Меандр — одна из серии правильных извилистых изгибов русла реки или другого водотока . Он образуется, когда водоток размывает отложения внешнего вогнутого берега ( срезанного берега или речной скалы ) и откладывает отложения на внутреннем выпуклом берегу, который обычно представляет собой острую полосу . Результатом этой совместной эрозии и седиментации является образование извилистого русла, поскольку русло мигрирует взад и вперед поперек оси поймы . [1] [2]
Зона, внутри которой меандрирующий поток периодически меняет свое русло, называется поясом меандра . Обычно она составляет от 15 до 18 раз больше ширины канала. Со временем меандры мигрируют вниз по течению, иногда за такое короткое время, что это создает проблемы гражданского строительства для местных муниципалитетов, пытающихся поддерживать стабильность дорог и мостов. [1] [2]
Степень извилистости русла реки, ручья или другого водотока измеряется его извилистостью . Извилистость водотока – это отношение длины русла к расстоянию по прямой линии вниз по долине. Ручьи или реки с одним руслом и извилистостью 1,5 и более определяются как извилистые ручьи или реки. [1] [3]
Этот термин происходит от извилистой реки Мендерес , расположенной в Малой Азии и известной древним грекам как Μαίανδρος Maiandros ( лат . Maeander ), [4] [5] характеризующейся очень извилистым путем в нижнем течении. В результате даже в классической Греции (и в более поздней греческой мысли) название реки стало именем нарицательным, означающим все запутанное и извилистое, например, декоративные узоры или речь и идеи, а также геоморфологические особенности . [6] Страбон сказал: «...его течение настолько извилисто, что все извилистые называются извилистыми». [7]
Река Меандр протекает к югу от Измира, к востоку от древнегреческого города Милет , ныне Милет, Турция. Он протекает через серию из трех грабонов в массиве Мендерес, но имеет пойму, намного шире, чем зона меандра в его нижнем течении. Ее современное турецкое название — река Бююк Мендерес . [8]
Меандры возникают в результате взаимодействия воды, текущей по изогнутому руслу, с нижележащим руслом реки. Это создает спиральный поток , при котором вода движется от внешнего берега к внутреннему вдоль русла реки, а затем стекает обратно на внешний берег у поверхности реки. Это, в свою очередь, увеличивает пропускную способность наносов на внешнем берегу и уменьшает ее на внутреннем берегу, так что отложения размываются с внешнего берега и переотлагаются на внутреннем берегу следующего меандра, расположенного ниже по течению. [9]
Когда жидкость подается в изначально прямой канал, который затем изгибается, боковые стенки создают градиент давления, который заставляет жидкость менять курс и следовать за изгибом. Отсюда происходят два противоположных процесса: (1) безвихревое течение и (2) вторичное течение . Чтобы река извивалась, должен доминировать вторичный поток.
Безвихревой поток : согласно уравнениям Бернулли, высокое давление приводит к низкой скорости. Следовательно, в отсутствие вторичного потока мы могли бы ожидать низкую скорость жидкости на внешнем изгибе и высокую скорость жидкости на внутреннем изгибе. Этот классический результат механики жидкости представляет собой безвихревое вихревое течение. В контексте извилистых рек в его эффектах преобладают эффекты вторичного стока.
Вторичный поток : существует баланс сил между силами давления, направленными на внутренний изгиб реки, и центробежными силами, направленными на внешний изгиб реки. В контексте извилистых рек пограничный слой существует внутри тонкого слоя жидкости, которая взаимодействует со руслом реки. Внутри этого слоя, согласно стандартной теории пограничного слоя, скорость жидкости фактически равна нулю. Центробежная сила, которая зависит от скорости, также фактически равна нулю. Однако сила давления не зависит от пограничного слоя. Поэтому внутри пограничного слоя преобладает сила давления и жидкость движется по дну реки от внешнего излучина к внутреннему. Это инициирует геликоидальный поток: вдоль русла реки жидкость примерно следует изгибу русла, но также вытесняется к внутреннему изгибу; Вдали от русла реки жидкость также примерно следует изгибу русла, но в некоторой степени вытесняется изнутри изгиба наружу.
