Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Двухфакторная классификация русловых процессов равнинных рек на основе относительной транспортирующей способности потока

ВАК РФ 25.00.25, Геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации по теме "Двухфакторная классификация русловых процессов равнинных рек на основе относительной транспортирующей способности потока"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

003450606

Кондратьев Александр Николаевич

ДВУХФЛКТОРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ РАВНИННЫХ РЕК НА ОСНОВЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОТОКА

Специальность 25.00.25 - «геоморфология и эволюционная география»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

0 о 0.47 2008

Санкт-Петербург - 2008

003450606

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научный руководитель: д. п. н., проф. Жиров Андрей Иванович

Официальные оппоненты: д. г. н., проф. Чалов Роман Сергеевич

к. г. н., доцент Левашова Ирина Анатольевна

Ведущая организация: Казанский государственный университет

Защита диссертации состоится «25» ноября 2008 г. в 15 часов на заседании совета Д.212.232.64 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199178, г. Санкт-Петербург, В.О., 10 линия, д. 33, ауд. 74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7-9.

Автореферат разослан «20» октября 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д. г. н. И' С.Н. Лесовая

Актуальность темы. Прогноз русловых процессов - основная задача ру-словедения. Понятие тип русловых процессов (квазициклическая схема деформаций речных русел) относится к стабильности руслоформирующих факторов. При сохранении баланса между руслоформирующими факторами тип русловых процессов остаётся неизменным. В настоящее время достаточно эффективно выполняется прогноз русловых деформаций в рамках отдельных типов русловых процессов.

Актуальной, но до сих пор нерешённой проблемой русловедения является прогноз изменения (смены) типа русловых процессов, то есть переход одного типа русловых процессов в другой. Для этого используются классификации русловых процессов, в которых типы русловых процессов упорядочены по воздействию руслоформирующих факторов. Существующие классификации русловых процессов, главным образом, являются однофакторными и учитывают воздействие только одного или ограниченного количества разных факторов. Хотя существует и ряд двухфакторных классификаций русловых процессов, среди которых следует выделить классификации: P.C. Чалова (1997), М.С. Карасева и Б.И. Гарцмана (2002), Н.С. Знаменской (1992).

Создание двухфакторных и многофакторных классификаций русловых процессов, учитывающих многообразие руслоформирующих факторов, позволит прогнозировать изменения речных русел при нарушении баланса между руслоформирующими факторами.

Актуальность настоящей работы обусловлена, во-первых, отсутствием методики прогнозирования смены типов русловых процессов, во-вторых, усилением антропогенных, климатических и других изменений, которые приводят к нарушению баланса между руслоформирующими факторами, что ещё более повышает значение прогноза, и возрастающими потребностями в прогнозе.

Объектами исследования являются речные русла и основные руслофор-мирующие факторы, действие которых обуславливает образование различных типов русловых процессов.

Предметом исследования является классификация русловых процессов на основе учёта различных руслоформирующих факторов.

Цель и задачи. Основной целью работы являлась разработка обоснованной двухфакторной классификации русловых процессов как инструмента прогноза русловых деформаций при нарушении баланса между руслоформирующими факторами.

На первом этапе исследования для создания новой двухфакторной классификации русловых процессов были решены следующие задачи:

1. Выявление существующего многообразия типов русловых процессов;

2. Ранжирование по степени влияния на руслоформирование различных природных руслоформирующих факторов;

3. Анализ и систематизация существующих типизаций русловых процессов;

4. Построение цепочек взаимопревращений типов при изменении разных руслоформирующих факторов;

5. Создание двухфакторных классификаций типов русловых процессов по главным руслоформирующим факторам;

На втором этапе исследования для обоснования положения, что одним из руслоформирующих факторов является относительная транспортирующая способность потока (соотношение между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов) решён ещё ряд задач:

6. Проанализированы существующие представления о транспортирующей способности потока и расходе наносов.

7. Проанализированы экспериментальные и натурные данные об изменениях типов русловых процессов при нарушении баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на участок.

8. Выявлен механизм смены типов русловых процессов в зависимости от относительной транспортирующей способности потока.

9. Составлена дополнительная однофакторная классификация типов русловых процессов по этому руслоформирующему фактору.

