Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидролого-морфологический анализ свободного меандрирования русел равнинных рек

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Завадский, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современные представления о меандрирующих руслах.

1.1. Свободные излучины в классификациях речных русел.

1.2. Распространение свободного меандрирования на реках Северной Евразии.

1.3. Причины зарождения и развития свободных излучин.

1.4. Факторы, влияющие на формирование меандрирующего русла.

1.5. Типизация излучин. ,,. /

Глава 2. Методика исследования.

Глава 3. Гидрологический режим и русловые процессы на исследованных реках.

3.1. Водный режим рек.

3.2. Русловой режим рек.

Глава 4. Морфология и эволюция свободных излучин.

4.1. Этапы развития и классификация свободных излучин.

4.2. Асимметрия формы свободных излучин.

4.3. Изменение параметров свободных излучин в процессе развития.

Глава 5. Развитие процесса меандрирования в различных природных условиях.

5.1. Влияние условий прохождения руслоформирующих расходов воды и других природных факторов на развитие процесса меандрирования.

5.2. Общие закономерности развития меандрирующих русел на реках Северной Евразии.

5.3. Русловые деформации на Оке и Вычегде.

Глава 6. Гидролого-морфологические характеристики излучин и их связь с водоносностью рек.

6.1. Изменение характерных параметров излучин по длине рек.

6.2. Гидролого-морфологические зависимости. 156 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 187 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидролого-морфологический анализ свободного меандрирования русел равнинных рек"

Актуальность темы. Среди всего разнообразия форм проявления русловых процессов, встречающихся в природе, меандрирование является наиболее типичным и часто встречающимся. Особенно характерно оно для равнинных рек в широкопойменных условиях, поэтому излучины представляют собой одну из наиболее распространенных форм речного русла. В связи с этим, процессу меандрирования и характеристикам извилистого русла посвящена обширная литература, в том числе содержащая гидролого-морфологический анализ излучин на конкретных реках. Однако, меандрирование, в основном, рассматривается как процесс, зависящий от динамики потока и его гидравлических характеристик: расхода воды, скорости течения, уклона водной поверхности. Очень мало работ, в которых уделяется внимание влиянию на развитие излучин природных факторов и особенностей гидрологического режима рек. В то же время, по Н.И. Маккавееву [65], «потоки с одинаковыми гидравлическими характеристиками могут в различных природных условиях создавать различные русловые формы, и, в свою очередь, внешне одинаковые русловые образования могут возникать под влиянием совершенно различных гидравлических процессов» (с. 15). Выявление региональной специфики свободного меандрирования рек представляет не только важную научную, но и практическую задачу, решение которой связано с повышением эффективности и надежности мероприятий по регулированию русел. Кроме того, слабо изученными остаются вопросы возникновения излучин, стадийности развития и условий их спрямления, трансформации формы и гидролого-морфологических зависимостей в ходе эволюции излучин, при изменении водоносности и других характеристик рек.

Цели и задачи работы. Основной целью работы был анализ особенностей формирования меандрирующих русел при различных сочетаниях природных факторов, на реках, отличающихся внутригодовым распределением стока воды, величиной стока и составом руслообразующих наносов, условиями прохождения руслоформирующих расходов воды, устойчивостью русел.

Наряду с региональным аспектом, в работе ставились следующие задачи: определение преобладающих форм излучин; получение критериев, характеризующих интенсивность развития процесса меандрирования; выявление и обоснование стадий развития излучин; изучение трансформации формы и размеров излучин по длине рек при изменении их водоносности и на разных стадиях развития; анализ гидролого-морфологических зависимостей на реках разных размеров.

Методика исследований. В основу исследования легли принципы географического изучения русловых процессов, разработанные Н.И. Маккавеевым и Р.С. Чаловым, которые позволяют использовать комплексный подход при изучении различных форм речных русел. Исходными данными для выполнения работы послужили картографические материалы и данные натурных исследований, выполненные на реках России экспедициями научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева, материалы сетевых наблюдений Гидрометеослужбы России. Автор принимал участие в экспедиционных исследованиях на Вычегде, Северной Двине, Сухоне, Юге, средней Лене, среднем Амуре, а также в рекогносценировочном обследовании русел Белой и Уфы (в районе г. Уфы).

