ГЕОГІДРОМОРФОЛОГІЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ САМОФОРМУВАННЯ РУСЕЛ У РІЗНИХ ПРИРОДНИХ УМОВАХ

Краткое содержание

принципово важливих для даного дослідження методологічних та методичних питань, а також огляду регіональних досліджень.

Основними методологічними установками в руслових дослідженнях вже давно стали  синтез і створення загальних схем розвитку та функціонування об’єкта-системи. Це передбачає значний рівень абстрагування, пошук найбільш загальних уявлень, інваріантних закономірностей. Методологічно важливим принципом є вивчення генезису та еволюцій систем потік-русло (СПР). Еволюційні, синергетичні, системні погляди це також важливий напрямок розвитку класифікування. При цьому виникає (застосовується) нове розуміння причинності, ієрархії діючих факторів.

Важливим етапом у створенні загальних уяв про взаємо­дію потоку та русла і функціонування відповідної системи були праці М.А.Веліканова, його відомі постулати. Надалі провідну роль відіграють школи Державного гідрологічного інституту та Московського державного університету.

Підходи запропоновані М.Є. Кондратьєвим значною мірою випередили широкий розвиток системних досліджень. Важливими складовими гідроморфологічної теорії є постулати, типізація та гідроморфологічний аналіз. У центр типізації покладені найбільш самоорганізовані, впорядковані типи русел – прямолінійні.  Вони взаємновідповідні з певними критичними поздовжніми похилами річок. Всі інші випадки поділяються на дві різні групи. При перенавантаженні річок наносами вони не досягають активного похилу, виникає  його „недостача”, а в  інших випадках „надлишок” похилу компенсується розвитком звивистості. Прямолінійні русла пов’язані з активним рухом мезоформ. З часом М.Є. Кондратьєв висловив думку про те, що основна логіка руслоформування пов’язана саме з мезоформами.

Такого роду логіку досліджень розвивала Н.С.Знаменська. Вивчення донних гряд привело її до висновку про їхню відповідність і взаємозв’язок з річковими струменями. Зокрема для утворення мезоформ необхідний цілісний одноструменевий потік. Періоди активізації та успадкування мезоформ є основними періодами руслоформування. У цей час відбувається дискретне, стрибкоподібне збільшення (подвоєння) кроків та ширин, а також успадкування та утворення вторинних грядових форм. Н.С.Знаменською, спільно з автором, було розпочато аналіз генеральних залежностей параметрів мезоформ від руслоформуюючих витрат води, які охопили різноманітні природні і лабораторні умови. Режимні еволюції були названі нею єдиними закономірностями руслоформування.

Досягнення школи руслознавців Московського державного університету пов’язані з працями М.І.Маккавєєва, Р.С.Чалова та їхніх учнів. На основі широкого, комплексного географічного підходу ними створені уявлення про єдині закономірності ерозійно-акумулятивних процесів в басейнах річок, закони руслоформування з врахуванням різноманітних природних чинників і руслознавство в цілому, як систему наукових дисциплін. Вскриті важливі закономірності самоорганізації в системі потік-русло, що проявляються в характерних рисах морфодинаміки, морфогенезу; значно розвинуто зміст і застосування гідролого-морфологічного аналізу. Важливим є сам метод географічних узагальнень, оскільки закономірності самоорганізації русел не тільки фізичні, але й географічні. На основі цього Р.С.Чаловим розроблена детальна і глибоко обґрунтована класифікаційна система, що охоплює велику різноманітність русел.

Досягнення двох провідних шкіл руслознавства лежать в основі дослідження геогідроморфологічних закономірностей розвитку русел.

 Прикладні дослідження річок Карпато-Подільського регіону України, пов’язані з їхнім практичним використанням, будівництвом інженерних споруд, захистом від наводнень. Вони розпочались ще у середині ХІХ століття. Такий підхід зберігся і надалі у зв’язку з планами комплексного використання водних ресурсів. Від семидесятих-восьмидесятих років ХХ століття вони починають охоплювати все більше коло питань. Основні результати досліджень русел викладені у працях В.А.Базилевича, М.Н.Бухіна, А.Я.Каганова, О.Н.Кафтана, О.Г.Ободов­ського,  В.В.Онищука,  В.Г.Смирнової, Є.С.Цайтца,  В.Г.Явкіна,  автора та інших дослідників. Вивчення заплав, річко­вих систем, поздовжніх профілів та особливостей русел і гідросітки пов’язане з роботами К.І.Геренчука, В.П.Палієнко, В.І.Левицького, І.П.Ковальчука, Г.І.Денисика, Б.В.Кіндюка, інших геоморфологів, гідрологів та фізико-географів.