Научная новизна.

Результаты исследований, изложенные в работе, обладают следующей научной новизной".

1. Обоснована необходимость и показаны способы перехода от существующих однофакторных классификаций к многофакторным.

2. Выявлен один из основных руслоформирующих факторов - соотношение между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на рассматриваемый участок реки, а не их абсолютные значения, как считалось ранее.

3. Предложено деление руслоформирующих факторов на действующие и ограничивающие, а также деление на главные, второстепенные и косвенные факторы.

4. Построена новая двухфакторная классификация русловых процессов и указан способ построения других двухфакторных классификаций.

Практическим результатом исследования является:

Новое решение задачи, имеющей существенное значение для науки о русловых процессах: разработанная двухфакторная классификация русловых процессов. Она позволяет учитывать совместное действие нескольких руслоформирующих факторов и, при этом, прогнозировать смену типов русловых процессов при изменении руслоформирующих факторов.

Также двухфакторная классификация позволяет разработать подход к построению алгоритма прогноза смены типа русловых процессов.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач применены ретроспективно-обзорный и экспериментальный методы.

Ретроспективно-обзорный метод включает в себя выявление, анализ и обобщение сведений о выделенных в настоящее время:

• типах русловых процессов;

• типизаций и классификаций русел и русловых процессах;

• руслоформирующих факторах.

Экспериментальный метод использован в виде проведения собственных экспериментов, а также основывается на анализе и интерпретации данных прочих экспериментов.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Теоретическое положение о том, что одним из главных руслоформи-рующих факторов является относительная транспортирующая способность потока.

2) Двухфакторная классификация русловых процессов, где:

• одной осью этой классификации является относительная транспортирующая способность потока,

• другой осью является относительный геоморфологический фактор образования пойменных проток.

Апробация работы.

Защищаемые положения докладывались и обсуждались:

• на семинарах отдела русловых процессов ГГИ (СПб, 1997, 1998);

• на XXIV (Краснодар, 1998) и XXIX (Ижевск, 2006) собраниях Геоморфологической комиссии РАН;

• на семинаре Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ (Москва, 1998);

• на заседаниях геоморфологической комиссии Русского географического общества (СПб, 1998, 1999, 2001, 2003);

• на V (Москва, 1999) и VI (Москва, 2004) конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей»;

• на конференциях молодых учёных национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 1999, 2006);

• на годичном собрании секции русловедения Академии проблем водохозяйственных наук (Санкт-Петербург, 1999);

• на круглом столе «River runoff: minima and maxima» (Санкт-Петербург, 2001);

• на Сессии Учёного Совета ГГИ (2004);

• на VI Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004);

• на заседании кафедры геоморфологии СПбГУ (2005) и обсуждались в 2006 г.

• и других конференциях и заседаниях.

По теме диссертации опубликовано более научных работ, из них 8 в рецензируемых академических журналах (список работ приведён в конце автореферата).

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы из 98 наименований, включает 4 таблицы и 14 рисунков. Общий объём работы составляет 89 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава «Обзор современного состояния изучения русловых процессов».

1. В диссертации под русловыми процессами понимается широкое толкование, которое включает в себя морфологические изменения русла, которые связаны не только с действием текущей воды, но также и со многими другими причинами.

Рассмотрены основные типы русловых процессов: меандрирование, разные типы процессов в относительно прямом русле и разные виды разветвлён-ности, а также уделено внимание другим типам русловых процессов: промежуточным и крайним.

С целью выявления главных руслоформирующих факторов рассмотрены различные гипотезы образования меандрирования. Первое защищаемое положение о том, что относительная транспортирующая способность потока является причиной существования набора типов русловых процессов) объясняет существование не только меандрирования, но и прямых русел и разветвлённых по типу русловой многорукавности.

Рассмотрены существующие гипотезы образования прямых русел. Показано, что прямые русла и извилистые русла независимо существуют в природе. Нельзя считать, что одно из них более естественно или более устойчиво, чем другое: ни побочни не есть причина меандрирования, ни меандрирование (извилистость) не есть причина образования побочней.