Научная новизна работы. В работе впервые выполнен региональный анализ свободномеандрирующих русел, основанный на таком обширном фактическом материале. В результате проведенного исследования:

1) установлены общие закономерности формирования меандрирующего русла в условиях свободного развития русловых деформаций; определен характер влияния основных природных факторов на размеры и форму излучин;

2) проведен анализ гидролого-морфологических зависимостей для свободных излучин, позволивший выявить особенности их развития на малых, средних, больших и крупнейших реках;

3) выделены основные стадии развития свободных излучин, установлены особенности трансформации их формы, интенсивность и направленность деформаций, присущие каждой стадии; предложена классификация свободных излучин по соотношению морфометрических параметров с учетом гидролого-морфологических особенностей процесса их развития;

4) впервые выполнен анализ распространения преобладающих форм свободных излучин на реках Северной Евразии;

5) рассмотрены вопросы образования плановой асимметрии свободных излучин; предложены критерии для ее оценки, а также проведен анализ факторов, влияющих на показатели асимметрии; разработана классификация свободных излучин по степени асимметрии их формы.

Практическоезначение. Полученные региональные закономерности развития излучин, стадийность и гидролого-морфологические характеристики процесса дают возможность разрабатывать такие системы регулирования русел, которые в наиболее полной мере обеспечивают сохранение рек как природных объектов и, соответственно, экологическую безопасность их эксплуатации в хозяйственных целях и предотвращение неблагоприятных проявлений русловых деформаций.

Предлагаемые методы выделения стадий развития излучин могут быть приняты в качестве основы для разработки принципов выделения излучин разных форм. Это даст возможность сопоставлять научные результаты различных авторов, избегая субъективности в данном вопросе, которая неизбежно сопутствует исследованиям при отсутствии общих схем.

Апробация. Результаты исследований и основные положения диссертации были доложены на 2-м и 3-м научном семинаре молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (Ижевск, 1997; Вологда, 2000); 14-м пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Уфа, 1999), V конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (г. Москва, 1999), а также изложены в 13 научных публикациях.

Материалы исследований и разработанные в диссертации методы изучения свободномеандрирующих русел включены в отчет научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ и Института водных и экологических проблем ДВО РАН по результатам исследования русловых процессов на среднем Амуре в рамках ФЦП «Интеграция», являлись или являются составной частью выполнения исследований по грантам РФФИ (№ 00-05-64690; № 97-05-64454) и входят в программу поддержки ведущих научных школ (проект № 00-15-98512).

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ, в первую очередь кандидатам географических наук: ведущему научному сотруднику А.В. Чернову, старшему научному сотруднику С.Н. Рулевой, старшему научному сотруднику В.В. Иванову, а также инженеру Б.В. Белому и другим за помощь в процессе работы. Автор также искренне признателен доценту Лю Шугуану (Хохайский университет, г. Нанкин, Китай) за предоставление картографической и гидрологической информации по реке Хуанхэ. Особую благодарность хочется выразить своему научному руководителю - доктору географических наук, профессору Р.С. Чалову за постоянную поддержку и консультации на всех этапах работы над диссертацией.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 150 наименований. Общий объем работы составляет 201 страницу, в том числе 32 таблицы и 53 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Завадский, Александр Сергеевич

Заключение.

1. В результате проведенного исследования подтверждено преимущественное распространение на равнинных широкопойменных реках Северной Евразии свободномеандрирующего русла. Предложенный критерий интенсивности развития процесса меандрирования позволяет классифицировать реки и их отдельные участки по этому показателю. Наиболее интенсивно меандрирование развито на малых реках, где свободные излучины абсолютно преобладают, а также на некоторых средних и больших реках. Чем больше река (ее порядок, водоносность), тем меньше величина показателя.

2. Обобщение материалов лабораторных и натурных исследований, содержащихся в литературе, а также выполненный анализ излучин на 33 реках Северной Евразии позволил обосновать выделение стадий развития свободных излучин, различающихся по форме, интенсивности и направленности горизонтальных деформаций.

