Русловые процессы

Русловые процессы — это совокупность явлений, связанных с воздействием водных потоков на берега и дно рек, с перемещением и отложением наносов, приводящих к их размывам или намывам, к сезонным, многолетним и вековым изменениям русел. Русловые процессы определяют условия жизни и хозяйственной деятельности людей на берегах рек, использование водных ресурсов, эксплуатацию рек как водных путей сообщения и т. д. Активными факторами русловых процессов являются сток воды и сток наносов. Дно и берега рек направляют движение потока, но и сами зависят от структуры потока. С изменением гидравлических характеристик потока во времени перестраиваются и формы русла: разрушаются одни и возникают другие формы его рельефа. Чем прочнее породы, слагающие берега и дно реки, тем больше времени требуется на перестройку форм русла.

Реки образуют сложную сеть на земной поверхности. Размеры их, водоносность, особенности водного режима, сток наносов, морфометрические характеристики русел определяются порядком реки в системе речного бассейна. Русловые процессы характеризуются раздельно для малых, средних и больших рек. Первые имеют площадь бассейна менее 2 тыс. км2, длину до 100 км, последние — более 50 тыс. км2, длина превышает 500 км, при этом они пересекают, как правило, несколько природных зон. Средние реки занимают промежуточное положение, протекая в одной природной зоне. Большие реки имеют индивидуальные особенности, нередко согласующиеся с местными природными условиями. Русловые процессы на малых реках всегда тесно связаны с ними.

Геологическое и геоморфологическое строение речного бассейна существенно влияет на русловые процессы, создавая предпосылки для формирования одной из трех разновидностей рек по типу русловых процессов — горных, полугорных (в предгорьях) и равнинных. Первые отличаются стремительным движением руслового потока в котором перемещаются крупные обломки горных пород, наличием порогов и водопадов. Падение горных рек достигает десятков и сотен метров на километр. Равнинные реки характеризуются спокойным течением, переносят мелкие наносы — песок, гальку, гравий и лишь в определенных условиях (стеснение потока горными склонами) крупную гальку и валуны. Их падение не превышает первых десятков сантиметров на километр. В руслах отчетливо выражено чередование плесовых (глубоких) и перекатных (мелководных) участков.

Изменения размеров и положения русел рек и отдельных русловых образований в пространстве — русловые деформации — обусловлены работой потока и связаны с переотложением наносов. Большое влияние на них оказывают геолого-геоморфологические факторы, проявляющиеся в неодинаковой размываемости горных пород и грунтов и, следовательно, в свободном и ограниченном развитии русловых деформаций. Последние развиваются свободно, когда сопротивляемость грунтов дна и берегов реки размыву, характеризуемая величиной неразмывающей скорости, меньше или равна скорости течения хотя бы в отдельные фазы гидрологического режима. Неразмывающая скорость — это наибольшая средняя скорость потока, при которой нарушается первоначальное равновесие частиц наносов, формирующих русло. Такие условия возникают, когда реки протекают по территориям, сложенным рыхлыми породами и отличающимся спокойным тектоническим режимом. Они формируют широкую пойму, поэтому русла таких рек называют широкопойменными. Плановые очертания и высотные отметки русел этих рек меняются ежегодно, ежемесячно, а иногда и ежедневно. К ним относятся реки южной половины Европейской части России, Западной Сибири, низменных равнин.

Там, где реки прокладывают свое русло в прочных скальных или связных породах, их русловые деформации ограничены и развиваются замедленно. Их эффект может проявляться в течение сотен лет. Наиболее устойчивы по отношению к размыву кристаллические и метаморфические породы. В областях их распространения горизонтальных деформаций может вообще не быть, плановое положение русла предопределяется системами разломов и зон трещиноватости. В этих условиях формируются врезанные, часто беспойменные русла. Подобные реки преобладают в Карелии, на Урале, в горных регионах Средней Сибири, на Северо-Востоке России. На территориях, отличающихся пестрым геологическим строением, часто наблюдается чередование участков рек со свободным и ограниченным развитием русловых деформаций; такие условия свойственны для Севера и Северо-Запада Европейской части страны.

Скорость, с которой осуществляется переформирование русла, зависит от гидравлических характеристик речных потоков и сопротивляемости грунтов размыву. В разных условиях планово-высотное положение русла изменяется с разной скоростью. Скорость деформаций определяют по величине изменения положения русла и его элементов в пространстве за определенное время (например, м/год). Если деформации заметны уже в течение короткого времени (часов, дней), русло считается неустойчивым; если же они проявляются за десятилетия и более, русло считается устойчивым. Промежуточное место занимает слабоустойчивое русло, деформации которого развиваются за месяцы и годы.

