Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидролого-морфологическая оценка условий формирования и трансформации широкопойменных русел рек

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Гидролого-морфологическая оценка условий формирования и трансформации широкопойменных русел рек"

л

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

БАРОВСКИЙ Николай Александрович

УДК 551.435.1:556.537

□0345072Э

ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ ШИРОКОПОЙМЕННЫХ

РУСЕЛ РЕК

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

3 о ошод

Москва 2008

003450729

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Чалов Роман Сергеевич

Официальные оппоненты:

Чернов Алексей доктор географических наук, профессор Московского

Владимирович педагогического государственного университета

Михайлова Мария кандидат географических наук, старший научный

Вадимовна сотрудник Института водных проблем РАН

Ведущая организация:

Российский государственный гидрометеорологический университет (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится в 15-00 часов на заседании

диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу:

119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 18-01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан «2 » OZrftfyfl_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ' " доктор геолого-минералогических наук B.C. Савенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. Широкопойменные русла рек разных морфодинамических типов формируются в определенных гидрологических, геолого-геоморфологических и ландшафтных условиях, оценка которых составляет важную часть исследований русловых процессов. Результаты таких исследований используются для прогноза трансформации русла при естественных и антропогенных изменениях природной среды. При этом обобщения, требующие получения обширных сведений по рекам с зональным режимом, проведены для небольшого числа регионов.'

В то же время развитие именно широкопойменных русел отражает специфику наиболее динамично меняющихся факторов русловых процессов -стока воды и наносов - и представляет наибольший интерес с точки зрения реакции речных русел на изменения природной среды и климата.

При анализе условий формирования русла преобладающего типа, например, меандрирующего, на котором сделан акцент в работе из-за его наибольшего распространения на малых и средних реках, необходимо давать соответствующую оценку и для русел других типов, встречающихся на тех же участках рек. В уточнении и дополнении нуждаются данные о факторах, определяющих степень распространения процессов меандрир ования на отдельных участках рек и преобладанию тех или иных типов излучин.

Динамика излучин в процессе их развития (морфодинамический анализ) и с учетом многолетних колебаний водности остается пока слабым звеном в изученности процесса меандрирования. Ряд закономерностей в динамике русел свободно меандрирующих рек может быть выявлен на основе сопоставления разновременных картографических материалов. Они достаточно подробно освещают состояние большинства средних и больших рек в XX веке и, особенно, во второй его половине. Это позволяет выявлять связи характеристик русловых деформаций с изменениями факторов русловых процессов, стадиями развития излучин и антропогенными воздействиями на них, что очень важно для прогноза переформирований русел рек при

глобальных изменениях природной чреды и климата.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является выявление региональных особенностей формирования широкопойменных русел рек, закономерностей их трансформаций на разных стадиях развития форм русел разных типов и в связи с определяющими факторами, в том числе многолетними изменениями гидрологических характеристик.

Для её достижения были поставлены следующие задачи:

1. Систематизировать современные представления о развитии широкопойменных русел;

2. Получить сведения и дать анализ природных условий формирования широкопойменных русел в крупнейших бассейнах России и их оценку как факторов русловых процессов;

3. Определить условия формирования прямолинейных и меандрирующих широкопойменных русел как на основе применения традиционных методов (анализ ^/-диаграмм, анализ «эпюр» руслоформирующих расходов воды), так и с использованием новых подходов (диаграммы «мощность потока - характеристика стока наносов»);

4. Применить методику гидролого-морфологического анализа к руслам с наибольшей антропогенной трансформацией условий развития;

5. Провести анализ трансформации свободно меандрирующих русел рек с учетом стадии развития излучины, различной высоты поймы, многолетних колебаний характеристик гидрологического режима;

Методика исследований и фактический материал. Исследование выполнено на основе анализа и обобщения фактического материала по более чем 110 участкам 50 рек России и Украины. Исследования строились главным образом на основе обработки картографических материалов: топографических и лоцманских карт, полученных автором в фондах Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маюсавеева МГУ. Широко использовались данные из научной литературы.

В качестве основных применялись методы гидролого-

морфологического (анализ условий формирования широкопойменных русел средних рек с выявлением региональных особенностей) и ретроспективного анализа (исследование трансформации свободно меандрирующих русел рек).

Научная новизна работы.

1. Метод <2/-диаграмм впервые применен к меандрирующим руслам, развивающимся в разных природных условиях. Установлен региональный характер ^/-диаграмм на примере свободно меандрирующих русел рек в бассейнах Волги, Дона и Оби;

2. Предложены и обоснованы новые методы анализа условий формирования извилистых русел, позволившие выявить закономерности распространения процесса меандрирования и излучин разных типов на различных участках рек в зависимости от определяющих факторов;

3. Впервые проведен ретроспективный анализ развития меандрирующих русел для ряда рек бассейна Оби, получены гидролош-морфологические и гидролого-морфодинамические зависимости, связывающие характеристики форм русла, интенсивность и направленность трансформации речных излучин с показателями определяющих факторов.

4. Дана обобщенная оценка условий формирования относительно прямолинейных, неразветвленных и разветвленных широкопойменных русел наряду с меандрирующими на тех же участках рек.

Практическое значение работы. Оценка условий формирования широкопойменных русел (самой распространенной группы среди равнинных рек) разных типов методами гидролого-морфологического анализа, в том числе с учетом стока наносов, лежит в основе прогнозирования трансформации русел рек при естественных и антропогенных изменениях факторов русловых процессов, что важно для предотвращения неблагоприятных последствий этих трансформаций.

Анализ трансформации меандрирующих русел с учетом факторов стадии развития излучин, высоты поймы, многолетних колебаний стока воды и наносов необходим при водохозяйственном использовании рек,

проектировании коммуникаций через реки и объектов на берегах рек.

Исследования проводились в рамках грантов РФФИ № 03-03-64302, №06-05-64293 и по гранту президента РФ для поддержки ведущих научных школ, проект НШ-4884.2006.5.

Апробация работы. Результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Брянск, 2004 г.), XX пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ульяновск, 2005 г.), а также на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ им. М.В. Ломоносова.

По результатам проведенных исследований для научных изданий подготовлено 5 статей, включая журналы «Геоморфология», «Вестник МГУ. Серия 5. География» и «География и природные ресурсы» по Перечню ВАКа и 1 тезисы.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений в табличной форме. Общий объем диссертации составляет 152 страниц печатного текста, включая 64 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 103 публикации на русском и иностранных языках.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю профессору P.C. Чалову за поддержку и внимание в процессе создания работы, заведующему кафедрой гидрологии суши профессору Н.И. Алексеевскому, а также сотрудникам и аспирантам кафедры гидрологии суши и ПИЛ эрозии почв и русловых процессов им Н.И. Маккавеева за консультации и оказанную помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели исследования и поставленные задачи, показана научная новизна результатов, представлены сведения о методах исследования и

фактическом материале.

В Главе 1 дан анализ современных представлений о морфодинамике широкопойменных русел рек и обосновывается выбор в качестве базовой морфодинамической классификации МГУ [Чалов, 1997]. Теоретической основой развития представлений о морфодинамических типах речных русел является закон ограниченности естественных морфологических комплексов М.А. Великанова [1958, с. 58]: "Взаимоуправление потока и русла приводит в результате всех деформаций к определенным, наиболее вероятным комбинациям между морфометрическими характеристиками русла и гидравлическими характеристиками потока".

Главным стержнем морфодинамических классификаций речных русел является выделение трех типов: меандрирующих; относительно прямолинейных, неразветвленных; разветвленных на рукава. Первыми этот подход предложили К.И. Российский и И.А. Кузьмин [1947], выделившие также блуждающие русла и русла сложного строения (сочетание прямолинейных, меандрирующих и разветвленных участков русла). Н.И. Маккавеев (1964) выделял разветвленные и неразветвленные русла, среди последних - меандрирующие и прямолинейные, в группе извилистых -свободные, врезанные и вынужденные излучины. В классификации ГТИ И.В. Попова и Н.Е. Кондратьева [1965,1982] типы русла (ленточногрядовый, побочневый, ограниченное, свободное и незавершенное меандрирование, пойменная и русловая многорукавносхъ) соотнесены с транспортирующей способностью потока; К.В. Гришанин [1972] сохранил терминологию ГТИ, но соотнес типы русел с тремя основными, выделенными К.И. Российским и И.А. Кузьминым, Н.И. Маккавеевым.

В разрезе поставленных в работе задач радом преимуществ обладает классификация МГУ, последняя по времени появления [Чалов, 1979,1997]: во-первых - четким критериальным выделением группы широкопойменных русел; во-вторых, разнообразием подтипов русел, описанием их морфологии и схем деформаций. Основными морфодинамическими типами здесь также являются

меандрирующие, прямолинейные и разветвленные.

