Некоторые общие закономерности работы водотоков

Водотоки или, как их еще можно назвать, русловые потоки, производят разрушительную работу — эрозию, перенос материала и его аккумуляцию и создают выработанные (эрозионные) и акку­мулятивные формы рельефа. Те и другие теснейшим образом связаны друг с другом, так как то, что было унесено водой в одном месте, откладывается где-либо в другом. Размыв и аккумуляция материала часто сменяют друг друга во времени и пространстве, поэтому не существует геоморфологических комплексов, где были бы развиты исключительно формы одного из этих двух генетиче­ских типов. Можно только различать области преобладающей эро­зии и преобладающей аккумуляции. Однако на суше эрозионные формы рельефа пользуются большим развитием и распространени­ем, чем аккумулятивные. Обусловлено это тем, что значительная часть обломочного материала, переносимого постоянными и вре­менными водотоками, выносится в моря и океаны и откладывается на дне, образуя толщи морских осадочных пород.

Эрозионная работа водотока осуществляется за счет живой силы потока, корразии (воздействия на дно и берега влекомыми водным потоком обломками) и химического воздействия на поро­ды, слагающие дно и берега реки.

Наибольшее значение имеет живая сила, или энергия потока, которая может быть выражена формулой

F=mv² /2,

где F — энергия потока, m — масса воды, v — скорость течения.

Следует отметить, что масса воды пропорциональна расходу потока, что же касается скорости течения, то она находит выраже­ние в формуле Шези:

где С — коэффициент, зависящий от шероховатости русла, R — гид­равлический радиус (отношение площади живого сечения водотока к смоченному периметру русла), i — уклон. Таким образом, чем многоводнее поток и круче уклон, тем больше его живая сила и эродирующая способность. Однако поток будет эродировать лишь в том случае, если не вся живая сила текучей воды расходуется на перенос твердого материала и на преодоление сопротивления.

В противном случае в русле потока будет происходить аккумуля­ция.

В эрозионной работе водотоков различают донную эрозию, на­правленную на углубление (врезание) русла водотока, и боковую эрозию, ведущую к расширению вреза в стороны. В работе любого водотока почти всегда можно обнаружить признаки обоих видов эрозии. Однако интенсивность их будет меняться в зависимости от уклона русла, геологического строения территории, по которой про­текает водоток, стадии развития водотока (его возраста) и ряда других причин. Преобладание того или иного вида эрозии наклады­вает отпечаток прежде всего на морфологию (форму) долин русло­вых потоков. Узкие, глубокие и относительно спрямленные долины свидетельствуют об интенсивном врезании текущих по ним водо­токов. Напротив, широкие, плоскодонные долины с прихотливо из­вивающимися руслами водотоков говорят о преобладании боковой эрозии.

Ширина долины водотока зависит от его величины, состава по­род, прорезаемых водотоком, уклона местности и ряда других фак­торов. Углубление русла водотока также происходит не беспредель­но. Оно ограничивается прежде всего уровнем водного бассейна {озера, моря), куда впадает водоток. Этот уровень называется ба­зисом эрозии. Общим базисом эрозии для русловых водотоков яв­ляется уровень Мирового океана. Наряду с ним различают мест­ные базисы эрозии, которые могут располагаться на любой высоте. Возникновение местных базисов эрозии чаще всего определяется геологическим строением ложа (русла) потока. Выходы прочных пород, пересекающих русло, неизбежно вызывают замедление вре­зания, и на каком-то отрезке времени профиль русла на участке выше этого выхода будет приспосабливаться к такому временному базису.

Поскольку уровень воды в реке является базисом эрозии впа­дающих в него притоков, то местным базисом эрозии также часто называют уровень дна долины по отношению к прилегающей по­верхности водосбора, который она дренирует.