Рассмотрены существующие причины образования русловых разветвлений. Многие исследователи отмечают, что русловые острова сложены аллювием и обусловлены перегрузкой реки наносами. В работе обосновывается, что формирование русловых островов есть реакция системы «река» на дисбаланс между слишком большим количеством наносов и относительно малой транспортирующей способностью. Таким образом, русловая многорукавность является противоположностью меандрирования.

Кроме относительной транспортирующей способности потока свою роль играют другие руслоформирующие факторы. Например, прохождение руслоформирующих расходов при значительно затопленной пойме способствует образованию пойменных проток.

В зависимости от других определяющих факторов в каждом рукаве могут развиваться различные типы русловых процессов. И поэтому пойменную многорукавность, согласно P.C. Чалову, следует считать более высоким уровнем проявления русловых процессов.

2. Выполнен обзор руслоформирующих факторов, выделенных разными исследователями и сделан вывод, что правомерно разделять руслоформирующие факторы на главные и второстепенные. К главным факторам можно отнести характеристики стока воды, стока наносов, уклон долины. Большое разнообразие других факторов влияют на русло большей частью не сами, а через влияние на главные факторы. Они могут усиливать или ослаблять их влияние, стимулировать их, ослаблять или полностью подавлять.

В некоторых случаях факторы (в других случаях второстепенные) могут выходить на первый план и даже затушёвывать влияние «главных» факторов, поэтому такое деление руслоформирующих факторов весьма условно.

Предлагается следующий подход к рассмотрению влияния косвенных руслоформирующих факторов на формы русла: оценивать это влияние не непосредственно на форму русла, а через влияние на основные факторы руслофор-мирования. Влияние каждого фактора необходимо рассматривать на нескольких системных уровнях.

Руслоформирующие факторы также можно разделить на флювиальные и нефлювиальные (обычно под русловыми процессами понимаются деформации русел только от воздействия водного потока).

Также необходимо совместно рассматривать факторы различного генезиса, что и будет следующим шагом к построению многофакторных классификаций русловых процессов по разным руслоформирующим критериям.

3. В настоящее время разработаны и активно используются разнообразные типизации русловых форм и русловых процессов. На основе типизации разрабатываются классификации типов русловых процессов. Различие между типизациями и классификациями заключается в том, что при типизации явлений или процессов они выделяются по морфологическим различиям или другим параметрам без генетической упорядоченности, а классификация представляет собой упорядоченную систему типов объектов.

Практикуемое выделение смеси разных типов русловых процессов на одном участке может означать использование неверной типизации. Это является показателем, что требуется разработка более детальной, многоаспектной классификации.

В настоящее время существуют несколько одномерных классификаций типов русловых процессов, которые грешат некоторой односторонностью, поэтому насущной задачей является создание обоснованного набора двухфак-торных классификаций, в которых типы русловых процессов представлены в соответствии разных руслоформирующих факторов.

Во второй главе «Относительная транспортирующая способность потока как один из руслоформирующих факторов» обосновывается положение, что одним из руслоформирующих факторов является соотношение между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов - относительная транспортирующая способность потока.

Этим руслоформирующим фактором обусловлен следующий ряд типов русловых процессов: меандрирование (развитое и неразвитое), побочневый тип, осерёдковый тип и русловая многорукавность. Причиной их образования является дисбаланс между тем количеством наносов, которое способен переносить поток, и тем количеством наносов, которое поступает в реку. В соответствии с принципом обратной отрицательной связи (принципом Ле Шателье) в реке возникает ответное действие (реакция), которая выражается в изменении транспортирующей способности таким образом, чтобы восстановить прежнее соответствие между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов.

На подобные соотношения между движущей силой потока и нагрузкой потока наносами ранее обращалось внимание; при этом считалось, что превышение поступления наносов над транспортирующей способностью приводит к перегрузке русла наносами, а превышение транспортирующей способности -наоборот. Перегрузка наносами (или преобладание размывающей способности) может проявляться по-разному: в изменении продольного профиля реки или формы русла, в местных аккумуляциях или размывах, в изменении параметров гряд, формы транспорта наносов или механизма передвижения песчинок.

