Глава 9. Рельеф постоянных водотоков

Основной формой рельефа постоянных водотоков являются речные долины или относительно узкие длинные ложбины, образо­ванные реками и имеющие уклон в соответствии с их течением от верховьев к низовьям. Речные долины широко распространены на суше, а в гумидном климате их сочетание создает специфический долинный тип рельефа, основу которого составляют речные долины и водоразделы между ними. От характера долинной системы зави­сит общий облик рельефа: степень его расчлененности, характер основных процессов, накопление рыхлых отложений или их вынос в ближайшие понижения и многое другое. В горных странах реч­ные долины поражают своей глубиной, превышающей 1 — 1,5 кило­метра, а на равнинах— шириной, достигающей нескольких десятков километров. Для геоморфолога изучение речной долины представ­ляет первостепенный интерес, так как ее строение, состав и мощ­ность аллювия, направление эрозионной и аккумулятивной деятель­ности раскрывают историю развития не только реки, но и прилегаю­щей части ее бассейна, а также позволяют прогнозировать возможность использования в хозяйственной деятельности.

Учитывая общие законы деятельности водотоков, можно зара­нее сказать, что характер речных долин очень разнообразен и зави­сит от массы воды и скорости течения, положения базиса эрозии, направления современных эпейрогенических движений, геологичес­ких структур, состава горных пород Деятельность реки в каждый отрезок времени характеризуется морфологией ее продольного и поперечного профиля. За период своего существования каждая река стремится выработать себе профиль равновесия в виде плав­ной вогнутой кривой, напоминающей параболу. Продольный про­филь реки обладает способностью к саморазвитию, общая тенден­ция которого состоит в стремлении водотока к выравниванию сво­его продольного профиля в процессе регрессивной эрозии.

Представим себе молодую реку, текущую по наклонной по­верхности, которая сложена различными породами. В начальной ста­дии эрозионного цикла продольный профиль имеет черты невыра­ботанного, т.е. состоящего из участков относительно пологих и вог­нутых в мягких породах и выпуклых в виде ступеней в местах выходов твердых пород. Именно в этом месте образуются стрем­нины, пороги, водопады. В плане такая невыработанная долина будет иметь "четковидную" форму, где озеровидные расширения (плесы) с незначительной скоростью течения чередуются с узкими участка­ми — перекатами, на которых скорость течения резко увеличивает­ся. Для каждого переката лежащий ниже по течению плес служит локальным базисом эрозии, на уровне которого происходит аккуму­ляция влекомого и взвешенного материала. От этого уровня выступ продольного профиля отодвигается вверх по течению в процессе пятящейся эрозии, одновременно спрямляя на перекате продольный профиль. В начальную стадию эрозионного цикла устье реки распо­ложено выше базиса эрозии — "висит" над ним подобно оврагу. Этим объясняется большая энергия реки и способность ее выпол­нять активную глубинную эрозию. Поперечный профиль невырабо­танных (неоформленных) долин имеет ряд индивидуальных черт. Особенно ярко они проявляются в горных реках и на высоких пла­то, где значительные уклоны и низкое положение базиса эрозии способствуют глубинной эрозии. Такие долины отличаются не только большой глубиной, но и отвесными склонами, близко подходящими друг к другу. Дно долин занято спрямленным руслом, пойма отсут­ствует, а аллювий представлен галечниковым и каменистым мате­риалом. В кристаллических породах и в массивных известняках образуются кляммы (от нем, klатт), т.е. глубокие узкие щели, ши­рина склонов которых в верхней части не более ширины днища долины, а иногда и менее его, так что склоны нависают под дном долины. Намного чаще горные долины имеют характер ущелий глу­биной более 1000 метров с отвесными склонами, узкое днище их занято руслом. На склонах обнажаются кристаллические или дис­лоцированные осадочные породы, рассеченные рекой. Классическим примером может служить Дарьяльское ущелье Терека на Кавказе, глубочайшие ущелья рек Западного Памира, Гималаев.

