УДК 556.537

ИСТОРИЯ РУСЛОВЕДЕНИЯ

Кондратьев Александр Николаевич
ООО «Русловые процессы»
инженер

Аннотация
Выполнен анализ истории русловедения как научной дисциплины. Достижение указанной цели достигнуто посредством решения следующих задач: 1. Краткий анализ русловедения как научной дисциплины. 2. Рассмотрение развития русловедения за последние 150 лет. 3. Выделением характерных этапов развития русловедения. 4. Выяснение перспектив развития русловедения как научной дисциплины. Выполненный анализ позволил наметить актуальные пути развития русловедения на ближайшую перспективу. Выяснено, что перспективно введение в русловедение методов статистики, то есть, переход от динамических представлений к стохастическим.

Ключевые слова: история русловедения, методы расчёта русловых деформаций, русловые процессы, типы русловых процессов


HISTORY OF CHANNEL PROCESSES STUDY

Kondratev Aleksandr Nikolaevich
«Channel processes» Ltd
engineer

Abstract
It was made the analysis of the history of channel processes study as a scientific discipline. The aims will be achieved through the following tasks: 1. Brief analysis of channel processes study as a scientific discipline. 2. Consideration of the development of channel processes study over the last 150 years. 3. The allocation of characteristic stages of development of channel processes study. 4. The clarification of the prospects for the development of channel processes study as a scientific discipline. The analysis helped to identify the actual development of channel processes study in the near future. Found that promising introduction to channel processes methods of statistics, that is, the transition from dynamic to stochastic representations.

Keywords: channel processes, history of channel processes study, non-alluvial river, river channel deformation calculation methods, types of channel processes


Рубрика: 25.00.00 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Библиографическая ссылка на статью:
Кондратьев А.Н. История русловедения // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/12/76321 (дата обращения: 29.09.2017).

1. Русловедение как научная дисциплина.

Русловым процессом называются изменения в морфологическом строении речного русла и речной поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды [27].

Эти деформации следует рассматривать как внешнее проявление процесса, который и является внутренним содержанием этих деформаций. Без понимания этого процесса невозможно теоретическое освоение русловых деформаций.

До конца XX века наука о русловых процессах именовалась теми же словам «русловые процессы», что вызывало путаницу.

Современное название науки о русловых процессах – русловедение – было предложено школой МГУ и утвердилось после выхода нескольких книг [49, 50] Это позволило чётко разграничить название науки (русловедение) и наименование одного из предметов исследований (русловые процессы), а также уточнить другие предметы русловедения, которыми являются факторы, механизмы, формы и закономерности русловых процессов.

На первых этапах развития теории русловых процессов использовалась упрощённая схематизация явления, основанная на осредненных параметрах русла: ширина, глубина и т.п. Однако практика требовала знания не только осредненных характеристик русла, но и всего разнообразия морфологических элементов, их строение, размеры и динамику.

По словам Н.Е. Кондратьева: «Требовалась принципиально иная схематизация явления. И она нашла свое выражение в дискретных представлениях о строении реки – не сплошной однообразной ленты, а непрерывного набора различных морфологических элементов» [25].

Все современные нормативные документы по анализу и прогноз русловых процессов близки по своим подходам и имеют единую основу: гидролого-морфологическую теорию русловых процессов, разработанную в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) в 1960–1980 гг. [27, 39].

 

2. Периодизации развития русловедения.

Историк гидрологии А.К. Бисвас выражал подобное другими словами: «Большинство научных дисциплин в процессе своего развития проходят последовательно следующие основные этапы: описание изучаемых явлений и процессов – объяснение – предвидение» [7, с. 260].

Основатель отечественной гидрологии В.Г. Глушков писал: «Генетический подход, применённый к изучению искусственно изменённых водных объектов позволит ответить сразу на два существенных вопроса: как будет осуществлено намечаемое водохозяйственное мероприятие и как следует расположить и построить это мероприятие или сооружение, чтобы в результате создать требуемые качества водного объекта, тот и другой вопросы являются важнейшими для хозяйства» [13].

Лидер московской школы современного русловедения Р.С. Чалов [53, с. 9] в изучении речных русел выделяет три основных периода: 1 – информационный; 2 – эмпирический; 3 – аналитический. Первый период характеризовался накоплением сведений, появлением карт и описанием русел рек в различных литературных, источниках. Второй период позволяет прийти к пониманию некоторых общих закономерностей развития русел и заложить научные основы их регулирования. Третий (аналитический) период – создание теории русловых процессов – русловедения, отрасли знаний, изучающей условия и процессы формирования речных русел, разрабатывающей приёмы и методы их регулирования.

Методолог науки Ю.С. Мурашковский выделил более детальные стадии развития научных представлений [38]:

1) Отдельные, несвязанные между собой явления.

2) Модели-аналогии: a) «Пустые» модели; b) Магические модели; c) Внешние аналогии.

3) Классификации: a) Внешние классификации. b) Внутренние (морфологические) классификации.

4) Временные классификации (периодизации).

5) Простые эволюционные модели: a) Однофакторные модели; b) Модели с разделенным фактором; c) Эволюционные модели с главным и вспомогательными факторами.

6) Сложные эволюционные модели (многофакторные).

7) Эволюция эволюций: a) ускоренная эволюция; b) неравномерная эволюция.

