«Легче познать движение светил небесных, чем законы движения маленького ручейка».
Эти слова принадлежат Галилео Галилею. Почему реки не текут прямо? На этот простой вопрос, который можно отнести к «детским», ответ достаточно сложен и не однозначен. Попробуем разобраться в этом с помощью кандидата географических наук Марка Софера. Исследование на эту тему было опубликовано в десятом номере журнала «Наука и жизнь» в 2017 году.
Течение природных и искусственных потоков
Природная река – это совсем не то, что поток воды, текущий по каналу или трубе. Общее у них только одно – вода. Но движется она по-разному.
Во всех искусственных сооружениях преобладает ламинарное течение, основанное на параллельном движении водяных струй при постоянном направлении. А вот течение реки – это турбулентное течение. Оно характеризуется беспорядочностью, изменениями скоростей по величине и направлению.
Вода и русло настолько сильно взаимосвязаны, что явно прослеживается как воздействие потока на русло, так и управление русла потоком. Так, рельеф русла изменяет скоростной режим реки, например, на равнинных участках русло распластывается и поток снижает скорость, при сужении берегов – наоборот. Под влиянием же размывающей деятельности водного потока при его высокой скорости меняется форма самого русла.
Прямолинейное движение – самое неустойчивое
И все же при всей изменчивости поток, находясь в постоянном взаимодействии с руслом, стремится к наиболее устойчивой форме течения. Именно такой характер течения требует наименьших затрат энергии на преодоление сопротивления при движении воды в русле.
Как только поток начинает двигаться упорядоченно, кинетическая энергия частично рассеивается, то есть переходит в энергию неупорядоченных процессов руслового потока. Выходит, что прямолинейное движение – самое неустойчивое!
Любое незначительное препятствие (торчащий камень, бревно, застрявшая в ледоход льдина) тормозит поток, и он начинает искать путь с меньшим сопротивлением. Возникают боковые течения, а размыв берегов усиливается.
Далее поток снова приступает к выравниванию свое транспортирующей способности по длине русла. Делает он это путем эрозии речного дна или, напротив, образования дополнительных отложений. Постепенно река опять принимает ту форму, при которой тратится минимум энергии.
В чем причина «беспокойства» рек?
Долина природной реки никогда не будет иметь прямолинейных очертаний, так как прочность подстилающих пород различна. Справедливости ради, следует отметить, что небольшие участки, где река течет как бы прямо, иногда встречаются. Правда, это бывает очень редко, и идеальной прямолинейности там все равно нет. Недаром извилистую дорогу автомобилисты сравнивают с петляющей рекой.
Почему же наблюдается такое «беспокойств» рек? Причин для этого несколько: часто меняющийся водный режим и обусловленный этим речной уклон, составляющие силы тяжести, гидродинамические силы водного потока, геологическое строение речной долины.
Последнее обстоятельство оказывает очень существенное влияние на движение рек. В размываемых грунтах речное русло постоянно меняет свои очертания. В одних местах берега и дно размываются, в других, где скорость уменьшается, наращиваются. Так образуются мелководные участки – плесы, изгибы береговой линии. Между излучинами, меняющими направление, образуются переходные прямолинейные участки.
Если встречаются прочные, трудно размываемые породы, поток не выбирает своего направления, он движется в пределах рельефа, который почти постоянен. Примером может служить знаменитая Самарская излучина на Волге.
На отрезке от Жигулевска до Сызрани напрямую всего 50 км, путь по воде в пять раз длиннее. Жигулевский утес упорно противостоит мощному течению Волги, миллиарды кубометров воды вынуждены искать обходной путь.
Масштабно выглядят на гидрографической карте развороты реки Мезени. Мезень начинается в районе высшей точки Тиманского кряжа, далее на протяжении 160 км уверенно движется на юг, а затем неожиданно круто поворачивает на запад, пробегает 25-30 км, а у города Кослан не менее решительно поворачивает к северу. Через 200 км Мезень возвращается к началу своей гигантской петли. Очевидно, что река делает это, подчиняясь прочному рельефу Тиманского кряжа.
Не менее грандиозно выглядит известная сибирякам излучина Ангары севернее Братска, между порогами Долгим и Шаманским. Скала, повернувшая течение Ангары круто влево, испытывает невероятный по мощи напор – ежесекундно у ее основания перекатывается около 3000 м³ воды, но форма ее не меняется на протяжении столетий.
