Галилео Галилей
Почему реки не текут прямо? Этот вопрос относится к тем самым «детским» вопросам, ответ на которые сложен и не всегда однозначен. Действительно, почему?
Реальная река сильно отличается от потока воды, текущего по каналу или трубе. Общее у них — только вода. Но движется она по-разному. В искусственных водоводах преобладает ламинарное течение, для которого характерно параллельное движение струй воды без изменения направления. В речном потоке преобладает турбулентное течение, отличающееся беспорядочным характером, пульсациями скоростей по величине и направлению.
Вода и русло взаимосвязаны, поэтому в каждой реке существует два основных взаимодействия: с одной стороны, русло управляет потоком, а с другой — поток руслом. В первом случае рельеф русла вызывает изменение скоростного режима реки; во втором — меняется форма самого русла под влиянием размывающей деятельности потока. Например, на расширенных участках русла поток распластывается, теряет скорость, при сужениях берегов скорость потока возрастает, русло интенсивно размывается, меняется рельеф долины.
Однако поток, находясь в постоянном взаимодействии с руслом, стремится к наиболее устойчивой форме течения. Именно она обеспечивает наименьшие затраты энергии на преодоление сопротивления при движении воды в русле. При этом кинетическая энергия упорядоченно движущегося потока частично диссипирует (рассеивается), то есть переходит в энергию неупорядоченных процессов руслового потока. Получается, что прямолинейное движение — самое неустойчивое! Достаточно выступающего со дна камня, торчащего бревна, прибитой к берегу ветки или застрявшей в ледоход льдины, как поток тормозится и начинает искать путь с меньшим сопротивлением. Появляются боковые течения, усиливается размыв берегов. Поток постоянно выравнивает свою транспортирующую способность по длине реки путём эрозии или аккумуляции. Если она недостаточна на данном участке, то происходит отложение материала, если в избытке — усиление эрозии. Постепенно река находит ту форму, при которой она тратит минимум энергии.
Поскольку форма и прочность подстилающих пород различны, долина естественной реки никогда не будет иметь прямолинейных очертаний. Встречаются, конечно, небольшие участки, где река течёт как бы по прямой, но это скорее исключение, чем правило. Недаром водители автотранспорта, недобрым словом поминая повороты дороги, говорят про неё: петляет, как река.
Чем же объяснить такое постоянное «беспокойство» рек? Причин несколько: меняющийся водный режим и связанный с ним уклон реки, а следовательно, и составляющие силы тяжести, гидродинамические особенности потока, геологическое строение речной долины. От последнего зависит многое — в размываемых грунтах русло непрерывно меняет свои очертания как в плане, так и в поперечном разрезе. В одних местах берега и дно реки размываются, в других — наращиваются, наносы откладываются везде, где хотя бы чуть-чуть уменьшается скорость. Образуются мелководные участки — перекаты, глубоководные — плёсы, выпуклости и вогнутости береговой линии. Одна излучина сменяется другой, с обратной кривизной, а между ними формируются переходные прямолинейные участки.
В прочных, трудно размываемых породах поток воды не волен в выборе своего направления, все повороты реки предопределены рельефом. Они почти постоянны; плёсы и перекаты стабильны. Характерный пример — знаменитая Самарская излучина на Волге. От Жигулёвска до Сызрани напрямую чуть более 50 км, путь по воде почти в пять раз длиннее. Жигулёвский утёс противостоит мощному течению Волги, заставляя десятки миллиардов кубометров воды ежегодно совершать обходной манёвр.
Более масштабно выглядят на гидрографической карте развороты реки Мезени. Начинаясь недалеко от высшей точки Тиманского кряжа, Мезень около 160 км уверенно движется на юг, но затем, как будто передумав, круто поворачивает на запад, по инерции пробегает 25—30 км, а возле города Кослан столь же решительно поворачивает к северу. Пробежав ещё около 200 км, она почти возвращается к началу своей гигантской петли. Очевидно, что делает это, подчиняясь прочным берегам долины и прихотливому рельефу Тиманского кряжа.
Сибирякам знакома грандиозная излучина Ангары севернее Братска, между Долгим и Шаманским порогами. Скала, заставляющая течение Ангары повернуть круто влево, испытывает гигантский напор — каждую секунду более 3000 м3 прокатывается у её основания, но форма не меняется столетиями.
Чем прочнее материал берегов, тем надёжнее он держит водный поток, тем круче и неожиданней могут быть повороты. Это те условия, когда не река формирует свои берега, а, наоборот, форма долины определяет плановые очертания русла.
Но если водные потоки протекают в малоустойчивых грунтах, они формируют берега и дно русла совершенно беспорядочно, меняют своё расположение и очертания не только из года в год, но даже из сезона в сезон. Поток производит сложную работу по размыву берегов, захвату частиц, их перемещению и отложению наносов.