Как видим, существуют различные подходы к выделению типичных этапов развития науки. Далее рассмотрено фактическое развитие русловедения с попыткой выделения специфических этапов истории русловедения.

А.Н. Кондратьев (2001 г.) выдвинул предположение, что ход развития русловедения происходит по объективному пути [24]:

1) Созерцание, наблюдение (“что происходит”).

2) Выявление закономерностей, типизация, гипотезы (“как происходит”).

3) Выявление причин изменений схем деформаций рек от одного типа русловых процессов к другому (“почему так происходит”).

4) Система критериев руслообразования всех типов русловых процессов и сведения об изменениях руслоформирующих факторов дадут возможность сделать прогноз изменения схемы деформаций (“что будет”).

5) Прогноз русловых процессов под антропогенным воздействием на руслоформирующие факторы (“вот к чему приведет наша деятельность”).

6) Активное регулирование русловых процессов (“так надо сделать, чтобы привести к искомому”).

Рассмотрим фактическое развитие русловедения.

 

3. Развитие русловедения. Первые общие принципы.

Л. Фарг в 1875 г. после двухлетних натурных и модельных экспериментах на р. Гаронна предложил совокупность эмпирических положений, отражающих закономерности во взаиморасположении плановых очертаний русла и глубин в равнинных реках (по книге Н.И. Маккавевва [35]).

Эти закономерности впоследствии были подтверждены на р. Сене ниже Руана, на приморской части р. Шельды и на других реках. С. Лелявский подробно рассмотрел эти закономерности и предложил их математическую формализацию [32].

Л. Фарг считал явление сползания универсальным законом развития любых излучин. Закономерности развития излучин, предложенные Л. Фаргом, явились заметным шагом в развитии изучения меандрирующих рек. Хотя эти закономерности сейчас правомерно считаются частными проявлениями, (например, Кондратьев Н.Е. и др., [27, с. 158], которые нельзя возводить в общий закон, в то же время, при проведении гидроморфологического анализа они, на наш взгляд, используются большинством русловиков.

Долгое время на окончательный выбор трассы фарватера сильное влияние оказывали так называемые «принципы Хартли», сформулированные английским инженером и одобренные на Международном конгрессе по внутренним путям (Париж, 1889 г.). Согласно им при выборе судоходного рукава предпочтение следует отдавать водотоку с наименьшим расходом воды и наносов.

4. Режимная теория – попытка поиска идеального русла.

Эмпирические исследования, проведённые исследователями в XIX веке, объединение взглядов которых сделал Р. Кеннеди (R.G. Kennedy, 1907), привели к построению так называемой «теории режима», в которой считалось, что русло канала может быть устойчивым не только при непередвигающих скоростях течения, но и тогда, когда на большей части происходит из транспорт донного материала.

Эмпирические результаты были восприняты как схема абсолютных законов, а это привело к тому, что последующее развитие изучения и проектирование каналов в Индии направилось в одно специфическое направление. Одной из причин этого явились неизменно удовлетворительные результаты, получаемые при применении этого метода на практике. Этот метод был официально принят Центральным советом ирригации правительства Индии в 1934 г. (С.Н. Лелявский [32]).

Такое представление было сформулировано Г. Ласеем [54] в 1930 году в виде «режимной теории». Устойчивое русло в «режиме» получается при определённом соотношении глубины и ширины потока. По сути формулы Г. Ласея (v=бRв, где v – скорость течения воды, R – гидравлический радиус, б, в – коэффициенты) являлись упрощёнными вариантами формулы Шези.

«Режимная теория» Г. Ласея жива поныне. Многие исследователи вплоть до настоящего времени были непосредственными последователями этой теории или её методов.

Считается, что параметры динамически устойчивого русла можно определить по гидравлико-морфометрическому методу, основанному на использовании морфометрических зависимостей. Разнообразные формулы предложили М.А. Великанов, В.А. Знаменский, П.А. Шатберашвили, С.А. Аннаев и Х. Аидов, С.К. Ревяшко, В.С. Алтунин, Ю.А. Ибад-Заде, М.М. Селяметов, Э.И. Михневич.

Для неустановившегося движения и с учётом устойчивости русла К.В. Гришанин получил зависимость: , где параметр М имеет конкретные численные значения при заилении (подъём уровней) и эрозии (межень) [14]. Различен он для плёсовых лощин и перекатных участков.

В.П. Троицкий в дискуссии на V гидрологическом съезде сказал: «Можно с определённостью утверждать, что беспредметно заниматься поисками таких форм русел в поперечном сечении, которые бы исключали транспорт руслового материала и деформации русла при скоростях течения в русел, превышающих их предельные неразмывающие значения» (Труды V Всесоюзного…, 1988, с. 351).

Фактически последователями Г. Ласея являются все исследователи, приходящие к использованию морфометрических зависимостей без учёта типа русловых процессов, рассмотрение которых приводится в следующем параграфе.

 

5. Морфометрические формулы и графики без деления по типам русловых процессов.

Ещё до возникновения первых типизаций русел создавались различные гидролого-морфометрические формулы, в которых связывались параметры русла и потока; при этом считалось, что такие формулы применимы ко всем рекам.

Начало этапа можно связать с формулировкой законов Л. Фарга (1908 г.) (см. в работе [35]), которые описывали меандрирующие реки, но считались в то время всеобъемлющими. После появления в 1925 г. формулы В.Г. Глушкова [13] началась активная разработка различных «универсальных» формул (С.И. Рыбкин и др., 1940-1950-е годы). Иногда такие формулы (без учёта специфики различных типов русел) продолжают появляться по сегодняшний день.

