Законы реакции в русловедении

(рисунки здесь не воспроизведены) 

В шестом номере журнала «Известия Русского Географического общества» за 2005 год была опубликована статья А. Н. Кондратьева «О проявлении принципа Ле Шателье – Брауна в русловых процессах» [1]. Основным выводом в ней являлось утверждение, что в естественных науках правомерно использовать принцип Ле Шателье – Брауна в широком толковании А. А. Богданова: «Если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению» [2]. Этот принцип представляет собой, по сути, формулировку отрицательной обратной связи.

В русловых процессах для системы «речной поток – речное русло» принцип Ле Шателье выражается в появлении ответной реакции, направленной на восстановление нарушенного баланса между руслоформирующими факторами. В статье [1] было показано, что этот принцип выражается, в частности, в ответном изменении типа русловых процессов при нарушении баланса между поступлением наносов и транспортирующей способностью потока.

Признавая правомерность применения принципа отрицательной обратной связи (Ле Шателье) в русловедении и других науках, необходимо указать, что этот принцип выражает лишь частный случай реакции системы на внешнее воздействие. Кроме отрицательных в системе могут проявляться и другие виды реакции: например,  безразличные или положительные.

Поэтому стоит рассмотреть полную систему законов реакции применительно к русловым процессам. Представляемые далее законы русловедения являются актуализацией системы законов природы, сформулированной Г. Е. Скворцовым в книгах [3, 4]. На основе анализа многих законов из различных отраслей естествознания Г. Е. Скворцов пришёл к выводу, что законы в разных науках имеют разное наименование и статус («постулаты», «принципы», «основные положения» и т.п.), но по сути они едины, и поэтому их можно обобщить, получив общие законы природы.

Система общих законов природы приведена в книге Г. Е. Скворцова [4]. Система законов включает в себя 10 разделов: законы сохранения, основных взаимодействий, структурности и системности, причинности, реакции, динамики, статистические, эволюции, подобия и сложных природных проблем.

Применение общих законов природы для формулировки частных законов в конкретной области науки называется актуализацией. Далее будет показана актуализация законов реакции применительно к русловедению, и сформулированы законы реакции для русловых процессов.

На базе каждого закона можно создать необходимое количество принципов. Принципы – это указания о том, как применять закон для определённых объектов или случаев. Например, закон отрицательной обратной связи приводит к формулировке в русловедении ряда принципов, отражающих специфику реакции системы при нарушении баланса между разными руслоформирующими факторами или при проявлении реакции на разных системных уровнях.

Система законов реакции включает: закон меры действия, законы очень малых, малых и умеренных воздействий, противодействия, границы качества, аномальности, концентрации ресурса, чередования режимов, разрушения системы и гистерезиса.

Первым законом реакции является закон меры действия: степень изменения типа русловых процессов определяется величиной меры действия (G). Мера действия (G) представляет собой соотношение между воздействием внешнего руслоформирующего фактора (g) и ответным противодействием внутреннего фактора системы (g_s): G = g/g_s.

Закон меры действия можно применить к разным руслоформирующим факторам и получить соответствующие принципы.

Принцип по относительной транспортирующей способности потока: внешний руслоформирующий фактор – поступление наносов R; внутренний противодействующий фактор – транспортирующая способность потока R_тр; мера действия – отношение между ними R_тр/R, т.е. «относительная транспортирующая способность потока» [5]. Более верно использовать обратное соотношение R/R_тр («относительная нагрузка наносами»). При разных мерах действия формируются различные типы русловых процессов.

Принцип по гидролого-морфологическому фактору образования пойменных проток: внешний фактор – воздействие водного потока на поверхность поймы при её затоплении; внутренний противодействующий фактор – степень размываемости разных участков поймы; мера действия – соотношение между ними. При превалировании внешнего фактора образуются пойменные протоки.

Аналогично можно сформулировать принципы по сочетанию других руслоформирующих действующих и внутренних противодействующих факторов. Например: степень развитости меандрирования и ограничение его развития коренными берегами [6], редукция стока и приспособление реки к унаследованным формам [7].

Закон меры действия показывает важность соотношения между внешним действием и внутренним противодействием. При разных мерах действия реакция системы «поток – русло» выражается по-разному.

Рассмотрим законы реакции при разных мерах действия. Для этого обратимся к рисунку 1. На нём изображена кривая стандартной зависимости реакции [4, стр. 114]. По оси абсцисс  отложена  мера действия G, по оси ординат – ответная реакция системы R.

Рис. 1. Упрощенная схема стандартной зависимости реакции [2, стр. 114].

1 – участок 1 (очень малая мера действия, отсутствие реакции); 2 – участок 2 (умеренная мера действия, линейная реакция); 3 – участок 3 (большая мера действия, нелинейная реакция); 4 – участок 4 (мера действия больше границы качества, обратная реакция); 5 – граница качества.