К основным причинам меандрирования русел относятся: присущая потокам неустойчивость прямолинейного движения [Потапов, 1950; Кондратьев, 1954; Карасев, 1975; Гришанин, Замыпцхяев, 1985], энергетическая выгодность изогнутой формы русла [Милович, 1914; Маккавеев, 1955], воздействие на поток границ раздела сред [Davis, 1913; Карасев, 1975], наличие в руслах побочней перекатов, формирующих первичную извилистость динамической оси потока [Жуковский, 1948; Маккавеев, 1955; Ackers, Charlton, 1970; Чалов, 1979; Сидорчук, 1992].

Поток на повороте русла обладает особой кинематической структурой, представления о которой базируются на экспериментальных и натурных данных АЛ. Миловича (1914), Н.И. Маккавеева [1955], И.Л. Розовского [1957], З.М. Великановой [1968]. Благодаря неравномерному полю скоростей в поперечном сечении на изгибе русла мощность потока возрастает по сравнению с прямолинейным руслом до момента, когда отношение длины русла 1Р к шагу излучины L (по Н.И. Маккавееву) достигнет l/L = 1,6 (1,4 по более поздним расчетам [Чалов и др., 2004]). Действие центробежных сил и образование поперечного уклона водной поверхности от вогнутого берега к выпуклому, благодаря которому возникают поперечные течения, способствуют развитию излучин, размыву вогнутого берега и намыву побочня у выпуклого берега.

Критерием, позволяющим отделять излучину от относительно прямолинейного русла, является отношение длины излучины к ее шагу 1/L, (степень развитости излучины). Пороговым значением, по данным В.В. Иванова [1989], является 1/L = 1,10-1,15, что проявляема в асимметрии асимметрия поперечного профиля русла в вершине излучины.

С момента образований, речные излучины испытывают постоянные изменения своей формы, сопровождающиеся смещениями как в продольном, так и в поперечном направлении. Направленность и темпы данных процессов зависят от стадии развития на которой находится данная излучина [Попов, 1965; Чалов, Завадский, Панин, 2004]. На стадии сегментных пологих излучин

(1,15<//1<1,40) основной фактор русловых деформаций - чередование зон ускорения и замедления на крыльях излучин, интенсивные продольные смещения излучин. На стадии развитых сегментных излучин (1,40<//1<1,70) интенсифицируются поперечные смещения излучин, скорости продольных смещений замедляются. В большей степени это проявляется на стадии крутых сегментных излучин (1,70<//£<2,00). На данных стадиях утрачивается гидравлическая выгодность извилистой формы русла и может происходить спрямление излучины. Если такого спрямления излучин не происходит, дальнейшая их эволюция (при 1/Ь > 2,00) приводит к образованию излучин более сложных форм. Омеговидные излучины характеризуются образованием на крыльях смежных вторичных излучин, благодаря чему происходит восстановление энергетической выгодности извилистой формы и активизация как продольных, так и поперечных деформаций. Синусоидальные излучины встречаются чаще в условиях, когда речные поймы сложены трудно размываемыми отложениями, отличаются' стабильностью крыльев и расположением области размывов берегов в короткой привершинной части [Чалов, Завадский, Панин, 2004].

Протяженные участки прямолинейного русла встречаются реже меандрирующих или разветвленных на рукава, что объясняется неустойчивостью прямолинейного движения потока [Карасев, 1975, Замышляев, 1982]. Условиями динамической устойчивости прямолинейных щирокопойменных русел являются [Иванов, 1989; Чалов, Алабян и др., 1998]: 1) малый сток руслообразующих наносов; 2) наличие коренного берега и односторонней поймы; 3) большая подвижность побочней и осередков, вследствие чего они не закрепляются растительностью.

Главной причиной образования русловых разветвлений на равнинных реках является осередковая форма грядового движения наносов, в условиях превышения фактическим стоком наносов транспортирующей способности потока [Караушев, 1969; Алексеевский, 1998]. Закрепление осередка растительностью при обсыхании в межень приводит к

преобразованию его в элементарный остров. Увеличение размеров островов и формирование сложных островных массивов происходит за счет объединения элементарных островов при заполнении разделяющих их проток наносами или при причленении к ним побочней.

Главными признаками выделения различных морфодинамических типов разветвленных русел [Чалов, Алабян и др., 1998] служат взаиморасположение островов, образующих разветвлении (выделяются односторонние, одиночные, сопряженные и параллельно-рукавные разветвления), количество рукавов и островов, образующих узлы разветвлений. Определяющее влияние на режим переформирований русловых разветвлений оказывает распределение стока воды и наносов по рукавам, смещение побочней, чередование периодов высокой и пониженной водности.

В главе 2 даны обоснование выбора объектов исследования в бассейнах Волги, Дона и Оби и характеристика геолого-геоморфологических и гидрологических условий развитая русел. Общее количество участков рек, по которым проведена обработка материалов, составляет более 110, на 50 реках России и ближнего зарубежья (часть бассейна Дона на Украине). Критериями выбора объектов служили: 1) наличие крупномасштабных картографических материалов для участков рек с широкопойменным руслом (для целей ретроспективного анализа - несколько временных срезов); 2) наличие гидрологической информации по участку реки.

Геолого-геоморфологическое строение бассейнов рек Европейской территории страны в северных частях определяет чередование свободных и ограниченных условий развития из-за достаточно пёстрой картины ледникового рельефа [Русловой режим рек северной Евразии, 1994]. Холмистые моренные возвышенности, сложенные валунными суглинками, чередуются с низменностями, сложенными флювиогляциальными и аллювиальными, преимущественно песчаными отложениями. Во внеледниковой зоне преобладают свободные условия развития русловых деформаций, включая территории ряда возвышенностей, сложенных

легкоразмываемъши лёссовидными отложениями. Исключение составляют предгорья Урала с распространением скальных пород и ограниченных условий, и территория Донецкого кряжа, где на поверхность выходят доломиты и известняки карбонового и пермского возраста.

Для бассейна Оби характерна иная картина, обусловленная рельефом территории. Реки Алтая и реки, берущие начало в горных системах Обь-Енисейского водораздела, в верхнем течении являются горными с врезанными в скальные породы руслами, за исключением участков в межгорных котловинах. Верхняя Обь и её притоки, пересекающие Предалтайское плато и реки бассейна средней Оби характеризуется распространением сложенных лессовидными (степной Алтай) и песчаными отложениями аккумулятивных равнин, где доминируют свободные условия развития русловых деформаций.

В гидрологическом отношении наиболее обводнены территории Алтая (слой годового стока в среднем 350 мм) и правобережья Оби (270 мм), наименьшей - реки бассейнов Нижней Волги (90 мм) и Дона (75 мм). Реки отличаются по гидрологическому режиму, представленному ВосточноЕвропейским, Алтайским и Западно-Сибирским типами (по Б.Д. Зайкову). Наибольшей мутностью (в среднем 590 г/м3) обладают реки Степного Алтая и реки, протекающие по Приволжской возвышенности (300 г/м3), наименьшей -реки бассейна Верхней Волги (выше Оки) - 20-30 г/м3 и притоки средней Оби -30 г/м3. Распределение по территории характерных типов эпюр руслоформирующих расходов воды также подчиняется определенным региональным закономерностям [Русловой режим рек..., 1994]. На Европейской территории страны выделяется широтная, вытянутая вдоль основного водораздела Восточно-Европейской равнины зона, отличающаяся отсутствием верхнего интервала <2ф. Здесь наиболее значимым является средний интервал ()ф. К северу роль высоких расходов в руслоформировании повышается за счет общей большей увлажненности территории; на юге в образовании Qф верхнего интервала играет роль возрастание внутригодовой неравномерности стока. Для рек бассейна Оби наиболее значимым является

средний интервал руслоформирующих расходов воды, что обусловлено особенностями гидрологического режима рек - растянутым спадом половодья, переходящим в высокую межень.