Представителями этапа являются режимная теория Г. Ласея [54] и формулы, выведенные на её основе, а также другие формулы, по которым исследователи надеялись рассчитать параметры так называемого динамически устойчивого русла (В. М. Лохтин, М. А. Великанов, В. А. Знаменский, П. А. Шатберашвили, С. А. Аннаев и Х. Аидов, С. К. Ревяшко, В. С. Алтунин, Ю. А. Ибад-Заде, М. М. Селяметов, Э. И. Михневич и др.).

Сводки и обзоры гидролого-морфометрических зависимостей приводят Н.Е. Кондратьев и др. [27], Н.А. Ржаницын [41], С.Н. Лелявский [32], И.В. Попов [39], Р.С. Чалов [49] и др.

Неэффективность гидролого-морфологических соотношений без учёта типа русловых процессов имеет много причин, некоторые из которых уже были перечислены выше. Также можно отметить, что на графиках, полученных по натурным данным и характеризующих зависимости между параметрами русла и потока, всегда имеется большой разброс точек.

Существующее многообразие формул невозможно охватить даже частично, но стоит согласиться с И.В. Поповым [39, с. 45], что «разработка морфометрических связей без предварительных морфологических исследований практически оказывается бесперспективной, представляя собой лишь очень грубые схемы».

 

6. Типизации русловых процессов.

Типы русловых процессов – это схемы деформаций речных русел. Например, меандрированию, побочневому типу, русловой многорукавности соответствуют извилистые, прямые, разветвлённые формы речных русел в плане (типы русел).

Первую типизацию речных русел выполнили в 1947 г. К.П. Россинский и И.А. Кузьмин [43]. Они выделили периодическое расширение русла, «меандрическую» форму русла и разветвление реки на рукава. Н.Е. Кондратьев выделял блуждающее, меандрическое (или перекатного типа) и разбросанное русло [25]. Е.В. Болдаков и О.В. Андреев выделяли меандрирующие, немеандрирующие и блуждающие реки [8].

Сделаны другие типизации форм русел, русловых процессов и форм русловых деформаций Р.С. Чалова [51], Н.С. Знаменской [18], автора – А.Н. Кондратьева [23] и др. Во всех типизациях за основные типы русел принимались извилистые (меандрирующие), прямые и разветвлённые.

Меандрирование – это схема деформаций речных русел, заключающаяся в развитии и спрямлении речных излучин. На этом этапе развития русловедения и ранее предлагались различные гипотезы, объясняющие причины меандрирования. Наиболее известными являются: циркуляция потока в русле (М.А. Великанов [10]); неустойчивость прямого (Кондратьев Н.Е. [26]) и динамическая устойчивость извилистого русла (Чалов Р.С. [49]. Обзоры гипотез возникновения меандрирования содержатся в работах [5, 15, 16, 34, 35, 37, 44, 48, 57].

В прямых руслах выделяются три основные типа русловых процессов: побочневый, ленточногрядовый и осерёдковый.

Наиболее ранней гипотезой возникновения побочней было предположение А.И. Лосиевского (1934 г.), что они есть следствие извилистости потока [33]. Также существует противоположный взгляд, что побочни – это начальная стадия меандрирования. Природа опровергает оба эти утверждения, потому что прямые и извилистые русла существуют одновременно.

Среди гипотез формирования побочней и других типов русловых процессов в прямых руслах можно отметить: последовательное сжатие и расширение потока (Коновалов И.М., Баланин В.В. [29]); морфологическое отображение внутренней кинематической структуры потока; гидродинамическая неустойчивость (Кондратьев Н.Е. [26]); поперечные течения потока; соотношение шага мезоформ и ширины русла (Бутаков А.Н. [9]); колебания модуля продольной скорости потока (Католиков В.М. [22]) и др.

Общим недостатком этих гипотез является объяснение только типов русловых процессов, развивающихся в прямых руслах, без увязки с формированием других типов.

Разветвления бывают русловыми и пойменными. Русловые разветвления формируются благодаря наносам, отлагающимся в русле, а пойменные – в результате разработки рукавов на пойме.

Пойменные разветвления можно считать особым «надтипом» русловых процессов, потому что в каждом пойменном рукаве может быть свой тип русловых процессов (Чалов Р.С. [50]). Среди исследователей нет больших расхождений в причинах формирования пойменных проток; требуется сочетание условий: значительный водный поток по затопленной пойме и достаточная податливость поверхности поймы к размыву.

Русловые разветвления образуются в прямых руслах в результате перегрузки реки наносами. Лишние наносы, которые река не способна перемещать, отлагаются в русле и формируют русловые острова, разделяющие русло на рукава. Однако единого мнения в признании причин формирования русловых разветвлений нет. Например, А.М. Алабян [1] считает, что формирование русловых разветвлений обусловлено низким уровнем руслоформирующих расходов воды (в понимании Н.И. Маккавеева [35]); нет количественной увязки образования русловой многорукавности с соотношением между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов.