Непрерывный и интенсивный размыв вогнутого берега в нижней части речной излучины и отложение наносов у выпуклого берега приводят к общему смещению русла вниз по течению. Процесс русловых переформирований — явление очень сложное, ещё недостаточно изученное.
Изречение великого учёного-механика Средневековья Галилея, вынесенное в эпиграф к статье, не утратило своего значения и в наши дни. Действительно, трудно предвидеть, куда будут направлены размывающие усилия потока — то ли в глубь русла, то ли в сторону его берегов. В результате глубинной эрозии происходит врезание водотока в толщу грунта, при боковой — русло перемещается в горизонтальном направлении. Если регулярные извилины чётко выражены и носят «классический» характер, то процесс их образования именуется меандрированием (по имени реки Меандр с удивительно правильным чередованием изгибов русла). Красивое и звучное греческое название стало нарицательным для обозначения сложнейшего процесса независимо от географической зоны.
Под меандрированием понимается не только внешняя форма руслового потока, но и устойчивый процесс, определённая закономерность изменения плановых очертаний русла, чаще всего в форме плавно изогнутых извилин. При этом река может в течение длительного времени перемещать своё русло, сохраняя синусоидальную извилистость, или формировать хорошо выраженные петли самых разнообразных очертаний, завершая их развитие прорывом перешейка.
В изгибы долин вписываются ещё более усложнённые изгибы русел. Часто русла рек как бы «блуждают» по дну долины, периодически возвращаясь на старое место.
Каждое «блуждание» оставляет чётко выраженные следы, особенно хорошо заметные на аэрофотоснимках. Их анализ позволяет проектировщикам мостов и ЛЭП выбрать те береговые участки, которые никогда не подвергаются деформациям.
Взглянув на гидрографическую карту России, можно заметить, что сотни речек могли бы претендовать на передачу своего собственного имени в систему нарицательных. Одна из них — Пьяна, приток реки Суры, речушка в Нижегородской области. Заслужила она такое обидное имя отнюдь не качеством воды, а своим поведением. Трудно найти более «непутёвую» речку! А ведь путь у неё немалый — почти 400 км петляет река, чтобы окончить свой «круговой» путь… почти рядом с тем местом, откуда она началась. Исток расположен всего в 30 км от устья, но между ними сотни зигзагов, неожиданных поворотов, петлеобразных участков. На карте голубая линия, обозначающая эту речку, выглядит настолько путаной и нелогичной, что создаётся впечатление, что вычерчена она нетвёрдой рукой либо очень больного, либо очень пьяного человека. Видимо, обитатели её берегов издавна обратили внимание на эту характерную особенность реки. Жаль, что речка в своё время осталась без внимания гидрографов. Кто знает, может быть, слово «пьяна» стало бы международным названием излучин, а процесс их образования — «пьянением» или «опьянением».
Итак, ясно — прямолинейных рек не бывает. Но как оценить степень их извилистости, есть ли универсальная характеристика, позволяющая сравнивать «вертлявость» рек? Таким обобщающим критерием является коэффициент извилистости (Кизв), представляющий собой отношение длины какого-либо участка реки, измеренной по фарватеру, к длине прямой, соединяющей концы этого участка.
Очевидно, что коэффициент извилистости естественных водотоков всегда больше единицы, иначе бы речь шла о прямолинейном искусственном канале. Критерием малоизвилистых рек принято считать значение Кизв = 1,1—1,3. Примером может служить река Волхов, у которой почти нет заметных искривлений русла. Длина реки (224 км) превышает длину прямой линии, соединяющей исток с устьем, всего на 17%. Близки к этому показателю Нева, Онега, Северная Двина, река Св. Лаврентия, то есть северные полноводные, частично зарегулированные реки. Для большинства рек коэффициент извилистости лежит в пределах 1,3—1,8. Величина эта может меняться по участкам рек и даже во времени, так как русловые процессы идут непрерывно.
Верхний предел извилистости не ограничен. Любая река вольна выбирать самые причудливые маршруты. Но обычно извилистость даже самых «гибких» рек не превышает 2,0—2,2. Однако есть в России (в Вологодской области) северная река с экзотическим названием Юг, которая может претендовать на рекорд. Её песчаное русло сильно меандрирует, оставляя множество стариц и протоков. При длине реки 574 км её устье отстоит от истока чуть более чем на 100 км, что соответствует коэффициенту извилистости 5,42. Такая извилистость сильно влияет на хозяйственные возможности территории. Представьте реальную дорогу вдвое—вчетверо более длинную, чем измеренная по карте.