В главе 3 дается анализ распространения по исследуемой территории основных морфодинамических типов русел. Свободные условия развития русловых деформаций и широкопойменные русла характерны в основном для равнинных рек. На большей части внеледниковой зоны Европейской части и Западной Сибири в свободных условиях широкопойменные русла занимают 91 % от общей длины рек. На участках с чередованием свободных и ограниченных условий (Верхняя Волга) широкопойменные русла также значительно распространены - 51% от общей длины. Для Европейских рек характерно закономерное увеличение доли широкопойменных русел с севера на юг, связанное со сменой условий развития русловых деформаций: от 65% в бассейне Верхней Волги (выше Оки) до 86% в бассейне Дона. В бассейне Оби наблюдается обратная картина. Среди морфодинамических типов наиболее распространены извилистые русла (55% от длины рек в бассейне Дона, 50-70 % в разных частях бассейна Волги, 82% для притоков Оби). Доля прямолинейного русла для рек бассейнов Волги и Дона выше (30-40%), чем для рек бассейна Оби (17%), что объясняется большим распространением участков чередования свободных и ограниченных условий развития русловых деформаций. Доля разветвленного русла на средних реках не превышает 10%.

Глава 4 посвящена оценке условий формирования русел при естественных и антропогенно измененных факторах русловых процессов. Проведенный методом QI-диаграмм совместный анализ условий формирования свободно меандрирующих русел по бассейнам Верхней Волги, Оки, Камы, Нижней Волги, Дона и Оби (с использованием данных В.Г. Смирновой [2002] по рекам Алтая) выявил ряд региональных особенностей. Наибольшие значения произведения QI, пропорционального мощности потока (здесь Q -среднемаксимальный расход, I - уклон дна долины) характерны для рек Алтая и юга Обь-Енисейского междуречья (здесь они приближаются к критическому

значению = 400 [Ромашин, 1968]). Эти регионы характеризуются наибольшими уклонами русел и наибольшей обводненностью. Наименьшие значения среднемахсимальных расходов характерны для рек бассейнов Дона и Нижней Волги - наиболее аридных из исследованных. Притоки Верхней Волги, Оки, Камы и Средней Оби занимают промежуточные положения.

На б/-диаграмме для рек бассейнов Волги и Дона точки, соответствующие прямолинейному руслу, расположены в одном поле с меандрирующими, хотя и тяготеют в делом к их верхней границе. Можно считать, что для формирования прямолинейного русла необходима большая осредненная мощность потока, чем для меандрирующих. Увеличение вероятности образования прямолинейного русла с ростом мощности потока совпадает с проявлением одного из условий формирования русла этого типа -большой подвижностью форм руслового рельефа.

Связь величин характеристик стока наносов (среднегодовой мутности л1 или отношения стока влекомых наносов к площади водосбора \VcJF) и произведения QI (в данном случае использовался среднегодовой расход воды) является прямой [Баровский, 2007]; при этом, при равной мощности потока прямолинейные русла имеют в целом меньший сток наносов. Это является проявлением другого условия формирования прямолинейного русла - слабой развитости форм руслового рельефа.

Участки меандрирующего русла характеризуются разными схемами развития процесса (спрямление на ранних стадиях или формирование излучин с большой степенью развитости и сложной формой). Анализ условий преобладания тех или иных схем развития выполнен с помощью параметра

равного отношению количества излучин на участке реки со степенью развитости 1/Ь< 1,70 (М1.3) к общему количеству излучин на участке (ЕМ):.

Прямая зависимость доли пологих и развитых сегментных излучин от среднего годового расхода воды имеет невысокий коэффициент корреляции. Более информативна зависимость, построенная как скользящее среднее для

/1/

возрастающего по водоносности ряда участков меандрирующих рек (рис. 1).

0.8 -,

0 100 200 ЗООЧер.и'/с 400

Рис. 1. Зависимость доли пологих и развитых сегментных излучин от среднего расхода воды для рек бассейнов Волги и Оби.

При значениях нормы стока до 40 м3/с доля излучин на начальных стадиях (£)</ 7) при осреднении возрастает от 40 до 70 %, а доля крутых сегментных и петлеобразных излучин соответственно сокращается. Большее количество крутых сегментных и петлеобразных излучин для рек с аср < 30 м3/с объясняется характерными для них более короткими половодьями и недостаточной мощностью потока для разового выноса большого количества материала при спрямлении излучин. Излучинам малых рек присуща более интенсивная поперечная циркуляция в потоке, обусловливающая увеличение кривизны излучин русла. При больших значениях водоносности доля пологих и развитых излучин остается примерно на одном уровне - не более 70 %.

Получена обратная зависимость £><¿7 от показателя продолжительности затопления поймы

Я* = (Нп-НШг)-ЫТ>, 121

где Н„ - уровень выхода воды на пойму, НтШ - средний минимальный уровень

воды, ЛЯ - средний годовой перепад уровней воды. Чем выше значение Я*,

(относительно более высокая пойма, затапливающаяся позже и на более

короткий срок), тем ниже вероятность образования спрямляющих излучины

проток, и ниже доля излучин на ранних стадиях развития. Низкий коэффициент корреляции г = -0.52 объясняется тем, что в категорию излучин с //£<1,7 попадают как те, развитие которых отражается этой зависимостью, так и просто обусловленные стадийностью развития излучин: все излучины неизбежно проходят ранние стадии развития.

Параметр И<1л связан прямой зависимостью со среднемноголетней продолжительностью среднемаксимального расхода воды (рис. 2); чем дольше по времени держаться высокие расходы воды, тем больше вероятность спрямления излучин. При этом зависимость разделяется на отдельные ветви по типам гидрологического режима рек в разных природных зонах.

■1 02 ДЗ

Рис. 2. Зависимость доли излучин со степенью развитости 1/Ь < 1,7 от продолжительности среднего максимального расхода воды (в %). 1 - реки с Восточно-Европейским типом гидрологического режима, лесная зона; 2 - реки с Восточно-Европейским типом режима, степная зона; 3 - реки с Западно-Сибирским типом гидрологического режима.

Характеристикой развитости на реке процесса меандрирования может служить показатель распространенности излучин - число излучин на участке русла отнесенное к его длине. Количество излучин, приходящееся на единицу длины русла, зависит от водоносности реки. Поэтому для анализа рек разных порядков был использован показатель

/з/

где п - число излучин на участке русла, Ь - их средний шаг (км), 4 - длина участка вдоль оси пояса меандрирования (км), включающая также отрезки

13

немеандрирующего русла. Он не зависит от водоносности реки и может использоваться для сравнения рек разных порядков.

Для рек бассейнов верхней Волги и Оби получены прямые зависимости показателя Ки от стока влекомых наносов, выраженного через соотношение Wc/F, и уклона русла I. Ранее было показано, что при равной мощности потока меньшие значения стока влекомых наносов характерны для прямолинейных русел. Поэтому, чем меньше значение показателя Ки) тем больше на участке меандрирующей реки вставки прямолинейного русла.

Пример использования методов гидролого-морфологического анализа при антропогенном изменении условий формирования русел (строительство ГЭС, разработка карьеров ill М) показан на рисунке 3.

Рис. 3. Отражение на ^/-диаграмме тенденции изменения преобладающего тала русла -разветвленного на прямолинейное при антропогенном изменении условий формирования русел. 1 - р. Висла, нижний бьеф ГЭС Влоцлавек [ВаКМа, 2000], 2 - р. Обь, нижний бьеф Новосибирской ГЭС, 3 - нижнее течение р. Томи, 2 - нижнее течение р. Катуни (3 и 4 - участей разработки карьеров ПГМ и сплошного русяовыправления). Зависимость 0~1 дана по [Чалов, Лю Шугуан, Алексеевский, 2000].

Здесь для рек с тенденцией к уменьшению доли разветвленного русла и увеличению доли прямолинейного русла точки сместились относительно разделительной линии между этими типами, полученной ранее на обширном фактическом материале [Чалов, Лю Шугуан, Алексеевский, 2000].

В главе 5 методами ретроспективного анализа выявляются

закономерности переформирований свободно меандрирующих русел рек (на примере р. Оки [Баровский, Чалов, 2004] и притоков Средней Оби [Баровский, 2004,2005]). Анализ трансформации русел меандрирующих рек по сопоставлению лоцманских карт разных лет издания позволил выявить ряд закономерностей в динамике излучин на разных стадиях их развития. На реках Чае (1970-1992 гг.) и Парабели (1963-1991 гг.), являющихся левыми притоками Оби, максимальные скорости поперечных смещений возрастают с 2,7 м/год у пологих сегментных до 3,1 м/год у омеговидных излучин. Аналогичный результат был получен для р. Оки (1925-1974 гг.), на которой максимальные скорости на стадии пологих сегментных излучин составляют 2,6 м/год, на стадии крутых - 5,1 м/год. Большие значения скоростей поперечных смещений у излучин Оки по сравнению с Чаей и Парабелью является следствием большей водоносности Оки. На Чулыме (1970-1990 гг.), правом притоке р. Оби, значительно превосходящим Чаю и Парабель по водоносности, изменения скорости поперечного смещения Сюя излучин от степени их развитости также следуют общей схеме. При этом максимальные скорости смещений на каждой стадии здесь значительно выше: у пологих сегментных излучин - около 5 м/год, у омеговидных - до 20 м/год. Большие значения по сравнению с р. Окой, хотя р.Чулым на рассматриваемом участке уступает ей по водоносности, объясняются большими уклонами и, как следствие, большей мощностью и транспортирующей способностью потока. На стадиях развитых излучин {IIЬ > 2,0), зависимость скоростей поперечных смещений излучин от их формы усложняется, ввиду различий в структуре потока и механизмах трансформации русла. На Оке, Чае и Парабели среди излучин, имеющих 1/Ь > 2,0, на зависимостях скорости поперечных смещений Стп от степени их развитости 1/Ь отчетливо выделяются две группы точек, соответствующих омеговидным и синусоидальным излучинам (рис. 4). При этом большими скоростями поперечных смещений характеризуются омеговидные излучины.