Выше базиса эрозии водоток будет врезаться до тех пор, пока не сформирует профиль, в каждой точке которого живая сила по­тока, окажется уравновешенной сопротивлением подстилающих пород размыву, и транспортирующая способность потока окажется выравненной по всей его длине. Такой профиль называется выра­ботанным продольным профилем или профилем равновесия. Иде-| альный профиль равновесия (плавная вогнутая кривая, рис. 49, /),' может быть выработан только при определенных условиях: 1) при однородном составе пород, размываемых водотоком на всем его протяжении, и 2) при постепенном увеличении количества воды по направлению от истока к устью. В природной обстановке поверх­ность, по которой течет водоток, обычно сложена породами разного состава, а, следовательно, и разной устойчивости к размыву. Поро­ды более податливые размываются легче, менее податливые за­держивают глубинную эрозию. В таком случае продольный профиль водотока приобретает вид сложной кривой, характеризующей­ся чередованием участков с разными уклонами (рис. 49, //). Однако даже тогда, когда водоток смог бы выработать профиль равновесия, он не представлял бы плавную кривую. Обусловлено это тем, что, во-первых, равновесие между живой силой потока и сопротивлением горных пород размыву для разных пород будет достигнуто при разных уклонах; во-вторых, изменение водности потока, а следовательно, и его живой силы происходит не посте­пенно, а скачками. Скачки обусловлены впадением крупных притоков.

Таким образом в процессе врезания русла /продольный профиль водотока должен про­ходить несколько стадий, а именно: стадию невыработанного профиля; стадию выра­ботанного профиля; стадию предельного профиля. Под по­следним понимается такой про­филь, когда в любой точке рус­ла не происходит ни врезания, ни аккумуляции, а вся энергия реки затрачивается на транс­порт. Это состояние теоретиче­ски может быть достигнуто каждым водотоком, однако сложность и изменчивость гео­графических и геологических условий, в которых происходит выработка русла, практически делает недостижимым такое со­стояние.

Не выработанный продольный профиль потока характеризуется наличием водопадов, порогов, быстрин.

Водопадом называют место, где ложе потока образует уступ, с которого вода падает вниз. Различают несколько видов водопа­дов: 1) ниагарский, когда масса воды низвергается широким фронтом, а его ширина равна или больше высоты; 2) иосемитский, или каскадный — вода падает сравнительно узкой струей иногда с громадной высоты (водопад Энджей в Венесуэле имеет высоту 980 м), причем струя нередко разбивается на ряд каскадов, соответствую­щих отдельным уступам; 3) карельский, или падун, — крутой (до 40°), но не отвесный участок русла (например, водопад Иматра на реке Вуоксе). Ряд уступов, образующих серию небольших водопа­дов, называют катарактами, небольшие положительные неровности русла,— порогами.

Участки русла с более крутым падением и более высокими ско­ростями течения получили название быстрин.

Генезис уступов в продольном профиле потоков может быть различным: либо они связаны с неровностями «первичного» релье­фа, генезис которых также может быть различным, либо с препарировкой стойких пород (в результате глубинной эрозии потока или роста тектонической структуры на его пути),., либо с загро­мождением русла обвальными массами или выносами материала из боковых долин.

Характеризуя общие закономерности работы водотоков, следует сказать о регрессивной эрозии, в результате которой водотоки, заложившиеся на склонах речных долин, имеют тенденцию продви­гаться своими вершинами в глубь междуречий.

Общей особенностью эрозионной работы водотоков является ее избирательный, селективный характер. Вода при выработке русла как бы выявляет наиболее податливые для врезания участки, приспособливаясь к выходам более легко размываемых пород или к тем участкам, где сопротивляемость пород ослаблена по тектониче­ским причинам: к осевым зонам складок, к тектоническим трещи­нам, разломам, зонам дробления пород.

Материал, полученный в результате эрозионной работы посто­янных водотоков, переносится вниз по течению. Транспортировка его осуществляется различными способами: 1) волочением облом-, ков по дну, 2) переносом мелких частиц во взвешенном состоянии, 3) в растворенном виде, 4) в виде обломков, вмерзших в лед. Состав обломочного материала и его соотношение с веществами, находящимися в растворенном состоянии, зависит от характера водотока (равнинный или горный водоток), состава пород, слагаю­щих бассейн руслового потока, от климата и источника питания водотока. Несмотря на слабую минерализацию вод подавляющего числа постоянных водотоков (рек), перенос ими растворенных ве­ществ исчисляется миллионами и десятками миллионов тонн. Так, река Енисей ежегодно выносит в море 30 млн. т растворенных ве­ществ, Волга — 46,5 млн. т и т. д. Взвешенный материал переносит­ся реками также в огромном количестве. Тот же Енисей ежегодно выносит в море около 12 млн. т взвесей, Нил — 88 млн. т, Инд — 400 млн. т и т. д.

