Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Географический анализ антропогенных изменений русловых процессов

ВАК РФ 11.00.04, Геоморфология и эволюционная география

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Беркович, Константин Михайлович, Москва

■ " -i)

t

/ШрЛ

лени

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

БЕРКОВИЧ Константин Михайлович

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ РУСЛОВЫХ

ПРОЦЕССОВ

11.00.04 - геоморфология и эволюционная география Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава 1. Краткий очерк истории хозяйственного использования рек 8 Глава 2. Природные факторы русловых процессов 17

Глава 3. Русловые процессы как механизм саморегулирования русла при антропогенном воздействии 36

Глава 4. Классификация инженерных сооружений и видов антропогенного воздействия на русла рек 52 Глава 5. География антропогенных нагрузок 61 Глава 6. Воздействие главных видов антропогенной нагрузки на речные русла и его географическая специфика

6.1. Эрозия почв на водосборе и реакция рек на рост стока наносов 69

6.2. Трансформация продольного профиля рек выше водохранилищ 75

6.3. Изменения русел рек в нижних бьефах гидроузлов 92

6.4. Добыча песчано-гравийных смесей и ее влияние на русла рек

111

6.5. Русловые процессы и путевые воднотранспортные работы

123

6.6. Влияние на русла рек мелиоративного, транспортного и др. строительства и инженерных сооружений 136

Глава 7. Современные изменения русловых процессов и их экологические последствия 149 Глава 8. Устойчивость речных русел к антропогенным изменениям природной среды и непосредственным техногенным воздействиям 164 Заключение 192 Литература 201

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях интенсивной хозяйственной деятельности на водосборах и в руслах рек многие реки превратились в природно-антропогенные системы, в функционировании которых на природно-обусловленные процессы накладывается эффект от хозяйственной деятельности. С этим связано ухудшение экологического состояния рек и их русел, современное водохозяйственное использование рек часто содержит существенные недостатки с точки зрения ландшафтов, рекреации, охраны природы. Механизм превращения рек и, в частности, их русел в такие системы еще не достаточно изучен, как и реакция речных русел на инженерные сооружения и мероприятия. В различных природных условиях он отличается характерными чертами, что нередко делает прогноз реакции русел неадекватным развивающимся последствиям. Разработанные в настоящее время методы оценки последствий не охватывают многих видов хозяйственной деятельности и практически не учитывают специфики природных условий формирования речных русел. Знание механизма влияния хозяйственной деятельности на русла рек в разных природных условиях, полученное на основе натурных наблюдений, может служить основой для проектирования возможных смягчающих, реабилитационных мероприятий.

Реки с древнейших времен используются в хозяйственной деятельности человека. На протяжении веков они удовлетворяют потребности человека в воде и пище, служат естественными водными путями сообщения, используются для получения энергии, промышленного, сельскохозяйственного и коммунального водоснабжения. Реки являются постоянно возобновляющимся источником как воды, так и водной энергии, поэтому их роль в жизни человека столь велика несмотря на мизерность доли объема речного стока от суммарного объема вод планеты. Вместе с тем зачастую размеры реки, величина ее стока и состояние русла не отвечают требованиям, предъявляемым к ним различными отраслями хозяйства. Так, использование речного стока для выработки электроэнергии требует сооружения плотин, концентрирующих напор в створе.

Сток рек неравномерен во времени, нередко основная его доля проходит в течение 1,5-3 месяцев, в остальное время река маловодна. Это требует организации регулирования стока путем создания водохранилищ и других инженерных сооружений в русле реки и ее долине. Региональная неравномерность речного стока делает необходимым территориальное перераспределение водных ресурсов.

Во многих случаях расходы воды, а с ними и глубина реки в межень настолько уменьшаются, что перестают отвечать требованиям судоходства, это приводит к необходимости выправительных и дноуглубительных работ в руслах рек. Защита территорий от разрушительных наводнений, освоение приречных территорий, защита различных инженерных объектов от неблагоприятных проявлений русловых процессов также требуют создания инженерных сооружений. Потребности хозяйства в качественных строительных материалах заставляют извлекать аллювий из речных русел и пойм.