На высоких равнинах, плато, нагорьях невыработанные доли­ны носят название каньонов. В отличие от ущелий, каньоны часто возникают в горизонтально залегающих осадочных породах различной твердости, поэтому при врезании реки образуется система террасовидных уступов — структурных террас (рис. 24). Подобно ущельям, каньоны отличаются большой глубиной, узким днищем, заня­тым водотоком. Реки, впадающие в такой каньон, также образуют глубоко врезанные долины, которые расчленяют территорию, прида­вая ей характер эрозионных гор с плоскими вершинами. Всемир­ную известность получил Большой каньон реки Колорадо, глубина которого достигает 1800 метров, а система притоков образует одно из живописных глубоко расчлененных и труднодоступных мест на Северо-Американском материке. М. Шварцбах в книге "Великие памятники природы" пишет: "Первоначально обширное плато Ко­лорадо не было гористым. Поверхность слоев осадочных пород, слагающих плато, как пестрые листы книги первоначально рассти­лались приблизительно на уровне моря почти там, где эти слои не­когда отлагались. Праколорадо и другие реки пересекали это низ­кое плато в больших неправильных меандрах. Решающее, или луч­ше сказать "врезающее", значение имело постепенное поднятие плато тектоническими силами, начавшееся в третичном периоде. Река не могла оставаться к этому безучастной и врезалась в плато, как вгры­зается циркулярная пила в бревно, которое подводят к ней снизу". Последней разновидностью невыработанных долин считают­ся V-образные долины, характеризующие дальнейшее развитие эрозионного цикла и приближение к оформленной долине. В V-образной долине склоны хотя и крутые, но широко расходятся в сто­роны, а дно осложняется молодой поймой.

Своеобразный характер имеют молодые неоформленные до­лины на низменных равнинах, образованных в эпоху последнего оледенения. Примером могут служить небольшие протоки, соединяющие многочисленные озера на севере Беларуси, в Прибалтике, Ка­наде. Неоформленность выражается в неразработанности продоль­ного профиля, четковидном характере долин, представленных прак­тически только руслом. При стабильном положении базиса эрозии выработка профиля равновесия происходит очень медленно. В усло­виях понижения базиса эрозии дренирующей реки протоки осуществляют глубинную эрозию, что приводит к спуску озер и выравни­ванию образовавшихся на их месте долин в профиле и в плане.

Процесс выработки профиля равновесия изменяет морфоло­гию продольного и поперечного профиля долины, и эрозионный цикл переходит в стадию зрелости. Продольный профиль при этом не только сполаживается, но одновременно становится более крутым в среднем течении за счет уменьшения уклонов и глубинной эро­зии в устье. В конце концов река достигает такого состояния, при котором она может производить только боковую эрозию и транспортировку материала, т.е. вырабатывать профиль равновесия (рис. 25). Достижение равновесного состояния начинается от низо­вья реки и постепенно перемещается к верховьям. В стадии зрелос­ти речная долина имеет специфические черты, которые позволяют отнести ее к оформленным, или пойменным. Благодаря плоскому днищу и относительно крутым склонам, такие долины называются ящикообразными.

Боковая эрозия выполняет большую работу по расширению долины, при этом вырабатываются излучины и меандры, а склоны расходятся на расстояние в несколько километров. Одновременно в зрелой долине идет процесс накопления аллювия, который начи­нается в устье и продвигается вверх по течению. Теперь уже ниж­нее течение реки не "висит" над базисом эрозии, а соединяется с ним на одном уровне. При последующем сокращении уклона в нижнем течении образуется дельта, русло реки разбивается на рукава, аллювий медленно перемещается в зависимости от скорос­ти течения. Река вступает в стадию дряхлости (рис. 26).

Описанный эрозионный цикл, как правило, в природе наруша­ется в результате движения земной коры или изменения уровня океана. При понижении уровня (отступание моря, поднятие суши) устье реки может оказаться в положении "висячего". Это вызывает процесс врезания русла в собственный аллювий или коренные породы и процесс глубинной эрозии передается вверх по течению. Начинает­ся процесс "омолаживания" продольного профиля, появления признаков невыработан­ной долины. В первый момент признаки омоложения будут обнаруживаться в нижнем течении, в то время как в среднем еще сохраняются черты зрелости. При повтор­ном врезании реки ее старая пойма оказывается выше нового русла и таким образом в поперечном профиле появ­ляется надпойменная терраса.

