Введение

Меандр – это одна из серии регулярных, извилистых кривых в русле реки или другого водотока. Он формируется в результате эрозии отложениями внешнего, вогнутого берега (обрывистого берега или берегового уступа) и отложения отложений на внутреннем, выпуклом берегу, который обычно представляет собой косу. В результате этой совмещенной эрозии и седиментации образуется извилистое русло, поскольку канал перемещается из стороны в сторону вдоль оси поймы. Степень извилистости русла реки, ручья или другого водотока измеряется его меандрированностью. Меандрированность водотока – это отношение длины русла к прямой дистанции по долине. Водотоки или реки с одним руслом и меандрированностью 1,5 и более классифицируются как меандрирующие водотоки или реки.

Происхождение термина

Термин происходит от извилистой реки Мендерес, расположенной в Малой Азии и известной древним грекам как Μαίανδρος Maiandros (лат. Маяндр), характеризующейся крайне извилистым руслом в нижнем течении. В результате, уже в классической Греции (и в последующей греческой мысли) название реки стало нарицательным, обозначающим всё запутанное и извилистое – будь то декоративные узоры, речь, идеи или геоморфологический объект. Страбон писал: «Его течение настолько извилисто, что всё извилистое называют меандрирующим».

Река Меандр находится к югу от Измира и к востоку от древнегреческого города Милета, ныне Милет, в Турции. Она протекает через серию из трех грабенов в массиве Мендерес, однако её пойменная равнина значительно шире зоны меандрирования в нижнем течении. Современное турецкое название реки – Бююк-Мендерес.

Управляющая физика

Меандры – это результат взаимодействия воды, протекающей по изогнутому руслу, с дном реки. Это приводит к формированию спирального потока, при котором вода перемещается от внешнего берега к внутреннему вдоль русла реки, а затем возвращается к внешнему берегу вблизи поверхности. Это, в свою очередь, увеличивает способность переносить осадочные породы на внешнем берегу и уменьшает её на внутреннем, в результате чего осадочные породы размываются с внешнего берега и откладываются на внутреннем берегу следующего по течению меандра. Когда жидкость поступает в изначально прямой канал, который затем изгибается, боковые стенки создают градиент давления, заставляющий жидкость менять направление и следовать изгибу. Отсюда возникают два противоположных процесса: (1) ирротационный поток и (2) вторичный поток. Для формирования меандрирующей реки вторичный поток должен преобладать. Ирротационный поток: согласно уравнениям Бернулли, высокое давление приводит к низкой скорости. Следовательно, в отсутствие вторичного потока можно ожидать низкой скорости жидкости на внешнем изгибе и высокой скорости на внутреннем изгибе. Этот классический результат гидродинамики – ирротационный вихревой поток. В контексте меандрирующих рек его влияние подавляется влиянием вторичного потока. Вторичный поток: существует баланс между силами давления, направленными к внутреннему изгибу реки, и центробежными силами, направленными к внешнему изгибу. В контексте меандрирующих рек существует пограничный слой внутри тонкого слоя жидкости, взаимодействующего с дном реки. Внутри этого слоя и в соответствии со стандартной теорией пограничного слоя скорость жидкости практически равна нулю. Центробежная сила, зависящая от скорости, также практически равна нулю. Однако сила давления не подвержена влиянию пограничного слоя. Следовательно, внутри пограничного слоя преобладает сила давления, и жидкость движется вдоль дна реки от внешнего изгиба к внутреннему. Это инициирует спиральный поток: вдоль русла реки жидкость приблизительно следует кривизне канала, но также принудительно направляется к внутреннему изгибу; вдали от русла реки жидкость также приблизительно следует кривизне канала, но в некоторой степени принудительно направляется изнутри к внешнему изгибу. Более высокие скорости на внешнем изгибе приводят к более высоким напряжениям сдвига и, следовательно, к эрозии. Аналогично, более низкие скорости на внутреннем изгибе вызывают более низкие напряжения сдвига и происходит отложение. Таким образом, изгибы меандра подвергаются эрозии на внешнем изгибе, что приводит к увеличению извилистости реки (до тех пор, пока не произойдет прорыв). Отложение на внутреннем изгибе происходит таким образом, что для большинства естественных меандрирующих рек ширина реки остается почти постоянной, даже по мере её развития. В своей речи перед Прусской академией наук в 1926 году Альберт Эйнштейн предположил, что сила Кориолиса, действующая на Земле, может вызывать небольшой дисбаланс в распределении скорости, при котором скорость на одном берегу выше, чем на другом, что может спровоцировать эрозию на одном берегу и отложение осадочных пород на другом, формируя меандры. Однако силы Кориолиса, вероятно, незначительны по сравнению с другими силами, формирующими речные меандры.