На рисунке 1 выделены четыре характерных участка: очень малой, умеренной и большой меры действия, а также меры действия, которая больше границы качества. Граница качества соответствует такой мере действия, при какой происходит качественное изменение системы.

Кривая аналогична так называемой S-образной кривой, описывающей развитие технических систем [8], и кривой сатурации, описывающей насыщение растворов, а также применяемой для описания развития науки [9]. Аналогия между этими кривыми основана на общих законах развития: медленный, быстрый, затем опять медленный рост и понижение. В виде примера можно привести вольтамперную характеристику, на которой закон Ома выполняется только на участке 2 (рис. 1). Другой пример: известно, что был дан прогноз, что к 2000 году количество учёных превысит количество всех людей на планете (если следовать по тенденции участка 2); в действительности темпы роста количества учёных были снижены (участок 3). При растяжении металлического прута сначала деформаций нет (участок 1 на рис. 1), затем деформации пропорциональны воздействию – закон Гука (участок 2), затем, после достижения предела текучести, прут разрушается (участок 4).

Для каждого участка, выделенного на рисунке 1, выполняется свой закон реакции.

Закон очень малых воздействий: при очень малом изменении руслоформирующих факторов ΔG≈0 тип русловых процессов не изменяется (система не реагирует на воздействие) (участок 1 на рис. 1). Отклик может проявляться на другом, более низком системном уровне.

На основе этого закона можно сформулировать набор принципов по каждому руслоформирующему фактору: при очень малом изменении поступления наносов (транспортирующей способности потока, ограничивающих факторов и т.д.) тип русловых процессов не изменяется.

Закон умеренных воздействий: при умеренных изменениях руслоформирующих факторов тип русловых процессов изменяется пропорционально воздействующему фактору (участок 2 на рис. 1). При таких воздействиях выполняется закон противодействия (закон отрицательной обратной связи или принцип Ле Шателье, на котором было заострено внимание в статье [1]): при умеренных нарушениях баланса между руслоформирующими факторами система «поток–русло» реагирует таким образом, чтобы вернуть баланс между руслоформирующими факторами.

На основе закона противодействия можно сформулировать несколько принципов, в частности: при умеренном изменении относительной транспортирующей способности в системе «поток–русло» возникает противодействие, направленное на восстановление баланса между транспортирующей способностью потока и расходом наносов. Это происходит за счёт морфологической перестройки русла и гидравлической перестройки потока, что приводит к изменения типа русловых процессов. Последовательность изменения типов русловых процессов при этом такова: развитое меандрирование – неразвитое меандрирование – побочневый процесс – русловая многорукавность [5].

Закон гистерезиса. Нарушение баланса между действующими и противодействующими факторами может происходить по-разному; соответственно, и восстановление будет совершаться разными путями. Более того, пути прямых и обратных переходов также могут различаться.

Принцип по относительной транспортирующей способности: при нарушении баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов восстановление баланса может происходить разными способами; это будет по-разному выражаться морфологически – в зависимости от того, за счёт чего было инициировано нарушение.

Среди внешних воздействий на систему «поток–русло» можно выделить четыре способа нарушения баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов: увеличение и уменьшение транспортирующей способности; увеличение и уменьшение поступления наносов (рис. 2а).

Рис. 2. Виды внешних воздействий (а) и ответных реакций системы «поток–русло» (б).

R – поступление наносов, R_тр ­– транспортирующая способность потока.

На эти четыре вида внешних воздействий в системе «поток–русло» имеются только два основных вида ответных реакций: увеличение и уменьшение транспортирующей способности (рис. 2б). Изменение транспортирующей способности потока достигается обычно либо изменением уклона водной поверхности за счёт изменения степени извилистости реки либо увеличением ширины фронта транспорта наносов [10].

При внешних воздействиях, которые изображены на рис. 2а стрелками влево (уменьшение транспортирующей способности потока R_тр, например, при уменьшении водности реки) или вверх (увеличение поступления наносов R, например, подмыв песчаного коренного берега, как случилось на нижней Зее [11]), происходит уменьшение относительной транспортирующей способности потока R_тр/R; поток перегружается наносами. Перегрузку наносами река может компенсировать лишь одним способом: увеличением транспортирующей способности потока (стрелка вправо на рис. 2б). Морфологически это выражается в выпрямлении русла и увеличении уклонов потока.

При других внешних воздействиях, которые приводят к увеличению относительной транспортирующей способности (уменьшение поступления наносов R и увеличение транспортирующей способности R_тр), река стремится восстановить равновесие уменьшением транспортирующей способности.

Важно, что один и тот же отклик (например, уменьшение транспортирующей способности) может привести к разным результатам: смене типа русловых процессов или к возврату к прежнему типу.