Расход наносов не всегда равен транспортирующей способности потока. Транспортирующая способность потока (по отношению к несомым рекою наносам) определяется гидравлическими характеристиками потока на этом участке реки и не зависит от количества приходящих наносов с расположенного выше участка реки. Поэтому необходимо разделить три понятия: 1) поступление наносов на участок реки с расположенного выше участка, 2) транспортирующая способность потока (сколько наносов он может перемещать), 3) расход наносов, который представляет собой результирующую величину от сочетания поступления наносов и транспортирующей способности потока. Расход наносов является результатом сочетания транспортирующей способности потока и поступления наносов. Расход наносов не может быть больше поступления наносов, потому что дополнительному количеству наносов неоткуда взяться. С другой стороны, расход наносов не может быть больше, чем транспортирующая способность потока (по определению).

В качестве исходных данных для вывода формул расхода наносов обычно используются данные натурных и лабораторных наблюдений. Обзор существующих формул показывает, что не существует формулы расхода наносов, которая обеспечивала бы достаточную точность вычислений расходов наносов. Одной из причин этого также является отсутствие надёжных данных по натурным измерениям расходов наносов.

Так как формулы расхода наносов опираются на измеренные значения, а измерения часто недостоверны, был проведён методический эксперимент, в котором специальным образом определялся расход наносов. На основе экспериментов выявлены пульсации расходов наносов и значительная неравномерность в распределении расхода влекомых наносов по ширине потока. Это подтверждает, что нет точных измерений расхода влекомых наносов, и нет точных формул расходов наносов.

Из создавшегося затруднительного положения существует следующий выход: важны начальные условия формирования русел, т.е. существующие формы руслового процесса, как отправная точка морфологических изменений. Также важны начальные расход наносов и транспортирующая способность потока. Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешнего воздействия, а более важно знать направление (вектор, степень) изменения руслоформирующих факторов.

Например, сведения о том, что каким-либо образом произойдёт увеличение поступления наносов с водосбора или верхнего участка даёт сведения о

превышении поступления наносов над транспортирующей способностью, на основе чего можно сделать прогноз изменения морфологических образований.

Разное соотношение между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов с расположенного выше участка реки приводит к следующему порядку типов: русловая многорукавность - ленточногрядовый тип -побочневый - меандрирование.

Направление увеличения относительной транспортирующей способности таково: русловая многорукавность —> ленточногрядовый тип —> побочневый тип —» разные виды меандрирования. При меандрировании происходит уменьшение транспортирующей способности потока за счёт того, что уменьшается уклон поверхности потока из-за удлинения русла.

Причинно-следственная цепочка образования меандрирования такова: транспортирующая способность потока велика по сравнению с поступлением наносов —» излишек энергии —» деформация берегов —> образование меандрирования —> уменьшение уклона водной поверхности уменьшение транспортирующей способности —> уравновешивание транспортирующей способности и поступления наносов —» меандрирование реки при динамическом равновесии (до очередного возникновения дисбаланса между определяющими факторами).

при изменении относительной транспортирующей способности потока.

Причинно-следственная цепочка при образовании русловой много-рукавности такова: поступление наносов превышает транспортирующую способность потока —> энергии на транспортирование всех наносов не хватает —» образование осерёдков из "лишних" наносов —> распластывание русла —> увеличение фронта транспорта наносов —> увеличение транспортирующей способности уравновешивание транспортирующей способности и поступления наносов —» русловая многорукавность при динамическом равновесии.

Меандрирование образуется при неравновесном состоянии. Оно характеризуется первоначальным превышением энергии потока над предлагаемыми ей наносами. Относительная транспортирующая способность потока велика, и равновесное состояние достигается за счёт уменьшения уклона потока.

руслобал мнпёирукмдпсихпь

Рис. 1. Порядок изменения типов русловых процессов

Русловая многорукавность образуется при другом неравновесном состоянии, когда транспортирующая способность потока мала по сравнению с поступающими наносами. Относительная транспортирующая способность потока мала, и равновесие достигается за счёт увеличения фронта транспорта наносов.