Разделение излучин с 1/1 > 2,0 на омеговидные и синусоидальные производится по показателю формы (отношению длины излучины к стреле

прогиба 1/И). Среднее значение этого параметра для омеговидных излучин [Завадский, 2001] составляет 2,8, для синусоидальных -2,5.

а б

А1 Д2

Рис. 4. Зависимости скорости поперечного смещения от степени развитости и типа излучин, А - излучины р. Оки, Б - излучины р. Чаи и р. Парабели: 1 - омеговидные, 2 - синусоидальные излучины.

Для всех излучин на каждой стадии их развития наблюдается значительный диапазон значений Споп. Важным фактором, определяющим их, является высота поймы. Последняя принималась равной осредненному по длине серии излучин значению высоты затопляемой бровки Н„ от уровня устойчивой летней межени. Зависимости вида

Ст~АгНн + Аъ /4/

где А/ и А^ — эмпирические коэффициенты, полученные для каждой стадии,

являются обратными: большие темпы поперечных смещений присущи

излучинам, формирующимся среди поймы меньшей высоты. При размыве

более высокой поймы в поток поступает большее количество наносов, что

вместе с ростом сопротивлений со стороны берегового откоса обусловливает

снижение скорости его размыва.

Невысокие значения коэффициентов корреляции (табл. 1) свидетельствуют о многофакторности самого явления. В частности, играют роль ширина поймы и условия взаимодействия пойменного и руслового потоков [Барышников, 1984]. Для Чай и Парабели зависимость С„оп от высоты поймы прослеживаются у сегментных излучин всех стадий (от пологих до

крутых). У омеговидных и синусоидальных она отсутствует, что можно объяснить влиянием формы (соотношения 1/И) излучин на данной стадии. Для р. Чулыма эта зависимость проявляется хуже, так как здесь меньше вариации высоты пойменных бровок. По-видимому, этим также объясняется отсутствие связи у развитых и крутых сегментных излучин Чулыма. Однако обратная связь скоростей поперечных смещений с высотой поймы прослеживается для р. Чулыма достаточно отчетливо также у омеговидных излучин с 1/Ь > 2,0.

Таблица 1. Коэффициенты регрессии (Л;) и корреляции (г) в зависимостях скоростей поперечных смещений излучин от высоты поймы (4) для рек бассейна р. Оби._

Река Параметр Стадия] эазвития

сегментные пологие сегментные развитые сегментные круше омеговидные и синусоидальные

Парабель А, -0,76 -0,66 -0,39 отсутствует

г -0,74 -0,57 -0,57 отсутствует

Чая А1 -0,40 -0,30 -0,28 отсутствует

г -0,65 -0,51 -0,47 отсутствует

Чулым А, -1,33 отсутствует отсутствует -3,38

г -0,42 отсутствует отсутствует -0,72

Для сегментных излучин наибольшие значения коэффициента регрессии и коэффициента корреляции свойственны пологим излучинам: при большей высоте поймы скорости их смещения меньше, чем у развитых и крутых сегментных излучин, что говорит о снижении значимости фактора высоты поймы по мере эволюции сегментных излучин. У излучин Чулыма значения коэффициента регрессии у омеговидных излучин больше, чем у сегментных пологих из-за общего увеличения скоростей поперечных смещений при интенсивной поперечной циркуляции на повороте русла.

Оценка продольных смещений излучин Спр в целом соответствуют приведенным выше тенденциям их изменений по мере увеличения степени развитости: максимальные скорости убывают с ростом степени развитости. На реках Чае и Парабеле максимальные скорости здесь зафиксированы у пологих сегментных излучин - 7 м/год; у наиболее развитых омеговидных не превышают 1,5 м/год. Для р. Чулыма характерны более высокие

скорости продольных смещений излучин: у пологих сегментных излучин максимальные значения - 15 м/год, у омеговидных - всего 3 м/год. На Оке наибольшие скорости продольного смещения излучин составляют: у пологих сегментных излучин - 12 год, у омеговидных и синусоидальных - 3 м/год.

Зависимость продольного смещения излучин от высоты поймы

Спр=А3-Нп+А4 /5/

имеет характер общей тенденции с невысокой теснотой связи (табл. 2). На

стадии пологих сегментных излучин прослеживается прямая зависимость

скорости продольных смещений от высоты поймы. Это обусловлено

снижением скорости потока при затоплении низкой поймы, в то время как

скорости продольных смещений определяются зонами ускорения потока на

крыльях излучин [Маккавеев, 1955; Гришанин, 1972; Чалов, Завадский, Панин,

2004]. Таким образом, при более низкой Пойме предпосылки для поперечных

смещений будут исчезать раньше. Это же может быть связано с уменьшением

кривизны потока на излучине в половодье при затопленной пойме.

Таблица 2. Коэффициенты регрессии (Аз) и корреляции (г) в зависимостях скоростей продольных смещений излучин от высоты поймы (5) для рек бассейна р. Оби.

Стадия развития

Река Параметр сегментные сегментные сегментные омеговндные и

пологие развитые крутые синусоидальные

Парабель Аз 0,95 -0,90 0,57 отсутствует

г 0,60 -0,50 0,35 отсутствует

Чах Аз 0,83 -0,35 0,65 0,35

г 0,49 -0,86 0,42 0,79

Чулым А, отсутствует -2,69 отсутствует 2,12

г отсутствует -0,51 отсутствует 0,68

Для сегментных развитых излучин характерна обратная зависимость (5): максимальное продольное смещение присуще участкам с наименьшими высотами пойм. Данный факт может быть объяснен большим вкладом в размывы берегов в нижнем крыле эффектов перелива воды на верховую часть пойменного массива, сопровождающиеся формированием в потоке циркуляционных течений с горизонтальной осью, способствующих размыву

берега [Маккавеев, 1955; Великанова, Ярных, 1970; Гендельман, 1975].

Переход излучин в стадию сегментных крутых, омеговидных и синусоидальных вновь приводит к прямой зависимости. Это связано с прекращением изменений положения стрежня потока от межени к половодью из-за роста направляющего влияния берегов. Роль эффектов перелива также снижается из-за образования зон аккумуляции наносов, возникающих при взаимодействии пойменного и руслового потоков. Начало этого явления отмечается при углах пересечения их динамических осей 40°-60° [Знаменская, Филаретова, 1970]. Наибольшее снижение транспортирующей способности потока отмечается при приближении углов пересечения осей пойменных и русловых потоков к 90° [Барышников, 1984], что соответствует излучинам с //£=1,7-2,0. Сходные зависимости скорости продольных смещений излучин от высоты поймы получены для р.Оки [Баровский, Чалов, 2004].

Эволюция излучин в процессе их развития сопровождается изменениями величин их параметров. Эти изменения отражают направленность и интенсивность трансформации формы свободных излучин и при этом связаны с темпами продольных и поперечных смещений.

Изменения стрелы прогиба излучины Ъ характеризуют интенсивность поперечных смещений излучйн. Скорость изменения стрелы прогиба С/, излучин связана со скоростью поперечного смещения излучин Стп прямой зависимостью (коэффициенты корреляции 0,6-0,7). Подобная прямая связь позволяет более детально исследовать характеристики поперечных смещений на разных стадиях меандрирования, основываясь на данных об изменении стрелы прогиба, для которых можно подобрать большой статистический материал. Для анализа особенностей развития излучин внутри каждой стадии использовался показатель интенсивности изменения стрелы прогиба излучины, представляющий собой скорость ее изменения:

Сл = ^-й;>Г'(м/год) /6/

где й/, И2 - начальное и конечное значения стрелы прогиба, Т -

продолжительность периода. Такой подход не вполне приемлем для

сопоставления рек с разной водоносностью, которые определяют значения параметров А/ и В то же время, достаточно удобно сопоставлять излучины на разных стадиях при близкой водоносности участков.