Можно сделать вывод, что выделение типов русловых процессов и попытка объяснить причины образования отдельно каждого типа русловых процессов не удалась. На наш взгляд, основным недостатком являлось разобщённое рассмотрение различных типов русловых процессов. Обоснованным может быть объяснение, не провозглашающее исключительность, уникальность или естественность какого-либо одного типа русловых процессов. Этот этап развития русловедения не позволил создать такую гипотезу, которая одновременно объяснила бы набор нескольких генетически связанных типов русловых процессов.

Существуют также другие типы русел и русловых процессов. Некоторые из них встречаются редко (карстовые, болотные, склоновые, наледные русла, слепые устья, плавни и др.). Другие изучаются в рамках других отраслей науки (селевые русла, устья, водохранилища и др.) или проявляются на особых участках (узлы слияния рек, места активных оползней). А некоторые – являются особыми проявлениями более распространенных типов при промежуточном или гипертрофированном проявлении руслоформирующих факторов (дейгиш, русла временных потоков, деградирующие русла и др.). Особым типом русловых процессов можно считать и деформации рек, подверженных антропогенным воздействиям, а также искусственные реки и каналы. Не все эти типы русловых процессов были выявлены на этапе типизации.

Следует отметить, что все типы русловых процессов, даже те, которые пока не изучаются в рамках русловедения, являются равноправными объектами исследования, поэтому не следует делать акцент в изучении на отдельные типы русловых процессов. Следовательно, можно считать, что типизации русловых процессов ещё не исчерпаны. Однако более правомерно идентификацию редких или необычных типов русловых процессов выполнять в рамках этапа классификаций русловых процессов, так как только выстроив типы по определяющим руслоформирующим факторам, можно выявить их крайние проявления.

 

7. Морфометрические формулы и графики с разделением по типам русловых процессов.

Позднее стали использовать морфометрические формулы и графики с разделением по типам русловых процессов. Одним из первых в 1957 г. были зависимости и графики Л.Б. Леопольда и М.Г. Вольмана [55]. Известны также зависимости В.В. Ромашина [42], В.И. Антроповского [3, 4], Ван ден Берга [56] и др. Были сделаны попытки ответа на новый вопрос: каковы условия перехода одного типа русловых процессов в другой?

В качестве критериев разделения русловых процессов использовались: расход воды, скорость потока, уклон водной поверхности, уклон долины, ширина и глубина русла, относительная ширина русла, диаметр наносов, число Фруда, шероховатость русла, коэффициент Шези, комбинации перечисленных величин и др. [3, 42, 55 и др.]. На основе гидролого-морфометрических формул строились графики, на которых в поле выбранных координат выделялись области, свойственные разным типам русловых процессов.

Обычно такие графики и формулы оказывались региональными и быстро опровергались после привлечения данных по другим регионам. Иногда вместо искомого сопоставления причин и следствий использовались так называемые ложные корреляции: 1) связи между разными следствиями от единой завуалированной причины (в виде примера можно привести утверждение, что причиной разных типов русловых процессов является относительная ширина русла) (Бутаков А.Н. [9]), Католиков В.М. [22]; 2) связи, получаемые преобразованиями из известных соотношений (например, предлагались формулы по расчёту коэффициента Шези по измеренным значениям скорости течения, глубины и уклона потока) (Гришанин К.В. [14]); 3) обратные связи, в которых за причину принималось следствие (Снищенко Б.Ф. [47]); 4) случайные связи, в которых явления генетически не связаны или связаны очень слабо (Антроповский В.И. [4]).

Для определения причин формирования различных типов русел необходимо выявлять связь не с параметрами самого русла, а с главными руслоформирующими факторами: транспортирующей способностью потока, поступлением наносов, ограничивающими условиями и др. (Кондратьев А.Н. [23]).

На этапе создания гидролого-морфометрических зависимостей были отсечены непродуктивные связи, и созданы предпосылки для перехода к однофакторным классификациям, то есть к обоснованному выстраиванию типов русловых процессов по какому-либо параметру.

 

8. Однофакторные классификации русловых процессов.

Главным отличием классификаций от типизаций является упорядоченность типов по какому-либо руслоформирующему фактору. На основе одной типизации можно создать несколько классификаций.

Появление однофакторных классификаций явилось значительным шагом вперёд по сравнению с типизациями русловых процессов, но на этом этапе также были проблемы. Например, если типы выстраивались в определенном порядке, то для этого не всегда подыскивался подходящий руслоформирующий фактор; если выбирался фактор, то не всегда можно было объяснить предлагаемую последовательность типов и т.д. Другим препятствием для эффективного создания классификаций являются неудачно подобранные названия для типов русловых процессов, направляющие исследователей по ложному следу. К таким, по нашему мнению, не совсем удачным названиям типов русел и русловых процессов можно отнести «незавершённое меандрирование» школы ГГИ [26] или «пальцеобразные» и «сундучные» излучины школы МГУ [35].

Ограничимся перечислением самых распространённых однофакторных классификаций: Н. Е. Кондратьева и И.В. Попова [26]; Б.Ф. Снищенко [47]; И.Ф. Карасева [19]; А.В. Караушева [21]; Р.С. Чалова [49, 50]; В.С. Лапшенкова [30]; Г.А. Куколевского [29] и др. Обзоры существующих классификаций выполнены в различных работах; из наиболее полных следует отметить работы Р.С. Чалова [50 и др.].

Типизация русловых процессов, предложенная школой Государственного гидрологического института [26], послужила основой создания нескольких классификаций: Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова [26], Б.Ф. Снищенко [47], Н.С. Знаменской [17] и др.

