Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа"

Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК 556.537

Пирожков Виктор Геннадьевич

ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ РУСЛОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ Н.Б. Барышников

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор А.М. Догановский кандидат технических наук, С.А. Зажимаров

Ведущая организация: МГУ им. М.В. Ломоносове, географический

факультет

Защита диссертация состоится «9» июня 2005 г., в 14 часов на заседании специализированного совета (К.212.197.01) Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «7» мая 2005 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат наук -^т---'А.В. Лубяной

28794

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное антропогенное воздействие на речные системы в целом и реки, в частности, часто приводит к нарушению механизма их саморегулирования, что может даже привести к отмиранию малых и средних рек. Гидротехническое строительство, нарушая режим рек, в той или иной степени, требует больших капитальных вложений. Величина последних в значительной степени зависит от качества проектирования гидротехнических сооружений, в частности, от того насколько научно обоснованны принятые проектные решения. При этом одной из важнейших проблем является сохранение экологической безопасности системы.

Наибольшие сложности при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий возникают из-за недостаточного учета характерных особенностей русловых процессов на расчетном речном участке. Вместе с тем, в последние годы резко сократились объемы финансирования и сроки, отведенные на натурные изыскания. Современная экономическая обстановка настоятельно диктует необходимость совершенствования методов оценки и прогноза русловых процессов на основе регулярно обновляемых данных планово-высотных съемок и других материалов, таких как лоцманские карты. Последние регулярно обновляются, что позволяет использовать их для составления прогноза русловых деформаций.

На основе выше изложенного, основной задачей диссертации является разработка методики определения типа и размеров русловых образований, и мониторинга их изменчивости на основе информации, приведенной на лоцманских и других картах.

Математической основой методики предлагается использовать метод, основанный на анализе нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля русел рек и показателя Харста.

Следует отметить, что необходимая для реализации этой методики информация о состоянии водного объекта требует незначительных материальных

и трудовых затрат и может быть использована как на различных стадиях проектирования и строительства гидротехнических сооружений, так и при разработке долгосрочного прогноза русловых процессов.

Цели и задачи исследования. Основная цель работы состоит в разработке методики объективной оценки размеров русловых образований и мониторинга изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток - русло». В соответствии с этой целью в работе решены следующие основные задачи: выбраны объекты исследования;

обоснован метод анализа отметок дна на продольном профиле русла

реки;

- разработан метод выделения регулярных русловых образований;

- апробирован разработанный метод на примере русел Северных рек и р. Оки;

разработаны критерии оценки изменчивости морфологического строения речных русел на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста;

- увязаны полученные критерии с особенностями строения морфологически-однородных участков и характером антропогенного воздействия на эти участки.

Исходные данные. Для решения поставленных задач были использованы данные, полученные с лоцманских и других карт, а именно, значения отметок дна на продольном профиле судового хода рек Северная Двина, Вычегда, Пи-нега и Ока за длительный период наблюдений. При анализе полученных результатов использованы также сведения о водном режиме исследуемых рек и физико-географических характеристиках их бассейнов.

Методы исследования. Исследования выполнены с помощью методов спектрального и R/S анализа. Параметры спектрального анализа и условия примененных методов статистики устанавливались опытным путем на основе анализа процессов, происходящих в руслах рек.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается положительными результатами оценки методики, выполненной на основе независимой натурной информации.

Научная новизна работы. В процессе решения поставленных задач впервые получены следующие научные результаты:

- разработана методика оценки регулярности русловых образований, основанная на статистическом анализе данных, приведенных на лоцманских картах;

показано на статистически значимом уровне на основе данных натурных наблюдений наличие регулярных русловых образований, прослеживаемых по продольному профилю речного русла. Разработана методика определения их характерных размеров;

доказано, что изменение состояния речного русла в естественном состоянии и под антропогенной нагрузкой может быть охарактеризовано флук-туациями частот на спектрах отметок дна продольного профиля реки. Анализ характера изменений этих характеристик позволяет установить состояние факторов руслового процесса участка реки;

- предложены объективные критерии оценки состояния руслового процесса при антропогенном воздействии.

Практическая значимость результатов исследований. Результаты исследований могут быть использованы:

- при экологической экспертизе состояния участков рек;

- при разработке стратегии водохозяйственного использования речных систем;

- при оценке результатов антропогенного воздействия на речное русло;

при прогнозе возможных изменений руслового процесса в результате глобальных изменений климата.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии и итоговых сессиях Ученого совета

РГГМУ (1996, 2005 гг.), на совещаниях Межвузовского научно-координационного Совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им М.В. Ломоносова (1996, 2005 гг.), на научно-технической конференции "Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах" (2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 60 источников, и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 103 страницах, не считая приложений, включает 29 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность предлагаемой работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, раскрывается общее содержание диссертации.