3. На основе обширного фактического материала разработана классификация свободных излучин. Для каждого вида излучин получены гидролого-морфологические зависимости и критериальные соотношения между основным параметрами, характеризующими плановые очертания русла и, соответственно, форму излучин.

4. Региональный анализ распространения излучин разных типов показал, что на свободномеандрирующих реках Северной Евразии преобладают сегментные пологие излучины, находящиеся на начальной стадии своего развития - 41 %. Далее следуют сегментные развитые излучины - 27 %; сегментные крутые - 13 %; омеговидные и синусоидальные - 18 %. Доля других видов излучин мала и редко превышает 1-2 %.

5. Установлено, что от пологих сегментных к омеговидным и синусоидальным излучинам увеличивается асимметрия их формы. С увеличением порядка реки и размеров излучин происходит как общее снижение асимметричности излучин, так и уменьшение показателей асимметрии отдельно для каждого вида свободных излучин. По предложенным показателям выделены слабо-, умеренно- и сильноасимметричные излучины.

6. Исследования, проведенные с использованием метода «QI-диаграмм» для выявления условий формирования свободно меандрирующего русла на примере Среднего Амура, позволили выделить область развития этого типа русла. Она занимает крайнее нижнее положение в поле «^/-диаграммы» после прямолинейного и разветвленного русла, формирование которых происходит при большей мощности потока.

7. Установлено, что условия спрямления свободных излучин зависят от обеспеченности руслоформирующего расхода воды верхнего интервала, проходящего при затопленной пойме. При его малой обеспеченности и, соответственно, кратковременном затоплении поймы существенно снижается вероятность формирования прорванных излучин, и для рек характерно развитие омеговидных и синусоидальных излучин. Препятствует спрямлению свободных излучин и способствует развитию крутых их форм также тяжелый механический состав пойменных отложений, залесенность поймы и ее большая высота над меженным руслом.

8. На параметрах излучин отражается высокая залесенность поймы и ее заболоченность. На таких участках размеры излучин имеют меньшие значения по сравнению со смежными участками, имеющими луговую и незаболоченную пойму.

9. С увеличением вниз по течению показателей водоносности рек и морфометрических характеристик их русел (ширины, глубины) происходит увеличение характерных параметров излучин. Однако эта закономерность четко прослеживается только для радиуса кривизны, шага и ширины русла в вершине излучины. Изменение средних (или модальных) значений таких параметров как стрела прогиба и длина излучины при общей тенденции к увеличению зависит также от трансформации преобладающей на участках формы излучин, связанной со степенью их развитости. Обычно вниз по течению извилистость русла снижается, и в нижних течениях больших рек доля сегментных пологих излучин существенно возрастает (до 80-100 %).

10. Значения радиуса кривизны, шага и ширины русла на излучине несколько снижаются по мере ее эволюции из сегментной пологой в омеговидную или синусоидальную. Наибольшим изменениям подвержены стрела прогиба и длина излучины, которые в наибольшей мере отражают ее форму. Они существенно увеличиваются при развитии излучины. Предложены значения переходных коэффициентов для оценки трансформации параметров при изменении формы излучины.

11. Значения параметров излучин тесно связаны с показателями водоносности. В связи тем, что использование для гидролого-морфологического анализа руслоформирующих расходов воды не представляется возможным, были применены такие показатели водоносности, как среднемаксимальный расход воды и расход воды 30-дневной обеспеченности, наиболее близкий к Qф среднего интервала. Общий характер зависимости параметров излучин, в первую очередь, радиуса кривизны г и шага I, от расходов воды имеет степенную форму с показателем степени - 0,6. Однако, если рассматривать эти зависимости отдельно для малых и отдельно для средних и крупных рек, то они трансформируются в линейные с различными параметрами уравнений регрессии для каждого типа рек. Различия в характере связи параметров излучин с показателями водоносности обусловлены спецификой развития поперечной циркуляции на изгибе русла, изменяющейся по мере роста порядка реки и уменьшения относительной глубины русла (отношения глубины к ширине). Исходя из этого, предлагается выделять малые реки с точки зрения особенностей русловых процессов на них. Верхней границей для малых рек можно принять площадь водосбора, равную 10000 - 20000 км2 и среднегодовой расход воды 100-150 м /с. Это примерно соответствует 911 порядкам рек (по схеме А. Шайдеггера).