На основе классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова [26] были разработаны методы прогноза русловых деформаций в рамках каждого типа. Однако в ней можно отметить значительный дефект: за определяющий фактор был выбран абсолютный параметр (транспортирующая способность потока). Использование этого абсолютного параметра приводит к выводу, что все большие реки, обладая большой транспортирующей способностью должны развиваться по типу русловой многорукавности, а все малые реки, обладая малой транспортирующей способностью, должны быть меандрирующими.

Н. С. Знаменская [17] показала, что последовательность расположения типов русловых процессов в классификации Н. Е. Кондратьева и И. В. Попова не соответствует монотонному изменению транспортирующей способности, а также не отвечает последовательности их превращений одного в другой. Н. С. Знаменская на основе типизации ГГИ разработала свою классификацию, которая является двухфакторной, и поэтому она будет рассмотрена далее.

Параллельно с классификацией Н. Е. Кондратьева и И. В. Попова на основе той же типизации русловых процессов свою классификацию разработал Б. Ф. Снищенко [47]. Она построена по относительной ширине долины, коэффициенту извилистости реки, но, в то же время, утверждается, что порядок типов соответствует изменению полного расхода наносов.

В описанных классификациях типы русловых процессов расположены в различном порядке и связаны с разными руслоформируюшими факторами: в классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова [26] типы построены по транспортирующей способности потока, а в классификации Б. Ф. Снищенко [47] – по изменению расхода наносов. Различие заключается в положении разветвлённых типов: в классификации Н. Е. Кондратьева и И. В. Попова они находятся в конце списка, а в классификации Б. Ф. Снищенко – в середине.

А. Н. Кондратьевым [23] показан способ выхода из сложившегося противоречия. По нашему предложению для согласования этих классификаций достаточно удалить из обоих перечней разветвлённые русла (незавершённое меандрирование и пойменную многорукавность). Такое удаление разветвлённых русел правомерно, потому что изменение транспортирующей способности потока не приводит к разработке пойменных проток.

В основу морфодинамической классификации речных русел Р. С. Чалова [50] положен характер русловых деформаций. Согласно этой классификации, общие особенности русловых деформаций определяются геологическими условиями, в частности размываемостью слагающих долину горных пород.

Стоит отметить, что верные однофакторные классификации по сути являются двухфакторными: правильно подобранный руслоформирующий фактор представляет собой критерий, то есть отношение между внешним движущим фактором и внутренним противодействующим фактором. Относительно верными также могут считаться критерии, в которых берётся соотношение между действующим фактором и фактором, сдерживающим его воздействие.

Иногда, не совсем удачно, действие ограничивающего фактора принимается за причину, а действие определяющего фактора упускается. Например, полагая, что определяющим фактором является сдерживающий фактор (относительная ширина долины), действие настоящей причины, ответственной за формирование разных типов русловых процессов, теряется; а относительная ширина долины только накладывает ограничение на возможность проявления результата этого воздействия.

 

9. Двухфакторные классификации русловых процессов.

Под двухфакторными классификациями русловых процессов понимаются классификации, в которых одновременно учитывается влияние двух определяющих факторов. Этот этап русловедения только начат; отсчёт можно вести с классификации Н.С. Знаменской (1992 г.).

В классификации Н.С. Знаменской совместно рассматриваются формы активных русловых процессов и соответствующие им формы пассивных типов русловых процессов при уменьшении расходов воды [17].

Другие единичные примеры: классификация Р.С. Чалова, в которой рассматриваются форма русла и ограничивающее влияние ширины долины [51]; классификация М.С. Карасева и Б.И. Гарцмана, в которой рассматриваются влияние гидрологических и геологических условий [20], и классификация А. Н. Кондратьева с учётом степени затопления поймы и относительной транспортирующей способности потока [23].

Каждый из рассматриваемых руслоформирующих факторов особым образом определяет схему русловых процессов. Двухфакторные схемы типов русловых процессов дают также инструмент прогноза смены типа русловых процессов при изменении баланса между руслоформирующими факторами.

Двухфакторные классификации – шаг в развитии русловедения. Именно на создание обоснованных генетических многофакторных классификаций должно быть направлено сейчас внимание исследователей. Только после построения таких классификаций (а, фактически, – нахождения критериев смены типов русловых процессов) возможна обоснованная математическая формализация представлений о развитии речных русел.

 

10. Моделирование русловых процессов.

В современном русловедении используется математическое и физическое (гидравлическое) моделирование. Физическое моделирование основано на сходстве законов, описывающих развитие натуры и модели. Математическое моделирование основано на описании процесса при помощи математических уравнений, которые затем в разной степени программируются для расчётов с помощью электронных машин или другими способами. В связи с этими определениями, можно предположить, что коренного различия между физическим и математическим моделированием нет. Во-первых, если понята суть процесса на том иерархическом уровне, который исследуется, то тогда нет проблем для создания как физической, так и математической модели. Во-вторых, для них нужны одинаковые исходные данные. Различия заключаются в том, что на математической модели можно быстрее рассчитать множество вариантов, а на физической – воочию увидеть процесс. В связи с тем, что в настоящее время суть русловых процессов не раскрыта, то часто исследование процесса подменяется исследованиями на другом системном уровне. Как при физическом моделировании, так и при математическом моделировании чаще всего это заменяется исследованием гидравлики потока.

Физическое моделирование русловых процессов.