В первой главе рассматривается системный подход к саморегулирующейся системе бассейн - речной поток - русло. Выполнен анализ методов объективной оценки параметров руслового процесса. Обоснована и разработана методика выделения регулярных русловых образований

На равнинных реках русловые деформации имеют периодический характер, за многолетние же периоды поступление и удаление наносов в пределах каждого участка русла практически уравновешиваются. В горной местности режим русла приобретает отпечаток неуравновешенности. Характер и интенсивность периодических деформаций, а также тесно связанные с ними формы русла, зависят от скорости течения, то есть от уклона речного потока, и от подвижности грунтов, слагающих дно и берега реки.

Русловые деформации в естественных условиях обычно не сопровождаются существенными изменениями морфометрических характеристик русел рек

в их осредненной статистической оценке. Это свидетельствует о том, что эти деформации обратимы. Однако наряду с этими обратимыми существуют медленно протекающие и трудно обнаруживаемые в естественных условиях однонаправленные необратимые русловые деформации. В них выражается многовековое развитие реки или её приспособление к текущим изменениям природной среды.

Реки в их естественном виде практически по всей длине находятся в состоянии динамического равновесия - состоянии, при котором деформации русла и поймы вполне отвечают расходу наносов. Исключение составляют самые периферийные звенья речной сети, где происходит эрозия, и дельтовые участки, для которых характерна необратимая аккумуляция. В условиях динамического равновесия деформации каждого отдельно взятого морфологического элемента не сопровождаются изменением общих морфометрических характеристик русла реки в целом. Такие деформации обратимы, и их можно рассматривать как организованную форму транспорта наносов.

Реки, искусственно выведенные из состояния динамического равновесия, стремятся восстановить это равновесие, приспосабливая свой русловый процесс к новым условиям. Такая перестройка реки должна быть отнесена к условно-обратимым русловым деформациям.

Спектральные характеристики лабораторных микроформ изучали многие исследователи. В частности, В.Н. Никорой были использованы волночисловой и частотный спектры, а также функция когерентности. Совместное рассмотрение этих спектров позволило ему получить количественные показатели скорости перемещения спектральных составляющих поля микроформ. В результате им были сделаны выводы:

- подтверждена гипотеза М. Хино о независимости волночислового спектра лабораторных микроформ в области больших волновых чисел от гидравлических характеристик потока;

- установлена недисперсность поля песчаных форм в лотке.

В естественных аллювиальных потоках русловые образования, находящиеся на одном уровне иерархии (макро-, мезо-, или микроформы), как правило, характеризуются сходной формой и геометрическими размерами. Можно ожидать, что последовательность однотипных элементов в русле может привести к ясно выраженным периодическим изменениям морфометрических характеристик русла.

Спектральный анализ является методом, позволяющим выявить периодичность в изменении морфометрических характеристик по длине выделенного участка. Размеры русловых образований, доступных для анализа, находятся в диапазоне от двойного шага измерений анализируемой характеристики до половины длины участка. Т.е. на участке длиной в 1 км при измерении глубины через десять метров можно обоснованно выявлять русловые образования с линейными размерами (длиной) от 20 м до 500 м. Кроме того, применение объективных критериев позволяет статистически оценить достоверность выделения того или иного периода. Это позволяет отфильтровывать периоды действительно характерные для данного участка и исключать слабые флуктуации, связанные с особенностями способа измерений или локальными элементами рельефа руслового дна.

Количественный анализ спектрограмм выполнен с помощью R/S анализа, основанного на эмпирическом законе Харста:

(1)

где Я - показатель Харста;

R - максимальный размах от среднего ряда;

S- среднеквадратическое отклонение ряда;

N - длина ряда.

Показатель Харста позволяет получить среднюю длину цикла, на которой теряется память о начальных условиях. Он является устойчивым, содержит минимальные допущения об изучаемой системе и может классифицировать ряды, отличая случайный ряд от неслучайного. Если показатель Харста отличается от 0.5, то вероятностное распределение исследуемого ряда не является гауссов-ским. Если 0 < Я < 1, Я*0.5, то ряд является фракталом, поведение которого существенно отличается от случайных блужданий при Н= 0.5.

В настоящее время представляется актуальным распространение спектрального и R/S анализа на природные объекты. Такое расширение области действия помимо доработки методики с учетом большего числа факторов, предлагает новые инженерные способы для решения задач, имеющих важное экономическое значение.

Действительно, если принять во внимание принцип дискретности русловых образований, то при динамическом равновесии воздействующих факторов в реке следует ожидать проявления дискретных микро-, мезо- и макроформ.

При стационарных условиях движения потока форма и размеры русловых образований становятся практически постоянными. Спектральная характеристика в этом случае будет подобна изображенным на рисунке 1, где четко выделяются пики на частотах, соответствующих основным типам микро-, мезо- и макроформ.