Движение донных наносов находится в строгой зависимости от скорости течения.

Максимальная масса частицы, которую может переносить поток, пропорциональна шестой степени скорости течения. Эта зависимость выражается формулой Эри:

,

где Р_т —масса частицы, А — коэффициент, зависящий от уклона дна, формы частицы, ее массы и глубины потока, v — скорость течения.

Эта зависимость дает возможность объяснить большую разницу в величине обломков, переносимых горными и равнинными реками или одной и той же рекой в межень и в половодье, когда с увели­чением массы воды увеличивается и скорость ее течения.

Отложения, формируемые постоянными водными потоками (ре­ками), называются аллювиальными или просто аллювием. Аллювий заметно отличается от других генетических типов континен­тальных отложений (склоновых, ледниковых и др.) прежде всего сортированностью и окатанностью обломков. Сортировка и окаты­вание обломочного материала, слагающего аллювий, происходит во время его транспортировки и начинается сразу, как только об­ломки попадают в водный поток. Окатывание обломков происходит вследствие ударов и трения их друг о друга, а также о дно и бере­га водотока. В результате неокатанные обломки становятся ока­танными: глыбы превращаются в валуны, щебень — в гальку, дре­сва— в гравий. В процессе переноса обломки не только окатывают­ся, но и истираются. Поэтому с течением времени валуны перехо­дят в гальку, галька — в гравий, гравий в песок. Следовательно, вниз по течению аллювиальные отложения становятся все более и более мелкозернистыми, если в описанный процесс не вмешива­ются посторонние факторы — поступление крупнообломочного ма­териала в результате обвалов берегов, выноса временных водото­ков и т. п. Меняется вниз по течению и состав аллювия. Происходит это вследствие того, что менее прочные минералы и породы истира­ются быстрее, чем более прочные, а также за счет воздействия воды на растворимые породы и минералы. В процессе транс­портировки происходит сортировка обломков по массе и величине.

РАБОТА ВРЕМЕННЫХ ВОДОТОКОВ

И СОЗДАВАЕМЫЕ ИМИ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА

Исходная форма временно действующих водотоков — эрозион­ная борозда, возникающая на делювиальных склонах при переходе плоскостного смыва в линейный. Глубина борозд от 3 до 30 см, ширина равна или немного превосходите глубину. Поперечный профиль эрозионных борозд имеет V-образную или ящикообразную форму. Стенки борозд крутые, часто отвесные. После прекращения стока склоны быстро выполаживаются, ширина борозд увеличива­ется. Обычно борозды, располагаясь в нескольких метрах друг от друга, образуют разветвленные системы. Глубина и морфологиче­ская выраженность борозд вниз по склону постепенно увеличивает­ся по мере увеличения количества стекающей воды (рис. 50).

На распаханных склонах и склонах с разреженным растительным покровом борозды с течением времени превращаются в эро­зионные рытвины (промоины), глубина которых может достигать 1,0—2,0 м, ширина —2,0—2,5 м. Склоны рытвин также характери­зуются большой крутизной, местами они отвесные, поперечный профиль их чаще всего V-образный.

Однако не каждая эрозионная борозда превращается в промои­ну. Для образования последней нужен более мощный водоток, а следовательно, и большая площадь водосбора. Поэтому рытвины встречаются на склонах значительно реже эрозионных борозд и обычо отстоят друг от друга на десятки метров.

Эрозионные борозды и рытвины в легко поддающихся размыву породах (песок, суглинок, лёсс и др.) могут образоваться в течение одного ливня или за несколько дней весеннего снеготаяния.

В дальнейшем рытвины слу­жат коллектором для дождевых и талых вод.