Геометрия меандров

Техническое описание извилистого водотока называется геометрией меандра или геометрией плана меандра. Оно характеризуется как нерегулярная волнообразная форма. Идеальные волнообразные формы, такие как синусоида, имеют толщину в одну линию, но в случае ручья необходимо учитывать ширину. Ширина по половодью – это расстояние между берегами в среднем поперечном сечении при полном уровне воды, обычно определяемое по линии самой низкой растительности. Как волнообразная форма, извилистый ручей следует по оси долины, прямой линии, проведенной по кривой так, чтобы сумма всех амплитуд, измеренных от нее, была равна нулю. Эта ось представляет собой общее направление ручья. В любом поперечном сечении поток следует по извилистой оси, центральной линии русла. Две последовательные точки пересечения извилистой и оси долины определяют петлю меандра. Меандр состоит из двух последовательных петель, направленных в противоположные поперечные стороны. Расстояние между этими петлями по оси долины – длина меандра или длина волны. Максимальное расстояние от оси долины до извилистой оси петли – ширина меандра или амплитуда. Точка в петле с максимальной кривизной – это апекс. В отличие от синусоид, петли извилистого ручья более округлые. Кривизна изменяется от максимума в апексе до нуля в точке пересечения (прямая линия), также называемой инфлекцией, поскольку в этой области кривизна меняет направление. Радиус петли – это прямая линия, перпендикулярная оси долины и пересекающая извилистую ось в апексе. Поскольку петля не идеальна, для ее характеристики требуется дополнительная информация. Угол ориентации – это угол между извилистой осью и осью долины в любой точке извилистой оси. В апексе петли есть внешний (вогнутый) и внутренний (выпуклый) берег. Пояс меандра определяется средней шириной меандра, измеренной от внешнего берега до внешнего берега, а не от центральной линии до центральной линии. Если есть пойма, она простирается за пределы пояса меандра. В этом случае меандр считается свободным – он может находиться в любом месте поймы. Если поймы нет, меандры фиксированы. Различные математические формулы связывают переменные геометрии меандра. Оказывается, можно установить некоторые числовые параметры, которые встречаются в этих формулах. Форма волны в конечном итоге зависит от характеристик потока, но параметры независимы от него и, по-видимому, обусловлены геологическими факторами. В общем, длина меандра составляет 10–14 раз, в среднем 11 раз, ширину русла по половодью и 3–5 раз, в среднем 4,7 раза, радиус кривизны в апексе. Этот радиус в 2–3 раза больше ширины русла. Меандр также имеет рисунок глубин. Перекаты (риффли) или мелководья отмечают точки пересечения, а в апексах находятся плесы. В плесе направление потока вниз, размывающее материал русла. Однако основной объем воды течет медленнее по внутренней стороне изгиба, где, из-за уменьшенной скорости, он откладывает осадок. Линия максимальной глубины, или русло, – это тальвег. Обычно она обозначается как граница, когда реки используются в качестве политических границ. Тальвег огибает внешние берега и возвращается к центру над перекатами. Длина дуги меандра – это расстояние вдоль тальвега по одной петле. Длина реки – это расстояние вдоль центральной линии. Поперечный ток на дне русла является частью вторичного потока и сметает плотный размытый материал к внутренней стороне изгиба. Затем поперечный ток поднимается к поверхности вблизи внутренней стороны и течет к внешней стороне, образуя спиральный поток. Чем больше кривизна изгиба и чем быстрее поток, тем сильнее поперечный ток и сметающее действие. Из-за сохранения углового момента скорость на внутренней стороне изгиба выше, чем на внешней. Поскольку скорость потока уменьшается, уменьшается и центробежное давление. Преобладает давление сверхподнятого столба, создавая несбалансированный градиент, который перемещает воду обратно по дну от внешней стороны к внутренней. Поток обеспечивается встречным потоком по поверхности изнутри наружу. Вся эта ситуация очень похожа на парадокс чайной гущи. Этот вторичный поток переносит осадок с внешней стороны изгиба на внутреннюю, делая реку более извилистой. Что касается того, почему ручьи любого размера становятся извилистыми, существует ряд теорий, которые не обязательно исключают друг друга.

Стохастическая теория

Стохастическая теория может принимать различные формы, но одним из наиболее общих положений является утверждение Шейдеггера: «Меандрирующая траектория рассматривается как результат стохастических флуктуаций направления потока, вызванных случайным присутствием препятствий, меняющих направление, на пути реки». При наличии плоской, гладкой, наклонной искусственной поверхности дождевая вода стекает по ней слоем, но даже в этом случае адгезия воды к поверхности и когезия капель приводят к случайному образованию ручейков. Естественные поверхности в разной степени шероховаты и подвержены эрозии. Результатом действия всех физических факторов, действующих случайным образом, являются каналы, которые не являются прямыми, и которые затем постепенно становятся извилистыми. Даже каналы, кажущиеся прямыми, имеют извилистую ось русла, которая в конечном итоге приводит к извилистому каналу.

