горных пород, – который переносится вместе с естественным потоком воды в реке. Поскольку вода движется, она обладает кинетической энергией. Река использует эту энергию для выполнения следующих видов работы:
Течение (flowing) – в буквальном смысле этого слова, т. е. перемещения водяной массы и ничего больше. Но, помимо растворения некоторых веществ на этом пути, река выполняет еще кое-что.
Транспортировка (transporting) – при условии достаточности энергии, вода будет переносить с собой материалы, направляя их вниз по течению.
Эродирование (eroding) – вне зависимости от того, частицы каких веществ растворены в воде, эрозивный потенциал реки будет весьма незначительным, при условии, что река не находится в высокоэнергетическом состоянии. Таким состоянием река обладает лишь на отдельных ее участках, где течение достаточно быстрое – таких, например, как пороги. А также в определенное время года, когда уровень стока достигает максимальных величин.
Методы транспортировки
В зависимости от размеров частиц и скорости воды, при транспортировке материалов река использует следующие процессы:
Растворение – как можно предполагать, растворимый материал растворяется в реке и переносится водой – легкий груз для начала.
Образование взвеси – мелкие частицы, такие как тина, ил или пылеватый материал, находятся в виде взвеси на поверхности текущей воды и в этом состоянии переносятся водой.
Скачкообразное движение – в силу увеличения энергии реки, материал переносится вдоль по течению, с последовательным чередованием процессов образования временных взвесей и процессов отложения осадков.
Волочение – в тех случаях, когда валун слишком крупный, чтобы его можно было перенести, или течение воды слишком медленное, чтобы увлечь его, он транспортируется с помощью волочения – происходит простое перекатывание или скольжение груза по дну реки.
В действительности, материал переносится вниз по течению самыми различными способами.
Груз, который переносится с помощью волочения, например, может начать набирать скорость, столкнуться с материалом, лежащим на дне русла реки, и на короткий момент может оказаться приподнятым, превратившись во взвесь.
И, конечно же, есть шанс, что на протяжении большей части года с большей частью груза в большинстве рек ничего не будет происходить.
Кривая Хельстрёма
Для географов кривая Хельстрёма является одним из самых удивительных и информативных графиков, свидетельствующий о том, что взаимосвязь между размерами частиц и скоростью воды не такая простая, как может показаться на первый взгляд.
Эта кривая была впервые предложена шведским географом в середине ХХ века, и была создана в результате исследований, проведенных на базе искусственной реки (канала). Хельстрём вносил небольшие изменения в скорость водного потока и отмечал влияния этих изменений на донные отложения различных размеров.
На графике показаны две кривые. Верхняя отражает скорость водного потока, необходимую для того, чтобы подхватить частицы определенного размера, нижняя кривая соответствует минимальной скорости, необходимой для поддержания частиц в подвешенном состоянии в воде, то есть в виде взвеси. Отсюда следует, что частицы начнут осаждаться, если скорость течения воды в реке замедлится до уровня ниже скорости осаждения, и будут снова захватываться водным потоком, если скорость течения воды в реке сравняется со скоростью эрозии или скоростью захвата. Кажется очевидным, почему для того, чтобы крупный обломок породы был подобран или подхвачен водным потоком, необходимо, чтобы скорость этого потока была достаточно высокой. Также ясно, что, если течение воды вокруг обломка породы замедлится или сменится менее турбулентным и более медленным потоком, обломок опустится на дно. Но почему водному потоку требуется так много энергии для того, чтобы захватить мельчайшие частицы глины? В конце концов, кусочек породы меньший по размеру, чем песчинка, весит не так уж много.
Ответ и сложен, и прост одновременно. Простая часть ответа состоит в том, что мельчайшие частицы материала на дне реки склеиваются так плотно друг к другу, что воде очень сложно проникнуть между ними и поднять их со дна. Сложная часть ответа заключается в том, что глина имеет слоистую текстуру, так как она состоит из мицелл или микрокристаллов. Глинистые частицы заряжены отрицательно и возможно именно этот заряд способствует удерживанию частиц на дне реки, так что для их захвата со дна требуется дальнейшее увеличение скорости водного потока. Будучи подхваченными, ультра-мелкие частицы материала теоретически никогда не должны осаждаться, так как их масса столь незначительна, что для поддержания их во взвешенном состоянии требуется совсем небольшое количество энергии.
Именно материал такого размера придает ледниковым рекам их дымчатый вид и делает воды Амазонки в том месте, где она начинается, «полосатыми»: в месте слияния темных вод Риу-Негру и Солимойнс. Конечно же, тончайшие частицы не могут оставаться во взвешенном состоянии бесконечно долго, и они рано или поздно должны будут осаждаться. Именно этот материал помогает формированию рельефа и очертаний суши в устье реки.
Уравнение Мэннинга
Эта формула была предложена во 2-ой половине XIX столетия ирландским инженером Робертом Мэннингом, который пытался усовершенствовать метод определения скорости реки. С учетом того, что инженерные проекты тогда становились все более масштабными и все более смелыми, появление метода вычисления скорости речного потока имело огромное значение. В уравнении Мэннинга были воедино собраны все три фактора, влияющие на скорость течения реки:
Скорость = [площадь поперченного сечения / периметр смоченной поверхности] 2/3 × градиент 1/2 / n Мэннинга.
Или
Эта теоретическая модель вобрала в себя все переменные, так или иначе оказывающие влияние на скорость течения реки. Площадь поперечного сечения русла и смоченный периметр[6] указывают на эффективность формы русла, градиент соответствует силе, действующей по всей длине речного профиля, а «n» Мэннинга является показателем степени влияния размера переносимого рекой материала (неровности дна). Эта величина может быть вычислена путем выборочного обследования размеров донного материала, и в целом, чем крупнее донные наносы, тем выше значение этой величины. Таким образом, в холодных верховьях Сноудонии могут наблюдаться значения равные 0,10, тогда как у устья[7] рек они могут быть равны 0,02. Это отчасти объясняет, почему самые быстрые речные потоки встречаются не в верхнем течении рек. Вблизи истоков градиенты очень высоки, а донные наносы очень крупные, к тому же возникновение ряби и завихрений также способствуют здесь снижению средней скорости реки.
ЕМКОСТЬ И ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ РЕК
Для отражения изменений в способности реки выполнять работу используются два показателя:
емкость реки – измеряется по самому большому отдельно взятому обломку материала, который может быть захвачен речным потоком в данный момент времени;
пропускная способность реки – суммарный объем материала, который может переноситься рекой за данный период
