Один из таких недавно построенных желобов демонстрирует, что наклон русел рек оказывает драматическое и неожиданное влияние на перенос наносов. Логика подсказывает, что более крутые русла должны обеспечивать легкий перенос наносов, поскольку по мере увеличения угла наклона сила тяжести должна способствовать перемещению воды и наносов вниз по течению. Но экспериментальные данные лаборатории лотка показывают, что гравитация не способствует переносу наносов ожидаемым образом.
Более того, в очень крутых руслах с уклоном 22 градуса или выше движение наносов начинается не с того, что зерна прыгают и подпрыгивают по дну русла, а, скорее, с полного разрушения русла, при котором весь осадок внезапно устремляется вниз по течению в виде волны. селевой поток.«Большая часть предыдущих работ проводилась на каналах с низким градиентом и пологим уклоном», — говорит Майкл П. Лэмб, доцент геологии Калифорнийского технологического института. «Это реки, такие как Миссисипи, где люди живут и управляют лодками, и где мы беспокоимся о наводнениях. Мелкоградиентные каналы изучались инженерами-строителями на протяжении сотен лет». Гораздо меньше внимания уделяется более крутым горным каналам, отчасти потому, что их труднее изучать. «Как ни странно, в крутых каналах отложения редко перемещаются, и когда это происходит, их очень опасно измерять, поскольку они обычно включают валуны и большие булыжники», — объясняет Лэмб.
И поэтому Лэмб вместе с аспирантом Калифорнийского технологического института Джеффом Пранчевичем и научным сотрудником Брайаном Фуллером приступили к моделированию поведения крутых каналов на искусственном водотоке — желобе — который они создали именно для этой цели. Они намеренно удалили ключевые переменные, которые встречаются в природе, такие как неравномерность размера зерен и самого русла (в крутых каналах часто бывают разные уклоны с водопадами и бассейнами), чтобы они могли сосредоточиться исключительно на влиянии наклона русла на отложения. транспорт.
Они создали равномерный слой гравия на дне желоба, а затем начали спускать воду по нему в увеличивающихся количествах, измеряя, сколько воды требуется для начала движения наносов. Постепенно они наклоняли лоток к более крутым углам, продолжая наблюдать, когда и как перемещались отложения по мере добавления воды в систему.
Основываясь на исследованиях движения наносов в каналах с низким градиентом, геологи давно предположили, что существует линейная зависимость между уклоном водотока и нагрузкой, создаваемой водой и гравитацией на русле реки. То есть, когда угол русла увеличивается, количество воды, необходимое для перемещения наносов, должно уменьшаться в простом соотношении 1: 1. Эксперименты Лэмба и Пранчевича действительно показали, что более крутые склоны требуют меньше воды для перемещения наносов, чем более пологие русла. Но вопреки более ранним прогнозам, нельзя просто поднять уклон, скажем, на 2 процента, уменьшив при этом глубину воды на 2 процента, и увидеть ту же картину переноса наносов. Вместо этого, поскольку в этих экспериментах лоток наклонялся вверх, для инициирования движения наносов требовалось пропорционально большее количество воды.
К тому времени, когда лоток был наклонен до наклона 20 градусов, для перемещения гравия вниз по течению потребовалось в пять раз больше глубины воды, чем предсказывалось ранее.На одном уровне эти экспериментальные данные соответствуют полевым наблюдениям. «Если вы выйдете к Миссисипи, — говорит Лэмб, — песок почти все время движется по руслу реки.
Но в горных каналах отложения, составляющие русло реки, перемещаются очень редко, за исключением сильных паводков. события. Этот осадок по своей природе более стабилен, что противоположно тому, чего можно было ожидать ". Объяснение, почему это так, похоже, кроется в неровной местности и мелководье, характерных для ручьев на крутых горных склонах.Эксперименты с наклонным лотком также позволили Лэмбу и Пранчевичу смоделировать важные переходы в переносе наносов: от полного отсутствия движения к нормальным речным условиям, в которых осадок катится по руслу реки, до разрушения русла, при котором весь слой наносов уступает место течению. селевой поток, обнажающий канал до коренной породы.
Исследователи обнаружили, что с более низкими склонами, когда расход воды увеличивался, отдельные зерна наносов начали вырываться и катиться по дну лотка; эта закономерность характерна для процессов движения наносов в руслах рек с низким градиентом. По мере увеличения наклона отложения становились более устойчивыми, и для их переноса требовалось пропорционально больше воды. В итоге склон достиг переходной зоны, где регулярные речные процессы полностью отсутствовали.
В этих круто наклонных лотках первое движение наносов, которое произошло, представляло собой полное разрушение русла, при котором все зерна массово соскользнули по каналу. "Это говорит о том, что в наших экспериментах есть определенный уклон, около 22 градусов, где отложения являются наиболее устойчивыми, но эти уклоны каналов также потенциально наиболее опасны, потому что здесь осадочное дно может катастрофически разрушиться в редких случаях наводнений большой силы, "Объясняет Лэмб.Ранее исследователи полагали, что селевые потоки в горной местности в основном возникают из-за вызванных дождем оползней, попадающих в водотоки с окружающих холмов. Тем не менее, лабораторные эксперименты с лотками предполагают, что селевой поток может возникать в крутом русле реки в отсутствие такого оползня просто в результате увеличения расхода воды через русло реки.
«Понимание того, когда и как отложения впервые перемещаются на разных склонах канала, можно использовать для прогнозирования возникновения селевых потоков, которые влияют на людей и инфраструктуру», — говорит Лэмб. Есть и другие, далеко идущие последствия.
Например, некоторые рыбы, такие как лосось, строят свои гнезда только из гравия определенного размера, отмечает он, и поэтому, «поскольку реки все чаще восстанавливаются для среды обитания рыб, важно знать, какие склоны и глубины потока сохранят особый размер гравия на русле реки ". Кроме того, добавляет он, «лучшее понимание переноса отложений может быть использовано для реконструкции окружающей среды прошлого Земли или на других планетах, таких как Марс, посредством наблюдений за ранее перемещенными отложениями, которые теперь сохранились в отложениях».