Теория равновесия

В теории равновесия, меандры уменьшают уклон потока до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между размываемостью местности и несущей способностью потока. Масса воды, движущаяся вниз, должна рассеивать потенциальную энергию, которая, при одинаковой скорости в конце и начале пути, теряется при взаимодействии с материалом русла. Самый короткий путь, то есть прямолинейный канал, приводит к максимальной энергии на единицу длины, что сильнее разрушает берега, создает больше осадочного материала и вызывает заиливание потока. Наличие меандров позволяет потоку регулировать свою длину, чтобы достичь равновесного уровня энергии на единицу длины, при котором поток уносит весь осадок, который он образует.

Геоморфная и морфотектоническая теория

Геоморфный относится к поверхностной структуре рельефа. Морфотектонический означает, связанный с более глубокой, или тектонической (плитной) структурой горных пород. Элементы рельефа, относящиеся к этим категориям, не случайны и определяют направление ручьев и рек по неслучайным траекториям. Это предсказуемые препятствия, которые инициируют образование меандр, отклоняя русло. Например, русло может быть направлено в линию разлома (морфотектонического происхождения).

Обрезка

Обрезной берег – это часто вертикальный берег или обрыв, формирующийся на внешнем, вогнутом берегу извилины реки или ручья, где он врезается в пойму или стенку долины. Обрезной берег также известен как речной обрыв, берег-утес или обрыв, и пишется как cutbank. Поскольку обрезной берег подмывается эрозией, он часто обрушается в русло реки в виде оползней. Оползневой осадок, будучи раздробленным оползнем, легко размывается и переносится к середине русла. Осадок, размываемый с обрезного берега, как правило, откладывается на косе следующей, расположенной ниже по течению, извилины, а не на косе напротив неё.

Отсечение меандра

Меандровая петля, также известная как отрезанная или заброшенная меандра, – это меандра, оставленная рекой после образования прорыва через перешеек. Озеро, образовавшееся в отрезанной меандре, называется оксбоу (или озеро-оксбоу). Меандры, врезавшиеся в нижележащую скальную породу, обычно называются врезанными меандрами. "Ринкон" – это нетехническое слово, используемое на юго-западе США для обозначения небольшой уединенной долины, грота или углубления в скале, либо излучины реки.