Для изменений во времени значений стрелы прогиба Си был проведен анализ их связи с показателями водности расчетного периода, ограниченного датами выпуска лоцманских карт. В качестве характеристики водности периода была принята величина отношения среднемаксимального расхода за рассматриваемый период (QT) к среднемаксимальному расходу за весь период наблюдений {QcpMmc)-

Км = /7/

Мер махе

В периоды с значением Км < 1 преобладают годы со средними и меньше средних значениями максимумов расходов половодья, в периоды с Км > 1 больше лет с экстремальными максимумами расходов половодья.

Для сопоставления были выбраны участки рек Чулыма и Кети с близкими значениями водоносности. Для всех сегментных излучин эта зависимость обратная (рис. 5А-В), т.к. в половодья повышенной водности динамическая ось потока смещается ближе к выпуклому берегу, и поперечные деформации ослабевают.

При переходе к стадии омеговидных и синусоидальных излучин по мере увеличения степени развитости и кривизны излучины возрастает направляющее воздействие на поток конфигурации русла. На этой стадии (1/L > 2,0) прослеживается прямая зависимость (рис. 5Г).

Схожий эффект в условиях, когда обеспеченность верхнего интервала руслоформирующих расходов воды возрастала благодаря антропогенным воздействиям (переброска стока), отмечался И.Н. Каргаполовой [2006] для излучин р. Москвы, вплоть до уменьшения степени их развитости.

В Главе 6 дан обзор развития широкопойменных разветвленных русел. В исследованных регионах реки образуют участки разветвленных русел главным образом на больших и крупнейших реках: Волге (в современных условиях - на участке русла ниже Волжской ГЭС), Оби и ее притоках - Бии,

Катуни, Томи. Исключение здесь малые и средние реки Алтайского региона -Чарыш, Каменка, и др., на которых распространен специфический для данного региона вид разветвлений - раздвоенные русла [Смирнова и др., 2004].

Рис. 5. Связь скорости изменения стрелы прогиба С* излучин с показателем водности половодий в расчетные периоды. А - пологие сегментные, Б - развитые сегментные, В - крутые сегментные, Г - омеговидные и синусоидальные излучины.

Развитие широкопойменных разветвленных русел различных типов происходит в характерных для них условиях формирования, при этом многие из них имеют узко региональное распространение, что отличает разветвленные русла от меандрирующих и прямолинейных. Помимо упомянутых раздвоенных русел таковыми являются разбросанные разветвления на Бии и Катуни, параллельно-рукавные и чередующиеся односторонние на верхней Оби.

Трансформация разветвленных русел, заключающаяся в перераспределении стока воды между рукавами, зависит от устойчивости русла и транспортирующей способности потока. Продолжительность периодов

трансформации для разных типов русел и в разных условиях составляет от нескольких раз в течении одного года до более 200 лет.

Большинство разветвленных русел испытывают сильные антропогенные нагрузки, изменившие их естественный режим, а во многих случаях обусловивших появление тенденции к смене их типов на другие (Обь ниже Новосибирской ГЭС, нижнее течение Катуни и Томи).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Формирование широкопойменных русел средних и малых рек, имея единую гидромеханическую природу, характеризуется региональными различиями, обусловленными спецификой водного режима, стока наносов, другими физико-географическими особенностями.

2. Анализ ¡2/-диаграмм для свободно меандрирующих русел показал, что верхнюю правую область в поле диаграммы занимают меандрирующие русла наиболее обводненных предгорных районов (реки Алтая), левую нижнюю область - русла аридных областей (бассейны Дона и Нижней Волги). Согласно зависимости «мощность потока-характеристика стока наносов» прямолинейные русла развиваются при меньшем стоке наносов, чем меандрирующие, что является одним из условий их динамической устойчивости.

4. Процесс меандрирования реки на конкретном участке может быть охарактеризован преобладающей схемой эволюции излучин: спрямление сегментных излучины путем образования пойменной протоки или спрямление омеговидных излучин путем встречного размыва шпоры. Доля излучин, находящихся на ранних стадиях развития, зависит от высоты поймы и гидрологического режима реки. Вместе с тем, меандрирующие реки могут характеризоваться разным распространением излучин. Для бассейнов Волги и Оби установлена прямая зависимость этого показателя от стока влекомых наносов и уклона русла: чем больше сток влекомых наносов, тем больше предпосылок для формирования начальных излучин.

5. Антропогенные изменения условий развития русловых деформаций

приводят к смене преобладающего на участке типа русла. Для русел в нижних бьефах ГЭС наблюдается тенденция к сокращению доли разветвленных русел и увеличению протяженности прямолинейных и появлению излучин; на 01-диаграмме наблюдается смещение точек из области разветвленных в область прямолинейных русел.

6. Темпы продольных и поперечных смещений речных излучин определяются стадией развития излучины. Скорости поперечных смещений излучин связаны прямой, скорости продольных смещений - обратной зависимостью со степенью их развитости. На поздних стадиях развития (//¿>2,0) влияние формы излучины на темпы смещений сложнее, для омеговидных излучин темпы смещений выше, чем у синусоидальных.

7. Темпы поперечных смещений находятся в обратной зависимости от высоты поймы на всех стадиях развития излучин. Это объясняется поступлением в поток большего количества наносов при размыве более высокой поймы, что вместе с ростом сопротивлений со стороны берегового откоса обусловливает снижение скорости размыва пойменного берега.

8. Зависимость скорости продольных смещений излучин от высоты поймы сложнее. У пологих излучин она прямая. У сегментных развитых излучин за счет эффекта перелива воды на пойму - обратная. При росте степени развитости и приближением угла взаимодействий пойменного и руслового потоков к 90° зависимость снова становится прямой: чем выше пойма, тем позже наступают тормозящие эффекты взаимодействия потоков.

9. Сегментные излучины характеризуются обратной зависимостью темпов поперечных смещений от среднего значения максимальных расходов воды за период сопоставления разновременных карт. При наличии в этот период серии максимумов высокой обеспеченности темпы поперечных смещений замедляются из-за смещения динамической оси потока к выпуклому берегу. У омеговидных излучин, для которых морфология русла в большей степени управляет потоком, зависимость имеет прямой характер.

Основные публикации по теме диссертации:

1 .Бароеский H.A., Чалое P.C. Гидролого-морфодинамический анализ меандрирующих русел р. Оки и её притоков // Вестник МГУ, Сер. 5. 2004. № 2.

2.Баровский H.A. Динамика меандрирующих русел притоков Средней Оби // Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии. 2004. с. 22-31. Ъ.Бароеский H.A. Естественные факторы горизонтальных деформаций свободно меандрирующих русел // XX пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. 2005.

А.Баровский Н.А. Гидролого-морфодинамический анализ свободно меандрирующих русел на разных стадиях их развития Н Геоморфология. 2005. №4. с.54-63.

5.Бароеский Н.А. Оценка условий формирования свободно меандрирующих рек на разных стадиях их развития // География и природные ресурсы. 2007. № 4. с.124-130.

с. 64-68.

с.103-105.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от01.12.99 г. Подписано к печати 19.09.2008 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 509. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Баровский, Николай Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОРФОДИНАМИКЕ ШИРОКОПОЙМЕННЫХ РУСЕЛ РЕК

1.1. Морфодинамические классификации и отражение в них широкопойменных русел

1.2. Развитие свободномеандрирующих русел

1.3. Развитие относительно прямолинейных неразветвленных русел

1.4. Развитие разветвленных русел

ГЛАВА 2. ФАКТОРЫ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ИССЛЕДУЕМЫХ РЕКАХ

2.1. Обоснование выбора объектов гидролого-морфологического анализа

2.2. Геолого-геоморфологические условия

2.3. Сток воды и наносов, гидрологический режим, условия прохождения руслоформирующих расходов воды

ГЛАВА 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РУСЕЛ РЕК РАЗНЫХ

МОРФО ДИНАМИЧЕСКИХ ТИПОВ В БАССЕЙНАХ ВОЛГИ, ДОНА,

ГЛАВА 4. ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЙМЕННЫХ РУСЕЛ СРЕДНИХ И МАЛЫХ РЕК

4.1. Естественные условия

4.2. Антропогенно измененные условия

ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ШИРОКОПОИМЕННЫХ РАЗВЕТВЛЕННЫХ РУСЕЛ

ГЛАВА 5.1ИДРОЛГО-МОРФОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ СВОБОДНОМЕАНДРИРУЮЩИХ РУСЕЛ

5.1. Направленность русловых деформаций на разных стадиях 91 развития излучин

5.2. Связь деформаций меандрирующих русел с многолетними 103 колебаниями стока воды

5.3. Прогнозные оценки трансформации свободномеандрирующих 108 русел

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидролого-морфологическая оценка условий формирования и трансформации широкопойменных русел рек"

Актуальность работы. Широкопойменные русла рек с разным морфодинамическим типом формируются в определенных гидрологических, геолого-геоморфологических и ландшафтных условиях, оценка которых составляет важную часть исследований русловых процессов. Результаты таких исследований используются для прогноза трансформации русла при естественных и, особенно, антропогенных изменениях природной среды. Анализ условий формирования русел выполнялся многими исследователями на конкретных реках, однако обобщения, требующие получения обширных сведений по рекам с зональным гидрологическим режимом (средним рекам), проведены для очень ограниченного числа регионов. Еще реже встречаются сопоставления особенностей формирования русел одного и того же типа, в том числе меандрирующего, в разных бассейнах, характеризующихся большим разнообразием условий развития русловых деформаций. Обычно подобный анализ выполнялся по длине одной или нескольких рек с близким сочетанием естественных факторов русловых процессов.

