы движения этой песчинки, что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (силами взвешивания и силой тяжести).

В соответствии с рассмотренными выше системными принципами не следует смешивать процессы, проходящие на разных системных уровнях, не следует сводить влияние одного и того же определяющего фактора к проявлениям только на одном системном уровне, потому что на другом системном уровне он может проявиться по-своему, независимо от проявления на другом уровне.