Реки как геологические агенты: гидравлическая геометрия, режимы течения и базовый уровень

Реки служат основными геологическими факторами, формирующими наземные ландшафты, перемещая обломки материков по крупицам к океанским бассейнам. Термин «речной» (флювиальный) относится к отложениям, формам рельефа и процессам, связанным с течением воды в ручьях и реках. Данные системы функционируют как медленно действующие эрозионные силы, которые разрушают горные хребты, одновременно заполняя долины аллювием, и выступают в качестве важнейших коридоров для миграции людей, водных экосистем, переноса наносов и перемещения растворённых химических элементов. Речные системы выходят за пределы своих основных русел, образуя сложные взаимосвязанные сети с прилегающими поймами и дельтами рек, и находятся под влиянием гидрологических процессов, происходящих по всему водосборному бассейну. Являясь неотъемлемым компонентом гидрологического цикла, реки доставляют пресную воду в наземные местообитания, поддерживая жизнь даже в засушливых регионах.

О стратегической важности рек свидетельствует тот факт, что большинство населённых пунктов по всему миру расположены вдоль их берегов, что обеспечивает питьевую воду, орошение сельскохозяйственных угодий и транспортные пути. На протяжении всей истории реки одновременно способствовали развитию цивилизации, предоставляя ресурсы, и представляли значительную опасность в виде катастрофических наводнений, демонстрируя свою двойную роль как благодетелей, так и источников стихийных бедствий.

Геометрия речных систем. Речные системы, включающие потоки различной величины, по своей природе динамичны и саморегулируются, поддерживая постоянное равновесие между движущими силами и силами сопротивления. Способность потока разрушать и переносить осадочный материал определяется балансом между кинетической энергией текущей воды и энергией, рассеиваемой за счёт сопротивления трения. С увеличением скорости воды сопротивление, создаваемое границами канала, крупными осадочными частицами и взвешенными веществами, соответственно возрастает. Следовательно, гидравлическая геометрия водотока — в частности, профиль его скорости и форма поперечного сечения — представляет собой условие равновесия между энергией, приводящей в движение поток, и энергией, потребляемой различными формами гидравлического сопротивления.

Режимы течения в русловых каналах в широком смысле подразделяются на два основных типа: ламинарное течение и турбулентное течение. При ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным, непересекающимся траекториям, что приводит к минимальной эрозионной способности; сопротивление определяется внутренним молекулярным трением, которое линейно зависит от скорости потока. В таких ламинарных системах сопротивление трению постепенно возрастает от поверхности воды вниз к границе раздела русла реки. И наоборот, турбулентный поток характеризуется хаотичным трёхмерным перемещением частиц воды с непрерывным перемешиванием в соседних зонах, часто приводящим к появлению локализованных вращательных элементов, известных как вихри, которые движутся в боковом направлении или вверх по течению. Данные завихрения существенно увеличивают сопротивление потоку, которое в турбулентных системах пропорционально квадрату скорости потока. Турбулентность наиболее выражена по краям канала, где фрикционное взаимодействие с материалом дна и поверхностями бортов снижает локальные скорости.

Потоки в основном определяются своими руслами, которые представляют собой вытянутые топографические впадины, ограничивающие и направляющие поток воды. Границы этих каналов обозначены различными типами берегов, включая низкопрофильные выступы, крутые эрозионные обрывы и иногда разрушенные обрывистые поверхности, которые отделяют активное русло от более широкой поймы. Геометрия плановой формы и морфология поперечного сечения русла реки отражают преобладающее равновесие между гидравлическими движущими силами и силами сопротивления в конкретных экологических и геологических условиях её течения. Поймы представляют собой геоморфологические объекты, образованные потоками в результате эпизодической эрозии и отложения наносов во время сильных стоков, функционируя в качестве активного дна каналов во время крупных наводнений. Хотя поймы могут оставаться незатопленными в субаэральных условиях в течение длительного времени, они представляют собой неотъемлемый компонент речной системы, и потоки неизбежно будут вновь занимать эти поверхности во время наводнений, создавая долгосрочную опасность для сообществ, которые развились в данных зонах.

Водотоковые каналы по своей сути являются самонастраивающимися системами, постоянно изменяющими свои размеры и морфологию в соответствии с колебаниями расхода воды. Расход, определяемый как объёмный расход воды, проходящей через определённое поперечное сечение в единицу времени, является основным гидравлическим параметром, который может увеличиваться в два, три, десять и более раз во время наводнений по сравнению с базовыми условиями стока. Когда сток превышает пропускную способность канала, происходит выход из берегов, затопление прилегающей поймы и потенциальное воздействие на инфраструктуру и сельскохозяйственные угодья. Геометрия поперечного сечения ручья меняется с течением времени в ответ на изменение величины потока и демонстрирует систематические продольные колебания от верховьев к нижнему течению из-за изменения уклона и суммарного объёма воды. В верхнем течении небольшие ручьи часто имеют отношение ширины к глубине, близкое к единице, тогда как более крупные реки в нижнем течении обладают значительно большей шириной по сравнению с их глубинами.

Градиент, или уклон потока, количественно определяет изменение высоты по вертикали на единицу расстояния по горизонтали и обычно имеет тенденцию к уменьшению в направлении вниз по течению. Несмотря на это уменьшение уклона, одновременно происходит несколько систематических изменений ниже по течению: расход увеличивается, что приводит к пропорциональному возрастанию как ширины, так и глубины канала, в то время как скорость потока парадоксальным образом увеличивается, несмотря на уменьшение уклона. Данное явление, наблюдаемое на крупных реках, таких как Миссисипи близ Нового Орлеана или Нил у Каира, объясняется двумя основными факторами. Во-первых, в верхнем течении имеются многочисленные препятствия для потока, и они испытывают большее сопротивление трения по сравнению с объёмом воды, что снижает скорость. Во-вторых, постепенное увеличение стока из притоков в нижнем течении требует более высоких скоростей потока для эффективного перемещения скопившейся массы воды по системе каналов.

Понятие базового уровня определяет теоретический нижний предел, ниже которого поток не может разрушать своё русло. Уровень моря является конечным базовым уровнем для речных систем; однако местные базовые уровни могут устанавливаться озёрами, водохранилищами или другими водными резервуарами, которые временно или постоянно контролируют локальные пороги эрозии. Данные элементы контроля базового уровня оказывают фундаментальное влияние на формирование продольного профиля, динамику переноса наносов и долгосрочную геоморфологическую эволюцию речных ландшафтов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.