При интенсивном изменении внешних воздействий, в силу разной инерции процессов жидкого стока и стока наносов, механизм саморегулирования может не успевать отреагировать на эти изменения. Поэтому в реке, будет наблюдаться набор форм, отражающий историю внешнего воздействия на речную систему за промежуток зремени пропорциональный времени инерции конкретной речной системы. В этот набор входят как отмирающие формы - унаследованные от предшествующего «стабильного» периода и более новые русловые образования, находящиеся в стадии адаптации к современному водному режи-

му. Спектральная характеристика, соответствующая природной системе с весьма разнородной инерцией составляющих ее компонентов в каждый момент времени, будет близка к белому шуму (рис. 2).

-о-макроформы; -о мезоформы; микроформы

Рисунок 1 - Вид спектральной плотности отметок дна при стабильном состоянии факторов руслового процесса

Это крайние, граничные варианты возможных видов спектральной характеристики. Для большинства рек России поступление жидкого стока и стока наносов неравномерно внутри года и изменяется в многолетнем периоде. Тем самым осуществляется динамическое равновесие между элементами саморегулирующейся системы бассейн - речной поток - русло. В условиях динамического равновесия следует ожидать, что спектральные характеристики русел в естественных условиях должны оставаться внутри этих граничных случаев.

Рисунок 2 - Вид спектральной плотности отметок дна при нестабильном состоянии факторов руслового процесса

Исходными для разработки методики оценки состояния речного русла по спектральным характеристикам его продольного профиля являются следующие предпосылки:

с одной стороны продольный профиль русла является одним из индикаторов взаимодействия между речным потоком и руслом. С другой - продольный профиль русла является пространственным рядом, который можно разложить на гармоники;

- если на какую-то гармонику приходится большая дисперсия, то именно на этой гармонике действует значительная внешняя или внутренняя сила. Наличие максимума дисперсии указывает на существование пространственной структуры с линейными размерами, соответствующими периоду гармоники. Если линейные размеры не изменяются за многолетний период, то в применении к русловым процессам можно считать, что состояние факторов руслового процесса является стабильным, т.е. наблюдается баланс жидкого стока и стока наносов за этот период;

при стабильном состоянии факторов руслового процесса в соответствии с принципом дискретности каждому структурному уровню будет соответствовать свои русловые образования характерных размеров со своими спектральными характеристиками;

при абсолютном дисбалансе факторов руслового процесса, стабильное состояние нарушается. При этом на каждом структурном уровне будет наблюдаться ансамбль русловых форм;

- процесс смещения спектральных характеристик отметок дна продольного профиля свидетельствует о направлении смещения факторов руслового процесса к стабильному состоянию или, наоборот, к дестабилизации.

В виде количественного критерия изменчивости морфологического строения участка речного русла предложено использовать нормированную спектральную плотность отметок дна по фарватеру продольного профиля и показатель Харста.

В качестве исходных данных для расчёта использованы отметки дна на продольном профиле судового хода. Лоцманские карты являются репрезентативным способом изображения руслового рельефа, так как предназначены для отображения всех характерных элементов руслового профиля. Поскольку протяженность таких элементов различна, продольный профиль представляет собой набор данных измерений с переменным шагом. Отметки дна на фарватере были пересчитаны в ряды с постоянным шагом по длине равным 100 м. Для исключения образования ложных максимумов и минимумов, связанных с особенностями применяемого метода, пересчет был выполнен методом линейной интерполяции.

От устья к истоку реки увеличивается средний уклон дна. Связанный с этим линейный тренд был устранен следующим образом. Для исходного ряда проведено экспоненциальное сглаживание и для расчетов в дальнейшем использовался ряд, полученный вычитанием сглаженного ряда из исходного.

Сглаживание спектральной характеристики выполнено с помощью окна Тьюки, которое дает наименьшее смещение, что весьма важно для определения размера русловой формы.

Оценка доверительных интервалов спектра выполнена по следующей схеме. Для окна Тьюки число степеней свободы v определено по формуле:

N

у = 2.667 х—, (2)

т

где т - число задаваемых значений спектра.

Доверительные интервалы для спектральных плотностей рассчитаны на основе гипотезы о rf- распределении их сглаженных оценок. Множители

v .... и --i7— определены для расчетных степеней свободы и уровня зна-Г(1-а/2) X(а/2)

чимости. Нижняя и верхняя границы (1-а)%-го доверительного интервала рассчитана относительно средней спектральной оценки So умножением ее на эти множители. Если основание спектрального максимума выходит за нижнюю границу доверительного интервала, то максимум является статистически значимым.

Сравнение спектров для различных участков рек выполнено с помощью нормированной спектральной плотности, т.е. спектральная плотность, отнесенная к дисперсии исходного ряда.

Согласно формуле 1, показатель Харста рассчитывался как тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей данные:

In (R/S) = Н х 1п(Лг)+const. (3)

Достоверность данной аппроксимации подтверждена стандартными статистическими методами. Для анализа полученных значений показателя Харста использована интерпретация, приведенная в таблице.