Применительно к меандрирующему руслу при анализе условий его формирования требуется проводить соответствующую оценку и для русел других типов, встречающихся на тех же участках рек, что необходимо для получения объективной картины. Кроме того, в уточнении и дополнении нуждаются данные об условиях, определяющих преобладание на участках меандрирующего русла излучин, находящихся на тех или иных стадиях развития, например, сегментных или петлеобр азных.

Обширная литература посвящена динамике потока на изгибах русла, морфологии, генезису, механизмам развитая и эволюции излучин, гидролого-морфологическим зависимостям для извилистых русел на разных стадиях развития и на реках разных размеров, предложены модели, позволяющие прогнозировать отступание берегов под воздействием потока и т.д. Имеются данные стационарных наблюдений за динамикой излучин, правда, достаточно кратковременные. Поэтому очевидно, что динамика излучин в процессе их развития (морфодинамический анализ) и тем более с учетом многолетних колебаний водности, остается пока слабым звеном в изученности процесса меандрирования. Ряд закономерностей в динамике русел свободномеандрирующих рек может быть выявлен на основе сопоставления разновременных картографических материалов. Они достаточно подробно освещают состояние большинства средних и больших рек в XX веке и, особенно, во второй его половине. Это позволяет выявлять связи характеристик русловых деформаций с изменениями факторов русловых процессов, стадиями развития излучин и антропогенными воздействиями на них, что очень важно для прогноза переформирования русел рек при глобальных изменениях природной среды и климата.

Цела и задачи работы. Основной целью работы является выявление региональных особенностей формирования широкопойменных русел рек, закономерностей их трансформаций на разных стадиях развития форм русел разных типов и в связи с определяющими факторами, в том числе многолетними колебаниями и изменениями гидрологических характеристик.

Для достижения этой цели в ходе работы необходимо было решить следующие задачи:

• систематизировать современные представления о развитии широкопойменных русел;

• получить сведения и дать анализ природных условий формирования широкопойменных русел в крупнейших бассейнах России и их оценку как факторов русловых процессов;

• определить условия формирования прямолинейных и меандр ирующих широкопойменных русел как на основе применения традиционных методов (анализ ^/-диаграмм, анализ «эпюр» руслоформирующих расходов воды), так и с использованием новых подходов (диаграммы «мощность потока - характеристика стока наносов»);

• применить гидролого-морфологический анализ к руслам с наибольшей антропогенной трансформацией условий развития;

• провести анализ трансформации свободномеандрирующих русел рек с учетом стадийности развития речных излучин, пойменных условий, многолетних колебаний параметров гидрологического режима;

• дать географический обзор особенностей развития широкопойменных русел.

Методика исследований и фактический материал. Исследование выполнено на основе анализа и обобщения фактического материала по более чем 110 участкам 50 рек России и Украины. Исследования строились главным образом на основе обработки картографических материалов: топографических и лоцманских карт, полученных автором из фондов научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева. Широко использовались литературные данные.

В качестве основных применялись методы гидролого-морфологического и ретроспективного анализов. На основе первого выявлены условия формирования пшрокопойменных прямолинейных и меандрирующих русел средних рек, определены региональные особенности их развития. Методами ретроспективного анализа проведено исследование трансформации свободномеандрирующих русел рек.

Научная новизна работы.

• Установлены региональные особенности условий формирования широкопойменных русел средних и малых рек в бассейнах Волги, Дона и Оби.

• Предложены и обоснованы новые методы анализа условий формирования меандрирующих русел, позволившие установить закономерности распространения процесса меандрирования и преобладающих типов излучин на различных участках рек в зависимости от особенностей гидрологического режима рек, высоты поймы и стока влекомых наносов;

• Впервые проведен ретроспективный анализ развития меандрирующих русел для группы рек бассейна Оби, получены гидролого-морфологические и гидролого-морфодинамические зависимости, связывающие характеристики форм русла, интенсивность и направленность трансформации речных излучин с показателями определяющих факторов.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты позволяют существенно расширить возможности прогнозирования русловых деформаций при многолетних и вековых изменениях природной среды, в том числе под влиянием антропогенных воздействий на факторы русловых процессов, а также использоваться при решении практических задач, связанных с регулированием речных русел и учетом русловых процессов при проектировании хозяйственных объектов в руслах и на берегах рек.

Основные выводы работы могут войти в учебные при подготовке специалистов-гидрологов («Русловые процессы», «Опасные гидрологические процессы», «Вводно-технические изыскания»).

Исследования проводились в рамках грантов РФФИ № 03-03-64302, №06-0564293 и по гранту президента РФ для поддержки ведущих научных школ, проект НШ-4884.2006,5. Результаты исследований вошли в ряд научно-технических отчетов, выполненных научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов и кафедрой гидрологии суши МГУ по хоздоговорам и контрактам с проектными и производственными организациями и ведомствами.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Брянск, 2004 г.), XX пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ульяновск, 2005 г.), а также на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ им. М.В. Ломоносова (май 2007 г.).

По результатам проведенных исследований для научных изданий подготовлено 5 статьи, включая журналы «Геоморфологию), «Вестник МГУ. Серия 5. География» и «География и природные ресурсы» по Перечню ВАКа и 1 тезисы.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений в табличной форме. Общий объем диссертации составляет 152 страниц печатного текста, включая 61 рисунок и 21 таблицу. Список литературы содержит 103 публикации на русском и иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Баровский, Николай Александрович

Заключение

1) Среди широкопойменных русел абсолютно преобладают меандрирующие; разветвленные русла преимущественно типичны для больших рек; прямолинейные неразветвленные встречаются наиболее редко, составляя первые проценты общей длины рек со свободными условиями развития русловых деформаций.

2) Формирование широкопойменных русел средних и малых рек, имея общую гидромеханическую природу, обладает региональными различиями, обусловленными спецификой водного режима, стока наносов, другими физико-географическими особенностями. Анализ ^/-диаграмм для свободно показал, что верхнюю правую область, соответствующую наибольшей мощности потока, занимают меандрирующие русла наиболее обводненных предгорных районов (реки Алтая), левую нижнюю область - русла аридных областей (бассейн Дона и Нижней Волги).

3) Согласно зависимости «мощность потока - характеристика стока наносов» прямолинейные неразветвленные русла развиваются при меньшем стоке наносов, чем меандрирующие, что является одним из условий их динамической устойчивости.

4) Процесс меандрирования реки на конкретном участке может быть, с одной стороны, охарактеризован преобладающей здесь схемой эволюции излучин: спрямление сегментных излучины путем образования пойменной протоки или развитие омеговидной излучины с последующим спрямлением путем встречного размыва шпоры излучины со стороны верхнего и нижнего крыльев. Доля излучин, находящихся на ранних стадиях развития, соответствующая преобладающему типу меандрирования, зависит от высоты поймы (чем выше пойма, тем меньше продолжительность ее затопления и меньше вероятность формирования пойменных проток, спрямляющих излучину) и от гидрологического режима реки (чем выше продолжительность высоких расходов воды и дольше период затопления поймы). С другой стороны, участки извилистых русел могут характеризоваться разной степенью распространения процесса меандрирования, проявляющуюся в разном количестве излучин. Для бассейнов Волги и Оби выявлены прямые зависимости характеризующего количество излучин показателя Ки = ~т~ от удельной характеристики стока влекомых наносов Wq/F (чем больше сток влекомых наносов, тем более интенсивно идет развитие грядовых форм руслового рельефа, в частности, побочней, определяющих формирование первичных излучин) и уклона русла, что близко по смыслу влиянию мощности потока на равнинных реках.