Таким образом, для удовлетворения хозяйственных нужд часто производится техническое вмешательство как в речной сток, являющийся активным фактором русловых процессов, так и непосредственно в речное русло. В настоящее время большого размаха достигло гидроэнергетическое строительство, возводятся мосты, водозаборы, дамбы обвалования, усиливается сельскохозяйственное освоение и урбанизация пойм, из русел добываются строительные материалы и другие полезные ископаемые, большие работы ведутся с целью совершенствования водных путей. Традиционно русловые процессы рассматривались как фактор, враждебный инженерной деятельности, осложняющий ее, требующий строгого учета при возведении любых сооружений в русле и на берегах реки. Отсюда зародился инженерный подход к русловым процессам. Действительно, русловые процессы в своем естественном проявлении нередко играют отрицательную роль в жизнедеятельности человека, например, вследствие горизонтальных деформаций размываются берега, уничтожаются строения, плодородные земли, лесные угодья. Перемещение песчаных прирусловых отмелей затрудняет водные подходы к населенным пунктам. Еще более ярко такая роль русловых процессов видна в отношении гидроузлов, водозаборов, каналов и других инженерных сооружений, при эксплуатации которых инженеры вынуждены бороться с русловыми процессами. Ущерб от неблагоприят-

ного воздействия русловых процессов на народное хозяйство достигает ежегодно огромных размеров.

Развитие географического направления в изучении русловых процессов позволило скорректировать такой подход к русловым процессам. Прогноз размещения сооружений, основанный на знании естественных закономерностей развития речных русел в конкретном регионе, позволяет избежать риска разрушения сооружений или их отказа.

Вместе с тем любое инженерное вмешательство в жизнь реки сопровождается, вначале может быть и незначительными, но затем все более заметными изменениями рельефа русла и режима русловых деформаций. Это приводит, во-первых, к неадекватности прогнозов реально происходящим русловым деформациям, а, во-вторых, к экологически неблагоприятным последствиям, поскольку река и ее русло перестает в полной мере исполнять свои природные функции.

Возрастающая антропогенная нагрузка привела к существенным изменениям речных русел во многих регионах России и других стран. Эти изменения и их роль в прогнозе будущего состояния рек во многом связаны с природной обстановкой, с региональными условиями развития русловых процессов. Они заключаются как в непосредственной модификации русла, так и в искусственной трансформации основных факторов русловых процессов. Целью настоящей работы является анализ воздействия различных, наиболее распространенных, инженерных сооружений и мероприятий на речные русла и зависимость этого воздействия от природных, в первую очередь, геолого-геоморфологических, условий формирования русел, а также разработка оценки способности и возможности русла сопротивляться антропогенной нагрузке. Разработанные в настоящее время методы прогноза русловых деформаций, возникающих при строительстве сооружений или проведении мероприятий, не охватывают многие виды деятельности; кроме того, они практически не учитывают региональной специфики русловых процессов и реакции русел на антропогенное воздействие.

Основные задачи исследования заключались в следующем: 1) разработать классификацию основных инженерных сооружений и мероприятий с учетом реакции речных русел на антропогенную нагрузку; 2) для основных, наи-

более мощных, видов хозяйственной деятельности, которая характерна для крупных и средних рек, - выявление механизма воздействия и его результата; 3) выявление региональной специфики реакции речных русел на однотипную антропогенную нагрузку; 4) выявление экологической значимости антропогенных изменений русловых процессов; 5) определение регионального распространения антропогенной нагрузки на русла рек России; 6) определение подходов к оценке устойчивости речных русел к антропогенной нагрузке.