В том случае, если от­ступание моря или озера осуществляется на одном уров­не с устьем реки, последнее смещается вслед за базисом эрозии, расходясь при этом на протоки, образуя низкую дель­ту. Такого происхождения, по-видимому, дельта Волги.

Иные изменения наблю­даются в долине при подня­тии базиса эрозии. В этом случае от места впадения реки (моря, озера) образуется под­пор воды, нижний отрезок реки превращается в залив, эстуарий, а устье отодвигает­ся вверх по течению. В даль­нейшем процесс прекращается с помощью усиленного накопления аллювия и подъема таким образом русла на новый уровень. Интен­сивное накопление аллювия передвигается вверх по течению благо­даря появлению выпуклого участка продольного профиля в нижнем течении и резкого падения уклонов. Процесс старения реки сопровождается распластованием водного потока, образованием широких пойм, рукавов, островов, заводей, в которых скапливаются глинистые и илистые толщи.

Морфология речных долин

Основными элементами оформленной речной долины явля­ются склоны, днище, русло. Линия перегиба основания склона и дни­ща называется подошвой, а линия перегиба верхней части склона — бровкой. Склоны могут быть прямыми, выпуклыми, ступенчатыми (террасированными). В зависимости от происхождения, возраста. стадии развития, геологических структур, рельефа, современных дви­жений, климата долины имеют различный морфологический облик. Уже говорилось о том, что на ранних стадиях развития в горах при низком базисе эрозии долины носят неоформленный характер кляммов, ущелий, У-образных долин. В таких же условиях на плато и высоких равнинах реки образуют каньоны. Дальнейшее преобра­зование речных долин, выработка профиля равновесия ведет к их расширению и формированию пойменной, или оформленной, доли­ны с преобладанием боковой эрозии. В этом состоянии днище до­лины представлено поймой, которая покрывается водой лишь в по­ловодье или паводки. В меженное время река размещается в русле, т.е. длинном узком понижении на дне долины, выработанном вод­ным потоком и играющем весьма существенную роль в формиро­вании долины.

По внешнему виду различают русла прямолинейные, фуркирующие (дробящиеся на рукава) чаще всего в реках, перегружен­ных обломочным материалом, и меандрирующие (извивающиеся). Дробление русла на рукава и разделяющие их острова обычно для дельтовых участков, при выходе горных рек на равнины, в местах пересечения рекой отрицательной геологической структуры и свя­зано с резким сокращением уклонов и скорости течения.

В русле каждой реки образуются специфические формы, в первую очередь плесы и перекаты, нарушающие равномерный уклон речного дна (рис. 27).Типичный перекат равнинной реки пред­ставлен асимметричной песчаной грядой, пересекающей русло под углом. Склон гряды, совпадающий с течением, крутой (называется подвальем), а противоположный — отлогий. Примыкающие к бере­гам и возвышающиеся над меженным уровнем расширенные части гряды переката именуются побочнями — нижним и верхним. Глубокая часть русла у противоположного побочного берега называет­ся плесом, а седловина между побочнями — корытом переката. Пле­сы и перекаты имеют тенденцию в период половодья смещаться вниз по течению реки со скоростью сотен метров в год.

Основой динамических русловых процессов является турбу­лентный характер движения воды. Особая черта русла — его изви­листость, которая служит показателем устойчивого состояния реки на данной стадии. Прямолинейные русла встречаются относительно редко в стадии молодости и преобладания глубинной эрозии. В молодых реках первая излучина образуется при встрече потока с любым препятствием (более твердой породой, выступом поверх­ности и т.д.). Вслед за первой ниже по течению возникает вторая, за ней третья и т.д. Образование излучин связано с тем, что центробежная сила в потоке первой излучины отбрасывает поток воды к вогнутому берегу ниже по течению Струя наиболее быстрого (стрежневого) течения подмывает вогнутый берег, и в результате образуется излучина. Ниже снова все повторяется. Постепенно вогну­тый берег излучины подмывается и становится обрывистым, а про­тивоположный — низким, намытым. В этом месте образуется при­русловая отмель. С течением времени излучины все глубже вдают­ся в вогнутый берег, радиус их кривизны увеличивается и образуются меандры, получившие название по типичной в этом отношении реке Меандр в Малой Азии. Развитие меандр направлено на расшире­ние долины. Кроме того, существует тенденция смещения меандр вниз по течению, так что выпуклый берег постепенно срезается и ширина долины уравнивается (рис. 28).