Чем прочнее береговой материал, тем крепче он держит водный поток, тем круче и неожиданней реки делают повороты. В этих условиях не река формирует свои берега, а форма долины определяет очертания русла.
Если же водные потоки протекают в достаточно мягких грунтах, то они формируют русло совершенно беспорядочно. Русло меняет свое расположение и очертание не только ежегодно, но и ежесезонно. Происходит активный размыв берегов, перемещение частиц рельефных пород и отложение наносов.
Постоянный и интенсивный размыв вогнутого берега в нижней части речной излучины и отложение наносов у выпуклого берега ведет к общему смещению русла вниз по течению. В целом переформирование русла – процесс очень сложный и еще недостаточно изученный.
Слова Галилея, послужившие эпиграфом к статье, актуальны и в наши дни. Действительно, при всем развитии науки и техники очень сложно предсказать, куда будут направлены размывающие силы потока – в глубь русла или в сторону берегов.
Что такое меандрирование?
Если регулярные излучины ярко выражены и носят «классический» характер, то процесс их образования называется меандрированием. Этот термин произошел от названия реки Меандр, отличающейся удивительно правильным чередованием изгибов русла. Красивое греческое название характеризует все подобные процессы независимо от географического региона.
В изгибы долин вписываются еще более сложные изгибы русел. Иногда русла рек как бы «блуждают» по дну долины, находя себе новые дороги и возвращаясь на старое место. На аэрофотоснимках следы подобных «блужданий» видны очень отчетливо.
Такая информация имеет очень большую ценность для проектировщиков мостов и ЛЭП: благодаря этим снимкам специалисты безошибочно выбирают береговые участки, которые никогда не подвергаются деформации.
Интересно, что характер рек часто находит отражение в их названии. Так, речка Пьяна в Нижегородской области, приток реки Суры, получила такое обидное имя из-за своего поведения. И правда, трудно найти более «непутевую» речку! На протяжении 400 км речка петляет и извивается, чтобы окончить свой путь… пости рядом со своим истоком.
На карте линия Пьяны выглядит настолько путанной и нелогичной, будто вычерчена она нетвердой рукой пьяного человека. Очевидно, что еще до развития картографии, местные жители приметили эту характерную особенность реки. Марк Софер по этому поводу говорит: «Жаль, что речка в свое время осталась без внимания гидрографов. Кто знает, может быть, слово «пьяна» стало бы международным названием излучин, а процесс их образования – «пьянением» или «опьянением».
Как определить степень извилистости?
Итак, в природе прямолинейных рек не бывает. Чтобы определить степень извилистости, была введена универсальная характеристика – коэффициент извилистости. Он представляет собой отношение длины произвольного участка реки по фарватеру к длине прямой, соединяющей концы этого участка.
Очевидно, что коэффициент извилистости естественных водотоков всегда больше единицы. У малоизвилистых рек этот показатель находится в пределах 1,1 – 1,3. Например, у реки Волхов, которая практически не имеет видимых искривлений русла. Длина реки составляет 224 км, она превышает прямую, соединяющую исток и устье, всего на 17%.
К этим значениям близки Нева, Северная Двина, Онега – северные полноводные, частично зарегулированные реки. В чуть более широкий диапазон (1,3 – 1,8) укладывается средний коэффициент извилистости большинства рек. При этом он может меняться от участка к участку.
Верхний предел коэффициента не ограничен, ведь реки вольны выбирать свои, даже самые причудливые, маршруты. Однако извилистость даже самых «капризных» рек не превышает значения 2,0 – 2,2. Но, как известно, любое правило может иметь исключения.
Таковым является северная река с интригующим названием Юг, протекающая в Вологодской области и претендующая на рекордное значение извилистости.
Длина реки Юг составляет 542 км, а прямая, соединяющая исток с устьем, имеет протяженность всего 100 км, что соответствует коэффициенту извилистости 5,42.
Безусловно, не только реки нашей страны имеют характерную извилистость. В любой географической зоне можно найти примеры рек, которые периодически «сбегают» со своей накатанной дороги, оставляют свое старое русло, чтобы потом снова вернуться к нему.
В автобиографической повести «Жизнь на Миссисипи» Марк Твен пишет: «Бросьте через плечо длинную ленту кожуры с аккуратно очищенного яблока, и она примет форму, сильно напоминающую обычный участок Миссисипи…». Автор подробно изобразил самые крупные прорывы излучин на реке, в результате которых речной путь сразу сокращался на десятки миль, а штаты меняли свои границы.