Более высокие скорости на внешнем изгибе приводят к более высоким напряжениям сдвига и, следовательно, к эрозии. Аналогичным образом, более низкие скорости на внутреннем изгибе вызывают меньшие напряжения сдвига и происходит отложение. Таким образом, изгибы меандра разрушаются на внешнем изгибе, в результате чего река становится все более извилистой (до тех пор, пока не произойдет отключение реки). Отложения на внутреннем излучине происходят так, что для большинства естественных извилистых рек ширина реки остается почти постоянной, даже по мере ее развития. [10]
В своей речи перед Прусской академией наук в 1926 году Альберт Эйнштейн предположил, что, поскольку сила Кориолиса Земли может вызвать небольшой дисбаланс в распределении скорости, например, скорость на одном берегу выше, чем на другом, это может вызвать эрозию. на одном берегу и отложение наносов на другом, что приводит к образованию меандров [11] . Однако силы Кориолиса, вероятно, незначительны по сравнению с другими силами, действующими на образование речных меандров. [12]
.jpg/1280px-The_Carstairs_meanders_from_the_air_(geograph_5676421).jpg)
Техническое описание извилистого водотока называется геометрией меандра или геометрией меандра в плане . [13] Характеризуется как нерегулярная форма волны . Идеальные формы сигналов, такие как синусоидальная волна , имеют толщину в одну линию, но в случае потока необходимо учитывать ширину. Полная ширина берега — это расстояние поперек русла в среднем поперечном сечении на уровне всего потока, обычно оцениваемое по линии самой низкой растительности.
В качестве формы волны извилистый поток следует оси нисходящей долины, прямой линии, подходящей к кривой так, что сумма всех измеренных от нее амплитуд равна нулю. Эта ось представляет общее направление потока.
В любом поперечном сечении поток движется по извилистой оси, средней линии пласта. Две последовательные точки пересечения извилистой оси и оси нижней долины образуют петлю меандра. Меандр представляет собой две последовательные петли, направленные в противоположные поперечные направления. Расстояние одного меандра вдоль оси нижней долины — это длина или длина волны меандра . Максимальное расстояние от оси нижней долины до извилистой оси петли представляет собой ширину или амплитуду меандра . Курс в этой точке является апексом.
В отличие от синусоидальных волн, петли извилистого потока более круглые. Кривизна варьируется от максимума на вершине до нуля в точке пересечения (прямой линии), также называемой перегибом, поскольку кривизна меняет направление в этой окрестности. Радиус петли представляет собой прямую линию, перпендикулярную оси нижней долины, пересекающую извилистую ось на вершине . Поскольку контур не идеален, для его характеристики необходима дополнительная информация. Угол ориентации — это угол между извилистой осью и осью нижней долины в любой точке извилистой оси.
Петля на вершине имеет внешний или вогнутый берег и внутренний или выпуклый берег. Пояс меандра определяется средней шириной меандра, измеренной от внешнего берега до внешнего берега, а не от средней линии до средней линии. Если и есть пойма , то она выходит за пределы пояса меандра. Тогда говорят, что меандр свободен — его можно найти где угодно в пойме. Если поймы нет, меандры фиксируют.
Различные математические формулы связывают переменные геометрии меандра. Оказывается, можно установить некоторые числовые параметры, которые фигурируют в формулах. Форма волны в конечном итоге зависит от характеристик потока, но параметры от нее не зависят и, по-видимому, обусловлены геологическими факторами. В целом длина меандра в 10–14 раз превышает ширину всего берега русла, в среднем в 11 раз, и в 3–5 раз, в среднем в 4,7 раза, радиус кривизны на вершине. Этот радиус в 2–3 раза превышает ширину канала. [14]
Меандр также имеет рисунок глубины. Переходы отмечены перекатами или неглубокими пластами, а на вершинах расположены лужи. В бассейне направление потока направлено вниз, размывая материал слоя. Однако основной объем течет медленнее внутри изгиба, где из-за пониженной скорости откладывается осадок. [15]
Линия максимальной глубины, или канал, — это линия тальвега или тальвега. Обычно ее называют границей, когда реки используются в качестве политических границ. Тальвег обнимает внешние берега и возвращается к центру над перекатами. Длина дуги меандра – это расстояние по тальвегу за один меандр. Длина реки – это длина по осевой линии. [15]
Как только канал начинает двигаться по синусоидальной траектории, амплитуда и вогнутость контуров резко возрастают. Это происходит из-за эффекта спирального потока , который сметает плотный эродированный материал внутрь изгиба, оставляя внешнюю часть изгиба незащищенной и уязвимой для ускоренной эрозии. Это создает петлю положительной обратной связи . По словам Элизабет А. Вуд: «...этот процесс образования меандров кажется самоусиливающимся процессом... при котором большая кривизна приводит к большей эрозии берега, что приводит к большей кривизне...» [16]
Поперечное течение вдоль дна канала является частью вторичного потока и сносит плотный эродированный материал внутрь излучины. [17] Затем поперечный ток поднимается к поверхности вблизи внутренней части и течет наружу, образуя спиральный поток . Чем больше кривизна изгиба и чем быстрее течение, тем сильнее поперечное течение и подметание. [18]
Из-за сохранения момента импульса скорость на внутренней стороне поворота выше, чем на внешней. [19]
Поскольку скорость потока уменьшается, уменьшается и центробежное давление. Давление сверхприподнятой колонны преобладает, создавая несбалансированный градиент, который перемещает воду обратно по дну снаружи внутрь. Поток создается встречным потоком по поверхности изнутри наружу. [20] Вся эта ситуация очень похожа на парадокс чайного листа . [21] Этот вторичный поток переносит осадки снаружи изгиба внутрь, делая реку более извилистой. [22]
Относительно того, почему потоки любого размера вообще становятся извилистыми, существует ряд теорий, не обязательно взаимоисключающих.