12. Установлена единая общегеографическая зависимость параметров излучин от расхода воды 30-дневной продолжительности. Таким образом, данный показатель водоносности нивелирует различия в природных особенностях водосборов. В то же время зависимость параметров излучин от среднемаксимального расхода воды четко дифференцируется по рекам, отражая влияние внутригодовой неравномерности стока на развитие излучин. Показано, что показатель этого влияния закономерно уменьшается с северо-запада на юго-восток, несколько увеличивается в Западной Сибири и снова уменьшается на восток.

13. На крупнейших реках (нижний Иртыш, средний Амур) параметры излучин утрачивают связь с показателями водоносности. При достижении некоторого критического значения расхода воды параметры свободных излучин перестают увеличиваться вниз по течению, несмотря на продолжающееся увеличение водоносности.

14. Морфологические параметры излучин связаны между собой определенными соотношениями. Наиболее тесно связаны радиус кривизны и шаг излучин. Установлено, что подобные зависимости не имеют региональных различий.

15. Оценка скоростей размыва берегов и интенсивности изменения параметров излучин показала различия этих характеристик для излучин, находящихся на разных стадиях развития (на примере свободномеандрирующего русла Оки и нижней Вычегды). Максимальные русловые переформирования характерны для начальной стадии развития свободных излучин, поле чего происходит постепенное снижение их интенсивности на последующих стадиях. Средние скорости трансформации излучин в плане на нижней Вычегде в 2-3 раза выше, чем на Оке, что объясняется меньшей устойчивостью ее русла.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Завадский, Александр Сергеевич, Москва

1. Алабян A.M. Типы русел равнинных рек и факторы их формирования //Геоморфология. 1992. №4.

2. Алабян A.M. Руслообразуюгцие наносы и их транспорт на равнинной реке // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1992. №5.

3. Алтунин С.Т. Регулирование русел. М.: Сельхозиздат. 1962.

4. Антроповский В.И. Геоморфологические зависимости и их дальнейшее развитие//Труды ГГИ. Вып. 169. 1969.

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

6. Антроповский В.И., Башков А.С. Учет русловых деформаций для повышения надежности подводных переходов трубопроводов на свободно меандрируюгцих реках // Гидротехническое строительство. 1998. №3.

7. Антроповский В.И. Связь типов руслового процесса с определяющими факторами // Труды ГГИ. Вып. 183. 1970.

8. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему бассейн речной поток - русло. СПб.: РГГМУ. 1999.

9. Белоцкий К.Н., Рулева С.Н., Чалов Р.С. Принципы районирования крупных регионов по условиям прохождения руслоформирующих расходов воды (на примере рек Алтая) // География и природные ресурсы. 1995. №3.

10. Белый Б.В., Борсук О.А., Иванов В.В., Лодина Р.В., Матвеев Б.В., Никитина Л.Н., Чалов Р.С., Чернов А.В. Условия формирования, морфология, динамика и регулирование русла среднего и нижнего Вилюя // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 9. М.: МГУ. 1983.

11. Белый Б.В., Чалов Р.С. Руслоформирующие расходы воды и морфодинамические типы русел на реках Дальнего Востока // Геоморфология. 1997. №1.

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

13. Боголюбова И.В., Макринова О.В. Экспериментальные исследования естественного потока на закруглении русла. Труды ГГИ. Вып. 2(56). 1947.

14. Брюханов В.А. О некоторых аспектах антропогенного воздействия на русловые процессы рек (на примере Алтая) // Метеорология и гидрология. 1990. №12.

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

16. Виноградов В.А. Некоторые особенности структуры потока и морфологии излучин при свободном меандрировании // Труды ГГИ. Вып. 209. 1973.

17. Власов А.Т. О связи плановых деформаций речных излучин с их кривизной и водностью рек // Вопросы гидрологии суши. Л.: Гидромегеоиздат. 1978.