При достаточном водосборе часть рытвин, углубляясь и расширяясь в процессе вреза, постепенно превращается в ов­раги (рис. 50). Глубина овра­гов 10—20 м, но может дости­гать 80 м, ширина (от бровки до бровки) 50 и более метров. Склоны оврагов крутые, часто отвесные. Поперечный профиль оврагов V-образный. Иногда овраги характеризуются плос­ким дном, ширина которого не превышает нескольких метров. Овраг отличается от рытвины не только своими размерами, но и тем, что он имеет свой соб­ственный продольный профиль, отличный от профиля склона, который он прорезает. Про­дольный профиль рытвины, как правило, повторяет про­дольный профиль склона, хотя и в несколько сглаженном ви­де (рис. 51).

Овраг — активная эрозион­ная форма. Наиболее подвиж­ной является его вершина, ко­торая в результате регрессив­ной (пятящейся) эрозии может выйти за пределы склона, на котором возник овраг, и про­двинуться далеко в пределы

междуречий. Поэтому овраги характеризуются значительной дли­ной, исчисляемой сотнями метров и даже километрами.

Растущая вершина оврага может иметь различный вид. Часто овраг начинается сразу отвесным уступом — вершинным перепа­дом — высотой 1,0—3,0 м, со всех сторон окруженным пологонаклоненной к нему поверхностью. Иногда в вершинах оврагов наблюдаются нечетко выраженные в рельефе понижения, имеющие в плане эллипсовидную, округлую или (часто) округло-лопастную

форму. Такие формы рельефа называют водосборными понижениями. Иногда выше вершины оврага располагаются слабо углубленные (1,0—3,0 м), линейно вытянутые понижения, имеющие коры­тообразный поперечный профиль и задернованные пологие склоны, которые без четко выраженных бровок переходят в поверхность междуречий. Такие формы рельефа получили название ложбин. Заканчиваются ложбины едва заметными в рельефе безрусельными понижениями типа деллей. Их называют еще потяжинами. На топографических картах, даже крупномасштабных, потяжины, как правило, не находят отображения, но хорошо видны на крупно-

масштабных аэрофотоснимках, особенно на пашнях и участках с разреженным растительным покровом. Ложбины с привязанными к ним потяжинами в значительном большинстве случаев являются не следствием развития оврагов, а причиной их возникновения. Поэтому овраги, заложившиеся по ранее существовавшим эрози­онным формам, называются донными, вторичными или вложенны­ми оврагами, а возникшие на склонах речных долин и развившие­ся из более мелких эрозионных форм,— береговыми или первич­ными.

С ростом оврага в длину и выработкой продольного профиля эрозионная сила стекающей воды уменьшается. Склоны оврага выполаживаются, на них появляется растительность. Расширяется дно оврага как за счет продолжающейся боковой эрозии, так и за счет отступания склонов в результате склоновых процессов. Овраг превращается в балку. Переход оврага в балку совершается не сразу на всем его протяжении. Процесс этот начинается с нижней, наиболее древней части оврага и постепенно распространяется вверх.

В дно балки в дальнейшем может снова врезаться овраг. При неоднократном врезании донных оврагов в балке образуются пло­щадки-ступени, сложенные балочным аллювием, — балочные тер­расы.

Овражный и балочный аллювий отличается низкой степенью сортировки материала. Обычно наиболее грубый материал приурочен к нижней части разреза, более тонкий к верхней части. Однако и тот и другой отсортированы плохо, песчано-суглинистый материал «засорен» щебнем и плохо окатанными валунами, слоистость грубая и не всегда четко выражена.

Выносимый из оврагов и балок материал, если он не уносится рекой, откладывается в устьях, образуя конусы выноса. Материал, слагающий конусы выноса временных водотоков, называется про­лювием. Состав пролювия зависит от характера осадков, слагаю­щих склон, прорезаемый оврагом или балкой, стадии развития оврага и характера стока дождевых и талых вод. В целом, для него характерна плохая сортировка материала, слабая окатанность обломков, уменьшение размера частиц от вершины конуса выноса к его основанию и от его осевой линии к краям.

Овражная эрозия — природное бедствие, наносящее большой ущерб народному хозяйству. Рост оврагов уменьшает площадь угодий, пригодных для земледелия. Известно немало примеров пре­вращения ранее богатых пахотных земель в непригодные для зем­леделия, изборожденные оврагами площади.