Характерным примером изменения типа русловых процессов является участок нижней Зеи, где за последние несколько десятков лет река сменила ме-андрирование на русловую многорукавность. У дер. Малая Сазанка р. Зея двумя излучинами упирается в отроги возвышенности Нюкжа, так называемые «Белые горы» - холмы высотой 80-100 м, сложенные в основном белым кварцевым песком со средней крупностью 1,4 мм. Высокий, крутой, осыпающийся склон является источником поступления в р. Зею большого количество наносов (более 500 тыс. м'/год). Вследствие этого на небольшом участке реки (10-15 км) для обеспечения судоходства ежегодно ниже «Белых гор» проводится около 90 % (1,3 млн. м3) всего объёма дноуглубительных работ на участке от ГЭС до устья (650 км). Резкое увеличение поступления наносов в поток с «Белых гор» при постоянном расходе воды и примерно одинаковом уклоне долины в этом районе (1,2-1,3 %о) привело к изменению типа русловых процессов (меан-дрирование - русловая многорукавность) (Виноградов В. А. и др., 2003).

Есть другие примеры изменения типов русловых процессов под воздействием нарушения баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов в реку: 1) река Амур, превратившаяся из меандрирую-щей в разветвлённую после освоения её бассейна китайцами, 2) Участок меан-дрирующей р. Истуит в среднем Уэльсе в октябре 1969 г. был спрямлен и превращен в канал, однако уже через год начал восстанавливаться меандрирую-щий тип русла (Сидорчук А.Ю., 1992) (аналогично повела себя река Миссисипи после многократного спрямления её извилистого русла для улучшения судоходства), 3) Североамериканская река, в которой первоначально неразветв-лённое меандрирующее русло, в которое 120 лет сбрасывали отходы горного производства превратилось в широкое многорукавное русло. После прекращения антропогенного влияния морфологический облик русла стал восстанавливаться. 4) Другим примером влияния относительной транспортирующей способности потока на изменение типа русловых процессов может быть карстовая р. Рагуша. Меандрирующая река при подходе к понорам теряет расход воды, транспортирующая способность падает. Это приводит к тому, что наносы отлагаются в русле, и тип русловых процессов меняется от меандрирования на русловую многорукавность. 5) В.А. Винофадов и А.Б. Клавен (2003) приводят пример неравновесных процессов на реках Полометь и Гремячая, где усиление поступление наносов не привело к смене типа русловых процессов, но повысились отметки дна.

Проявления несоответствия между поступлением наносов на участок реки и транспортирующей способностью потока часто наблюдаются на модельных установках. Недостаток наносов происходит при отсутствии дополнительного подпитывания модели наносами, или же когда в начальном створе вообще отсутствует подача наносов на модель. В этом случае получаются так называемые «раструбы». В верхней части модели ширина блуждания модельной

реки меньше, чем в нижней, где поступление наносов увеличивается из-за дополнительного размыва берегов. Это <<раструб вниз». «Раструбы вверх» получаются при перегрузке потока излишней подачей материала сверху.

Третья глава. Двухфакторная классификация русловых процессов равнинных рек.

В русловедении существуют несколько классификаций русловых процессов, каждая из которых своим образом определяет и упорядочивает типы русловых процессов (закономерные квазициклические схемы развития русел).

Типизации определяют набор типов русловых процессов, а классификации упорядочивают эти типы по степени действия выбранного руслоформи-рующего фактора. На основе любой типизации можно разработать не одну, а несколько классификаций. Например, на основе типизации Н.Е. Кондратьева и И.В.Попова были разработаны классификации: 1) самих Н.Е.Кондратьева и И.В. Попова; 2) Б.Ф. Снищенко, 3) Н.С. Знаменской, 4) И.Ф. Карасева 5) А.Н. Кондратьева и др. Классификационные признаки при этом были разные (у Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова - транспортирующая способность потока; у Б.Ф. Снищенко - одновременно: расход наносов, коэффициент извилистости реки и относительная ширина долины; у Н.С. Знаменской - активность процессов; у И.Ф. Карасева - неравновесность; у А.Н. Кондратьева - относительная транспортирующая способность потока).

Общим недостатком большинства существующих классификаций русловых процессов является их однофакторность. Однофакторность вынуждает объяснять все типы русловых процессов разной степенью действия только того фактора, который был выбран для этой классификации. Например, в классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова типы русловых процессов выстроены по изменению транспортирующей способности потока; в этом ряду неправомерно оказывается пойменная многорукавность (Кондратьев Н.Е. и др., 1982). Все од-нофакторные классификации правомерны, но они не полны, и требуется переход к многофакторным классификациям.