Большинство исследований сводится к изучению только активного агента – движущейся воды («твёрдые» неразмываемые модели). Рекомендации М.С. Ялина, Дж. Цвамборна, Н.С. Знаменской учитывают микроформы руслового рельефа в транспортировании наносов. В работах О.В. Андреева, И.А. Ярославцева, Г.А. Малютина (1958) и М.А. Михалева (1989) указывается о необходимости воспроизведения на модели подвижных форм руслового рельефа подобных таковым на моделируемом участке реки. Предложения по учёту взаимодействия грунта, руслового потока и подрусловой фильтрации высказаны А.Б. Клавеном (1996). Им, кроме традиционных гидравлических критериев (обычно использующихся чисел Рейнольдса и Фруда) предложен критерий подобия взаимодействия потока и русла. З.Д. Копалиани и другие учёные разрабатывают методы моделирования с применением заменителей частиц донных наносов. Из последних монографий можно привести обобщающих работу Н.С. Знаменской (1992) [18].

Математическое моделирование русловых процессов.

Многие исследователи русловых процессов склоняются к мысли, что русловедение ещё не достигло той стадии развития русловых процессов, когда можно создавать математические модели. «Задаваться вопросом, по какому пути пойдёт математизация русловых процессов, преждевременно» (Великанов М.А., [10, с. 484]). Установление количественных закономерностей этих характеристик… представляет сложную задачу, успешное решение которой может быть найдено только на основе достаточно строгого аналитического описания общего процесса руслоформирования. Однако в ближайшее время едва ли можно ожидать законченных решений в разработке общей теории руслоформирования. Н.Б. Барышников и И.В. Попов (1988) отмечают, что «саморегулирование системы поток – русло, учитывающее очень большое количество как главных, так и второстепенных факторов, осуществляется по сложным, пока ещё неизученным законам, выяснение которых позволит разработать математическую модель такой системы».

С этим стоит согласиться, так как русловедение находится на таком этапе своего развития, когда имеется много противоречивых объяснений развития русла и существования различных видов русел, и среди них нет приемлемой гипотезы.

Нет общепринятых закономерностей развития русел и изменения их типов (Знаменская Н.С. [17]). Существование, например, около 30 гипотез причин существования меандрирования рек только ухудшает ситуацию и показывает глубину тупика, в который попала наука.

В то же время активно развиваются гидродинамические математические модели, которые являются моделями не русловых процессов, а течения воды в реке. Существуют многочисленные попытки распространения этого подхода на расчёты деформаций русла. Эти модели являются моделями на уровне «дно–струя», и поэтому их применение для расчётов деформаций реки не правомерно.

Расчёту гидравлических характеристик потока на основе математических моделей посвящено много исследований (Васильев О.Ф. и др., 1963, 1970; Лятхер В.М., 1981). Подробную классификацию методов гидравлических расчётов в естественном русле дал М.С. Грушевский. Методам и особенностям гидравлических расчётов в естественном русле посвящены труды большого числа исследователей: Н.Б. Барышников, О.Ф. Васильев, С.К. Годунов, М.С. Грушевский, Г.В. Железняков, Б.Л. Историк, Г.П. Калинин, В.А. Федосеев, Д.В. Штеренлихт и др. Наибольшее распространение в практике водно-транспортных расчётов получили модели И.А. Шеренкова (1978), В.М. Селезнева и В.В. Фильчакова (1978, 1984) и их модификации.

Расчётно-аналитические модели предлагали Н.Е. Кондратьев (2000), Н.Р. Грачев (1983, 1985, 1987), В.И. Замышляев (1983, Замышляев и др., 1988), А.М. Алабян (1991), М.И. Гендельман (2002) и др. В работах Н.Р. Грачева предлагаются аналитические модели плановых деформаций излучин. В результате исследования геометрических и динамических свойств полученного решения удаётся теоретическим путём установить ряд морфометрических зависимостей, которые ранее не были известны, либо получались эмпирически (Замышляев В.И. и др., 1986, с. 26).

 

11. Этапы развития научных представлений в русловедении.

На основе фактического развития русловедения и в некоторой связи подхода Ю.С. Мурашковского выделены этапы развития научных представлений в русловедении (табл. 1) [38].

Таблица 1 – Этапы развития научных представлений в русловедении

Ориентировочный период, годы
Наименование этапа
(метод исследований)
Основные цели исследования
1930-1960
Морфометрические формулы и графики без деления по типам русловых процессов. Поиск универсальной формулы, описывающей все реки
1950-1975
Типизации русловых процессов. Выявление разных форм речных русел
1970-2000
Морфометрические формулы и графики с разделением по типам русловых процессов. Поиск связей между параметрами русла в разных типах русел
с 1980
Однофакторные классификации русловых процессов. Поиск генетических последовательностей типов русел
с 2000
Двухфакторные классификации русловых процессов. Учёт разных факторов в формировании типов русел
с 2020 (?)
Многофакторные эволюционные модели. Учёт изменений совокупности факторов в формировании и изменении типов русел

Перечисленные этапы не сменяют друг друга во временной последовательности, они накладываются друг на друга, т.к. и в настоящее время почти все сосуществуют одновременно (табл. 1, рис. 1). Первые этапы находятся в стадии «затухания»; наиболее разрабатываются морфометрические формулы и графики с делением по типам русловых процессов и одномерные классификации; на смену им приходят двухфакторные классификации; многофакторные эволюционные модели ещё не существуют, но разработки Ю.С. Мурашковского позволяют их прогнозировать, и осознанно к ним переходить, а устаревающие методы отбрасывать.