Интерпретация показателя Харста

Я Процессы

физические русловые

<0.4 Турбулентные процессы в среде малой вязкости. На каждом структурном уровне наблюдается разнообразие русловых форм. Русловой процесс выведен из состояния динамического равновесия. Идут активные перестройки русла.

от 0.4 до 0.6 Формы поверхности, порождаемые процессами, связанными с теплопереносом, или диффузией. Такой показатель характерен для рельефа, целиком определяемого эрозионной системой. Отсутствие взаимодействия русловых форм. Совокупность рус-лоформирующих факторов участка, не оказывает влияния на соседние участки. Характерно преобладание ограничивающего фактора.

>0.6 Турбулентные процессы в очень вязкой среде. Наблюдается одна доминирующая русловая форма. Динамическое равновесие факторов руслового процесса.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора объектов исследования, выполнению гидролого-морфологического анализа участков рек, расчету спектральных характеристик и показателей Харста для продольных профилей этих участков.

В качестве объектов исследований выбраны северные реки - Северная Двина, Пинега и Вычегда.

Для каждого морфологически однородного участка этих рек проведен расчет нормированной спектральной плотности и определен показатель Харста. На рисунке 3, в качестве примера, приведен совмещенный график нормированной спектральной плотности для участка р. Вычегды за 1977 и 1990 годы.

Анализ спектрограмм показывает, что на морфологически однородных участках имеются регулярные русловые образования, которые являются преобладающими в ансамбле русловых макроформ. Период этих регулярных образований устойчив в многолетнем разрезе и составляет для различных участков от 2 до 6 км. Значительно большей динамикой обладают русловые формы длиной в десятки и сотни метров. Практически на всех спектрограммах можно выделить кратные частоты. Аналогичный вывод об удвоении длины микроформ был сделан Н.С. Знаменской на основании данных лабораторных экспериментов.

/-^

- 1977; - - 1990, • о- • окно Тьюки (М = 94); -л-- 95%; -о- 99%

Рисунок 3 - Нормированная спектральная плотность отметок дна для расчетного участка №1 р. Вычегды

При совместном анализе данных расчетов и данных о физико-географических характеристиках выявлены следующие закономерности:

- наблюдаются статистически значимые регулярные русловые образования на участках рек с устойчивым руслом;

- для участков рек с каменистым руслом длина регулярных образований соответствует расстоянию между каменистыми соседними перекатами;

отмечено увеличение длины статистически значимых регулярных русловых образований от истока к устью реки для всех исследуемых рек;

- в рамках естественных колебаний водности период статистически значимых регулярных русловых образований остается весьма устойчивым;

русловые образования устьевых участков рек, как правило, более устойчивы к внешним воздействиям;

- подтверждена гипотеза Н.С. Знаменской об удвоении длин русловых образований;

- значения показателя Харста для расчетных участков находятся в диапазоне от 0.62 до 0.99, что говорит о динамическом равновесии факторов руслового процесса.

В третьей главе на примере р. Оки рассмотрена возможность использования нормированной спектральной плотности и показателя Харста для мониторинга изменчивости морфологического строения русла, находящегося под антропогенным воздействием.

Сравнение спектральных характеристик продольных профилей разновременных съемок позволяет выявить тенденцию и оценить скорость саморегулирования речного русла. Критерием такой оценки является определение положения графиков спектральных плотностей в рамках граничных условий «белый шум» - «стабильное состояние». Поскольку понятие «стабильное состояние факторов руслового процесса» возможно только в условиях установившегося движения, в качестве граничной характеристики «стабильного состояния» предлагается использовать спектрограмму продольного профиля, полученного по ранним, желательно - до антропогенного воздействия, съемкам продольного профиля и в условиях близких к средней водности.

Сравнение спектрограмм, полученных за разные годы, со спектрограммой стабильного состояния дает возможность оценить изменение количества основных пиков и их величину. При этом уменьшение числа основных пиков и увеличение веса главного пика свидетельствует об упорядоченности русловых форм, о стабилизации руслового процесса. Появление новых, статистически

значимых пиков, и стремление спектрограмм к спектрограмме белого шума свидетельствует о наличии в русле разнообразных форм одного структурного уровня, т.е. о процессах активной перестройки русла.

Верхняя Ока испытывает значительную антропогенную нагрузку. Основными факторами хозяйственной деятельности, оказавшими влияние на морфологию русла и гидрологический режим рассматриваемого участка реки, является добыча нерудных строительных материалов (НСМ) в русле, дноуглубительные работы на перекатах для обеспечения судоходных глубин и водопотребле-ние. Систематические работы по добыче НСМ начаты более 50 лет назад. Общее число участков, где производилась добыча НСМ, со временем достигло 20, а общая их протяженность составила не менее 30 км или около четверти длины всего рассматриваемого участка реки, при длине каждого из них от нескольких сот метров до 5 км. Распределение добычи НСМ по длине реки неравномерное. Районы расположения карьеров обычно тяготеют к городам Серпухову и Кашире (нижний карьерный участок), и в меньшей мере к Коломне (верхний карьерный участок).