5) При антропогенной трансформации условий развития русловых деформаций, приводящей к смене преобладающего на участке типа русла, данная тенденция может быть отражена с помощью тех же, что и для рек в мало трансформированных условиях, методик. Для нижних бьефов ГЭС, где наблюдается тенденция к сокращению доли разветвленных русел и увеличению протяженности прямолинейных русел, на ^/-диаграмме наблюдается смещение точек из области разветвленных русел в область прямолинейных русел.

6) Темпы продольных и поперечных смещений речных излучин в первую очередь определяются стадией развития излучины. Скорость поперечных смещений излучин связана прямой зависимостью с их степенью развитости, скорость продольных смещений — обратной. На поздних стадиях развития (//Z>2,0) влияние формы излучины на темпы смещений сложнее, для омеговидных излучин (l/h>2,65) темпы смещений вьппе, чем у синусоидальных (///г<2,65).

7) Темпы поперечных смещений находятся в обратной зависимости от высоты поймы на всех стадиях развития излучин, что связано с поступлением в поток большего количества наносов при размыве более высокой поймы и ростом сопротивлений со стороны берегового откоса, обусловливающим снижение скорости размыва пойменного берега.

8) Зависимость скорости продольных смещений излучин от высоты поймы сложнее: у пологих излучин она прямая. У сегментных развитых излучин, благодаря эффектам перелива воды на пойму - обратная. У излучин с большей степенью развитости и приближением угла схождения пойменного и руслового потоков к 90° (а затем и к большим значениям) зависимость снова приобретает прямой вид: чем вьппе пойма, тем позже наступают эффекты взаимодействия потоков, приводящие к снижению скоростей течений.

9) Сегментные излучины (//£<2,0) характеризуются обратной зависимостью темпов поперечных смещений от среднего значения максимальных расходов воды за период, для которого проводился ретроспективный анализ. При наличии в период серии максимумов высокой обеспеченности темпы поперечных смещений замедляются за счет смещения в такие половодья динамической оси потока к выпуклому берегу и его размывам. У омеговидных излучин, для которых морфология русла в большей степени управляет потоком, зависимость имеет прямой характер.

10) При реализации прогнозов увеличения водности рек Западной Сибири и северной части Европейской территории России на 10-15 % и увеличении повторяемости экстремально высоких максимумов половодий для сегментных излучин здесь можно ожидать снижения темпов поперечных смещений, для омеговидных — увеличения. Изменения могут составить до 60 % от современных значений.

11) Прямолинейные неразветвленные русла получают динамическую устойчивость при наличии коренного берега, при малом стоке наносов и большой подвижности грядовых мезо- и макроформ руслового рельефа в слабоустойчивом или неустойчивом русле. Их деформации заключаются в основном в смещении побочней, перекатов и осередков.

12) Разветвленные русла как регулярные формы свойственны большим и редко средним широкопойменным рекам. Они отличаются наибольшим морфодинамичсеким разнообразием; сложность их возрастает с увеличением водоносности, стока наносов и снижением устойчивости русла. При антропогенных воздействиях разветвления трансформируются в прямолинейное неразветвленное русло, в ряде случаев проявляя тенденцию к меандрированию.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Баровский, Николай Александрович, Москва

1. Алабян A.M. Типы русел равнинных рек и факторы их формирования // Геоморфология. № 2. 1992.

2. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М.: МГУ. 1998

3. Бабак Ю. В., Турыкин Л. А., Чалов Р. С. Сток наносов, руслоформирующие расходы воды и морфодинамические типы русел рек бассейна Оки. //Геоморфология, 2000 г., № 4.

4. Баровский Н.А. Гидролого-морфодинамический анализ свободно меандрирующих русел на разных стадиях их развития // Геоморфология. 2005. № 4.

5. Баровский Н.А. Оценка условий формирования свободно меандрирующих русел (на примере рек бассейнов Волги и Оби) // География и природные ресурсы. 2007. № 4.

6. Баровский Н.А., Чалов Р.С. Гидролого-морфологический анализ и условия развития русел рек в бассейне р. Оки // Вестник Моск. ун-та. Сер.5. География. 2004. № 2. с 63-68.

7. Барышников Н.Б. Антропогенные воздействия на русловые процессы. Л.: ЛГМИ. 1990.

8. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 280 с.

9. Беркович К.М. Об изменениях типа русла при антропогенном воздействии // Эрозионные и русловые процессы Сибири. Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та. 2003.

10. Беркович К.М. Русловые процессы и русловые карьеры. М.:МГУ. 2005.

11. Беркович К.М., Векслер А.Б., Виноградова Н.Н., Доненберг В.М., Лысенко В.В., Маккавеев Н.И., Рулева С.Н., Чалов Р.С. Формирование русла Оби в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС // Труды ЗапСибНИИ Госкомгидромета. Вып 52. 1981.

12. Беркович К.М., Гаррисон Л.М., Рулева С.Н., Сурков В.В., Чалов Р.С., Русловые процессы, антропогенные изменения русла нижней Катуни и их влияние наландшафты пойм // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 12. 2000.

13. Беркович К.М., Гаррисон Л.М., Рулева С.Н., Чалов Р.С. Морфология русла и русловые деформации верхней и средней Оби // Земельные и водные ресурсы. Противоэрозионная защита и регулирование русел. М.:МГУ. 1990.

14. Беркович К.М., Калинин A.M., Чалов Р.С., Чернов А.В. Районирование территории СССР по геолого-геоморфологическим условиям развития русловых деформаций // Работа водных потоков. М.: изд-во МГУ. 1987.

15. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: Госфизматиздат. 1958.

16. Великанова З.М. Лабораторные исследования речной излучины // Труды ГГИ. 1968. Вып. 147.

17. Великанова З.М., Ярных Н.А. Натурные исследования гидравлики пойменного массива в высокое половодье // Труды ГГИ. Вып. 183. 1970. с. 33-53.

18. Гендельман М.М. К вопросу о механизме переработки берегов речных русел // Метеорология и гидрология. 1975. № 12. с. 89-94.

19. Георгиади А.Г., Милюкова И.П. Масштабы гидрологических изменений в бассейне р. Волга, возможные при антропогенном изменении климата // Метеорология и гидрология. 2002. № 2.

20. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1962.

21. Гришанин К.В. Теория руслового процесса. М: Транспорт. 1972.

22. Евсеева Н.С., Земцов А.А. Деформация берегов р. Кети и связанные с ними процессы//Вопросы географии Сибири. 1978. Вып. 11. с. 121-129.

23. Евстигнеев В.М., Акименко Т.А. Прогноз изменения стока воды в устьях крупнейших северных рек России // Гидроэкология: теория и практика. Проблемы гидролгии и гидроэкологии. Вып.2. М.: МГУ.2004.

24. Завадский А.С. Гидролого-морфологический анализ свободного меандрирования русел равнинных рек: Автореф. дисс. канд. геогр. наук. М: Издательство МГУ, 2001. 26 с.

25. Завадский А.С., Каргаполова И.Н., Чалов Р.С. Стадии развития свободных излучин и их гидролого-морфологический анализ // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. № 2. с 17-22.

26. Замышляев В.И. О плановой неустойчивости прямого русла // Труды ГГИ. 1982. Вып. 278.

27. Знаменская Н.С. Донные наносы и русловые процессы. JI.: Гидрометеоиздат. 1976.

28. Знаменская Н.С., Филаретова М.М. Экспериментальные исследования гидравлики пойменных русел при ограниченном меандрировании // Труды ГГИ. Вып. 183. 1970. с. 54-69.

29. Иванов В.В. Условия формирования, гидроморфометрические зависимости и деформации относительно прямолинейных неразветвленных русел. Дисс. канд. геогр. наук. М.:МГУ. 1989.

30. Исмайылов Г.Х., Голубаш Т.Ю. Оценка влияния возможных изменений климата на составляющие водного баланса р. Волги // Труды Академии водохозяйственных наук. Вып.5. 1998.

31. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. JI.: Гидрометеоиздат. 1975.

32. Каргаполова И.Н. Реакция русел рек на изменение водности и антропогенное воздействие за последние столетия. Дисс. канд. геогр. наук. М.: изд-во МГУ. 2006

33. Клавен А.Б., Сншценко Б.Ф. Основные черты руслового процесса в нижнем течении р. Селенги//Труды ГТИ. Вып. 252. 1978. с. 38-51.

34. Кожевников М.П. О движении воды на повороте русла // Гидротехническое строительство. 1946. № 9.

35. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Сншценко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. JL: Гидрометеоиздат. 1982.