Другий розділ „Геоструменеве руслоформування” при­свя­чений аналізу сутності проблем дослідження самоорганізації системи потік – русло, виділенню найважливіших напрямків таких досліджень і синтезу нових уявлень про інваріантні закономірності самоформування русел, пов’язані із процесами одного роду. Поряд з існуваням ідей про єдину сутність русло­вих процесів та обмежену кількість їхніх морфологічних проявів немає достатньої єдності в розумінні самоорганізаційних про­цесів в системі потік-русло. Аналіз різних аспектів досліджень та фактичного матеріалу показує, що найбільш важливим та загальним процесом є утворення цілісного активного потоку – струменя та основних (домінантних) його форм. Вони характеризуються як мезоформи. Між їхніми кроками і активними витратами води існує прямий зв’язок. Межі активного руслоформування описують співвідношення L=5·Q^2/3  та  L= 10·Q^2/3. Цей зв’язок охоплює дані від лабораторних умов до найбільших річок світу. Проведено також порівняння даних про кроки меандр річок з генеральною залежністю. Виявилось, що вони у багатьох випадках менші ніж кроки активних мезоформ, вторинні. Це пов’язано зі зменшенням активності, зміною умов розвитку річкових струменів. Порівняння з активними, найбільш впорядкованими процесами це спосіб (принцип) досліджень.

Важливим напрямком вивчення синтетичних (інваріант­них) властивостей систем потік – русло є створення загальних уявлень про формування ширин русел, а також їх витягнутості, стягнутості. Остання може бути охаракте­ри­зована через відношення кроків до ширин: S = L/B. Нами показано, що існує генеральна залежність B = f(Q;S), яка охоп­лює такий же діапазон даних, як і попередня. Разом вони описують основні планові параметри самоорганізованих русел.

Характер поперечних перетинів  найбільш загально  мож­на описувати за допомогою чисел Глушкова. Вони  залежить не тільки від грунтів ложа потоку, але і, що більш важливо, від характеру процесів руслоформування. Важливо також те, що залежність h~B^1/2 разом залежностями h~Q^1/3 та B~Q^2/3 утворю­ють внутрішньо зв¢язану систему, яка описує нелінійні зв¢язки в СПР і головний масштабний ефект.

Відомо, що у гідроморфологічному відношенні спорід­неним з річками об’єктом-геосистемою виступають струменеві течії.  Вони виникають внаслідок нерівноважних процесів в атмосфері та в океані.  Їх характеризують як відкриті динамічні дисипативні системи зі спонтанною самоорганізацією,а генезис пов¢язують з від¢ємною в¢язкістю. Струменеві течії виділяються зі складно побудованого турбулентного середовища, утворюючи власні розміри, форми (русла). Таке виділення називають інтенсифікацією або активізацією, що пов¢язано з розвитком вузькоструменевості і підвищенням швидкостей поступального руху до певних мінімально необхідних значень. В цілому ж швидкості концентруються у певних діапазонах. Це означає, що процеси концентрації кінетичної енергії (від¢ємна в¢язкість) стають збалансованими з дисипативними процесами у системі (фрикційна в¢язкість). Струменеві течії відрізняються від повільних саме значимістю дисипативних процесів. Концен­трація енергії відбувається вздовж певних ліній (меж), тобто існують первинні умови (обставини), що сприяють розвитку самоорганізаційних процесів. Надалі вони трансформуються разом з системою і приймають певні значення при досягненні нею квазістаціонарних станів. Це особливий вид причинного зв¢язку, дії факторів. До головних факторів розвитку (стану) систем даного роду віднесені: інтенсивність надходження і дисипації енергії (рівень дисипації, енергійність) та обмеження-самообмеження (коротко – обмеження).

Разом з активним струменем розвиваються його домінантні  гідродинамічні форми. В атмосфері це поперечні хвилі, що перетворюються у вихори. В океані меандрування може приводити до утворення  рингів. Таким чином воно сутнісно пов¢язане з первинним активним струменем. Довжина струменів складає десятки характерних ширин. Цим вони відрізняються від звичайних турбулентних струменів, що розсіюються на короткій ділянці. Для того, щоб підкреслити таку різницю і, зважаючи на географічний, геофізичний характер перших, їх запропоновано називати геоструменями. Під ними слід розуміти довгі самоорганізовані турбулентні геофізичні  струмені, які мають власну особливу досить чітко виражену форму – русло  і належать до особливого  роду відкритих динамічних природних дисипативних адаптивних систем. Русло геоструменів (геоструменеве русло) – це достатньо чітко обмежений простір, форма, пов¢язана зі спонтанним морфогенезом. Фактично мова іде про зародження систем потік-русло даного роду.

Існує можливість порівняння швидкостей водних та повітряних струменів. Прирівнюючи кінетичну енергію в одиниці об¢єму отримуємо значення їх співвідношення як зворотню величину до кореня квадратного з відношення густин. Воно складає приблизно 28. Якщо взяти характерні швидкості для океану та річок 1,5-2,5 м/с, то для атмосфери отримаємо  42-70 м/с, що відповідає дійсності. Разом з тим відкривається можливість порівняти витрати течій. Такі дані нанесені на графіки L=f(Q) та B=f(Q;S) (рис.1 та 2). Відхилення пов’язані з особливостями формування поперечних перетинів потоків в різних середовищах. Оптимальні числа Глушкова для річок складають 2-3 (а при меандруванні часто 1,5-2), для Гольфстріму приблизно 0,35-0,4, а для течій атмосфери біля 0,15. Таким чином останні „перезаглиблені” відносно річок і відносно інваріантних планових розмірів (ширин). Відповідне зменшення (приведення) їх витрат показало, що вони повінстю відповідають генеральним залежностям (рис.1 та 2). Це показує також, що дані залежності зберігаються у різноманітних природних та лабораторних умовах і є позамасштабними.