5.9: Морфологія і динаміка звивистих потоків

Два найбільш характерні схеми плану, передбачені річками, звивисті та плетені. Перш за все, майте на увазі, що тенденції до звивистості та плетіння є доповнюючими, а не взаємовиключними, в тому сенсі, що багато річок демонструють елементи як одночасно, так і в межах однієї досяжності.

По-перше, деякі нарисні матеріали про геометрію звивистих річок. На малюнку 5-36 показана більшість елементів звивистої річкової системи. Меандрові вигини або петлі меандра ніколи не є абсолютно регулярними, але вони часто описуються так, ніби вони були (рис. 5-37), з точки зору довжини хвилі та амплітуди. Можна також подумати про радіус кривизни у вигині, але це, ймовірно, буде змінюватися від точки до точки у вигині. Вузька частина меандрового вигину, між сусідніми протяжками каналу вище і нижче вигину, називається меандрової шийкою.

Малюнок 5-36. Елементи планово-видових особливостей звивистої річки

На внутрішній, або опуклої, стороні меандрового вигину знаходиться досить гладке і багато в чому не рослинне тіло з піску, похиле полого вниз до центру каналу. Це піщане тіло, яке називається точковим брусом, лежить скрізь нижче повеней і затоплене повенями. Осад поступово нарощується до поверхні точкової смуги, що призводить до зміщення точкової смуги в бічному напрямку. Точкові депозити призначені для

Малюнок 5-37. Ідеалізована геометрія меандрових вигинів.

На зовнішній, або увігнутій, стороні меандрового вигину знаходиться крутий берег або скеля, часто званий розрізаним берегом, з консолідованого або напівконсолідованого осаду, який розмивається під час сильних потоків. Банк розмивається різними процесами, найважливішим з яких є підрізання низько на банку і обвал великих мас в русло.

Проточно-поперечний профіль звивистої річки дуже асиметричний. Потік найглибший біля підніжжя розмивається зовнішнього берега, і він поступово косяється вгору по поверхні точкової смуги. Швидкість течії найвища в області біля вільної поверхні і біля зовнішнього берега. Малюнок 5-38 являє собою мультфільм потоково-поперечного профілю, що показує характерну картину ізовелів (ліній рівної швидкості). Існує також характерна спіральна вторинна циркуляція всередині вигину, така, що потік біля ліжка має компонент всередину до точкової смуги, а потік біля поверхні має компонент назовні до зовнішнього банку. Ця спіральна вторинна циркуляція легко пояснюється відмінностями в відцентровій силі між високошвидкісними областями потоку вище та низькошвидкісними областями потоку нижче. Саме ця вторинна циркуляція викликає наростання на поверхні точкової смуги.

Меандр вигини, як правило, мають тенденцію змінюватися з часом до більших амплітуд і більш вузьких шийок. Врешті-решт річка стрибає через вузьку шию під час повені. Такий захід називається меандровим відсіканням, або обрізанням шиї. Річка тим самим ефектно випрямляється в квантових стрибках, щоб компенсувати поступове посилення меандрових вигинів. Іноді існує менш катастрофічна різноманітність меандрового відсічення, за допомогою якого річка займає стару слагу, яка позначає більш раннє положення вигину; тоді амплітуда зменшується, але не майже до нуля. Відрізи такого роду називаються відсічками жолоба (тому що річка приходить займати жолоб між двома сторонами вигину).

Малюнок 5-38. Протікає-поперечний розріз через меандровий вигин, показуючи рівноуровни.

Точкові бари, як правило, будуються епізодично, під час повеней. Більш ранні положення вершини точкової планки відзначають на заплаві з внутрішньої сторони меандрового згину низькими і кривими гребенями, розташованими конгруентно в межах меандрового вигину (рис. 5-39). Ці вигнуті хребти називаються меандровими сувоями або меандровими рубцями. Одним з кращих видів доказів того, що вигин зміщується в положенні в міру зростання, є усічення більш ранніх сувоїв меандру теперішнім каналом.

Малюнок 5-39. Меандр сувої.

Кінці занедбаної петлі меандр незабаром закупорюються дрібним осадом, утворюючи старичне озеро (рис. 5-40). Стариці дуже повільно заповнюються осадженням дрібного осаду під час надберегових потоків на заплаві. Їх обриси в заплаві залишаються видимими з повітря ще довго після їх заповнення, однак через незначні відмінності в кольорі і рослинності на поверхні заплави. Заплави звивистих річок демонструють складну картину кількох поколінь усічених меандрових рубців і частково або повністю заповнених стариць озер, що фіксують довгу історію звивистості.

Малюнок 5-40. Розвиток старичного озера шляхом меандрового зрізу.

Мабуть, найкращий спосіб підійти до проблеми динаміки звивистості і плетіння - думати в плані розвитку звивистого або плетеного візерунка в потоці, який спочатку прямий і регулярний і протікає в межах однорідної заплави. Таку річ легко зробити в широкому каналі в лабораторії (рис. 5-41): покласти осад, гомогенізувати вручну, розрівняти, а потім вирізати в ньому звичайний канал. (Ви могли б досить легко побудувати апарат, в якому це робити у власному дворі, який на даний момент стає досить переповненим.) Коли в каналі потім запускається рівномірний потік, що рухається осадом, канал залишається прямим і регулярним протягом тривалого часу, але з часом, через години або навіть десятки годин, неминучі невеликі нерівності початкового каналу призводять до чергування картини ерозії та осадження вздовж берегів і тому для збільшення звивистості каналу.

Якщо береги лабораторного потоку вільно піддаються розмиванню (тобто якщо вони складаються з пухкого піску і гравію, а не зв'язних грязей), то малюнок каналу спочатку регулярно звивистий, але з часом стає сильно нерегулярним і плетеним. Зробити цей експеримент у згуртованих матеріалах не так просто, але те, що було зроблено, показує, що в згуртованих банках плетіння не розвивається, але натомість розвивається статистично стійкий процес зростання і відсічення меандру.

Малюнок 5-41. Розробка плетіння.

Таким чином, ви можете бачити, що природний підхід до динаміки звивистості полягає в тому, щоб розглядати звивисті як те, що експерти називають проблемою стабільності. У такому підході робиться спроба зафіксувати фізику процесу, з точки зору взаємодії між потоком і транспортом осадів, у вигляді набору рівнянь, а потім робиться спроба лінеаризувати ці рівняння, щоб застосувати їх до поведінки дуже малоамплітудного збурень спочатку прямий канал. Якщо збурення гасне, то прямий канал стабільний; якщо збурень посилюється, то прямий канал нестабільний. Найбільш швидко зростаюча довжина хвилі порушення - це та, яка повинна вказувати масштаб одержуваних меандрів. Незважаючи на те, що повні рівняння можуть бути непрацездатними для визначення еволюції звивистої картини після того, як збурення мають кінцеву амплітуду, різні інші лінії атаки були змушені нести певні аспекти меандрів скінченної амплітуди, зі значним успіхом.

Якщо говорити більш конкретно, то широко прийнято вважати, що найважливішим фактором у визначенні того, чи є річкова звивистість, є стабільність берега. Заплава з великим відсотком дрібного, згуртованого осаду в ній сприяє звивистості, як і щільний покрив рослинності. Якщо осад незв'язний і вільно піддається розмиванню, а клімат несприятливий для рослинності, то річка скоріше коситься, ніж звививається. Попутна примітка: до силура, коли не було сухопутних рослин, немає ніяких свідчень звивистих струмків, тільки плетені струмки.