Под многофакторными понимаются классификации, в которых ведущими принимаются сразу несколько руслоформирующих факторов (которые можно считать для конкретного участка реки независимыми и существенно влияющими на руслоформирование). Простейшим видом многофакторных классификаций являются двухфакторные, которые можно представить в виде таблиц. При этом в клетках таблицы расположены типы русловых процессов, соответствующие сочетанию разной степени проявления выбранных определяющих факторов. Подобный метод использовался в геоморфологии A.B. Черновым (1983) при классификации пойм: «метод построения серии качественных решёток по принципу турнирной таблицы».

Метод построения однофакторных и многофакторных классификаций природных объектов предполагает: 1) выбор определяющих осей по соответствующим критериям, при этом каждый критерий представляет собой отношение между внешним действующим фактором и внутренним противодействующим; 2) поиск явлений, отвечающих разному проявлению критерия, особое внимание уделяется экстремальным значениям критерия, и среднему (нулевому); 3) вы-

страивание явлений по выбранной оси; 4) интерполяция и экстраполяция оси и соответствующих явлений. Многофакторные классификации строятся объединением однофакторных с учётом совместного действия нескольких критериев.

В русловедении созданы несколько двухфакторных классификаций: P.C. Чалова; Н.С. Знаменской; М.С. Карасева и Б.И. Гарцмана, А.Н. Кондратьева.

В классификации P.C. Чалова [3] использованы оси: ]) относительная ширина долины и 2) извилистость-разветвлённость (извилистые, прямые и разветвлённые русла). Достоинство классификации P.C. Чалова (1997) является в том, что она является первой двухфакторной классификацией русловых процессов.

В классификации Н.С. Знаменской (1992) использованы оси: 1) активность процесса и 2) руслоформирующий расход воды, который, по мнению Н.С. Знаменской, обуславливает существование трёх «активных» типов русловых процессов. Недостатками этой классификации являются: отсутствие формулировки критериев, по которым она построена, а также использование классификации Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова без модернизации, которая неизбежно должна была бы проявиться при переходе к многофакторности.

В классификации автора определяющими осями являлись 1) относительная транспортирующая способность потока (описанная в главе 2 диссертации и являющаяся первым защищаемым положением) и 2) относительная затопляемость поймы. Использованная, как основа, типизация Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова была расширена, в частности, были выделены несколько типов русел, разветвлённых по схеме пойменной многорукавности, включая «незавершённое меандрирование».

Перечисленные двухфакторные классификации каждая по-своему отражает многофакторную сущность природы. Среди них нельзя выбрать более или менее верную. Каждая из них ценна за счёт выделения своих критериев: относительная транспортирующая способность потока; относительная ширина долины; относительная затопляемость поймы; относительная редукция стока, относительная активность русловых процессов; относительные степени влияния мерзлоты, растительности и т.д.

Новые двухфакторные классификации можно построить на основе этих и других руслоформирующих критериев. Для этого необходимо попарно скомбинировать разные руслоформирующие критерии. Например, если мы возьмём относительную транспортирующую способность потока и относительную ширину долины, то получим классификацию P.C. Чалова. Сочетание относительной транспортирующей способности потока и относительной затопляемости поймы даёт классификацию автора.

Морфологический метод можно использовать к систематизации самих видов двухфакторных классификаций русловых процессов. Для этого необходимо построить таблицу (табл.), в которой как по горизонтали, так и по вертикали отложим возможные критерии руслоформирования.