В случае, если дисбаланс получился из-за внешнего изменения транспортирующей способности потока, ответное противоположное изменение транспортирующей способности приводит к прежнему типу руслового процесса (рис. 3а,б). Например, при спрямлении излучин реки Миссисипи (с целью укорочения водного пути) увеличилась транспортирующая способность потока (жирная стрелка вправо на рис. 3б). Ответная реакция выразилась в уменьшении транспортирующей способности за счёт увеличения извилистости реки, что привело к возврату к прежнему типу русловых процессов (тонкая стрелка влево).

Рис. 3. Виды воздействий на реку и соответствующие ответные реакции реки.

R – поступление наносов, R_тр ­– транспортирующая способность потока.

Незалитые кружки – первоначальное состояние; крестики – состояние после внешнего воздействия; залитые кружки – состояние после внутренней реакции системы «поток–русло».

Виды воздействий показаны жирными стрелками: а – уменьшение транспортирующей способности потока; б – увеличение транспортирующей способности потока; в – увеличение поступления наносов; г – уменьшение поступления наносов.

Виды реакций показаны тонкими стрелками: а, в – увеличение транспортирующей способности потока; б, г – уменьшение транспортирующей способности потока.

В случаях а и б происходит возврат к прежнему типу русловых процессов; в случаях в и г – переход к другому типу русловых процессов.

В случае же, если изменение транспортирующей способности рекой производится в ответ на изменение не самой транспортирующей способности, а на изменение поступления наносов, деформации русла по новому типу руслового процесса сохраняются (рис. 3в,г). Например: «В русло реки с 1800 по 1920 г. сбрасывались отходы горного производства. В результате узкое однорукавное меандрирующее русло к 1904 г. превратилось в широкое малоизвилистое русло с осерёдками и пойменной многорукавностью» [12]. Сброс отходов горного производства привел к увеличению поступления наносов (стрелка вверх на рис 3в). Другой пример: меандрирующее ранее русло нижнего Амура около 1000 лет назад превратилось в многорукавное [13]. Причиной является перегрузка русла наносами (возможно, при интенсивном освоении территории древнего Китая под сельскохозяйственные угодья) (рис. 3в). Дисбаланс между транспортирующей способностью и увеличенным поступлением  наносов привёл к изменению типа руслового процесса (3), при котором транспортирующая способность потока увеличилась за счёт распластывания русла и стала равной новому поступлению наносов, что привело к тому, что участок реки стал развиваться по новому типу русловых процессов.

Виды воздействий на систему «поток–русло» и виды реакции можно подразделить на два класса.

1. Уменьшение или увеличение транспортирующей способности потока внешними воздействиями компенсируется посредством изменения той же транспортирующей способности. В этих случаях схема деформаций возвращается к первоначальному типу руслового процесса (рис. 3а,б и стрелки влево и вправо на рис. 4).

2. При изменении относительной транспортирующей способности за счёт изменения поступления наносов реакция реки в виде изменения транспортирующей способности приводит к изменению типа руслового процесса: при увеличении поступления наносов осуществляется переход к русловой многорукавности (рис. 3в); а при уменьшении – к меандрированию (рис. 3г, также см. рис. 4).

Рис. 4. Виды морфологических изменений системы «поток–русло» в результате реакции на различные внешние воздействия.

R – поступление наносов; R_тр ­– транспортирующая способность потока; стрелки – внешние воздействия.

Закон гистерезиса действует при умеренных воздействиях (участок 2 на рис. 1), где действует отрицательная обратная связь, т.е. принцип Ле Шателье. При дальнейшем увеличении воздействия (участок 4 на рис. 1) вступает в действие закон границы качества: при достижении воздействием такого значения, что ΔG = 1, в системе начинается качественное изме­нение.

Качественное изменение выражается в переходе реки в крайние проявления русловых процессов. Например, перенасыщение реки наносами может привести к подниманию русла, образованию «антидолины» и перемещению потока на бывшую пойму, которая теперь оказалась ниже русла (например,  Амударья, Терек, Или, Кубань, Кура, Хуанхэ и др.) [14]. Уменьшение водности приводит к появлению сухих русел, превалирование действия растительности приводит к формированию плавней, болотных процессов – к стоку по мари, действие наледей – наледных типов русел. Сильная антропогенная нагрузка (дночерпание, берегоукрепление) приводит к трансформации естественных рек в канализованные русла.

После перехода через границу качества действует закон разрушения системы: с ростом воздействия система разрушается. То есть речное русло исчезает, а система превращается в другой водный объект, например: сухое русло, озеро, водохранилище, сель, лавина и т.д.