По очертаниям русла в плане равнинных рек выделяются четыре главные разновидности: врезанные, относительно прямолинейные, меандрирующие и разветвленные. Их выделение основано на разном характере периодических и направленных горизонтальных деформаций, свойственных руслам каждого из этих типов. Прямолинейные русла нередко отличаются направленными горизонтальными деформациями, смещающимися в сторону одного из коренных берегов, чаще правого. Формы руслового рельефа в зависимости от состава и расхода донных наносов, устойчивости русла представлены крупными грядами, занимающими всю ширину русла, побочнями, расположенными в шахматном порядке, осередками или ленточными грядами. В меандрирующих руслах равнинных широкопойменных рек развиваются и смещаются излучины, и завершается это их спрямлением. Разветвленные русла, свойственные, главным образом, большим рекам, как правило, характеризуются рассредоточением стока и блужданием потока по рукавам, а также образованием островов. Русловой рельеф представлен осередками, побочнями и косами, которые быстро смещаются по реке. На участках с ограниченным развитием русловых деформаций встречаются врезанные русла, которые могут быть прямолинейными или иметь вид врезанных излучин. Реже наблюдаются сравнительно простые разветвления; острова, разделяющие рукава, нередко имеют в своей основе коренной цоколь и по высоте превышают меженный уровень воды в реке. Врезанные русла отличаются большой устойчивостью. Отдельно выделяются дельтовые разветвления, которые представляют собой участки рек с направленной аккумуляцией наносов и ярко выраженной бифуркацией; основные рукава при этом самостоятельно впадают в море.

Темпы размыва берегов и их локализация зависят от морфологии, строения берегов и морфодинамического типа русла. Наиболее интенсивно берега размываются на вогнутых участках относительно пологих излучин меандрирующих рек; в прямолинейных руслах размыву подвергаются вогнутые берега изгибов потока, где он обтекает прирусловые отмели (побочни); а в разветвленных на рукава руслах чаще размываются оголовки островов и внешние берега рукавов. На разных участках реки скорость размыва берегов может быть разной и зависит она от размера реки, составляя в среднем за год 5–10% меженной ширины русла. Максимальные скорости размыва иногда на порядок превышают средние, однако они проявляются локально и в короткие промежутки времени.

Процессу размываемости берегов свойственны географические закономерности. Берега легко и быстро размываются на реках, протекающих в рыхлых породах, на низменностях и равнинах внеледникового юга, востока, и юго-востока Европейской части России (бассейны нижнего Дона и нижней Волги, левобережье Камы), на большинстве рек Западной Сибири, рек, текущих по котловинам и низменностям Восточной Сибири, Центральной Якутии, северо-востока России, а также по Средне- и Нижнеамурской низменностям. Наоборот, очень устойчивы к размывам берега рек, дренирующих горные территории, сложенные скальными породами. Чередованием размываемых и неразмываемых участков русел отличаются реки, протекающие в моренах и песках Московского и Валдайского (Зырянского) оледенений и пересекающие Валдайскую, Среднерусскую, Приволжскую возвышенности, территорию Балтийского щита. Чередование размывов различной интенсивности связано с пестротой литологического состава ледниковых отложений или с неровностью кровли скальных дочетвертичных пород.

Размывы берегов и дна рек создают опасность для разрушения инженерных сооружений и коммуникаций, в том числе опор мостов и линий электропередачи, а также разрывов трубопроводов в местах перехода через реки, утраты сельскохозяйственных и лесных угодий. Аккумуляция (накопление) наносов в руслах выводит из строя судовые ходы, акватории портов и водозаборы и является одной из причин заторов льда и угрозы наводнений.

В настоящее время русла рек во многих регионах изменены в результате хозяйственной деятельности. Непосредственно к механическому изменению русла приводит возведение плотин, спрямление отдельных излучин и больших участков рек, расчистка русел и превращение их в каналы, разработка месторождений полезных ископаемых — россыпных и нерудных (стройматериалов),— дноуглубительные работы, строительство дамб обвалования и объектов в пойме. Если в результате подобных мероприятий изменено более 25% длины участка реки, на ктором они проводятся, то ее русло считается измененным.

Заиление — один из главных видов измененности русел малых рек. Длительное сельскохозяйственное использование земель водосборных бассейнов, уничтожение лесов способствуют развитию интенсивной эрозии почв. Это приводит к увеличению количества материала, поступающего в верхние звенья речной сети, а также к изменению гидрологического режима малых рек. В результате заиливаются и деградируют русла рек в их верховьях. Степень заиления определяется долей длины зон заиления к общей длине участка реки. Заиление практически отсутствует, если ему подвержено менее 5% длины. Слабо заиленными считаются реки, на которых длина зон заиления доходит до 50% длины реки. Реки с длиной зон заиления более 50% относятся к сильно заиленным.

Наиболее значительные нарушения русловых процессов на больших рек связаны с гидроэнергетическим строительством. Изменения русел рек, обусловленные регулированием стока, распространяются на десятки и сотни километров выше и ниже водохранилищ. Последние перехватывают сток наносов рек, что способствует их врезанию ниже плотин и понижению уровня воды в реке. Величина и дальность распространения врезания зависит от крупности донных отложений, состава подстилающих пород, характера регулирования стока. Этот процесс вызвал изменения русловых процессов ниже Нижегородской, Воткинской, Волжской, Цимлянской, Новосибирской, Зейской гидростанций.

Выше одиночных водохранилищ или верхних в их каскаде на большие расстояния распространяется регрессивная аккумуляция. Скорость ее может достигать нескольких километров в год, а темпы накопления наносов на равнинных реках — до десятков сантиметров в год. Этот процесс характерен для Дона (выше Цимлянского водохранилища), Оби (выше Новосибирского водохранилища), некоторых притоков Камы (например, Белой), Вилюя.