Очевидно, что правильность определения извилистости зависит от масштаба карты. Чем она подробнее, тем ближе к действительности соотношение длин. Поэтому, если вы не хотите ввести себя в заблуждение, не следует пользоваться для определения извилистости мелкомасштабными картами, тем более глобусом, — на них почти все реки выглядят спрямлёнными. Но даже если определить извилистость участка реки по очень подробной карте, то нет никакой уверенности, что эта характеристика не изменится через год или будет относиться к другому участку.
Как можно, например, оценить извилистость среднего течения реки Урал, которая блуждает в долине шириной 12—18 км, делая огромные петли и готовя себе прорывы для спрямления русла. В середине 1970-х годов Урал прорвал Иртенскую петлю, в 1980-х — Кинделинскую, сократив себе путь на десятки километров.
В любой географической зоне можно найти примеры рек, которые постоянно рвут со своей накатанной дорогой, отбрасывают куски своего старого русла, а затем вновь подбирают их. Такие реки есть и в Подмосковье (включая реку Москву), и в Тюменском крае, и в Китае, и в центре США.
Особенно точно и образно описаны эти процессы в автобиографической повести Марка Твена «Жизнь на Миссисипи»: «Бросьте через плечо длинную ленту кожуры с аккуратно очищенного яблока, и она примет форму, сильно напоминающую обычный участок Миссисипи… Это не обыкновенная река, а река, замечательная во всех отношениях... Это самая длинная река в мире — четыре тысячи триста миль. И можно с уверенностью сказать, что это также самая извилистая река в мире, так как на одном участке своего течения она, извиваясь, тянется на тысячу триста миль там, где по прямой всего шестьсот семьдесят пять миль. (Обратите внимание, насколько высок Кизв — почти 2,0. — Прим. авт.) Ещё замечательна Миссисипи своей склонностью делать громадные прыжки, прорезая узкие перешейки и этим способом выпрямляя и укорачивая своё русло. Не раз она сокращала свой путь на тридцать миль одним прыжком… Миссисипи изменяет своё течение не только на отдельных участках: вся целиком она постоянно меняет русло и отступает то в одну, то в другую сторону…»
Марк Твен подробно описывает самые крупные прорывы излучин, при которых речной путь сокращается на десятки миль, курьёзные ситуации, связанные с изменением границ штатов, перемещением пристаней в глубь берега и даже… смену расположения двух городов относительно течения реки: после очередного поворота «верхний» город оказался ниже по течению. Столь точное описание гидрологических особенностей реки характерно для человека, в молодости служившего судовым лоцманом.
Основные формы извилистости рек — это извилина — длинный изгиб меженного русла вместе с долиной, излучина — длинный изгиб меженного русла внутри долины, колено — извилина, имеющая крутой и короткий изгиб, лука — длинная и крутая излучина (или извилина), имеющая незначительное расстояние между началом и концом (хорду) в сравнении с длиной по фарватеру.
Вот как выглядит та же лука в литературной обработке певца Миссисипи:
«Наносные берега “нижней” реки прорезаны глубокими подковообразными излучинами, они так сильно вдаются в берег, что вы можете сойти с парохода у начала излучины, пересечь её по суше, пройдя с полмили, и сесть отдохнуть часика на два, пока пароход, проделав весь путь по этой петле со скоростью десять миль в час, снова не заберёт вас на борт».
Нетрудно представить себе, сколько сил и времени уходило в те времена на огибание таких излучин. И как подарок судьбы расценивался прорыв узкого перешейка, спрямление реки, сокращение водного пути. Немногие представляли себе, что в это же время в другом месте реки начинала интенсивно расти новая излучина, новая водная петля…
Но зачем неопределённо долго ждать «созревания» речного прорыва, когда можно искусственно подтолкнуть реку к спрямлению? Тем более с выгодой для себя. М. Твен прекрасно описал уникальные попытки гидрографического воровства с истинно американским размахом. «Когда вода в реке прибывает, какому-нибудь мошеннику, владельцу плантации, расположенной далеко от реки и поэтому малоценной, нужно только подкараулить удобный случай и как-нибудь в тёмную ночь, прорыв небольшую канавку через узкий перешеек, ввести в неё воду. Тогда... случится чудо: вся Миссисипи завладеет этим отводом, и плантация окажется на её берегу, вчетверо поднявшись в цене, зато плантация его соперника … очутится где-то далеко... Русло вокруг него скоро обмелеет … и она вчетверо упадёт в цене. На этих узких перешейках… всегда стоит охрана, и, если ей случится поймать человека, роющего канаву, — все данные за то, что ему больше никогда не придётся заниматься этим делом».
А вот описание того, как происходит превращение прокопа в новый водный путь: «Вода, как ножом, срезает берега. В момент, когда ширина рукава достигает двенадцати—пятнадцати футов (4—5 м), можно считать бедствие наступившим, потому что никакие силы земные отвратить его уже не смогут. Когда ширина достигает ста ярдов (около 100 м), берега начинают отваливаться ломтями… Скорость благодаря сокращению расстояния невероятно возрастает».