Скорость овражной эрозии очень большая. На Нижнем Дону, например, скорость роста оврагов составляет в среднем 1—1,5 м в год, на Ставрополье (Северный Кавказ) — до 3 м в год. Исследо­вания Б. Ф. Косова показали, что современные физико-географи­ческие условия тех районов, для которых характерна густая ов­ражная сеть (Черноземный центр европейской части СССР, Став­рополье, Приволжская возвышенность, Средний запад США и mhoi гие другие), в целом неблагоприятны для развития оврагов. Овражная эрозия здесь порождена хозяйственной деятельностью человека: интенсивной распаханностью, неправильными севообо­ротами, неумеренным выпасом скота. Нередко овраги зарождают­ся на склонах по колеям грунтовых дорог.

Следующей стадией развития эрозионных форм, создаваемых временными водотоками, является речная долина с постоянным водотоком. Все более углубляющаяся эрозионная форма может до­стигнуть уровня грунтовых вод, которые дают начало речке.

Однако в описанном генетическом ряду: эрозионная борозда — рытвина — овраг—балка — речная долина — вовсе не обязателен переход одних форм в другие или возникновение одних форм из других. Выше уже говорилось, что не каждая эрозионная борозда превращается в рытвину и не каждая рытвина — в овраг. Овраг еще в период энергичной глубинной эрозии может врезаться до уровня грунтовых вод и, минуя балочную стадию, превратиться в долину ручья с постоянным водотоком. Точно так же не каждая балка может превратиться в речную долину, и не каждая балка в своем развитии проходила овражную стадию. Так, в условиях гумидного климата на территориях, покрытых лесом, многие эро­зионные формы типа балок никогда не были оврагами и формиро­вались изначально по типу балок или ложбин.

Определенную специфику имеет деятельность временных водо­токов в горах. В горах в верховьях водотоков обычно образуются четко выраженные в рельефе водосборные воронки — углубления в виде амфитеатров, склоны которых прорезаны эрозионными бо­роздами и рытвинами, ветвящимися кверху и сходящимися к основанию воронки, откуда начинается канал стока. Последний пред­ставляет собой тянущуюся вниз по склону глубокую и узкую рыт­вину овражного типа с V-образным поперечным сечением. У нижнего конца канала стока формируется конус выноса (рис. 52). Зна­чительная крутизна продольных профилей и большие перепады

высот между верховьями и устьями обусловливают интенсивную разрушительную работу временных потоков гор.

Особенно большую работу временные горные водотоки осущест­вляют в условиях жаркого и сухого климата. Здесь на склонах, лишенных растительного покрова, процессы выветривания проте­кают очень интенсивно. Этому в значительной мере способствует удаление рыхлых продуктов выветривания с крутых склонов гор.

Скопившиеся в нижних частях склонов и в понижениях про­дукты выветривания большую часть года остаются сухими. Во вре­мя сильных ливней (свойственных аридным областям) или интен­сивного весеннего снеготаяния большие массы быстро текущей с гор воды захватывают накопившиеся продукты выветривания и превращаются в грязекаменные потоки, называемые селями. Сели — грозное явление природы, с которым трудно бороться даже при использовании современных технических средств. Неред­ко сели наносят большой ущерб населению, сельскохозяйственным угодьям, промышленным и иным объектам, расположенным в селеопасных районах.

Временные водотоки, зарождающиеся на склонах гор аридных стран, при выходе из гор образуют обширные пролювиалъные рав­нины, окаймляющие подножья гор. Равнины формируются за счет слияния многочисленных конусов выноса и имеют обычно волни­стый продольный профиль (вдоль подножья гор). Состав пролювия и распределение в нем материала зависит от тех же факторов, ко­торые определяют строение конусов выноса оврагов.

Если временные горные водотоки впадают в реку, их конусы выноса способны оттеснить или даже перегородить долину реки, образовав временную плотину. Прорыв такой плотины скопившей­ся выше по течению водой может. Привести к возникновению селя в долине реки.

Подрезанные рекой конусы выноса временных водотоков обра­зуют в долинах горных рек псевдотеррасы, которые морфологиче­ски похожи на настоящие речные террасы. Отличаются от них строением и составом слагающего их материала. Существенной особенностью псевдотеррас является их невыдержанность по про­стиранию и значительные колебания относительных высот на ко­ротких расстояниях.