Полная излучина состоит из двух изгибов (колен). В каждом колене различают вершину и крылья изгиба. Выделяется также ра­диус излучины— расстояние между основанием двух крыльев. От­ношение длины излучины к ее проекции на продольную ось долины называется коэффициентом извилистости. Средняя величина этого показателя для равнинных рек составляет 1,5 - 2 и более.

В плане излучины имеют неодинаковую форму и разделяют­ся на сегментные, синусоидальные, омеговидные, сундучные, завален­ные (косые), сложные. Различают излучины первичные и вторич­ные. Первые обусловлены рельефом и структурами земной поверх­ности (например, Самарская Лука на Волге). Вторичные излучины формируются работой самой реки в однородных породах и отлича­ются выдержанностью размеров и радиусов. Среди вторичных из­лучин выделяются три типа: вынужденные, свободные и врезанные. Первые образуются из-за наличия препятствия в виде выступа твер­дых пород, конуса выноса в долине или балке и т.д. Свободные, или блуждающие, меандры создаются самой рекой в рыхлых аллюви­альных отложениях в пределах поймы. Их формы, размеры, динами­ка определяются водностью и режимом реки. Например, радиус кри­визны пропорционален ширине русла, а следовательно, расходу воды. Мелководные реки равнин имеют большую кривизну излучин, чем крупные многоводные. Скорость смещения излучин зависит от рас­ходов воды и уклона. Врезанные меандры образуются из свобод­ных при интенсивном проявлении глубинной эрозии. В этом слу­чае в каждую излучину входит выступ коренного склона долины реки или ее надпойменных террас. Таким образом, в формировании врезанных меандр принимает участие не только русло, но и вся долина. Примером могут служить глубоко врезанные меандры в долине реки Сан-Хуан — притока Колорадо. Они получили образ­ное название "гусиные шеи" goosenecks).

В оформленных долинах вершины двух соседних меандр сбли­жаются и между ними остается лишь узкий перешеек, который в период половодья разрушается, река спрямляет русло, а оставша­яся вершина меандры превращается в старицу (староречье).

Пойма, ее образование, рельеф

Пойма — это приподнятая над меженным уровнем воды в реке часть дна долины, покрытая растительностью и затопляемая только в половодье. Образование ее является признаком оформ­ленной долины и связано с процессом меандрирования. Механизм формирования поймы описан многими авторами: в каждой излучи­не стрежневое течение подмывает вогнутый берег и одновременно интенсивно углубляет русло. Турбулентность движения воды спо­собствует перемещению и дифференциации разрушенного материа­ла. Наиболее мелкие глинистые частицы во взвешенном состоянии уносятся вниз по течению реки; более крупный песчаный материал относится донными струями и откладывается у противоположного выпуклого берега. На дне плеса у вогнутой части излучины остает­ся только наиболее грубый валунно-галечниковый материал, образу­ющий цоколь аллювиальных отложений. Наиболее ярко все процес­сы происходят в половодье, а в меженный период песчаный мате­риал выпуклой части излучины обнажается из-под воды, формируя участок прирусловой отмели будущей поймы. Из года в год русло реки смещается в сторону вогнутого берега и прирусловая отмель расширяется, а прерывистость этого процесса приводит к оформле­нию дугообразных гряд (грив) и межгривных понижений (рис. 29).Аллювий прирусловой отмели обычно грубого состава и зависит от скорости течения воды в русле. Механический состав и сортировка его меняются при колебании уровня воды, что вызывает косую слоистость. Описанный процесс постепенно смещается вниз по те­чению вместе с излучинами, и линия поймы, таким образом, спрям­ляется. С течением времени высокие участки прирусловой отмели заливаются водой только в половодье. На ней появляется расти­тельность; на открытых участках возникают небольшие дюны. Чем ближе к тыловому шву (подошве) поймы, тем мельче состав пойменного аллювия, который разнообразится прослоями илистого ал­лювия старичного типа Мощность аллювия обычно не превышает разницы высот максимального уровня половодья и самого глубоко­го участка реки — нормальный аллювий. Однако в условиях текто­нического погружения или подъема уровня океана мощность аллю­вия может увеличиваться во много раз. По этому признаку различа­ют поймы аккумулятивные (с нормальной мощностью аллювия) и цокольные, связанные с проявлением глубинной эрозии с маломощным аллювием, залегающим на породах иного происхождения.