Для расчета нормированной спектральной оценки использованы отметки дна по фарватеру на участке верхнего течения р. Оки с 850 по 975 км от устья реки по лоцманским картам за 1879, 1909, 1980 и 1990 годы.

Расчетные участки выделялись, исходя из типов антропогенного воздействия (пассивного и активного).

Участки под пассивным антропогенным воздействием: расчетный участок №1 - с 855 по 901 км; расчетный участок №2 - с 927 по 958 км.

Участки под активным антропогенным воздействием, непосредственно карьерные участки:

- расчетный участок № 3 - с 901 по 924 км;

- расчетный участок № 4 с 958 по 975 км.

В качестве спектрограммы стабильного состояния факторов руслового процесса была выбрана спектрограмма продольного профиля русла р. Оки по-

строенного по данным лоцманских карт 1879 и 1909 лет. На рис.4 приведен пример спектрограммы карьерного участка №3.

50.000 25.000

Ж

2.500

3 8:?38

0.250

ж

0.025

0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

/--

- 1879; - - 1980; — 1990; • ^ - окно Тьюки (М=79);

•л - 95%; о- 99%

Рисунок 4 - Нормированная спектральная плотность отметок дна для расчетного участка №3 р. Оки, находящегося под активным антропогенным

воздействием

В результате сравнения графиков нормированных спектральных плотностей со спектрограммой стабильного состояния факторов руслового процесса и анализа показателей Харста выявлены следующие закономерности:

в процессе разработки карьеров на участках нарушается баланс факторов руслового процесса. Нарушение баланса факторов руслового процесса характеризуется спектрограммой с множеством пиков. Это объясняется одновременным существованием в русле большого разнообразия русловых образований одного структурного уровня;

при уменьшении антропогенного воздействия отмечается постепенное разрушение нехарактерных русловых образований, проявляющееся в трансформации спектрограммы к спектрограмме стабильного состояния факторов

руслового процесса, т.е. уменьшается число второстепенных пиков, вид кривой становится более пологим;

на участках с пассивным антропогенным воздействием на формирование русловых форм оказывает влияние нарушение баланса наносов при разработке карьеров на соседних участках. На спектрограмме отмечается увеличение доли регулярных образований с периодом, меньше доминирующего.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

разработана методика объективной оценки размеров русловых образований, основанная на применении методов спектрального анализа;

установлены критерии оценки изменчивости морфологического строения речного русла на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста. Полученные критерии обоснованы особенностями строения речных участков;

доказано на натурных данных наличие устойчивых регулярных русловых образований на статистически значимом уровне;

показано, что для участков рек, имеющих местный базис эрозии (каменистые перекаты, выходы скальных пород), характерная длина регулярных образований равна расстоянию между соседними местными базисами эрозии;

- обнаружена недисперсность длины преобладающих русловых образований, проявляющая в сохранении постоянной частоты на разновременных спектрограммах, для участков рек, где наблюдается динамическое равновесие факторов руслового процесса;

выявлено закономерное уменьшение характерных размеров статистически значимых регулярных русловых образований от устья к истоку для всех участков, исследованных рек;

- подтверждена на большом натурном материале гипотеза Н.С. Знаменской об удвоении длин русловых образований;

установлен характер изменения предложенных критериев оценки при изменении антропогенной нагрузки на примере р. Оки. Доказано, что разрабо-

тайная методика может использоваться для мониторинга изменения состояния речного русла.

1. Мутность воды на устьевом участке р. Невы // Тезисы доклада 11 -го пленарного совещания Межвузовского научно-координационного Совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ. - Изд. Казанского университета, 1996.-С. 157- 158.

2. Русловые карьеры и их влияние на условия судоходства (на примере р. Томи) // Труды Академии водохозяйственных наук. Водные пути и русловые процессы. - 1996. - Вып. 4. - С. 108 - 116 (в соавторстве с Барышниковым Н.Б., Самусевой Е. А.).

3. Математическое моделирование гидравлики речных русел // Материалы итоговой сессии ученого совета. - СПб.: изд. РГГМИ, 1996. - С. 23 (в соавторстве с Исаевым Д.И.).

4. О точности определения максимальных расходов воды // Геоэкология в Урало-Каспийском регионе. Тезисы докладов. Часть II. - Уфа: изд. Башкирского университета, 1996. - С. 99 (в соавторстве с Моздаковой М.Ю.).

5. Математическое моделирование гидравлики речных русел // Геоэкология в Урало-Каспийском регионе. Тезисы докладов. Часть II. - Уфа: изд. Башкирского университета, 1996.-С. 102.

6. Гидравлические сопротивления речных русел // Материалы научно-технической конференции "Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах", - СПб.: ВНИИГ, 2000. - С. 6 - 8 (в соавторстве с Барышниковым Н.Б.).

7. Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах // Материалы итоговой сессии ученого совета. -СПб.: РГГМУ, 2005.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

¡

I !

i к

»

f »

Подписано в печать 05.05.2005. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/505. П. л. 1.25. Уч.-изд. л. 1.25. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис»

Адрес юр.: 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16. Адрес факт.: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5. тел.: (812) 327 5098

РНБ Русский фонд

2005-4 28794

1 *

1441

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Пирожков, Виктор Геннадьевич

Введение.

1 Основные закономерности вении речного русла.

1.1 Речное русло, как элемент саморегулирующейся системы.

1.2 Основные закономерности в строении речного русла.

1.3 Количественные критерии типизации русловых форм.

1.4 Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах.

1.5 Постановка задачи.

1.6 Методика определения регулярных русловых форм.

2 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля рек, находящихся в состоянии, близком к естественному, на примере Северных рек.

2.1 Физико-географическое описание бассейнов рек. Выделение морфологически однородных участков.

2.1.1 Северная Двина.

2.1.2 Вычегда.

2.1.3 Пинега.

2.2 Характеристики русловых форм.

2.2.1 Северная Двина.

2.2.2 Вычегда.

2.2.3 Пинега.

2.3 Основные закономерности спектральных характеристик продольных профилей Северных рек.

3 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля реки, находящейся под интенсивным антропогенным воздействием, на примере р. Оки.

3.1 Физико-географическое описание.

3.1.1 Особенности морфологического строения.

3.1.2 Гидрологический режим.

3.2 Сведения о хозяйственном использовании реки.

3.3 Русловой процесс.

3.4 Влияние русловых карьеров на формирование продольного профиля.

3.5 Исследование спектральных характеристик продольного профиля.

3.5.1 Участки под пассивным антропогенным воздействием.

3.5.2 Участки под активным антропогенным воздействием.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа"

Актуальность темы

Интенсивное антропогенное воздействие на речные системы в целом и реки, в частности, часто приводит к нарушению механизма их саморегулирования, что может даже привести к отмиранию малых и средних рек. Гидротехническое строительство, нарушая режим рек, в той или иной степени, требует больших капитальных вложений. Величина последних в значительной степени зависит от качества проектирования гидротехнических сооружений, в частности, от того насколько научно обоснованны принятые проектные решения. При этом одной из важнейших проблем является сохранение экологической безопасности системы.

Наибольшие сложности при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий возникают из-за недостаточного учета характерных особенностей русловых процессов на расчетном речном участке. Вместе с тем, в последние годы резко сократились объемы финансирования и сроки, отведенные на натурные изыскания. Современная экономическая обстановка настоятельно диктует необходимость совершенствования методов оценки и прогноза русловых процессов на основе регулярно обновляемых данных планово-высотных съемок и других материалов, таких как лоцманские карты. Последние регулярно обновляются, что позволяет использовать их для составления прогноза русловых деформаций.

На основе выше изложенного, основной задачей диссертации является разработка методики определения типа и размеров русловых образований, и мониторинга их изменчивости на основе информации, приведенной на лоцманских и других картах.

Математической основой методики предлагается использовать метод, основанный на анализе нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля русел рек и показателя Харста.

Следует отметить, что необходимая для реализации этой методики информация о состоянии водного требует незначительных материальных и трудовых затрат и может быть использована как на различных стадиях проектирования и строительства гидротехнических сооружений, так и при разработке долгосрочного прогноза русловых процессов. Цели и задачи исследования

Основная цель работы состоит в разработке методики объективной оценки размеров русловых образований и мониторинга изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло». В соответствии с этой целью в работе решены следующие основные задачи:

- выбраны объекты исследования;

- обоснован метод анализа отметок дна на продольном профиле русла реки;

- разработан метод выделения регулярных русловых образований;

- апробирован разработанный метод на примере русел Северных рек и р. Оки;

- разработаны критерии оценки изменчивости морфологического строения речных русел на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста; увязаны полученные критерии с особенностями строения морфологически-однородных участков и характером антропогенного воздействия на эти участки.

Методика исследований и исходный материал

Для решения поставленных задач были использованы данные, полученные с лоцманских и других карт, а именно, значения отметок дна на продольном профиле судового хода рек Северная Двина, Вычегда, Пинега и Ока за длительный период наблюдений. При анализе полученных результатов использованы также сведения о водном режиме исследуемых рек и физико-географических характеристиках их бассейнов.