Последствия такого искусственного регулирования извилистости рек, спрямления излучин, углубления дна, формирования берегов могут быть самыми неожиданными. Начинаются эти работы «за здравие», а кончаются иногда «за упокой».
Попытки спрямления «извивающихся» рек предпринимаются давно. Одна из наиболее известных и затратных — спрямление Рейна. Началась она в 1825 году с реализации проекта под названием «Выпрямление Рейна начиная с того места, где он выходит из Швейцарии…», который предложил немецкий инженер Иоганн Готфрид Тула. К 1872 году Рейн был спрямлён в 18 местах, длина его русла сократилась на 50 км, он стал судоходен на всём протяжении. Правда, после того как меандры были отсечены и осушены, он стал походить больше на канал, чем на реку. Но, как говорят в народе, «если уж в какую-нибудь реку забрался чёрт, его не так-то легко выгнать оттуда».
Водоносность Рейна, как и его ширина, за сто пятьдесят лет не изменилась. Но поскольку сократилась его длина, увеличился уклон, скорость течения воды возросла и, как следствие, быстрее пошла глубинная эрозия. «Чёрт» был запущен.
«Ускоренный» Рейн начал с того, что углубил своё русло в некоторых местах до 10 м. Создав своеобразное ущелье, выпрямленный Рейн затруднил то самое судоходство, ради которого его выпрямляли. Пришлось старые порты опускать до нового уровня воды и заниматься наносами не в привычных меандрах, а в устье реки, где откладывалось теперь всё, что несла река. Понижение Рейна повлекло за собой и понижение уровня грунтовых вод. Прибрежные территории, ранее заболоченные, превратились в степные, а кое-где даже в полупустынные. Пришлось продумывать возможность их орошения… Лишь созданные в XX веке каскады водохранилищ с низконапорными плотинами в верховьях Рейна, а также работы по расширению русла реки позволили улучшить ситуацию.
Ещё суровее отомстила природа за вмешательство в русловые процессы в другой части Европы — в Венгрии. Там в середине XIX века реализовывался проект защиты от наводнений обширной равнины в нижнем течении Тисы. Для увеличения пропускной способности в период паводка русло реки в особенно извилистых местах было спрямлено и углублено. Длина его в результате сократилась на 480 км. Вдоль участков, не охваченных русловыпрямительными работами, возвели систему береговых валов общей длиной почти 3,5 тыс. км.
Во время паводка 1879 года углублённые и спрямлённые участки Тисы пропустили гораздо больше воды, чем в естественных условиях. Однако на сохранившихся в естественном состоянии участках, где пропускная способность русла осталась прежней, поток воды затормозился, уровень воды резко повысился, нагрузка на береговые дамбы возросла, и они были прорваны во многих местах, что привело к затоплению огромной территории Венгрии. Особенно сильно пострадал город Сегед, практически полностью разрушенный наводнением. Эта была одна из крупнейших катастроф в истории страны.
Европейский опыт «русловой хирургии» не пропал даром. Он многому научил американских проектировщиков, позволил им провести комплексную операцию над капризной и своенравной Миссисипи. В её нижнем течении создана впечатляющая система инженерной защиты от наводнений, состоящая из дамб обвалования, отводных каналов и противопаводковых накопительных резервуаров. Для увеличения пропускной способности реки были проведены русловыпрямительные работы, в результате которых её длина ниже города Кейро уменьшилась на 150 км. Часть паводкового стока отводится по каналам в накопительные водохранилища, часть — непосредственно в Мексиканский залив, а часть — в озеро, расположенное севернее Нового Орлеана. Система обеспечивает защиту от наводнений значительной территории пойменных земель и нескольких городов выше по течению. По существу, создана новая, во многом искусственная водная система.
Как видим, каждая попытка спрямить реку, а тем более удержать её в этом неестественном для неё состоянии, обходится человечеству всё дороже. Уж слишком сложная операция — «русловая хирургия»!
Вся суть «речной хирургии» и отношение к ней выражены в стихотворении Василия Фёдорова, написанном более полувека тому назад:
Да Винчи говорил:
Когда вы захотите
Какой-нибудь реке
Дать новый,
Лучший путь,
Вы как бы
У самой реки спросите,
Куда б она сама
Хотела повернуть.
Мысль Леонардо!
Обновись и шествуй,
И вечно торжествуй
На родине моей.
Природа и сама
Стремится
К совершенству,
Не мучайте её,
А помогайте ей!
Возможно, именно осознание тяжёлых последствий такого грубого вмешательства в тонкие и не всегда понимаемые природные процессы, позволило отказаться от многих масштабных гидротехнических проектов, в том числе от «поворота» сибирских рек или «переброски» части их стока на юг.