Меандеры

Меанды ручья или реки, прорезавшие свое русло в скальном основании, известны как врезанные, заключенные, инклюдированные или вросшие меанды. Некоторые ученые-геологи признают и используют более тонкую подклассификацию врезанных меандров. Торнбери утверждает, что врезанные или заключенные меанды являются синонимами, подходящими для описания любого меандра, врезанного вниз в скальное основание, и определяет заключенные или инклюдированные меанды как подтип врезанных меандров (заключенных меандров), характеризующийся симметричными склонами долины. Он утверждает, что симметричные склоны долины являются прямым результатом быстрого вертикального врезания водотока в скальное основание. Кроме того, как предложил Рич, Торнбери утверждает, что врезанные долины с выраженной асимметрией поперечного сечения, которые он назвал вросшими меандрами, являются результатом латеральной миграции и врезания меандра в период более медленного углубления русла. Вне зависимости от этого, считается, что формирование как инклюдированных, так и вросших меандров требует понижения уровня эрозионной базы в результате относительного изменения среднего уровня моря, изостатического или тектонического поднятия, прорыва ледниковой или оползневой плотины, или регионального наклона. Классические примеры врезанных меандров связаны с реками на плато Колорадо, рекой Кентукки в центральном Кентукки и ручьями на плато Озарк. Как отмечалось выше, изначально либо утверждалось, либо предполагалось, что врезанный меандр характерен для антецедентного ручья или реки, врезавшего свой канал в нижележащие слои. Антецедентный ручей или река – это тот, который сохраняет свой первоначальный курс и рисунок во время врезания, несмотря на изменения в нижележащей топографии и типах горных пород. Некоторые исследователи утверждают, что форма врезанного меандра не всегда, если вообще, "унаследована", например, строго от антецедентного извилистого ручья, где его меандрирующая форма могла свободно развиваться на ровной пойме. Вместо этого они утверждают, что по мере вертикального врезания реки в скальное основание, русло реки значительно модифицируется изменениями в типе породы и разломами, трещинами и другими геологическими структурами, формируя литологически обусловленные или структурно контролируемые меанды. Озера-старицы также известны как отсеченные озера. После образования отсеченного меандра речная вода впадает в его конец, создавая небольшие дельтовидные образования с обеих сторон во время паводков. Эти дельтовидные образования блокируют оба конца отсеченного меандра, образуя застойное озеро-старицу, отделенное от течения речного канала и независимое от реки. Во время паводков паводковые воды откладывают мелкозернистый осадок в озеро-старицу. В результате озера-старицы со временем заполняются мелкозернистыми, богатыми органикой отложениями. На внутренней стороне изгибов. Топография обычно параллельна меандру и связана с мигрирующими барами и заднебаровыми протоками, которые вымывают осадок с внешней стороны изгиба и откладывают осадок в медленно текущей воде на внутренней стороне петли, в процессе, называемом латеральной аккрецией. Отложения баров характеризуются перекрестной слоистостью и закономерностью постепенного уменьшения размера зерен вверх. Эти характеристики являются результатом динамической речной системы, где более крупные зерна транспортируются во время мощных паводков, а затем постепенно оседают, откладывая более мелкий материал со временем (Batty 2006). Отложения извилистых рек обычно однородны и простираются в боковом направлении, в отличие от более гетерогенных отложений плетеных рек. Существует два различных типа отложений баров: вихревые аккреционные бары и бары точек. При взгляде вниз по долине реки их можно различить, поскольку бары точек выпуклые, а вихревые аккреционные бары вогнутые. Бары часто выглядят светлее на вершинах гребней и темнее в понижениях. Это связано с тем, что вершины могут быть сформированы ветром, либо добавляя мелкие зерна, либо сохраняя область без растительности, в то время как темнота в понижениях может быть связана с илами и глинами, вымываемыми во время периодов высокой воды. Этот добавленный осадок, в сочетании с водой, скапливающейся в понижениях, в свою очередь, является благоприятной средой для растительности, которая также будет накапливаться в понижениях.

Склон скольжения

В зависимости от того, является ли меандра частью углублённой реки или частью свободно извилистой реки в пределах поймы, термин "склон отгона" может относиться к двум различным речным формам рельефа, составляющим внутренний, выпуклый берег петли меандра. В случае свободно извилистой реки на пойме, склон отгона – это внутренний, пологий берег меандра, на котором осадочные отложения эпизодически накапливаются, формируя косу, по мере извилистости реки. Этот тип склона отгона расположен напротив эрозионного берега. Этот термин также может применяться к внутреннему, наклонному берегу извилистого приливного канала. В случае углублённой реки, склон отгона – это пологий скальный участок, поднимающийся от внутреннего, вогнутого берега асимметрично углублённой реки. Этот тип склона отгона часто покрыт тонким, прерывистым слоем аллювия. Он формируется в результате постепенной наружной миграции меандра, когда река врезается в скальное основание. Терраса на склоне отгона меандра, известная как терраса склона отгона, может образоваться при кратковременной остановке во время нерегулярного врезания активно извилистой рекой.

Выведенные количества

Отношение извилистости, или индекс извилистости, – это способ количественной оценки того, насколько извилиста река или ручей (насколько сильно её русло отклоняется от кратчайшего возможного пути). Он вычисляется как длина русла, делённая на длину долины. Абсолютно прямая река будет иметь отношение извилистости, равное 1 (её длина будет равна длине долины), а чем выше это отношение больше 1, тем сильнее река извивается. Индексы извилистости рассчитываются по карте или аэрофотоснимку на участке, называемом "катеной", длина которого должна быть не менее чем в 20 раз больше средней ширины русла по полному поперечному профилю. Длина русла измеряется по длине русла или тальвега на катеновой длине, а нижнее значение отношения – это длина долины по прямой (воздушная дистанция) между двумя точками, определяющими катену. Индекс извилистости играет роль в математическом описании рек и ручьёв. Индекс может потребовать уточнения, поскольку и долина может быть извилистой, то есть длина долины по прямой не совпадает с длиной катены. В этом случае индекс долины – это отношение извилистости долины, а индекс русла – отношение извилистости русла. Индекс извилистости русла равен длине русла, делённой на длину долины, а стандартный индекс извилистости – это индекс русла, делённый на индекс долины. Различия могут быть ещё более тонкими. Индекс извилистости имеет и не математическое применение. Реки и ручьи можно классифицировать в зависимости от его значения; например, при значении индекса от 1 до 1,5 река считается извилистой, а от 1,5 до 4 – меандрирующей. Индекс также является мерой скорости течения и наносов, которые достигают максимума при индексе 1 (прямое русло).