Таблица

Сочетание руслоформирующих факторов и двухфакторные классификации

Критерий 1 Критерий 2

Относительная транспорт, способность потока Относительная ширина доли-' ны Относительная затопляемость поймы Относительная редукция стока Другие критерии

Относительная транспорт, способность потока Однофактор-ная классификация А.Н. Кондратьева X X X X

Относительная ширина долины Двухфактор-ная классификация P.C. Чалова Однофактор-ная классификация Б.Ф. Сншцсн-ко X X X

Относительная затопляемость поймы Двухфактор-ная классификация A.II. Кондратьева (- 2) Возможная двух факторная классификация Однофактор-ная классификация A.M. Алабяна X X

Относительная редукция стока (-2) (-2) Двухфактор-ная классификация Н.С. Знаменской (-1) X

Другие критерии (-2) (-2) (-2) (-2) (-D

Примечания. 1. По диагонали расположены существующие и пока несуществующие (- 1) олнофакторные классификации. 2. В левой нижней части расположены существующие и планируемые (- 2) двухфакторные классификации. 3. «X» проставлено в правой верхней части, где повторяются двухфакторные классификации из левой нижней части.

Новые двухфакторные классификации можно составить в соответствии с пустыми ячейками (-2) таблицы. В диссертации вторым защищаемым положением является одна из таких двухфакторных классификаций.

Одной из определяющих осей является относительная транспортирующая способность потока (глава 2). Второй осью является относительный гидролого-геоморфологический фактор образования пойменных проток. Его следует определить особо.

«Гидролого-геоморфологический фактор образования пойменных проток» представляет собой небольшую модификацию известного фактора - относительной затопляемости поймы (краткое название фактора, который имеет более длинное, но более точное название — отношение отметки максимума рус-лоформирующего расхода к отметке поймы) (Маккавеев Н.И., 1955; Маккавеев Н.И., Чалов P.C., 1986). Определение руслоформирующего расхода воды дано

13

Н.И. Маккавеевым (Маккавеев Н.И., 1955). Затем P.C. Чалов ввёл понятие «линия поймы» и указал, что к разработке пойменных проток приводит превышение отметкой руслоформирующего расхода уровня поймы (Маккавеев Н.И., Чалов P.C., 1986). В дальнейшем было предложено этим фактором объяснять все типы русловых процессов, включая русловую многорукавности (Алабян A.M. 1991, 1992).

В то же время, относительная затопляемость поймы отражает только часть факторов, отвечающих за формирование пойменных проток. Учитывается, главным образом, лишь гидрологическая часть факторов, а поэтому целесообразно ввести в этот руслоформирующий критерий кроме характеристики затопления поймы также ещё и комплекс характеристик подстилающей поверхности, отвечающих возможности промыва проток. Таким образом, степень затопления поймы, отнесённая к противодействующему свойству подстилающей поверхности превратится в гидролого-геоморфологический фактор образования пойменных проток. Этот критерий будет отвечать следующему порядку типов русел: неразветвлённые - разветвлённые (рис. 2).

иери иЬапбченные ризИвтдпрнньч-'

Русла руса

<----->

гидролоео-морфилиаичиский критерий иСра-зивинин пойменных проток Рис. 2. Порядок изменения типов русловых процессов при изменении гидролого-морфологического критерия образования пойменных проток

Итак, первый руслоформирующий критерий - относительная транспортирующая способность потока, второй — относительный гидролого-морфологический фактор образования пойменных проток.

Целесообразно рассмотреть совместно два эти руслоформирующих фактора. Для этого все типы русловых процессов расположены в поле координат двух осей и получена таблица, в которой по горизонтали отложена степень затопления поймы, по вертикали - относительная транспортирующая способность потока (рис. 3).

Таким образом, для равнинных широкопойменных рек можно выделить два фактора руслоформирования, каждый из которых независим и по-своему определяет тип русловых процессов.

Первый из них - относительная транспортирующая способность потока -увеличивается при переходе по такой цепочке типов русловых процессов: русловая многорукавность, ленточно-грядовый тип, побочневый процесс, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование.

Рис. 3. Двухфакторная классификация русловых процессов широкопойменньтх рек, предоав-ленная б виде таблицы по определяющим руслоформирующим факторам. В первом столбце расположены неразветвленные русла, формируемые при малой затопляемости поймы: а -осередковый тип, б - побочневый тип, в - ограниченное меандрированис, г - свободное меанд-рированис. Во втором столбце расположены разветвленные русла, формируемые при большой затопляемости поймы: д - осередки в разветвленном русле, е - побочневый тин в разветвлённом русле, ж - прорванное (незавершённое) меандрирование, з - меандрированис рукавов разветвлённого русла. Увеличение относительной транспортирующей способности потока

происходит сверху вниз.