Исследования выполнены с помощью методов спектрального и R/S анализа. Параметры спектрального анализа и условия примененных методов статистики устанавливались опытным путем на основе анализа процессов, происходящих в руслах рек.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается положительными результатами оценки методики, выполненной на основе независимой натурной информации. Научная новизна работы

В процессе решения поставленных задач впервые получены следующие научные результаты:

- разработана методика оценки регулярности русловых образований, основанная на статистическом анализе данных, приведенных на лоцманских картах;

- показано на статистически значимом уровне на основе данных натурных наблюдений наличие регулярных русловых образований, прослеживаемых по продольному профилю речного русла. Разработана методика определения их характерных размеров;

- доказано, что изменение состояния речного русла в естественном состоянии и под антропогенной нагрузкой может быть охарактеризовано флук-туациями частот на спектрах отметок дна продольного профиля реки. Анализ характера изменений этих характеристик позволяет установить состояние факторов руслового процесса участка реки;

- предложены объективные критерии оценки состояния руслового процесса при антропогенном воздействии.

Практическая значимость результатов исследований

Результаты исследований могут быть использованы:

- при экологической экспертизе состояния участков рек;

- при разработке стратегии водохозяйственного использования речных систем;

- при оценке результатов антропогенного воздействия на речное русло;

- при прогнозе возможных изменений руслового процесса в результате глобальных изменений климата.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии и итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (1996, 2005 гг.), на совещаниях Межвузовского научно-координационного Совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им М.В. Ломоносова (1996, 2005 гг.), на научно-технической конференции "Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах" (2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 60 источников, и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 103 страницах, не считая приложений, включает 29 рисунков и 10 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Пирожков, Виктор Геннадьевич

Заключение

В результате проделанных исследований впервые разработана методика объективной оценки характерных размеров русловых образований, основанная на применении спектрального анализа. Эта методика позволяет производить мониторинг изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло»

Применение разработанной методики для анализа продольных профилей ряда русел Северных рек и р. Оки позволило сделать следующие выводы:

- установлены критерии оценки изменчивости морфологического строения речного русла на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста. Полученные критерии обоснованы особенностями строения речных участков;

- доказано на натурных данных наличие устойчивых регулярных русловых образований на статистически значимом уровне;

- показано, что для участков рек, имеющих местный базис эрозии (каменистые перекаты, выходы скальных пород), характерная длина регулярных образований равна расстоянию между соседними местными базисами эрозии;

- обнаружена недисперсность длины преобладающих русловых образований, проявляющая в сохранении постоянной частоты на разновременных спектрограммах, для участков рек, где наблюдается динамическое равновесие факторов руслового процесса;

- выявлено закономерное уменьшение характерных размеров статистически значимых регулярных русловых образований от устья к истоку для всех участков, исследованных рек;

- подтверждена на большом натурном материале гипотеза Н.С. Знаменской об удвоении длин русловых образований;

- установлен характер изменения предложенных критериев оценки при изменении антропогенной нагрузки на примере р. Оки. Доказано, что разработайная методика может использоваться для мониторинга изменения состояния речного русла.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Пирожков, Виктор Геннадьевич, Санкт-Петербург

1. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему "бассейн — речной поток — русло". — СПб.: Изд. РГГМУ, 1999.-218 с.

2. Знаменская Н.С. Единые закономерности формирования речных русел. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002. - 61 с.

3. Россинский К.И., Кузьмин И.А. Закономерности формирования речных русел // Русловые процессы. М.: Изд. АН СССР, 1958. - С. 4 - 5.

4. Лохтин В.М. О механизме речного русла. СПб., 1897. — 60 с.

5. Кондратьев Н.Е. Дискретность русловых процессов // Труды ГГИ. -1978.-Вып. 252. С. 3- 19.

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

7. Попов И.В. Количественные показатели руслового процесса различного типа // Труды ГГИ. 1964. - Вып. 116. - С. 32 - 61.

8. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство (гидролого-морфологическая теория руслового процесса и ее применение). Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 328 с.

9. Снищенко Б.Ф. Связь типов русел с формами речных долин // Геоморфология. 1979. - № 1. - С. 18-25.

10. Ромашин В.В. Оценка руслового режима по морфологическим характеристикам // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 190. - С. 48 - 56.

11. Ромашин В.В. Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами // Труды ГГИ. 1968. - Вып. 155. - С. 56 - 63.

12. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 127 с.

13. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла // Вестник МГУ. -1984.-№2.-С. 17-23.

14. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд. АН СССР, 1955.-346 с.

15. Маккавеев Н.И. Эрозионно-аккумулятивные процессы и рельеф русла реки // Избранные труды. М.: Изд. МГУ, 1998.16Ржаницын H.A. Морфометрические и гидрологические закономерности строения речной сети. JL: Гидрометеоиздат, 1960. - 316 с.

16. Ржаницын H.A. Руслоформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-264 с.

17. Караушев A.B. Теория и методы расчета речных наносов. — JL: Гидрометеоиздат, 1977. 272 с.

18. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. — JL: Гидрометеоиздат, 1975. 288 с.

19. Чалов P.C. Географические исследования русловых процессов // Под ред. Н.И. Маккавеева. М.: Изд. МГУ, 1979. - 232 с.

20. Антропове кий В.И. Гидроморфологические зависимости и их дальнейшее развитие //Труды ГГИ. 1969. - Вып. 169. - С. 34 - 86.