В основу исследования положены многолетние (1964-1998 гг) полевые и камеральные исследования автора на различных реках России и соседних стран (территория СССР), где за период с начала 60-х годов развивалась и усиливалась антропогенная нагрузка. В число этих рек входят: Обь в верхнем и среднем течении, верхняя Амударья, средняя и нижняя Лена, Киренга, Алдан и Вилюй, верхний Енисей, Чулым, Днестр, Ока в верхнем и среднем течении, Белая. Среди видов антропогенной нагрузки на этих и других реках отмечались: крупное гидроэнергетическое строительство, добыча песчано-гравийной смеси, строительство дамб обвалования, дноуглубительные и выправительные работы. Работы включали в себя изучение всех форм проявлений русловых процессов, оценку природных и антропогенных факторов, прогноз развития русла, предложения по рациональному соотношению антропогенных нагрузок.

Научная новизна работы. В работе впервые дан подробный анализ механизма действия основных антропогенных нагрузок, на речные русла на основе непосредственных наблюдений, выяснена роль природных и антропогенных факторов в процессах трансформации рельефа русла; создана классификация инженерных сооружений и мероприятий, применяемых для регулирования русла, учитывающая реакцию русла на нарушения условий его формирования; выявлена зависимость реакции речных русел от природных, прежде всего геолого-геоморфологических, факторов; выяснено распространение разных видов антропогенной нагрузки на речные русла по территории стран СНГ; разработаны принципы оценки устойчивости речных русел к разным видам антропогенной нагрузки и экологическая роль изменений речных русел под влиянием хозяйственной деятельности.

Результаты исследований постоянно использовались в целях прогноза русловых деформаций при выполнении многочисленных хоздоговорных тем, в

частности с бассейновыми управлениями водных путей, речными портами и другими организациями. В процессе исследований вырабатывались рекомендации и предлагались схемы мероприятий по снижению негативных последствий влияния таких мощных антропогенных факторов как гидроузлы и добыча песчано-гравийной смеси на реках Оби, Вилюе, Енисее, Оке, Белой. Автор принимал участие в создании «Руководства по составлению раздела «Охрана окружающей среды» в проектах обводненных месторождений песчано-гравийной смеси», выполнении многочисленных научных тем по линии ГКНТ СССР (до 1991 г), по программам «Университеты России», «Экологическая безопасность России». Ряд проектов, исполнителем или руководителем которых был автор, получил финансовую поддержку Российского фонта фундаментальных исследований (№ № 96-05-64068, 97-05-64454, 98-05-64418).

Достоверность выводов обеспечивается использованием для анализа конкретных материалов полевых исследований, полученных, в основном, инструментальными наблюдениями. Результаты работ, проведенных автором и входящих в круг вопросов, рассмотренных ниже, докладывались многократно на Всесоюзных совещаниях и конференциях, на пятом Всесоюзном гидрологическом съезде, региональных научных совещаниях. По теме диссертации автором опубликовано 70 работ, в том числе учебное пособие «Регулирование русел». Автор принимал участие в составлении 5 коллективных монографий.

Работа состоит и введения, 8 глав и заключения. Общий объем 222 страницы, в том числе - 200 страниц текста, 46 таблиц, 39 иллюстраций.

Гпава 1

КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ ХОЗЯЙСТВЕННОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕК

Реки с древнейших времен используются в хозяйственной деятельности человека. На протяжении веков они удовлетворяли его потребности в воде и пище, служили естественными водными путями сообщения, использовались для получения энергии. Реки являются постоянно возобновляющимся источником как воды, так и водной энергии, поэтому их роль в жизни человека очень велика, несмотря на мизерность доли объема речного стока от суммарного объема вод планеты /0,00015%/. Зачастую размеры стока реки и состояние ее русла не отвечают требованиям, предъявляемым к ним отраслями хозяйства. Так, для выработки энергии требуется сооружение плотин, концентрирующих напор в створе. Сток рек обычно неравномерен во времени, нередко основная доля объема стока проходит в 1,5-3 месяца, а в остальной период года река маловодна. Это требует организации регулирования стока путем создания водохранилищ. Региональная неравномерность речного стока делает необходимым сооружение каналов для территориального перераспределения водных ресурсов и для водоснабжения отдаленных от рек сельскохозяйственных угодий.

