Энергетический баланс речных потоков: перенос наносов, эрозия берегов и динамика русел

Рассеивание энергии и перенос наносов. Большая часть энергии в потоке рассеивается за счёт турбулентного течения, однако незначительная доля используется для эрозии и переноса осадочного материала вниз по течению. Механизмы, с помощью которых материал разрушается и транспортируется, в решающей степени зависят от энергетического баланса потока, оказывая влияние на широкий спектр размеров частиц — от растворённых ионов и антропогенных загрязнителей до массивных валунов, мобилизующихся только во время экстремальных паводков. Наносы состоят из крупных частиц, которые мигрируют вдоль русла или вблизи него, перемещаясь медленнее, чем течение, в результате качения, скольжения или подпрыгивания. Особым режимом движения наносов является сальтация, характеризующаяся короткими прерывистыми скачками, когда течение на мгновение поднимает частицы, прежде чем они осядут обратно на дно. Донная нагрузка обычно составляет от 5 до 50 % от общего количества наносов в потоке, причём эта доля значительно возрастает во время паводков с высоким расходом воды.

Напротив, взвешенная нагрузка состоит из мелкозернистых частиц — в основном ила и глины, — которые остаются во взвешенном состоянии, часто придавая воде мутный вид. Данные частицы движутся со скоростью, почти равной или немного меньшей скорости течения, и обычно составляют от 50 до 90 % от общего количества наносов. Растворённый материал включает химические растворённые вещества, такие как бикарбонат, кальций, сульфат, хлорид, натрий, магний и калий, концентрации которых обычно повышены в водотоках, питаемых системами подземных вод. Антропогенные загрязняющие вещества, включая сельскохозяйственные удобрения, пестициды и промышленные химикаты, также переносятся преимущественно в растворённом виде, что влияет на качество воды.

Компетентность, пропускная способность и контроль нагрузки наносов. Большинство крупных частиц в руслах рек остаются неподвижными в течение длительного времени, перемещаясь лишь на небольшие расстояния в периоды высокой скорости течения и повышенного расхода. Процесс уноса определяет отрыв частиц от дна и берегов в зависимости от баланса между эрозионной силой потока и сопротивлением наносов. Потоки значительно различаются по размерам и объёмам материала, который они могут унести; под компетентностью понимается максимальный размер частиц (обычно выражаемый в диаметре), которые поток может переносить при определённых гидравлических условиях, тогда как пропускная способность означает общую нагрузку наносов (объём в единицу времени), которую может транспортировать поток. На величину нагрузки наносов влияют множество факторов. Климатические режимы, промежуточные между засушливыми пустынями и влажными лугами, как правило, приводят к самым высоким темпам эрозии. Топографический рельеф способствует обилию детрита, в то время как литологическая подверженность эрозии дополнительно влияет на поступление отложений.

Деятельность человека, включая сельское хозяйство, вырубку лесов и урбанизацию, существенно изменяет темпы эрозии и динамику речного транспорта. Вырубка лесов и ведение сельского хозяйства ускоряют эрозию, увеличивая приток наносов в каналы, тогда как урбанизация уменьшает инфильтрацию и сокращает промежуток времени между выпадением осадков и наводнениями, что имеет сложные последствия для распределения наносов.

Эрозия и отложения по берегам ручьёв. Процесс уноса непосредственно влияет на эрозию берегов и русла, тем самым определяя состав наносов, которые несёт поток. Боковая эрозия берегов ручьёв является фундаментальным механизмом, который оказывает сильное влияние на морфологию русла и эволюцию поймы. Эрозия береговой линии является результатом сочетания процессов: выветривания материалов берега, массового перемещения (обрушения), в результате которого осадочные породы попадают в канал, и последующего гидравлического уноса разрыхлённых частиц. Выветривание ослабляет отложения на берегах — как правило, рыхлый аллювий, — делая их склонными к массовому движению. Влажность почвы играет решающую роль, поскольку повышенное содержание воды во время осадков или наводнений уменьшает внутреннее трение, что объясняет, почему обрушения берегов часто совпадают с интенсивным стоком. В регионах, подверженных циклам замораживания-оттаивания, иней, скапливающийся вдоль трещин, ещё больше дестабилизирует берега, вытесняя глыбы наносов в поток.

Там, где пойменные отложения содержат перемежающиеся слои песка, гравия и ила, грунтовые воды могут течь преимущественно по более грубым горизонтам, просачиваясь на берег реки. Данный подземный поток может переносить мелкие отложения в русло в результате процесса, известного как суффозия (проседание), создавая нависающие берега, которые предрасположены к обрушению. Кроме того, вода, мигрирующая по этим слоям, может снизить силу трения вдоль плоскостей залегания, способствуя плоскостным оползням — общепризнанному механизму массового перемещения вдоль крупных рек, таких как Миссисипи. Обрушения берегов проявляются в различных формах, включая оползни, обвалы и массовое обрушение крупных плит, особенно в тех случаях, когда поток подмывает берега. Характер обрушения определяется такими факторами, как расслоение отложений и давление порового флюида.

Как только обрушившийся материал попадает в русло, течение увлекает более мелкие частицы и мобилизует более крупный обломочный материал в качестве донной нагрузки, постепенно удаляя разрушенный материал и подготавливая берег к последующему разрушению. Этот повторяющийся процесс приводит к устойчивой боковой миграции рек через их поймы. Наносы, уносимые с берегов, в конечном итоге оседают вниз по течению, где место осаждения зависит от местных условий течения и характеристик частиц (размер, форма и плотность). Мелкие взвешенные частицы могут попадать в океаны или водохранилища, тогда как более крупные частицы, оседающие на дне, перемещаются перекатыванием, подпрыгиванием или скольжением.

Скорость и режим течения — ламинарный или турбулентный — могут значительно различаться на коротких расстояниях, создавая динамическую мозаику эрозии и отложений. Как правило, эрозия вдоль внешнего (подрезаемого) берега совпадает с отложениями на внутренней (прирусловой) отмели в изгибе меандра, что позволяет руслу постепенно смещаться по пойме. Данное боковое колебание поддерживает естественное равновесие, уравновешивая перенос наносов с миграцией русла. Когда боковое движение ограничено — скальными стенками долины или инженерными дамбами, — поток должен регулироваться вертикально. Реки могут врезаться (углубляться) через аллювий или коренные породы в ответ на тектоническое поднятие или понижение базового уровня, либо они могут аккумулировать (поднимать своё русло) в результате накопления наносов. Аккумуляция становится заметной, когда поток несёт большую донную нагрузку, но не может перемещаться в боковом направлении; ограниченные берега заставляют избыточные наносы скапливаться вдоль русла, что приводит к неестественному подъёму уровня русла и увеличению риска наводнений.

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.