В повести есть свидетельство о том, как из-за капризов Миссисипи сменилось расположение двух городов относительно течения реки: после очередного поворота «верхний» город оказался ниже по течению. Так точно и интересно описать гидрологические особенности Марку Твену помогла служба судовым лоцманом в молодые годы.
Можно ли «выпрямить» речной путь?
Как известно, пресноводные водоемы, в особенности реки, во многом определили развитие цивилизации. С самых ранних времен реки давали возможность человеку заниматься сельским хозяйством и передвигаться на дальние расстояния. И сегодня реки являются важным хозяйственным звеном в экономике стран.
С развитием науки и техники человек получает все больше возможностей для управления силами природы. Извилистость рек, крутые повороты русла в самых неожиданных местах нередко являются серьезным препятствием для осуществления хозяйственных планов. В этой связи вполне резонен вопрос: когда можно искусственно подтолкнуть реку к спрямлению?
Попыток изменения речных русел в истории немало. Многие из них не увенчались успехом, а некоторые, удавшись в начале, принесли много проблем в долгосрочной перспективе.
Одна из первых попыток спрямления «извивающихся» рек была предпринята в 1825 году. Проект носил название «Выпрямление Рейна начиная с того места, где он выходит из Швейцарии». Автором этого проекта стал немецкий инженер Иоганн Готфрид Тула.
К 1872 году Рейн был спрямлен в 18 местах, длина его русла сократилась на 50 км, он стал проходим для судов на всем своем протяжении. Почти все меандры Рейна были отсечены и осушены, после чего он стал похож на канал, а не на реку. Никаких видимых недостатков у этого изменения сначала не было.
Но, как известно, если мы чего-то не видим, это не значит, что ничего не происходит. За сто пятьдесят лет водоносность Рейна, как и его ширина, не изменились. Однако, после сокращения длины русла, увеличился уклон, возросла скорость течения воды, и, как следствие, активизировалась глубинная эрозия.
В некоторых местах Рейн углубил свое русло до 10 м, образовав своеобразное ущелье. В результате через несколько десятилетий было затруднено судоходство, ради которого и было укорочено русло. Из-за понижения уровня реки пришлось опускать старые порты и устанавливать насосы не в прежних меандрах, а в устье реки, где с чрезвычайной интенсивностью образовывались донные отложения.
Понижение уровня Рейна повлекло за собой понижение уровня грунтовых вод. Ранее заболоченные прибрежные территории превратились в степные участки, а в некоторых местах в полупустынные. Чтобы предотвратить надвигающуюся экологическую катастрофу, пришлось разрабатывать план их орошения.
Стабилизировать ситуацию удалось лишь в ХХ веке благодаря строительству каскадов водохранилищ с низконапорными плотинами в верховьях Рейна, а также масштабным работам по расширению русла реки.
Еще больше проблем создало вмешательство в русловые процессы в Венгрии. В середине XIX века был разработан проект защиты от наводнений в нижнем течении реки Тисы. Чтобы увеличить пропускную способность в период паводка, русло реки в сильно извилистых местах было спрямлено и углублено. Длина реки сократилась на 480 км. Была возведена система береговых валов общей протяженностью около 3,5 тыс. км.
В 1879 году во время одного из сильнейших паводков Тиса на реконструированных участках пропустила гораздо больше воды, чем ранее. Однако там, где пропускная способность русла осталась прежней, увеличенный поток затормозился, уровень воды резко повысился, возросла нагрузка на береговые дамбы, и они были прорваны.
Огромная территория Венгрии оказалась затоплена. Город Сегед был практически полностью разрушен. Это наводнение стало одной из крупнейших катастроф в истории страны.
Неудачный опыт европейской «русловой хирургии», по выражению Марка Софера, был учтен инженерами многих стран. Безусловно, русловыпрямительные работы проводятся, однако при их проектировании учитываются все особенности естественного характера рек. Там, где «спорить» с природой опасно, специалисты уступают.
Каждая попытка выпрямить реку, а тем более удержать ее в непривычном для нее положении, может принести не только много хлопот, но и стать настоящим бедствием. Осознание последствий грубого, необдуманного вмешательства в сложные природные процессы, позволило отказаться от многих масштабных гидротехнических проектов, в том числе от «поворота» сибирских рек или «переброски» их на юг.