21. Антроповский В.И. Количественные критерии русловых макроформ // Труды ГГИ. 1972. - Вып.204. - С. 41 - 51.

22. Антроповский В.И. Критериальные зависимости типов руслового процесса // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 190. - С. 5 - 18.

23. Антроповский В.И. Связь типов руслового процесса с определяющими факторами //Труды ГГИ. 1970. - Вып. 183. - С. 70 - 80.

24. Антроповский В.И. Уравнения регрессии между характеристиками русла и потока при незавершенном меандрировании, русловой и пойменной многорукавности // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 195. - С. 4 - 19.

25. Барышников Н.Б., Субботина Е.С. Изменение морфометрических характеристик по длине реки // Динамика потоков и русловые процессы: межвуз. сборник. Л.: Изд. ЛПИ, 1977. - Вып. 63. - С. 3 - 11.

26. Барышников Н.Б., Субботина Е.С. Об изменении морфометрических характеристик по длине реки // Метеорология и гидрология. 1976. — №3. -С. 78 - 84.

27. Никора В.Н. Спектральные характеристики лабораторных микроформ // Труды ГГИ. 1987. - Вып. 307. - С. 63 - 70.

28. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Том 1. — М.: Изд. Мир, 1971.-316 с.

29. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. - 260 с.

30. Знаменская Н.С. Грядовое движение наносов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1968.- 188 с.

31. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 286 с.

32. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Том 2. М.: Изд. Мир, 1972. - 286 с.

33. Карта реки Северная Двина от города Великий Устюг до Архангельска. 1985.-47 л.

34. Карта реки Северная Двина от устья Вычегды до Архангельска. 1975.-51 л.

35. Карта реки Вычегда. От селения Вольдино до города Сыктывкар. 1977.-79 л.

36. Карта реки Вычегда. От селения Вольдино до устья реки Сысола. 1990.-31 л.

37. Карта реки Пинега от Ваймуна до устья. Часть 2. 1982. — 53 л.

38. Карта реки Пинега от селения Corpa до поселка Пинега. Часть 1. 1983.-96 л.

39. Лоцманская карта реки Пинега от пристани Карпогоры до устья. Часть 2. 1971.-58 л.

40. Лоцманская карта реки Пинега от селения Corpa до пристани Карпогоры. Часть 1. 1971.-44 л.

41. Карта р. Оки от г. Калуга до поселка Щурово. — М.: Минречфлот РСФСР, 1980.

42. Карта р. Оки от поселка Голодское до поселка Щурово. М.: Минречфлот РСФСР, 1980

43. Р. Ока Подробные планы участка от Каширы до Рязани. СПб.: МПС, 1986.-21 л.

44. Р. Ока Сокращенные планы участка от Каширы до Рязани. — СПб.: МГТС, 1986.-6 л.

45. Р. Ока Сокращенные профили участка от Каширы до Рязани. СПб.: МГТС, 1986.-2 л.

46. Р. Ока Участок от г. Орла до г. Каширы. План реки и продольный профиль. Петроград: МПС, 1915. - 26 л.

47. Соколовский Д.Л. Речной сток. — Л.: Гидрометеоиздат, 1962. -490 с.

48. Материалы по гидрографии СССР. "Реки". 1947. - Т. 4, вып. 1. - Л.: Гидрометеоиздат. - 655 с.

49. Беркович K.M. Взаимное влияние добычи ПГС и путевых дноуглубительных работ на судоходных реках // Современное состояние водных путей и проблемы русловых процессов. М., 1999. - С. 41 - 48.

50. Беркович K.M. Современная трансформация продольного профиля Верхней Оки // Геоморфология. 1993. - №3. - С. 43 - 49.

51. Оценка многолетних изменений русла р. Верхней Оки (участок г. Серпухов п. Щурово) и обоснование перспектив добычи НСМ // Отчет МГУ. -М., 1990.

52. Определение влияния добычи ПГС на уровненный режим р. Оки на участке 1030-899 км // Отчет Гипроречтранса. М., 1990.

53. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, "Многолетние данные". Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - Вып.8, ч. 1 - 6. - 256 с.

54. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, "Многолетние данные". Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - Вып.28, ч.1 - 6. - 365 с.

55. Знаменская Н.С. Расчет размеров и скорости перемещения русловых образований // Метеорология и гидрология. 1962. — №7.

56. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод СССР. Т. 10. Кн. 1. — Л.: Гид-рометеоиздат, 1973.-475 с.

57. Ромашин В.В. О структурном подходе к русловой морфометрии // Труды ГГИ. 1969. - Вып. 169. - С. 18 - 33.

58. Русловой процесс // Под ред. Н.Е. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1959.-372 с.

59. Стабилизация процессов посадки уровней воды реки Оки и оптимизация хозяйственного использования её русла // Технико-экономический доклад Союзвод-проекта. М., 1994.