Рис. 1. Этапы развития научных представлений в русловедении.

1 – Морфометрические формулы и графики без деления по типам русловых процессов.

2 – Типизации русловых процессов.

3 – Морфометрические формулы и графики с разделением по типам русловых процессов.

4 – Однофакторные классификации русловых процессов.

5 – Двухфакторные классификации русловых процессов.

6 – Многофакторные эволюционные модели.

На рисунке 1 заметный подъём кривой, отражающей степень развития каждого этапа, приурочен к году выхода первой значимой работы, в которой использован соответствующий метод исследований русловых процессов. Поэтому наименование этапа соответствует основному методу исследования. Степень развития растёт до максимума (в период наиболее активного использования соответствующего метода), а затем уменьшается практически до нуля.

Методы и соответствующие этапы существуют одновременно (рис. 1), и нельзя сказать, что разработки даже по первому этапу прекращены: ещё сейчас можно встретить необоснованные морфометрические формулы (например, что причиной формы русла в плане является относительная ширина русла [9, 22]; или определение коэффициента Шези без деления по типам русловых процессов [14]).

На каждой стадии развития научных представлений (рис. 1) выдвигались свои гипотезы руслоформирования, и разрабатывались новые методы прогноза русловых деформаций. И каждый раз при этом (как представлялось разработчикам каждой гипотезы) поставленная цель была достигнута. Даже в рамках первых необоснованных формул (рис. 1, этап 1) было разработано несколько методов прогноза русловых деформаций (например, режимная теория Г. Ласея [54]).

 

12. Перспективы развития русловедения как научной дисциплины.

Исходя из разработок Ю. С. Мурашковского [38] и анализа развития русловедения, ясно, что перспектива заключается в разработке многокритериальных классификаций.

После создания набора многофакторных классификаций появится обоснование для построения всеобъемлющей концепции руслоформирования на качественной, а затем и количественной основе.

Перспективно введение в русловедение методов статистики, то есть, переход от динамических представлений к стохастическим.

Интересно, что из истории русловедения этого не следует, так как такие методы до сих пор не используются. Предположить перспективность использования статистических методов можно сделать по аналогии с развитием других отраслей науки, где эти методы активно используются, например, при расчёте другого основного фактора, используемого при расчёте водопропускных отверстий на лесных дорогах, – речного стока.

В связи с тем, что такие многофакторные классификации, учитывающие совместное влияние нескольких факторов и охватывающие широкое поле типов русловых процессов, в настоящее время отсутствуют, сейчас преждевременно вводить в русловедение математические модели русловых деформаций. Пока они могут описывать лишь формирование гидродинамических подсистем, но не способны давать полноценный прогноз на системном уровне «поток–русло».

 

13. Заключение

Сначала сделан краткий анализ русловедения как научной дисциплины, затем рассмотрено развития русловедения как научной дисциплины.

Ретроспективный анализ русловедения позволил выделить характерные этапы развития науки, выстроить их в логичную цепочку с выделением характерных этапов развития русловедения:
Режимная теория – попытка поиска идеального русла.

Морфометрические формулы и графики без деления по типам русловых процессов.

Типизации русловых процессов.

Морфометрические формулы и графики с разделением по типам русловых процессов.

Однофакторные и двухфакторные классификации русловых процессов.

Моделирование русловых процессов.
Выполненный анализ позволил наметить актуальные пути развития русловедения на ближайшую перспективу. Выяснено, что перспективно введение в русловедение методов статистики, то есть, переход от динамических представлений к стохастическим.