Стохастическая теория может принимать разные формы, но одно из наиболее общих утверждений принадлежит Шайдеггеру: «Предполагается, что меандровый шлейф является результатом стохастических колебаний направления потока из-за случайного присутствия изменяющих направление препятствий в потоке» . речная тропа». [23] Учитывая плоскую, гладкую, наклонную искусственную поверхность, осадки стекают с нее пластами, но даже в этом случае прилипание воды к поверхности и сцепление капель образуют случайные ручьи. Естественные поверхности шероховаты и в разной степени подвержены эрозии. Результатом случайного действия всех физических факторов являются каналы, которые не являются прямыми, а затем постепенно становятся извилистыми. Даже каналы, которые кажутся прямыми, имеют извилистый тальвег , который в конечном итоге приводит к извилистому каналу.
В теории равновесия меандры уменьшают уклон потока до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между эродированностью местности и пропускной способностью потока. [24] Масса воды, спускающаяся вниз, должна отдать потенциальную энергию , которая при той же скорости в конце капли, что и в начале, удаляется за счет взаимодействия с материалом русла потока. Кратчайшее расстояние; то есть прямой канал дает наибольшую энергию на единицу длины, еще больше разрушая берега, создавая больше наносов и ухудшая качество течения. Наличие меандров позволяет ручью регулировать длину до равновесной энергии на единицу длины, при которой поток уносит все образующиеся наносы.
Геоморфизм относится к поверхностной структуре местности. Морфотектонический означает имеющий отношение к более глубокой или тектонической (плитной) структуре породы. Функции, включенные в эти категории, не являются случайными и направляют потоки по неслучайным путям. Это предсказуемые препятствия, которые провоцируют образование меандров, отклоняя поток. Например, поток может быть направлен в линию разлома (морфотектонического). [25]
Вырезанный берег - это часто вертикальный берег или утес, который образуется там, где внешний вогнутый берег меандра врезается в пойму или стену долины реки или ручья. Обрезной берег также известен как обрыв , вырезанный из реки , речной утес или обрыв и пишется как обрыв . [1] Эрозия, образующая разрезанный берег, происходит на внешнем берегу меандра, потому что спиральный поток воды очищает берег от рыхлого песка, ила и отложений и подвергает его постоянной эрозии. В результате меандр размывается и мигрирует в направлении внешнего изгиба, образуя берег среза. [26] [27]
Поскольку вырезанный берег подрывается эрозией, он обычно обрушивается в русло реки. Осадочные отложения, разбитые в результате оползня, легко размываются и переносятся к середине канала. Осадки, размытые с разрезанного берега, имеют тенденцию откладываться на острие следующего меандра, расположенного ниже по течению, а не на острие, противоположном ему. [28] [26] Это можно увидеть в районах, где деревья растут на берегах рек; на внутренней стороне извилин деревья, такие как ивы, часто находятся далеко от берега, в то время как на внешней стороне излучины корни деревьев часто обнажены и подрезаны, что в конечном итоге приводит к падению деревьев в реку. [28] [29]
Обрезной меандр , также известный как обрезанный меандр или заброшенный меандр , представляет собой меандр, который был оставлен своим потоком после образования перешейка. Озеро, занимающее срезанный меандр, известно как старица . Обрезные меандры, врезающиеся вниз в нижележащую скальную породу, обычно известны как врезанные обрезные меандры . [1] Как и в случае с Андерсон-Боттом-Ринкон, врезанные извилины с крутыми, часто вертикальными стенками, часто, но не всегда, известны как ринконы на юго-западе Соединенных Штатов . [30] Ринкон на английском языке — это нетехническое слово на юго-западе США, обозначающее либо небольшую уединенную долину, нишу или угловую выемку в скале, либо излучину реки. [31]