Второй фактор - гидролого-геоморфологический относительный параметр образования пойменных проток. Для руслоформирующего уровня, меньшего, чем отметка поймы, характерна вышеперечисленная цепочка типов русловых процессов, (в неразветвленном русле), а для пика большего отметки поймы - те же типы руслового процесса, только в разветвлённом русле.

Второй столбец начинается типом, который соответствует сочетанию пойменной и русловой многорукавности. По транспортирующей способности он соответствует русловой многорукавности (также перегружен наносами), а по условиям образования проток - пойменной. Такой тип русловых процессов наблюдается на р. Амур у Хабаровска и на р. Чулым.

Рассматриваемая двухфакторная схема типов русловых процессов (рис. 3) даёт возможность прогнозировать изменение типа при изменении рус-лоформирующих факторов.

Например, при перегрузке потока наносами согласно рисунку можно прогнозировать изменение руслового процесса и появление островов. Такой прогноз подтверждают изменения, отмеченные на р. Зее, которая в низовье, подойдя правым берегом к Белым горам из песчаника, стала их размывать. Поток перегрузился наносами. Тип процесса на десятках километров изменился, извилистое русло выпрямилось, и в нем появилось много островов. При увеличении же транспортирующей способности согласно рис. 3 можно прогнозировать противоположный процесс (размыв берегов, появление извилистости реки), отмеченный, например, на р. Миссисипи при широкомасштабных спрямлениях излучин.

При уровнях руслоформирующего расхода выше отметки поймы согласно рис. 3 прогнозируется улучшение условий для образования пойменных проток, и, напротив, при снижении руслоформирующего уровня можно прогнозировать постепенное формирование неразветвленного русла.

Аналогично можно создать многие другие двухфакторные классификации. Каждая из них будет учитывать сочетание каких-либо двух руслоформи-рующих критериев. Многофакторные классификации русловых процессов будут получаться путём совместного учёта нескольких руслоформирующих критериев. Использование многофакторных классификаций видится весьма перспективным в свете дальнейшего развития русловедения, а сами классификации - действенным инструментом прогноза русловых деформаций при изменении разных руслоформирующих факторов. Основные выводы по работе:

• в предлагаемой двухфакторной классификации использовано большее количество типов русловых процессов, чем принято во многих других классификациях (в частности, в нормативных документах);

• предлагаемая двухфакторная классификация учитывает совместное действие двух факторов — относительной транспортирующей способности потока и затопляемости поймы;

• относительная транспортирующая способность потока изменяется в таком порядке типов русловых процессов: русловая многорукавность, побочневый тип, неразвитое меандрирование, развитое меандрирование;

• предлагаемая классификация позволяет прогнозировать смену типа русловых процессов при смене соответствующего руслоформирующего фактора;

• для учёта других руслоформирующих факторов требуется создание других многофакторных классификаций.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кондратьев A.II. Соотношение транспортирующей способности потока и стока наносов как условие формирования русел рек разных типов // Геоморфология, 1999, № 3, с. 14-18.

2. Кондратьев А.Н. Причина образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Известия АН. Серия географическая, 2000, № 4, с. 42-44.

3. Кондратьев A.II. О гипотезах причин формирования русел // Водные ресурсы, т. 28, №5, 2001, с. 628-630.

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

5. Лобанов В.А., Кондратьев А.Н., Анисимов O.A., Вандепбергс Д. Оценка чувствительности типов речных русел к возможным изменениям климата на севере Европейской России // Метеорология и гидрология, 2006, № 6, с. 88-96.

6. Лобанов В.А., Кондратьев А.Н. Статистические методы классификации русловых процессов // Геоморфология, 2007, № 1, с. 33-44.

7. Бадяй В.В., Кондратьев А.Н. О необходимости перехода к многофакторным классификациям в русловедении // Литология. 2007, № 1 (26).

8. Шмакова М.В., Кондратьев А.Н. Математическая модель движения воды и наносов в открытых руслах // Метеорология и гидрология, 2008. № 6, с. 81-88.

Подписано в печать 14.10.2008 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 200 экз. Заказ № 923.

Отпечатано в ООО «Издательство "JIEMA"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@raail.ru