Во многих случаях расходы воды, а с ними и глубина реки в межень настолько уменьшаются, что перестают отвечать требованиям развивающегося судоходства, что приводит к необходимости дноуглубительных и вы-правительных работ в руслах рек. Защита территорий от разрушительных наводнений также требует создания инженерных сооружений - дамб обвалования.

Регулирование стока и русел рек имеет длительную историю. Так, следы поливного земледелия, для которого необходимы водозаборные сооружения и мелиоративные каналы, относящиеся к 4 тысячелетию до н.э ., обнаружены в Месопотамии и Египте. Известно, что на р.Хуанхэ регулировочные работы велись 4 тысячи лет назад. Плотины и каналы для перераспределения стока

Тигра и Ефрата, а также в дельте Нила, на реках Китая, оросительные системы в Средней Азии и Армении сооружались в 8-6 веках до н.э. Позднее сооружались и гидросиловые установки. Вначале это были в основном водяные мельницы, которые на Руси, например, известны с 9 века, а затем более сложные промышленные установки, снабжавшие энергией создаваемые мануфактуры. В центральной и западной Европе деятельность по управлению водой также имеет большую историю. Еще во времена Римской империи проводилось регулирование рек с особым вниманием к защите от наводнений городских поселений. Широкая и эффективная система дамб, защищающих наиболее плотно заселенные земли северной Италии и низменностей описана Данте (1265-1321) как уже давно сложившаяся черта речных и береговых ландшафтов. Вначале регулирование рек было ограниченным и направленным на уменьшение частоты затоплений наиболее ценных территорий. По мере роста населения природные затопляемые земли трансформировались в поля, постоянные поселения и инфраструктуру; уменьшение затопляемых площадей и последующий рост пиковых расходов привело к строительству все более высоких дамб, расположенных все ближе к основному руслу на большинстве рек низменностей Европы. Это позволило отвоевать у рек их поймы для дальнейшего освоения под сельскохозяйственные угодья и города, но и увеличивало зависимость человека от проявлений стихии.

Нагрузка на реки и их русла очень медленно нарастала и расширялась до 17-18 веков, когда началась ее интенсификация. В этот период строятся новые гидросиловые установки, в России- на Урале, Алтае, в Карелии, Забайкалье. Создаются искусственные водные пути, строятся судоходные каналы, осуществляется шлюзование рек. Так, в 1662-1684 гг во Франции был построен Южный канал, соединивший Средиземное море с Бискайским заливом и содержавший 140 шлюзов. К середине 19 века во Франции были созданы судоходные каналы общей протяженностью 5 тысяч км.

В России интенсивное создание искусственных водных путей ведется с 18 века. Первым был построен Вышневолоцкий водный путь (1722 г), потерявший затем свое значение. В 1810-1811 гг создаются Мариинская и Тихвинская системы. Первая из них действует и в настоящее время как Волго-Балтийский водный путь, пройдя капитальную реконструкцию в 1964 г. Он со-

стоит из каналов, шлюзов, водохранилищ, существенно, а иногда и полностью изменивших русла протекавших здесь рек. В конце 18-19 веков создано большое количество судоходных каналов, соединяющих разные речные системы: Огинский (Днепр-Неман)- 1784 г, Днепро-Бугский - 1898 г, Березинская система (Зап.Двина-Днепр)-1805 г, Августовская система (Неман-Висла)- 1840 г, Екатерининский (Кама-Вычегда) и Обь-Енисейский каналы- 1883-1893 гг, Северодвинская система - 1828 г.

В Европе в кон