36. Коротаев В.Н., Иванов В.В., Русловые деформации на нижней Волге // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 2000. №6.

37. Кумсиашвили Г.П., Чалов Р.С. Формирование вертикальной границы раздела в потоке при слиянии рек и ее влияние на русловые процессы // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1990. №5.

38. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: АН СССР. 1955.

39. Маккавеев Н.И. Русловой режим рек и трассирование прорезей. М.: Речиздат. 1949.

40. Маккавеев Н.И. Сток и русловые процессы. М.:МГУ. 1971.

41. Маккавеев Н.И., Чалов Р. С. Русловые процессы. М.: МГУ. 1986.

42. Милович А.Я. Нерабочий изгиб потока жидкости. Бюлл. политехнического общества. 1914. № 10.

43. Морфология и динамика русел рек Европейской части России и сопредельных государств. Масштаб 1:2 000 000. М.: Федер. служба геодезии и картографии. 1999.

44. Мохов И.И., Семенов В.А., Хон Б.Ч. Региональные сценарии гидрологического режима в XX веке и модельные сценарии их изменений в XXI веке // Глобальные изменения климата и их последствия для России. 2002.

45. Нижняя Волга: геоморфология, палеогеография и русловая морфодинамика. М.: ГЕОС. 2002.

46. Никитина Л.Н., Чалов Р.С. Эволюция свободных излучин и основные стадии их развития // Геоморфология. 1998. № 4.

47. Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы. М.:Наука. 2005.

48. Попов И.В. Деформация речных русел и гидротехническое строительство. Л: Гидрометеоиздат. 1965.

49. Попов И.В. Русловые переформирования р. Волги на участке Волгоград-Астрахань // Труды ГГИ. 1963. Вып. 108.

50. Потапов М.В. Поперечная циркуляция в открытом потоке и ее гидротехническое применение. М.: Сельхозиздат. 1936.

51. Проектирование судовых ходов на свободных реках // Труды ЦНИИЭВТ. Вып. 36. 1964.

52. Резников П.Н. Сток наносов и его проявления в морфодинамике речных русел. Автореф. дисс. канд. геогр. наук. 2007.

53. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 10. Верхне-Волжский район. Кн. 1. М.:

54. Московское отделение Гидрометеоиздата. 1973.

55. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 11. Средний Урал и Приуралье. Л.: Гидрометеоиздат. 1973.

56. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 7. Донской район. Л.: Гидрометеоиздат. 1977.

57. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат. 1985.

58. Розовский И.Л. Движение воды на повороте открытого русла. Киев.: АН УССР. 1957.

59. Ромашин В.В. Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами // Труды ГГИ. 1968. Вып. 155.

60. Россинский К.И., Кузьмин И.А. Некоторые вопросы прикладной теории формирования речных русел // Проблемы регулирования речного стока. М.-Л: АН СССР. 1947.

61. Русловой режим рек Северной Евразии. М: МГУ. 1994.

62. Русловые процессы и водные пути на реках Обского бассейна. Новосибирск: РИПЭЛ плюс. 2001.

63. Русловые процессы на реках СССР. Масштаб 1 : 4 ООО ООО. 1990.

64. Смирнова В.Г. Гидролого-морфологический анализ разветвленных русел рек Алтайского региона. Автореф. дисс. канд. геогр. наук. 2002

65. Смирнова В.Г., Чалов Р.С. Оценка граничных условий формирования русел разных типов на реках Алтайского региона // Геоморфология. 2004. № 2.

66. Смирнова В.Г., Чалов Р.С., Рулева С.Н. Раздвоенные русла специфическая разновидность пойменно-русловых разветвлений на реках Алтайского региона // География и природные ресурсы. 2004. №1.

67. Соколов А.А. Гидрография СССР. Л: Гидрометеоиздат. 1952.

68. Спиридонов А.И. Геоморфология Европейской части СССР. М.: Высшая школа, 1978 г.

69. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М.: МГУ. 1979.

70. Чалов Р.С. Общее и географическое русловедение. М.: МГУ. 1997.

71. Чалов Р.С. Пойменно-русловые разветвления и особенности их формирования // Четырнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. 1999.

72. Чалов Р.С., Алабян A.M., Иванов В.В., Лоднна Р.В., Панин А.В. Морфодинамика русел равнинных рек. М.: МГУ. 1998 г.

73. Чалов Р.С., Белый Б.В. Районирование территории Сибири по характеру руслоформирующей деятельности рек // Метеорология и гидрология. 1975. № 12.

74. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. М.: МГУ. 2004.

75. Чалов Р.С., Лю Шугуан, Алексеевский Н.И. Сток наносов и русловые процессы на больших реках России и Китая. М.: МГУ. 2000.

76. Чалов Р.С., Резников П.Н. Сток наносов и условия формирования русел бассейна Северной Двины // Геоморфология. 2005. № 2.

77. Чалов Р.С., Штанкова Н.Н. Сток наносов, доля стока влекомых наносов в нем и их отражение в формах проявления русловых процессов на реках бассейна Волги // Труды АВН. Вып. 9. Проблемы русловедения. 2003.

78. Чернов А.В., Кораблева О.В. Результаты наблюдений за размывом берегов на реках Лесного Заволжья и их анализ // Проблемы русловедения. Труды АВН. Вып. 9. 2003.

79. Шанцер Е.В. Аллювий равнинных рек умеренного пояса и его значение для познания закономерностей строения и формирования аллювиальных свит // Труды Геол. ин-та АН СССР. Сер. геологич. Вып. 135.1951. №55.

80. Ярных Н.А. Деформации русла и берегов на крутой излучине // Труды ГГИ.1978. Вып. 252.

81. Abernethy В., Rutherford I.D. Where along a river's length will vegetation most effectively stabilize stream banks? // Geomorphology. vol. 23.1998.

82. Ackers P., Charlton F.G. The geometry of small meandering streams // The Institute of Civ. Eng. Proc. Pap. 73285. 1970.

83. Arnell N.W. Climate change and global water resources // Global environmental change. 1999. № 9.

84. Babinski Z. Wplyw zapor na procesy korytowe rzek aluwialnych // Przestrzen. 2000. № 12.

85. Baker V.R. Erosional processes in channelized water flows on Mars // J. Geophys. Res.1979.

86. Begin Z. The relationship between flow-shear stress and stream pattern // J. Hydrol. 1981. 52. №3-4.

87. Climate change 2007. Impact, Adaptation and Vulnerability: Contribution of WG-II to the Third Assessment Report of the ГРСС, New York. Cambridge University Press. 2007.

88. Darby S.E., Alabyan A., Van de Wiel M.J. Numerical simulation of bank erosion and channel migration in meandering rivers // Water Resourses Research. 2002. № 9.

89. Dietrich W.E., Smith J.D. Bed load transport in a river meander // Water Resourses Research. 1984. 20(10).

90. Hodkinson A., Ferguson R.I. Numerical modelling of separated flow in river bends: model testing and experimental investigation of geometric controls on the extent of flow separation at the concave bank // Hydrological processes. 1998. № 12.

91. Keller E. A. Development of stream channels: a five staged mode // Geol. Soc. Amer. Bull. 1972. № 5.

92. Komar. P.D. Shapes of streamlined islands on the Earth and Mars. Experiments and analyses of the minimum-drag form // Geology. 1983. № 11.

93. Leopold L.B., Wolman M.G. River channel patterns braided, meandering and straight // US Geol. Surv. Prof. Pap. 282-B. 1957.

94. Levin J. Initiating of bed forms in coarse grained sediment // Geol. Soc. Amer. Bull. V.87. 1976. № 2.

95. Molnar P. Climate change, flooding in arid environments and erosion rates // Geology. 2001. № 11.

96. Nanson D.C. Regional trend to meander migration // J. Geology. 1980. № 1.

97. Osterkamp. W.R. Gradient, discharge and particle-size relations of alluvial channels in Kansas, with observations on braiding // Amer. J. Sci. 1978. 278. №9.

98. Shen H.W., Shum S.H., Doehring D.O. Stability of stream channel patterns // Transp. Res. Rec. 1979. № 736.

99. Simon A., Collison A.J.S. Pore-water pressure effects on the detachment of cohesive streambeds: seepage forces and mutric suction II Earth Surface Processes and Landforms. 2001. vol. 26.

100. Van de Wiel M.J., Darby S.E. Numerical modelling of bank erosion along vegetated reaches // Eos. Trans. AGU. 82(20). 2001.

101. Zhongyan LI, Zhongchen LU. Geomorphic thresholds for channel evolution in the lower Yellow River // International Journal of Sediment Research. Vol. 19. No. 3. 2004.