Таким образом, пойма образуется в результате смещения из­лучин и начинается с прирусловой отмели у выпуклого берега. В оформленной долине в результате длительной эволюции возни­кает двусторонняя пойма, придающая долине ящикообразный облик.

Пойма относится к числу динамичных форм рельефа. Русло­вые процессы вызывают перемещение аллювия и появление харак­терных микроформ. Вдоль русла формируется прирусловая отмель, или прирусловой вал. Он возникает в результате аккумуляции круп­ных частиц на участке резкого сокращения скорости потока на гра­нице русла и поймы. Прирусловой вал отделяет от русла остальную пониженную часть поймы, зарастает представителями песколюбов и ксерофитов.

Основная часть поймы — центральная пойма, где в период половодья отлагаются лишь мелкие глинистые частицы. Воды поло­водья в этом месте движутся медленно, задерживаются дольше, а иногда и вовсе не возвращаются в русло, что способствует забола­чиванию. Рельеф центральной поймы чаще всего гривистый. Гри­вы — остатки древних прирусловых валов перемежаются с пони­жениями, занятыми болотами и вытянутыми старичными озерами. Третья часть поймы — присклоновая (притеррасная) занимает по­нижение тылового шва или подошвы склона. Обычно она сильно заболочена за счет выходов грунтовых вод и обводнена руслами небольших впадающих рек, которые, достигнув поймы, движутся в понижении тылового шва вдоль русла основной реки.

Усложняют строение поймы также конусы выноса времен­ных потоков, "останцы", возникающие после прорыва шейки врезан­ных меандр и отчленения участка коренного склона, а также дюны на поверхности прирусловых валов.

Поймы равнинных рек, особенно крупных, достигают значи­тельной ширины — до нескольких километров. В таких случаях об­разуется особый тип ландшафта — пойменная низменность, используемая в хозяйственной деятельности: в естественном состоянии здесь распространены сенокосные угодья, урожайность их зависит от высоты, сроков половодья и микрорельефа.

По характеру рельефа принято различать сегментные, парал­лельно-гривистые, обвалованные типы пойм. Первые характерны для меандрирующих рек; параллельно-гривистые поймы возникают при тенденции крупных рек смещаться в сторону одного из скло­нов (Волга, Енисей); обвалованные поймы свойственны рекам, пе­ресекающим предгорные равнины. Многие крупные реки, пересека­ющие предгорные равнины, несут огромное количество рыхлого ма­териала (Риони, Кубань, Миссисипи), в результате чего русло реки и прирусловые валы оказываются выше остальной части поймы и даже прилегающей равнины. Во время половодья вода прорывает прирусловые дамбы, заливает окружающие территории, не в состо­янии вернуться обратно в русло. Возникают широкие заболочен­ные территории — плавни. Для борьбы с заболачиванием естествен­ные дамбы искусственно повышают и осушенную (польдерную) территорию поймы интенсивно используют в сельском хозяйстве. Так текут в нижнем течении реки Миссисипи, Риони, Терек и др. Систему польдеров предполагается создать вдоль реки Припять для защиты от наводнений и интенсификации использования заболо­ченных пойменных угодий.

В эпоху современного техногенеза естественные русла и пой­мы рек нередко подвергаются значительным изменениям, не всегда благоприятным для жизни рек. Это касается спрямления русл, в результате чего половодья протекают очень быстро и бурно, а в меженный период уровень воды резко понижается (например, сооружение Цимлянского водохранилища заметно сократило поло­водье в нижнем течении Дона). Естественный процесс деятельнос­ти реки искусственно изменяется и в рациональном направлении: при создании вдоль продольного профиля системы водохранилищ — каскадирование — в целях уменьшения эрозии, твердого стока, на­копления необходимых для хозяйства объемов воды и т.д. Приме­ром может служить река Волга.