На основе рассмотренных законов реакции можно сделать вывод, что закон отрицательной обратной реакции (принцип Ле Шателье) выполняется только в определённых пределах меры действия (рис. 1). Если мера действия очень мала, то ответная реакция системы «речной поток–речное русло» отсутствует или затушёвывается действием других руслоформирующих факторов. При малых и средних мерах действия выполняется отрицательная обратная связь, т.е. принцип Ле-Шателье – Брауна, рассмотренный в статье А. Н. Кондратьева [1]. По достижении границы качества в системе возникает качественное изменение, при этом возвращение к прежнему состоянию не происходит; т.е. проявляется положительная обратная связь. Положительная обратная связь приводит к разрушению системы «поток–русло», превращению в другой водный объект.

Примером ко всем законам реакции может быть последовательное изменение относительной транспортирующей способностью потока. Сначала оно незаметно, и тип русловых процессов не изменяется. Затем оно возрастает до такого, что действует принцип Ле Шателье, и возникает отрицательная обратная связь, происходит изменение типа русловых процессов. При дальнейшем росте воздействия система «поток–русло» разрушается, и возникают новые объекты.

В то же время нельзя считать, что изменение относительной транспортирующей способности является единственным действующим руслоформирующим фактором. При превалирование одного или другого руслоформирующих факторов действует закон смены главного фактора: тип русла, сформированный под воздействием некоего главного фактора (например, по линии «меандрирование – прямые – разветвлённые русла) может быть изменён под воздействием изменения другого фактора, если тот перейдёт через свою границу качества. Например, первоначально происходило изменение типа в соответствии с изменением относительной транспортирующей способности, а затем стал превалировать другой фактор, например, стали превалировать условия, приводящие к разработке пойменных проток.

Предыдущее действие и современное наложенное действие могут приводить к сложным сочетаниям. Потому может быть необычное сочетание, например, аккумулирующая врезанная река: ранее река врезалась, и её можно назвать врезанная, но сейчас она находится в стадии аккумуляции. Для описания таких многофакторных типов надо употреблять многофакторные классификации [15], а в первую очередь – принцип многоаспектных наименований.

Предложенный набор законов реакции в русловых процессах является примером актуализации законов природы [3, 4]. Такую актуализацию можно провести и для любой другой естественной науки. Выяснится, что в некоторых науках эти законы уже сформулированы, в других молчаливо подразумеваются или же ещё совершенно не известны.

Пример использования законов реакции показывает целесообразность применения полного набора законов природы, сформулированных в книгах [3, 4], из остальных классов: сохранения, основных взаимодействий, структурности и системности, причинности, динамики, статистические, эволюции, подобия и сложных природных проблем.

Литература.

1.   Кондратьев А. Н. О проявлении принципа Ле Шателье – Брауна в русловых процессах // Известия РГО, 2005. Т. 137. Вып. 6. С. 41-45.

2.   Богданов А. А. Тектология: Всеобщая организационная наука. М., Финансы, 2003, 496 с.

3.   Скворцов Г. Е. Картина мира природы (К1). СПб., 2003.

4.   Скворцов Г. Е. Система законов природы (К2). СПб.: Петрополис, 2004. 116 с.

5.   Кондратьев А. Н. Соотношение транспортирующей способности потока и стока наносов как условие формирования русел рек разных типов // Геоморфология. 1999. № 3. С. 14-18.

6.   Кондратьев А. Н. О гипотезах и причинах формирования русел // Водные ресурсы, 2001, Т. 28, № 5, С. 628-630.

7.   Знаменская Н. С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. Л.: Гидрометеоиздат. 1992. 240 с.

8.   Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач) / Г. С. Альтшуллер, Б. Л. Злотин, А. В. Зусман и др. Кишинев, Картя Молдавеняскэ, 1989, 381 с.

9.   Добров Г. М. Прогнозирование науки и техники. М., Наука, 1977, 209 с.

10. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 272 с.

11. Виноградов В. А., Клавен А. Б., Никитин В. Н., Турутина Т. В. Неравновесные процессы в формировании русел рек // Труды Академии проблем водохозяйственных наук. Вып. 9. Проблемы русловедения. М., Географический ф-т МГУ, 2003, с. 55-68.

12. Сидорчук А. Ю. Структура рельефа речного русла. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 126 с.

13. Прокачева В. Г., Снищенко Д. В., Усачев В. Ф. Дистанционные методы гидрологического изучения зоны БАМа. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 224 с.

14. Кузьмин И. А., Викулова Л. И., Шишова О. Н. Естественные общие деформации русел рек в условиях перенасыщения потока наносами / Тезисы докладов V Всесоюзного гидролог. съезда. Секция русловых процессов и наносов. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с. 30-32.

15. Кондратьев А. Н. Морфологический ящик природы / Развитие системы подготовки преподавателей, специалистов и исследователей ТРИЗ. Тезисы докладов. Петрозаводск, 2003, с. 180-186.