Библиографический список
  1. Алабян А.М. Динамика потока и русла равнинных рек, разветвлённых на рукава: Автореф. дис. … канд. геогр. наук. – М., 1991.
  2. Андреев О.В., Ярославцев И. А. Вопросы учета руслового процесса при проектировании мостовых переходов. – М.: Трансжелдориздат, 1953.
  3. Антроповский В.И. Гидролого-морфологические закономерности и фоновые прогнозы переформирования русел рек. — СПб.: Крисмас+, 2006. — 216 с.
  4. Антроповский В.И. Критериальные зависимости типов руслового процесса // Труды ГГИ. – 1972. – Вып. 190.
  5. Барановская З.Н. О генетических типах речных стариц // Землеведение. – 1937. – Т. 39, вып. 2.
  6. Беркович К.М., Чалов Р. С., Чернов А. В. Экологическое русловедение. – М.: ГЕОС, 2000.
  7. Бисвас А.К. Человек и вода: из истории гидрологии Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 288 с.
  8. Болдаков Е.В., Андреев О. В. Переходы через водотоки. – М.: Изд-во НТИ Автотранспортной лит-ры, 1956.
  9. Бутаков А.Н. Закономерности развития русловых мезоформ и устьевых баров: Автореф. дис. … докт. техн. наук. – Л., 1988.
  10. 10.Великанов М.А. Гидрология суши. – Л.: Гидрометеоиздат, 1948.
  11. Виноградов А.Ю. Современные проблемы инженерно-гидрологических изысканий при проектировании лесных дорог. — СПб.: Издательство СПбГЛТУ, 2012.
  12. ВСН 163-83. Учёт деформаций речных русел и берегов водоёмов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов). — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 144 с.
  13. Глушков В.Г. Морфология речного русла // Труды I Всеросс. гидрол. съезда. Л., 1925.
  14. Гришанин К.В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
  15. Замышляев В.И. Математическая модель плановых переформирований речного русла // Труды ГГИ. – 1983. – Вып. 288.
  16. Замышляев В.И., Снищенко Б.Ф. Меандрирование русел рек. – Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1986.
  17. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1992.
  18. Знаменская Н.С. Донные наносы и русловые процессы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
  19. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
  20. Карасев М.С., Гарцман Б.И. Прогноз антропогенной динамики русловых процессов малых и средних рек Приморского края в условиях хозяйственного освоения их долин.  Владивосток: Дальнаука, 2002.
  21. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
  22. Католиков В.М. Экспериментальные исследования побочневого типа руслового процесса: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – СПб., 2000.
  23. Кондратьев А.Н. Объединение альтернативных гипотез на формирование русел // Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей. V конференция. – М., 1999.
  24. Кондратьев А.Н. Приёмы решения научных задач в русловедении / Географические идеи и концепции как инструмент познания окружающего мира. Иркутск, Изд-во ИГ СО РАН, 2001, с. 14-15.
  25. Кондратьев Н.Е. Дискретность русловых процессов // Труды ГГИ. – 1978. – Вып. 252.
  26. Кондратьев Н.Е. Русловые деформации в меандрирующих реках // Труды ГГИ. –  1954. – Вып. 44(98).
  27. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
  28. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Теория и методы расчета русловых процессов // Генеральные доклады IV Всесоюз. гидрол. съезда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
  29. Коновалов И.М., Баланин В.В. О теории формирования речных русел // Труды III Всесоюз. гидрол. съезда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1960. – Т. V.
  30. Куколевский Г.А. Гидравлико-вероятностные характеристики русловых процессов // Труды V Всесоюз. гидрол. съезда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – Том 10, кн. 1.
  31. Лапшенков В.С. Русловая гидротехника. – Новочеркасск: Изд-во НГМА, 1999.
  32. Лелявский С.Н. Введение в речную гидравлику. – Л.: Гидрометеоиздат, 1961.
  33. Лосиевский А.И. Лабораторные исследования процессов образования перекатов. – М.: Речиздат, 1934.
  34. Ляпин А.Н. О возникновении извилистости русел // Труды ГГИ. – 1956. – Вып. 56(110).
  35. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в её бассейне. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.
  36. Маккавеев Н.И., Чалов Р. С. Русловые процессы. – М.: Изд-во МГУ, 1986.
  37. Матвеев Б.В. Морфология и геолого-геоморфологические факторы развития врезанных и свободных излучин: Автореф. дис. … канд. геогр. наук. – М., 1985.
  38. Мурашковский Ю.С. Стадии развития научных представлений // Научно-практическая конференция по теории решения изобретательских задач. – Новгород, 2001.
  39. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. – Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
  40. Пособие к СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы». ПМП-91. — М.: Минтрансстроя СССР, 1992.
  41. Ржаницын Н.А. Закономерности строения речной сети. – Л.: Гидрометеоиздат, 1960.
  42. Ромашин В.В. Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами // Труды ГГИ. – 1968. – Вып. 155.
  43. Россинский К.И., Кузьмин И.А. Некоторые вопросы прикладной теории формирования речных русел // Проблемы регулирования речного стока – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947. – Вып. 1.
  44. Русловой процесс / Кондратьев Н. Е., Ляпин А. Н., Попов И. В. и др. – Л.: Гидрометеоиздат, 1959.
  45. Салминен Э.О. Сухопутный транспорт леса: учеб. пособие для вузов. СПб.: Издательский центр «Академия», 2009. 128 с.
  46. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. — М.: Минстрой России, 1997. — 44 с.
  47. Снищенко Б.Ф. Связь типов русел с формами речных долин // Геоморфология. – 1979. – № 1.
  48. Федоров Н.Н. Экспериментальные исследования процессов меандрирования // Труды ГГИ. – 1954. – Вып. 44(98).
  49. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. – М.: МГУ, 1979.
  50. Чалов Р.С. Общее и географическое русловедение. – М.: Изд-во МГУ, 1997.
  51. Чалов Р.С. Типы русловых процессов и принципы морфодинамической классификации речных русел // Геоморфология. – 1996. – № 1.
  52. Чалов Р.С., Завадский А. С., Панин А. В. Речные излучины. – М.: Изд-во МГУ, 2004.
  53. Чалов Р.С., Лю Шугуан, Алексеевский Н. И. Сток наносов и русловые процессы на больших реках России и Китая (Северная Двина, Обь, Лена, Хуанхэ, Янцзы). – М.: Изд-во МГУ, 2000.
  54. Lacey G. Stable channel in alluvium // Min. Proc. Inst. Civ. Eng. – 1930. – Vol. 229.
  55. Leopold L. B., Wolman M. G. River channel pattern: braided, meandering and straight // Physiographic and hydraulic studies of rivers. USA Geological Survey Professional Paper. – 1957.
  56. Van den Berg J. H. Prediction of alluvial channel pattern of perennial rivers // Geomorphology. – 1995. – № 12.
  57. Yang C. T. On river meanders // J. Hydr. – 1971. – Vol. 13, № 3.


Все статьи автора «Кондратьев Александр Николаевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: