Геогідроморфологічні закономірності самоформування русел у різних природних умовах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Автореферат

Геогідроморфологічні закономірності самоформування русел у різних природних умовах

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Ющенко Юрій Сергійович

Київ-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідроекології, водопостачання та

водовідведення географічного факультету

Чернівецького національного

університету імені Юрія Федьковича.

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор

Ободовський Олександр Григорович, професор кафедри

гідрології та гідроекології Київського національного університету

імені Тараса Шевченка

доктор географічних наук, професор

Мольчак Ярослав Олександрович, декан технологічного факультету,

професор кафедри

екології і безпеки життєдіяльності Луцького державного

технічного університету

доктор географічних наук, професор

Ковальчук Іван Платонович, завідувач кафедри конструктивної

географії і картографії географічного факультету Львівського

національного університету імені Івана Франка

Провідна установа: Одеський державний екологічний університет

Міністерства освіти і науки України, м.Одеса

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних дослідженнях систем потік-русло провідне місце займає проблема пізнання найбільш загальних закономірностей їхньої самоорганізації, що охоплюють генезис та еволюції однорідних об'єктів. Важливим напрямком вирішення цієї проблеми є вивчення процесів активного самоформування.

Виникнення цілісних, чітко виражених русел, як правило, пов'язане з формуванням відповідних довгих самоорганізованих турбулентних геофізичних струменів - геоструменів. Їхній розвиток у різних природних умовах характеризується важливими спільними рисами. Морфодинамічні прояви процесів такого роду можуть бути описані геогідроморфологічними закономірностями, які включають інваріантний та адаптивний аспекти. Цілеспрямоване і послідовне вивчення цих закономірностей створює новий напрямок у руслознавстві - геогідроморфологічний підхід. Його застосування дозволяє поглиблювати уявлення про причинність, фактори розвитку русел, сутність руслових процесів; з нових позицій вивчати різноманіття та єдність систем потік - русло, проводити класифікування (наприклад стосовно алювіальних русел); удосконалювати регіональні дослідження; більш обґрунтовано вирішувати комплексні проблеми раціонального використання річок. геоструменевий русло ріка водоток

Важливим продовженням теоретичних є регіональні дослідження. Саме тут реалізується логіка сходження від абстрактного до конкретного, від загального до індивідуального, вирішуються важливі практичні задачі. Із застосуванням геогідроморфологічного підходу пов'язаний новий етап у вивченні закономірностей розвитку русел та заплав річок Карпато-Подільського регіону України. Даний регіон важливий як у методичному так і у практичному відношенні. Він характеризується великим різноманіттям і складністю умов руслоформування, інтенсивними та небезпечними переформуваннями русел у поєднанні з катастрофічними паводками, значним антропогенним навантаженням на річки. Отже, за таких обставин, удосконалення діагностики та прогнозування руслових процесів в регіоні набуває все більшого практичного значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за проблемою дисертації виконувались в рамках планів науково-дослідних робіт географічного факультету Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за безпосередньої участі та під керівництвом автора за кафедральними, держбюджетними та госпдоговірними темами.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення теоретико-методологічних основ геогідроморфологічних досліджень закономірностей самоформування русел від найбільш загальних до часткових та конкретних їх проявів у різних природних умовах.

Для досягнення мети вирішувались такі основні завдання:

аналіз існуючих уявлень про самоорганізаційні процеси в системі потік-русло і розвиток уявлень про утворення розмірів та основних форм русел;

постановка у загальній формі і аналіз питання про зовнішній аспект руслових досліджень і однорідність самоорганізаційних процесів у річках та струменевих течіях океану та атмосфери; синтез уявлень про закономірності геоструменевого руслоформування; розгляд причинності даного роду морфогенезу;

аналіз особливостей прояву виявлених закономірностей у поверхневих водотоках суходолу та річках;

дослідження провідних геогідроморфологічних залежностей для алювіальних русел річок;

класифікування алювіальних русел річок на основі системно-ієрархічного аналізу дії головних та додаткових факторів геоструменевого руслоформування, виділення та характеристика класів та підкласів, формування підходів до виділення типів;

застосування знань про геогідроморфологічні закономірності розвитку русел до річок Карпато-Подільського регіону України (аналіз умов розвитку, еволюцій та розповсюдженості підкласів крупноалювіальних русел, особливостей переходу від гірських до напівгірських, крупноалювіальних у піщані русла, особливостей руслоформування подільських приток Дністра, річок Прут, Дністер та Тиса, опис змін і характеру морфологічно однорідних ділянок, аналіз геогідроморфологічних залежностей руслоформування, деталізація уявлень про його основні фактори, типи та підтипи алювіальних русел, відображення результатів руслових досліджень на картосхемах, аналіз питань раціонального використання і охорони русел та заплав річок регіону).

Обєкт дослідження. Загальним обєктом дослідження виступають системи потік-русло (СПР) та їхній різновид - геоструменеві русла, геоструменево-руслові дисипативні системи (ГРДС). Частковим обєктом дослідження виступають алювіальні русла річок (ГРДС АРР). Частковими та індивідуальними обєктами досліджень виступають русла основних річок Карпато-Подільського регіону України.

Предмет дослідження. Предметом дослідження виступають геогідроморфологічні закономірності розвитку русел: загальні закономірності геоструменевого руслоформування, що стосуються інваріанту; часткові, що стосується адаптацій до дії додаткових факторів в алювіальних руслах річок та регіональні.

Методи дослідження. Запропонований у роботі власний підхід до вивчення закономірностей самоформування русел базується на оригінальному синтезі та аналізі обєкту і предмету дослідження. Водночас він використовує та розвиває положення гідроморфологічної теорії руслового процесу, зокрема досліджень Н.С.Знаменської; повязаний з географічним напрямком руслових досліджень, вченням про ерозійно-акумулятивний процес М.І.Маккавєєва та Р.С.Чалова. Методологічною основою роботи виступають також системний підхід, дослідження спонтанної самоорганізації і, зокрема, струменевих течій. В основі синтезу уявлень про інваріант геоструменевого руслоформування лежать метод пошуку та аналізу генеральних та позамасштабних гідроморфологічних (геогідроморфологічних) залежностей, методи аналогії і порівняння подібних геосистем, абстрагування, формулювання і аналізу гіпотези однорідності самоорганізаційних процесів. Наслідком синтезу виступає спосіб розгляду часткових проявів, адаптацій інваріанту - геогідроморфологічний підхід, який відповідає методу сходження від абстрактного до конкретного у системних дослідженнях. Відповідно до нього намічено шляхи аналізу руслоформування на суходолі. Основним обєктом обрано алювіальні русла річок. Основною формою аналізу обрано геогідроморфологічне класифікування, що поєднує таксономічний та типологічний підходи. Основний метод класифікування - ієрархічний аналіз факторів руслоформування як провідних основ ділення. Він реалізується разом із застосуванням ряду інших методів: порівняльним, морфологічного аналізу, геогідроморфологічних залежностей, аналізу еволюцій та адаптацій, схематизації та ін. На тлі аналізу проведено частковий синтез, щодо звязку енергетичних та морфологічних показників самоформування алювіальних русел; виведено основне його рівняння.

Реалізація запропонованих підходів на прикладах регіонального дослідження також викликала необхідність створення нових методів аналізу, вдосконалення та використання відомих. Зокрема розроблено нові методи аналізу чисел Фруда, співвідношення шорсткісного та геоструменевого (грядового) видів саморегуляції системи потік-русло, гідроморфологічного аналізу з використанням показників стягнутості, чисел Глушкова та інших. Розширено застосування методів комплексного аналізу характеристик наносів як фактору руслоформування (гідравлічне сортування, криві Крессера та ін). При проведенні експедиційних досліджень та обробці первинних матеріалів використовувались стандартні методи гідрометричних робіт, гідрологічного та гідроморфологічного аналізу.

Вихідними матеріалами для дисертаційного дослідження слугували дані гідрологічних спостережень, інформація з топографічних та оглядово-топографічних карт, дані експедиційних досліджень виконаних за участю або під керівництвом автора, архівні матеріали кафедри гідроекології, водопостачання та водовідведення Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича, а також окремі дані з наукових видань.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше досліджено питання про однорідність процесів морфогенезу системи потік-русло у різних природних умовах (середовищах); розглянуто генезис та розвиток цілісного об'єкту - системи, а не окремих його проявів, форм; на основі абстрагування, виділення головних рис та закономірностей, синтезу досягнуто новий рівень розуміння сутності самоорганізаційних процесів руслоформування, розширено уявлення про об'єкт та предмет руслових досліджень; отримані і проаналізовані генеральні, позамасштабні (структурні) зв'язки в системі, що охоплюють діапазони змін умов розвитку від лабораторних до струменевих течій і від суходолу до атмосфери; показано основний вид нелінійності цих зв'язків; на основі порівняльного аналізу генезису та еволюцій особливого виду турбулентних струменів - геоструменів розкрито інваріантні закономірності руслоформування, створено уявлення про інваріант геоструменевого руслоформування;

розкрито характер причинності, дії факторів геоструменевого руслоформування; показано, що спонтанні процеси самоорганізації та морфогенезу в системі потік-русло повязані з концентрацією енергії вздовж певних ліній (меж) внаслідок нелінійності звязків у ній; розглянуто фази активізації та пасифікації, під час яких змінюється рівень кінетичної енергії поступального руху, загострюються або послаблюються обмеження-самообмеження; енергійність та обмеження прийняті як головні чинники геструменевого руслоформування; з ними повязані значення параметра - індикатора стану системи - швидкостей поступального руху;

проведено достатньо повний системно-ієрархічний аналіз причинності у формуванні алювіальних русел річок з позицій геоструменевого руслоформування; поряд з трансформаціями дії головних детально проаналізовано дію додаткових факторів;

проаналізовано внутрішньо звязану систему геогідроморфологічних залежностей для основних параметрів алювіальних русел річок; показано характер їх нелінійності; вперше виведено основне рівняння, що описує морфогенез алювіальних русел; проаналізовано його складові;

вперше запропонована геогідроморфологічна класифікація алювіальних русел річок, яка поєднує таксономічний та типологічний підходи і базується на послідовному системно-ієрархічному розгляді чинників руслоформування; в межах класифікації розвинуто уявлення про класи піщаних та крупноалювіальних русел; вперше створено уявлення про клас супіщаних алювіальних русел; показано, що основою такого поділу виступає гідравлічна крупніють часток руслоформуючих наносів; вперше розглянуто питання про підкласи алювіальних русел річок, описано десять підкласів, розглянуто основи їх виділення; запропоновано схему (спосіб) дослідження типів алювіальних русел як таксономічної одиниці в межах підкласів;

вперше досліджено підкласи алювіальних русел річок Карпато-Подільського регіону України; дано аналіз умов руслоформування, закономірностей, його змін вздовж течії; розкрито зв'язки між основними параметрами руслоформування; проаналізовано закономірності переходів від стиснутих гірських до напівгірських русел; розкрито закономірності змін (еволюцій) процесів руслоформування вздовж течії напівгірських річок в межах алювіальних рівнин; вперше описані особливості переходу крупноалювільних русел у піщані з урахуванням особливостей самоорганізаційних процесів у системі потік-русло;

проведено детальний геогідроморфологічний аналіз умов та закономірностей руслоформування річок Тиса, Прут і Дністер; описані морфологічно однорідні ділянки та закономірності їх змін вздовж течії;

проведено детальний аналіз умов руслоформування основних подільських приток Дністра; досліджено еволюції від піщаних алювіальних русел до крупноалювіальних; описані основні закономірності, чинники, параметри; виділені морфологічно однорідні ділянки у зв'язку з особливостями природних (геоморфологічних) умов територій.

Практичне значення одержаних результатів полягає у можливостях вдосконалення прикладного та регіонального аналізу руслових процесів, планування раціонального використання та охорони русел і заплав річок із врахуванням закономірностей самоорганізації у системі потік-русло, її пристосувань до різних умов, зокрема антропогенно змінених.

Наукові розробки, що містяться у даній роботі використовуються Державним управлінням екології та природних ресурсів у Чернівецькій області, „НДІпроектреконструкція” (м.Чернівці), іншими установами та організаціями. Вони також впроваджуються у навчальний процес у Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича та інших навчальних закладах.

Теоретичні і прикладні результати дисертації отримані в процесі виконання кафедральних, держбюджетних та госпдоговірних тем географічного факультету ЧНУ, а саме: тема кафедри гідроекології, водопостачання та водовідведення „Дослідження, використання та охорона водних ресурсів Карпатського регіону”(керівник, № д.р.0103U004363, 2002-2005), держбюджетна тема „Конструктивно-географічний аналіз природно-ресурсного потенціалу України в умовах стабілізації соціально-економічного розвитку” (виконавець, № д.р. 48.88, 2003-2005); госпдоговірна тема „Розробити рекомендації з включення несприятливих змін водного режиму території під впливом видобутку алювію Чернівецьким ГПК” ( науковий керівник, № 63-901, 1989-1990).

Особистий внесок здобувача. Всі ідеї та методичні розробки, що лягли в основу досліджень геогідроморфологічних закономірностей самоформування русел у різних природних умовах, належать особисто автору. У процесі дисертаційного дослідження вони забезпечили вирішення поставлених завдань. У роботі містяться концептуальні положення, методичні підходи та висновки, які сформульовані особисто здобувачем наукового ступеня. Використані положення інших авторів мають відповідні посилання.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень апробовані на Міжвузівських координаційних нарадах з проблем ерозійних, руслових та гирлових процесів (Горький, 1988; Луцьк, 1989; Ярославль, 1990; Ташкент, 1991; Брянськ, 1994; Волгоград, 2000; Курськ, 2003, Білгород, 2004); Четвертій Всесоюзній науковій конференції „Закономірності прояву ерозійних та руслових процесів у різних природних умовах” (Москва, 1987); Третій Всесоюзній конференції „Динаміка і терміка річок, водосховищ та окраїнних морів” (Москва, 1989); Міжнародній науково-практичній конференції „Українська геоморфологія: стан і перспективи” (Львів, 1997); Міжнародній конференції „Стаціонарні дослідження ерозійно-акумулятивних процесів” (Львів, 1998); Першій та Другій Всеукраїнських наукових конференціях „Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія”(Київ 2001 та 2003); V конгресі Міжнародної асоціації україністів (Чернівці, 2003); Міжнародній науковій конференції „Геополітичні та географічні проблеми Криму в багатовекторному вимірі України”, присвяченій 70-річчю географічного факультету Таврійського національного університету ім. В.І.Вернадського (Сімферополь, 2004); ІХ з'їзді Українського географічного товариства (Чернівці, 2004).

Публікації. Результати дисертаційного дослідження опубліковані в 1 одноосібній монографії, 1 навчальному посібнику, 24 статтях і 10 тезах доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Вона містить 247 сторінок основного тексту, 73 рисунка та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ „Методологія і основні напрямки руслових досліджень” присвячений розгляду 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 звязану систему, яка описує нелінійні звязки 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 повязують з відємною вязкістю. Струменеві течії виділяються зі складно побудованого турбулентного середовища, утворюючи власні розміри, форми (русла). Таке виділення називають інтенсифікацією або активізацією, що повязано 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 (відємна вязкість) стають збалансованими з дисипативними процесами у системі (фрикційна вязкість). 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 звязку, 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 повязане 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, повязана 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 обєму 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.

Предметом досліджень руслознавства виступають закономірності розвитку рельєфу (форм) русел - руслоформування. Уявлення про морфогенез в дисипативних системах, самоформування виступають логічним етапом і важливою частиною розгляду питань взаємодії потоку та русла. Це можна визначити наступними послідовностями: 1) повні донні гряди - дефіцитні гряди - рідкі боковики, форми у глинах, на льоду - форми струменевих течій океану та атмосфери; 2) жорсткі стінки (межі) потоку - розмивні, такі що самоформуються у сипучому середовищі - рідкі, газові. Вивчення внутрішнього та зовнішнього аспектів руслових досліджень допомогло виявити найбільш загальні риси самоформування русел, з якими можна пов'язати інваріант геоструменевого руслоформування в СПР.

Конкретні обставини, особливості процесів самоорганізації геоструменів в атмосфері, океані та на суходолі значно відрізняються. Але результати їх морфологічних, динамічних та інших проявів збігаються. При активізації система звільняється від іншорідних впливів і прямує до інваріанта, самовиділяється, самоформується. Активізацію струменів у річках прийнято розглядати в режимному відношенні. При зростанні витрат води до руслоформуючих річковий потік впорядковується, стягається у струмінь, змінюється гідравлічний опір (дисипативні процеси), співвідношення між транзитною та придонною частинами потоку. Інваріантність підкреслює також співпадіння значень параметра - індикатора стану системи (швидкостей течії) для річок з дрібноалювіальним складом русел, океанічних струменевих течій і струменевих течій атмосфери (у перерахунку). Важливим є принципове співпадіння головних факторів самоорганізації системи - енергійності та обмежень - самообмежень. У річках енергійність пов'язана з поздовжніми похилами („скат місцевості”) та витратами води. Фактор наносів значно впливає на умови прояву, але у більшості випадків не змінює інваріант.

Спільність морфології геоструменевих русел показують не тільки генеральні залежності кроків та ширин але і генералізовані морфологічні типи (ГМТ), що сутнісно пов'язані з еволюціями, станами системи. Це: 1) квазіпрямолінійні, цілісні, стягнуті русла; 2) звивисті стягнуті, меандруючі; 3) розгалужені, не одноструменеві, рихло побудовані.

Створення уявлень про геоструменеве руслоформування викликало необхідність ввести нові поняття та терміни. Поряд з геоструменями це геоструменеві потоки, геоструменево-руслові дисипативні системи (ГРДС) та інші. Закономірності, що описують геоструменеве руслоформування названі геогідроморфологічними. Функція самозбереження ГРДС, їхньої стійкості відносно зовнішніх впливів це функція існування системи даного роду (або струменева функція, СФ). Поряд з активізацією геоструменів розглядаються процеси їхьої пасифікації (старіння, руйнування). Цими термінами позначено зміни у функціонування системи пов'язані зі зростанням або зменшенням головних факторів геоструменевого руслоформування. Визначення характерних рис інваріанта дозволяє вести дослідження самоорганізації та самоформування СПР з певних позицій, у певному напрямку. Його названо геогідроморфологічним підходом (ГМП).

Третій розділ „Прояви геоструменевого руслоформування на суходолі” присвячений аналізу принципових шляхів застосування отриманих у другому розділі загальних уявлень до умов розвитку русел річок і у першу чергу алювіальних русел. Застосування геогідроморфологічного підходу (аналізу) ведеться шляхом відповідного розгляду причинності (факторів функціонування системи) і, на цій основі, класифікування.

До найбільш важливих особливостей суходолу як середовища розвитку геоструменів віднесено: контакт з літосферою (особлива контактна поверхня) наявність (вплив) наносів - система стає двохфазною та бінарною; переважання просторових еволюцій від надактивних до менш активних станів систем; важливу роль режимних еволюцій; значну мінливість витрат води. В таких умовах специфічно проявляється генезис геоструменево-руслових дисипативних систем. Його можна розглядати і у режимному відношенні - як становлення та роль цілісних активних струменів на фоні мінливості витрат води. Важливою особливістю суходолу є також великий діапазон змін абсолютних розмірів обєктів.

Узагальнюючи, дію специфічних умов суходолу можна відобразити через додаткові фактори: фактор жорстких зовнішніх обмежень; фактор наносів і фактор водного режиму. Геогідроморфологічний підхід у вивченні русел річок реалізовано шляхом їхнього класифікування. Воно носить одночасно таксономічний та типологічний характер. Основний метод геогідроморфологічного класифікування русел полягає в ієрархічному розгляді провідних основ ділення. Додаткові фактори, характерні для річок, представлені як багаторівневі. Фактори вищих таксономічних рівнів враховуються автоматично, відповідно до побудови класифікації. Від факторів нижчих рівнів абстрагуємось. А серед факторів даного рівня вибираємо провідний. Інші діють через нього. Разом з тим принципи ГМП (порівняння з інваріантом та розгляд головних факторів геоструменевого руслоформування) реалізуються через аналіз адаптацій і особливостей функціонування ГРДС у різних умовах.

Додаткові фактори представлені так: фактор зовнішніх обмежень включає загальні, загальні бічні, особливі бічні та локальні; фактор наносів - наявність та розвинутість алювіального середовища, крупніють часток, стік (у першу чергу придонних) та локальні особливості; фактор водного режиму - загальну водність та її зміни, абсолютні значення витрат води різної забезпеченості (у першу чергу руслоформуючих), багаторічний хід (режим) максимумів, особливості гідрографів та дію менших ніж руслоформуючі витрат. Багаторічний хід максимумів включає три основні складові: дію витрат води надзвичайно малої забезпеченості (катастрофічних), домінантних (руслоформуючих) та вторинних максимумів. Сучасна морфодинаміка русел річок відбувається в умовах квазістаціонарного водного режиму. Один гідрограф по різному впливає на руслоформування на різних морфологічно однорідних ділянках.

За фактором загальних зовнішніх обмежень русла річок можна поділити на чотири основні групи: структурні, структурно-алювіальні, алювіально-структурні та алювіальні. Останні дві групи характеризуються наявністю достатньо розвинутого алювіального середовища. Їх обєднано під загальною назвою - алювіальні русла річок. Відносно них проводиться наступне класифікування. Вони мають певні загальні властивості. Основним виступає факторів наносів. Він регулює адаптації інваріанта геоструменевого руслоформування, перетворює систему на двохфазну, з ним повязане значна специфіка організації дисипативних процесів, інерційність окремих часток та їх структурних скупчень, стік наносів сприяє вирівнюванню (формуванню) поздовжніх профілів і підтриманню швидкостей течії на певному (достатньо високому) рівні. Саме завдяки останньому пасифікація геоструменевого руху у річках особлива - тимчасова, відносна, неглибока. Підкреслимо, що фактор наносів з позицій ГМП впливає тільки на специфіку прояву геоструменевого руслоформування, але не визначає його в цілому, не породжує самоорганізацію даного роду.

Кількісний опис геогідроморфологічних закономірностей розвитку алювіальних русел доповнений залежностями для поздовжніх похилів річок. Основною з них є: I = 0,0008•Q^-1/3. Об'єднуючи залежності для кроків активних форм і для поздовжніх похилів (оскільки вони описують один процес самоорганізації системи потік-русло) отримуємо рівняння:

KL = QI ( 1 )

Це основне рівняння геоструменевого руслоформування алювіальних русел річок. Розкриваємо Q:

KL = VBhI (2 )

KL/B = K•S = VhI (3 )

Коефіцієнт К можна назвати кінематичним коефіцієнтом дисипації (К_D) оскільки VhI - питома одинична потужність (робота на 1м² дна за В.Г.Глушковим). Його орієнтовні значення для області активного руслоформування відносно стійких піщаних русел складають 0,0004-0,0002 м²/с. Він пов'язаний з коефіцієнтом Шезі та гідравлічного опору:

2g•K_D •S = 2g VhI = 2g/C²•V³ (4 )

V³ можна вважати показником дисипації енергії на певному відрізку русла, а 2g/C²=л - усередненим для цих же умов коефіцієнтом гідравлічного опору. Якщо розглядати однорідні умови руслоформування, то 2gS>const і V³>const, тоді К_D~л.

Принципово важливим висновком з аналізу основного рівняння геоструменевого руслоформування є підтвердження уявлень про взаємозв'язок енергетичних та морфогенетичних процесів (показників) у дисипативних системах даного роду:

S = VhI/K_D (5)

Ще один висновок - існування загальної внутрішньо зв'язаної системи залежностей:

L = K₁ •Q^2/3 (6)

B = K₃• Q^2/3 (7)

h = K₄•Q^1/3 (8)

I = K₂•Q^-1/3 (9)

S = L/ B = VhI/K_D (10).

Вона дає можливості розвивати судження про загальні основи нелінійності геогідроморфологічних зв'язків та масштабних ефектів.

Поряд із збереженням інваріанта геоструменевого руслоформування в алювіальних руслах річок відбуваються його адаптації до дії додаткових факторів та відповідних змін у кількісних значеннях головних. Основні адаптації стосуються розвитку придонної та транзитної областей потоку; особливостей дисипативних процесів; складної ієрархічної будови русел; взаємодії мікро-; мезо- та макропроцесів; змін характеристик поперечних перетинів потоків і русел.

Провідним фактором, що визначає різновиди пристосувань СПР в алювіальному середовищі виступає фактор наносів розглянутий на рівні крупності руслоформуючих часток. Його аналіз покладено в основу виділення класів алювіальних русел річок. Це крупноалювіальні (КАР), піщані (ПАР) та супіщані (САР) русла. Дія цього фактора підкоряється фізичним закономірностям (гідравлічна крупність), але склад наносів формується географічно. З гідравлічною крупністю пов'язана рухомість або стійкість часток алювію та структурних утворень з них, найбільш загальні закономірності морфогенезу, особливості дисипативних процесів у придонній області потоку і у всій системі, характер співвідношень придонної та транзитної областей. Найбільші якісні відмінності, особливості морфогенезу у класах АРР пов'язані зі змінами факторів енергійності та рухомості - стійкості (самообмежень). Через це змінюється дія фактора водності. Разом з тим існує різниця у характері впливу зовнішніх бічних обмежень.

Виділення підкласів алювіальних русел річок базується на врахуванні як крупності так і стоку руслоформуюючих наносів.

В межах класу крупноалювіальних русел виділення у першу чергу пов'язане з розглядом абстрагованих еволюцій умов руслоформування вздовж течій. При послідовному переході від гірських русел з нерозвинутими алювіальними формами до розвинутих і далі до напівгірських та перехідних зменшується роль крупності руслового алювію у формуванні дисипативних процесів, гідравлічного опору, змінюється співвідношення між транзитною та придонною областями потоку, покращуються умови розвитку геоструменевого руслоформування. Відповідно змінюється загальний характер морфогенезу. Крупність часток алювію значно впливає на зміни фактору енергійності, кінетичність потоків, на формування стійкості структурних алювіальних відкладів, самообмежень і їх співвідношення з зовнішніми обмеженнями. Аналогічні процеси відбуваються в межах п'ятого підкласу (рівнинні крупноалювіальні русла).

В межах класів піщаних та супіщаних алювіальних русел основною ознакою виділення підкласів стає величина стоку придонних наносів і відповідні зміни у стійкості алювіальних утворень. Це впливає на зміни фактору енергійності та характеру морфогенезу, еволюцій та адаптацій системи. Значна кількість придонних наносів приводить до збільшення енергійності потоків, їх розпластування, динамічності донних форм, зміни співвідношень між придонною та транзитною областями потоку і організації дисипативних процесів в цілому. При значному розвитку розгалужень геоструменеве руслоформування (струменева функція) дещо пригнічене. До підкласів ПАР віднесені високодинамічні нестійкі, слабостійкі досить динамічні та відносно стійкі русла. Супіщані алювіальні русла поділені на два діаметрально протилежні підкласи: наднестійкі блукаючі (з великим стоком наносів) та стійкі. В останніх малий стік наносів корелює з малою енергійністю потоків. У супіщаних відкладах розвиваються процеси зчіплення часток. Все це видозмінює прояви геоструменевого руслоформування.

Підкласи характеризуються також переважанням певних типів русел, або їх поєднань.

Для виділення типів алювіальних русел річок завершено розгляд дії додаткових факторів геоструменевого руслоформування на певному рівні генералізації. Дослідженню підлягають сучасні домінантні мезоформи русел, їхні угрупування та схематизовані еволюції. У першу чергу це генералізовані морфологічні типи. Вони характеризують співвідношення між активними і пасивними станами системи та переходи між ними. У річках такі еволюції мають режимний та просторовий аспект. Генералізовані риси режимного аспекту залежать від умов на ділянці русла (та заплави). Для стиснення смуги руслоформування і виникнення квазіпрямолінійного русла необхідні певний баланс обмежень - самообмежень і рівень енергійності. За умов помірного стоку (придонних) наносів при зменшенні бічних обмежень розвивається меандрування. У випадках значного стоку наносів - розгалуження. Особливим може бути перехідне меандрування при помірному зменшенні бічних обмежень і збереженні умов для періодичного виникнення цілісного струменя. Важливо також відмітити, що між описаними крайніми градаціями дії факторів і проявів морфології у річках часто зустрічаються перехідні, змішані форми меандрування та розгалужень.

Необхідність розгляду більш детальних (менших) градацій фактора бічних обмежень і зміщення акценту на самообмеження пов'язана також з існуванням самоорганізаційно-морфологічних різновидів ГМТ. Це стрічкові гряди і боковики, обмежене та вільне меандрування, осередки та багаторукавність, особливі гірські русла та інші. Для такого розгляду запропоновано використання дискретних (порядкових) значень показника стягнутості русел - S. Основні значення - 16, 8, 4, 2 та 1. З ними пов'язані особливості організації поступального руху потоку, дисипативних процесів та гідравлічного опору. Оптимальним значенням вважається 4. Йому відповідає коефіцієнт звивистості динамічної вісі річкового потоку 1,15. Для значення 8 збільшується рівень балансу бічних обмежень. Значення 16 спостерігається лише у горах та тіснинах. Такого роду русла мають свої особливості. Значення 2 відповідає оптимуму меандрування при коефіцієнті звивистості 1,55-1,6. З ним також пов'язані первинні осередки, відторжені боковики. При S=1 спостерігається вільне меандрування та значні розгалуження. Слід зауважити, що при віддаленні від оптимума визначеність параметра стягнутості понижується у зв'язку з пониженням рівня самоорганізованості системи потік-русло, проявами вторинних кроків домінантних форм.

Розгляд типів алювіальних русел в контексті таксономічного підходу (в межах класів та підкласів) відрізняється від традиційних поглядів. Постулат про обмеженість різновидів морфологічних комплексів реалізується тут не прямо, а через абстраговані інваріантні закономірності розвитку. Система морфологічних проявів руслових процесів виявляється досить складною. Множина типів зростає. Видозмінюється схема їх досліджень. Разом з тим їх розгляд в межах підкласів та класів забезпечує автоматичне врахування принципово важливих закономірностей руслоформування, визначених на цих рівнях класифікації. Наприклад для крупноалювіальних русел прояви „верхніх” режимів, розпластування, самовимощення; для русел зі значним стоком наносів динамізм форм, розпластування, розгалуження та інше. У свою чергу тип русла характеризується власною внутрішньою структурою, що пов'язана з проявами нижчих таксономічних рівнів руслоформування.

Геогідроморфодогічна класифікація алювіальних русел річок у стислому вигляді відображена в таблиці 1.Таблиця 1

Четвертий розділ „Геогідроморфологічні дослідження русел річок Карпато-Подільського регіону України” присвячений застосуванню уявлень та підходів розроблених у другому та третьому розділах до конкретних прикладів регіону, виявленню регіональних особливостей та закономірностей руслоформування, аналізу його умов та факторів, проблем раціонального використання русел річок.

Відносно гірських КАР розглянуто узагальнену, абстраговану еволюцію умов руслоформування вздовж течії, проведено аналіз звязків принципово важливих кількісних показників, закономірностей їхніх режимних змін. Для вивчення чисел Фруда і умов виникнення бурхливої течії запропоновано нову методику. Це спільний розгляд графіків залежностей W³/В = f (Q²/g, Q), Fr=f (Q) та Fr _max=f (Q), де W - площа поперечного (живого) перетину потоку; В - ширина; Fr = V²/gh. Проаналізовані також співвідношення між числами Фруда, Глушкова (Г), параметрами стягнутості (S) та рухомості (V/Vo). Звязки виявлені лише між динамічними та морфологічними характеристиками попарно. Звязок Fr та V/Vo носить кореляційний, стохастичний характер. Основні відхилення точок повязані із впливом фактора крупності наносів. В цілому ж залежність показує досить добре співпадіння між критичними значеннями характерними для різних умов руслоформування. Звязок між S та Г виявлено для гірських русел з розвинутими алювіальними формами. Він носить зворотний нелінійний характер. Гірські русла більш розпластані ніж піщані рівнинні з помірним стоком наносів. Числа Глушкова 2,5-3 відповідають значній стягнутості (S=8). В цілому в Українських Карпатах алювіальні русла річок досить розповсюджені (переважають). Це повязано з відносно невеликими висотами гір, мяким флішовим складом, значною обводненістю ті іншими факторами. Глибові русла та тіснини зустрічаються рідко. На малих річках значний вплив мають селеві процеси. Ділянки структурних та структурно-алювіальних русел (порожисті та порожисто-водоспадні) часто розташовані не у верхній, а у середній течії основних річок. Це повязано з особливостями тектоніки та геологічної будови Українських Карпат. Важливим показником саморегуляції крупноалювіальних русел є зміни складу наносів, у першу чергу - гідравлічне сортування. Воно проявляється також у самовимощенні русел. Такі процесі значно впливають на характер їхньої морфодинаміки.

Зменшення крупності руслоформуючого алювію в абстрогованих еволюціях вздовж течії річок приводить до послідовної зміни співвідношення шорсткісного та струменевого видів саморегуляції системи. У руслах з нерозвинутими алювіальними формами переважає шорсткісний вид, транзитні струмені слабо розвинуті. Цьому сприяє також бурхливість течії. Розвинуті алювіальні форми повязані зі спектрами проявів руслоформування на підйомі та спаді паводків. Періодичне виникнення цілісних геоструменів набуває тут все більшого значення.

Аналіз умов переходу від стиснутих гірських до розгалужених та звивистих русел показав, що для річок Українських Карпат основними є: 1) поступові переходи через ділянки стиснутого або адаптованого русла; 2) відносно короткі, але плавні переходи, що включають перехідні ділянки з особливими звивинами; 3) різкі переходи до розгалужень; 4) переходи до меандрування. Це означає заміну підкласу гірських русел з розвинутими алювіальними формами напівгірськими. Регіонально найбільш вираженими і методично найбільш важливими є переходи до розгалужень. Часто вони супроводжуються підділянками зі звивистим або звивисто-розгалуженим руслом. Це означає що цілісний геострумінь зберігається на протязі декількох кроків домінантних форм і лише потім руйнується. Аналіз переходу до розгалужень показав, що система потік-русло при мінімальних повільних змінах поздовжніх похилів русел на зменшення дії бічних обмежень реагує збільшенням площ поперечних перерізів, ширин смуги руслоформування і окремих проток, падінням паводкових швидкостей майже до нерозмиваючих, відповідних чисел Фруда до 0,5-0,4 і початком процесу швидкого гідравлічного сортування наносів (основою акумулятивного фону на нижче розташованій ділянці).

Особливими є переходи безпосередньо до меандрування. Вони стосуються малих річок і цю особливість можна назвати проявом географічного масштабного ефекту. Малі річки відносно менше навантажені наносами і потребують для інтенсивного їх транспортування значних похилів. Тому, у звязку з недостатньою дією цих факторів вони не утворюють значних ділянок розгалужень. Можна сказати, що величина таких ділянок залежить від потужності головної річки та її приток в місцях виходу з гір та у передгірях. Цю закономірність можуть порушувати лише ділянки значних стиснень (чи притиснень).

Для більшості річок в межах алювіальних рівнин характерний поступовий перехід від розгалужених до меандруючих русел і, за відповідних умов, до перехідного підкласу. Це основний вид морфологічних перетворень, який диктується не зовнішніми умовами, а внутрішніми процесами в системі, основна абстрагована просторова еволюція. На реальні послідовності можуть впливати бічні обмеження, притоки та інші фактори. Характерні морфологічні перетворення взаємоповязані з гідравлічним сортуванням та іншими процесами зменшення крупності руслоформуючих наносів. Цим шляхом система ефективно понижує шорсткісний опір, змінює дисипативні процеси, збільшує можливості стягнення потоку у цілісний геострумінь. Такі взаємозвязки аналізуються з використанням залежності Г=f(V/Vo). При переході у підклас перехідних русел вона терпить розрив, відбувається стрибкоподібна її зміна. Це повязано з різким зменшенням ролі крупного алювію і корелює з малою розповсюдженістю у природі гравійних русел.

Регіональні дослідження включили також детальний аналіз умов руслоформування головних річок Українських Карпат (Прут, Дністер, Тиса) та основних подільських приток Дністра. Вперше розглянуто послідовність морфологічно однорідних ділянок русел та їхню специфіку. Для Поділля описано основні територіальні відмінності та режимно-гідрологічні аспекти розвитку русел. Різноманіття природних умов Поділля досить велике. Але загальною рисою є переважання добре розроблених і глибоко врізаних долин в межах басейну Дністра. Починаючи від р.Коропець на схід характерні також „інверсії” еволюцій руслоформування вздовж течії. Їх аналіз допомагає розвивати уявлення про закономірності руслоформування в цілому.

В регіональних дослідженнях однією з центральних є проблема опису та аналізу розповсюдження різновидів річкових русел. Вона включає застосування певних класифікаційних підходів та вибір способу відображення. Зокрема картографічне відображення залежить не тільки від специфіки території, але і від вимог генералізації. Тому воно може стосуватись узагальнених, об'єднаних одиниць, що відображають відповідні умови рослоформування.

На основі проведених регіональних досліджень нами зроблена спроба відобразити у вигляді картосхем особливості поширення певних категорій русел та умов руслоформування. Перша з них стосується генералізованих категорій русел основних річок Карпато-Подільського регіону (Рис.3). Друга картосхема це приклад відображення характерних (квазіоднорідних) ділянок, умов руслоформування, і відповідних типів русел у верхній течії р.Прут.

Карпато-Подільського регіону України

В еколого-русловому аспекті регіональних досліджень розглянуто основні напрямки та проблеми використання, звязок з методологічними питаннями, а також їх комплексність. Розвиток більшості ділянок русел річок Карпато-Подільського регіону тою чи іншою мірою антропогенно змінений. Загальні зміни умов у басейнах мають давню історію, але найбільш інтенсивні зміни умов руслоформування розпочались у ХІХ столітті. Вони були повязані з захистом від наводнень, розвитком меліоративних систем, змінами ландшафтної структури басейнів, будівництвом доріг та інших інженерних споруд, а для Поділля також зі створенням ставків. Разом з тим зароджуються і перші дослідження русел (вишукувальні роботи), гідрологічні спостереження на річках. У ХХ столітті провідними напрямками впливу були берегозахист та виправлення русел, на окремих ділянках гідротехнічне будівництво та урбанізація, розвиток систем інженерних споруд, видобуток алювію. Продовжувались зміни умов у басейнах, значні зміни малих річок. Усе це викликало поступову трансформацію поглядів на комплекс проблем, пов'язаних з раціональним використанням та охороною русел та заплав річок. За три десятиліття вони змінилися від уявлень про регулювання до включення у загальноекологічну проблематику, планування розвитку складних природно-соціальних систем.