Извилины ручья или реки, врезавшие свое русло в скальную породу , известны как врезанные , врезанные , укоренившиеся , замкнутые или вросшие меандры . Некоторые ученые Земли признают и используют более точное деление врезанных меандров. Торнбери [32] утверждает, что врезанные или замкнутые меандры являются синонимами, подходящими для описания любого меандра, врезанного вниз в скальную породу, и определяет замкнутые или врезанные меандры как подтип врезанных меандров (замкнутые меандры), характеризующихся симметричными сторонами долины. Он утверждает, что симметричные склоны долины являются прямым результатом быстрого врезания водотока в скальную породу. [1] [33] Кроме того, как предложил Рич, [34] Торнбери утверждает, что врезанные долины с выраженной асимметрией поперечного сечения, которые он назвал вросшими меандрами , являются результатом латеральной миграции и врезания меандра во время период более медленного сокращения канала . Тем не менее, считается, что для формирования как укоренившихся меандров, так и вросших меандров необходимо, чтобы базовый уровень упал в результате относительного изменения среднего уровня моря , изостатического или тектонического поднятия, прорыва ледяной или оползневой плотины или регионального наклона. Классические примеры врезанных меандров связаны с реками на плато Колорадо , частоколами реки Кентукки в центральном Кентукки и ручьями на плато Озарк . [33] [35]
Как отмечалось выше, первоначально либо утверждалось, либо предполагалось, что врезанный меандр характерен для предшествующего ручья или реки , врезавшей свое русло в нижележащие пласты . Предшествующий ручей или река — это река, которая сохраняет свое первоначальное русло и структуру во время разреза, несмотря на изменения в топографии и типах горных пород. [32] [33] Однако более поздние геологи [36] утверждают, что форма врезанного меандра не всегда, если вообще когда-либо, «унаследована», например, строго от предшествующего извилистого потока, где его рисунок меандра мог свободно развиваться на уровне пойма. Вместо этого они утверждают, что по мере того, как речное врезание в коренную породу продолжается, русло реки значительно модифицируется из-за изменений в типе горных пород, трещинах , разломах и других геологических структурах, превращаясь либо в литологически обусловленные меандры , либо в структурно контролируемые меандры . [33] [35]
Озеро -старица , которое является наиболее распространенным типом речных озер, представляет собой озеро в форме полумесяца, получившее свое название из-за своей характерной изогнутой формы. [37] Старицы также известны как вырезанные озера . [1] Такие озера регулярно образуются в ненарушенных поймах рек в результате нормального процесса речных извилин. Либо река, либо ручей образует извилистое русло, поскольку внешняя сторона его излучин размывается, а на внутренней стороне накапливаются отложения, образующие извилистый изгиб в форме подковы. В конечном итоге в результате извилистости речное русло прорезает узкое горлышко меандра и образует обрывной меандр. Окончательный прорыв перешейка, который называется отсечением перешейка , часто происходит во время сильного наводнения, поскольку именно тогда водоток выходит из берегов и может течь прямо поперек перешейка и размывать его всей силой паводка. . [28] [38]
После того, как образовался меандр, речная вода поступает в его конец из реки, образуя небольшие дельтообразные образования на обоих концах во время паводков. Эти дельтообразные образования блокируют оба конца меандра, образуя стоячую старицу, отделенную от потока речного русла и независимую от реки. Во время паводков паводковые воды выносят в старицу мелкозернистые наносы. В результате старицы со временем имеют тенденцию заполняться мелкозернистыми, богатыми органикой отложениями. [28] [38]
Точечный бар , который также известен как меандровый бар , представляет собой речной бар , который образуется в результате медленного, часто эпизодического, добавления отдельных наростов несвязных отложений на внутреннем берегу меандра в результате сопутствующей миграции русла к нему. внешний банк. [1] [26] Этот процесс называется латеральной аккрецией. Боковое наращивание происходит в основном во время паводка или наводнений, когда острие погружено в воду. Обычно осадок состоит из песка, гравия или их комбинации. Осадки, состоящие из некоторых точечных полос, могут переходить вниз по течению в илистые отложения. Из-за уменьшения скорости и силы течения от тальвега канала к верхней поверхности указателя при отложении отложений вертикальная последовательность отложений, составляющих указатель, становится тоньше вверх в пределах отдельного указательного столба. Например, для острий характерно иметь мелкую фракцию вверх от гравия у основания до мелкого песка наверху. Источником наносов обычно являются вырезанные выше по течению берега, с которых песок, камни и мусор были размыты, сметены и перекачены по руслу реки и вниз по течению к внутреннему берегу излучины реки. На внутреннем изгибе этот осадок и мусор в конечном итоге откладываются на склоне раздвижной перекладины. [1] [26] [27]
Полосы прокрутки являются результатом непрерывной боковой миграции меандровой петли, которая создает асимметричную топографию гребней и болот [39] на внутренней стороне изгибов. Топография обычно параллельна меандру и связана с мигрирующими стержневыми формами и задними желобами, [40] которые вырезают осадок снаружи изгиба и откладывают осадок в более медленно текущей воде внутри петли, в процесс, называемый латеральной аккрецией. Для отложений прокрутки характерна косая слоистость и характер огранки вверх. [41] Эти характеристики являются результатом динамичной речной системы, где более крупные зерна переносятся во время паводков с высокой энергией, а затем постепенно угасают, со временем откладывая более мелкий материал (Batty 2006). Отложения извилистых рек, как правило, однородны и обширны по латерали в отличие от более неоднородных отложений разветвленных рек. [42] Существует два различных типа отложений полос прокрутки; шаблон полосы прокрутки с вихревой аккрецией и шаблон прокрутки в виде точечной полосы. Глядя вниз по долине реки, их можно различить, потому что узоры полос прокрутки в виде стрелок выпуклые, а узоры полос прокрутки вихревых аккреций - вогнутые. [43]
Полосы прокрутки часто выглядят светлее на вершинах гребней и темнее на впадинах. Это связано с тем, что вершины могут формироваться ветром, либо добавляя мелкие зерна, либо оставляя территорию незаросшей, в то время как темнота в болотах может быть связана с примыванием ила и глины в периоды паводка. Этот добавленный осадок в дополнение к воде, которая скапливается в болотах, в свою очередь, представляет собой благоприятную среду для растительности, которая также будет накапливаться в болотах.
В зависимости от того, является ли меандр частью укоренившейся реки или частью свободно извивающейся реки в пойме, термин « спусковой склон» может относиться к двум различным речным формам рельефа, которые составляют внутренний выпуклый берег петли меандра. В случае свободно извилистого течения реки в пойме обвалом является внутренний пологий берег меандра, на котором эпизодически скапливаются наносы, образуя при меандрах реки острую перемычку. Этот тип откоса расположен напротив обрыва. [44] Этот термин также можно применить к внутреннему наклонному берегу извилистого приливного канала. [45]
В случае укоренившейся реки откос представляет собой пологую поверхность коренной породы, поднимающуюся изнутри вогнутого берега асимметрично укоренившейся реки. Этот тип склона часто покрыт тонким прерывистым слоем аллювия. Он возникает в результате постепенной миграции меандра наружу, когда река врезается в скальную породу. [46] [47] Терраса на склоне обрыва отрога меандра, известная как терраса обрыва склона , может быть образована короткой остановкой во время неравномерного разреза активно извивающейся реки. [48]
Коэффициент извилистости [49] или индекс извилистости [50] является средством количественной оценки того, насколько река или ручей извивается (насколько ее русло отклоняется от кратчайшего возможного пути). Он рассчитывается как длина ручья, разделенная на длину долины . Совершенно прямая река будет иметь коэффициент извилистости, равный 1 (она будет такой же длины, как и ее долина), а чем выше этот коэффициент выше 1, тем больше река извивается.
Индексы извилистости рассчитываются по карте или по аэрофотоснимкам, измеренным на расстоянии, называемом протяженностью , которое должно быть как минимум в 20 раз больше средней ширины русла по всему берегу. Длина ручья измеряется длиной канала, или тальвега, на участке, а нижнее значение отношения - это длина вниз по долине или расстояние по воздуху потока между двумя точками на нем, определяющими участок.
Индекс извилистости играет роль в математическом описании потоков. Индекс может потребовать уточнения, поскольку долина также может извиваться, т. е. длина нижней части долины не идентична протяженности. В этом случае индекс впадины представляет собой соотношение меандров впадины, а индекс канала - это соотношение меандров канала. Индекс извилистости канала представляет собой длину канала, деленную на длину впадины, а стандартный индекс извилистости представляет собой индекс канала, разделенный на индекс впадины. Различия могут стать еще более тонкими. [51]
Индекс извилистости также имеет нематематическую полезность. Потоки можно размещать в организованных по ним категориях; например, при индексе от 1 до 1,5 река извилистая, а если от 1,5 до 4, то извилистая. Индекс также является мерой скорости потока и нагрузки наносов, причем эти величины максимальны при индексе 1 (прямой).