18. Власов Б.Н., Чалов Р.С. Районирование Европейской территории по условиям прохождения руслоформирующих расходов воды на реках // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1991. №6.

19. Водные пути бассейна Лены. М.: МИКИС. 1995.

20. Гендельман М.М. К вопросу о механизме переработки берегов речных русел // Метеорология и гидрология. 1975. №12.

21. Гендельман М.М. Гидроморфологические закономерности свободного меандрирования речных русел и пути их инженерного использования (на примере р. Иртыш). Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ГГИ. 1982.

22. Гендельман М.М., Попов И.В. О развитии спрямлений речных русел // Труды ГГИ. Вып. 307. 1987.

23. Грачев Н.Р. Исследование плановых деформаций речных излучин //Труды ГГИ. Вып. 301. 1985.

24. Гринберг З.И. О морфометрических характеристиках рек // Метеорология и гидрология. 1950. №4.

25. Гришанин К.В., Замышляев В.И. Возникновение меандрирования рек как проблема гидродинамической неустойчивости // Труды ГГИ. Вып. 301. 1985.

26. Давыдов Л.К. Гидрография СССР. Часть 1 -2. Л.: ЛГУ. 1953.

27. Дарбутас А.А. Русловые процессы р. Неман (Нямунас) и влияние на них антропогенного фактора. Дисс. . канд. геогр. наук. М.: МГУ. 1991.

28. Джуха И.Г. Морфология и динамика русел малых рек таежной зоны (Вологодская обл.) // Земельные и водные ресурсы: противоэрозионная защита и регулирование русел. М.: МГУ. 1990.

29. Завадский А.С. Классификация свободных излучин по соотношению морфометрических параметров с учетом гидролого-морфологических особенностей процесса их развития. // Динамика потоков и эрозионно-аккумулятивные процессы. М.: МГУ. 2000.

30. Завадский А.С. Асимметрия формы сводных излучин на примере Вычегды и Чулыма // Геоморфология. 2001. (в печати).

31. Завадский А.С. Формирование свободных излучин рек в различных природных условиях // Материалы международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96». М.: МГУ. Вып. 1. 1996.

32. Завадский А.С., Чалов Р.С. Гидролого-морфологические характеристики свободных излучин на реках в различных природных условиях // Современная география и окружающая среда. Казань. 1996.

33. Завадский А.С., Никитина Л.Н., Чалов Р.С. Особенности свободных излучин на реках в различных природных условиях // География и природные ресурсы. 1997. №1.

34. Завадский А.С. Параметры свободных излучин: методы измерения и различия на реках в разных природных условиях // Тезисы докладов двенадцатого межвузовского координационного совещания по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Пермь. 1997.

35. Завадский А.С., Чалов Р.С. Региональный анализ свободного меандрирования//Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1997. №3.

36. Завадский А. С. Гидролого-морфологические зависимости на малых и больших реках // Сборник тезисов докладов материалов международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-99». М.: МГУ. 1999.

37. Завадский А.С., Пахомова О.М., Чалов Р.С. Естественные и антропогенные проявления русловых процессов в различных звеньях речной сети // Проблемы гидрологии и гидроэкологии. М. Вып. 1. 1999.

38. Завадский А.С. Характеристики свободных излучин на реках бассейна верхней и средней Оби // Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей. V конференция. Труды. М. 1999.

39. Завадский А.С., Чалов Р.С. Условия формирования и морфология свободных излучин на реках Северной Евразии // Геоморфология. 2000. №4.

40. Завадский А.С., Махинов А.Н., Чалов Р.С. Формирование русла Среднего Амура и его морфодинамические типы. // Водные ресурсы. Том 27. 2000. №2.

41. Замышляев В.И. О причинах меандрирования рек (обзор работ зарубежных авторов) // Вопросы гидрологии суши. Л.: Гидрометеоиздат. 1978.

42. Замышляев В.И., Майский А.А. Морфометрические зависимости для одноплесовых излучин // Вопросы гидрологии суши. Л.: Гидрометеоиздат. 1988.

43. Иванов В.В. Условия формирования, гидролого-морфологические зависимости и деформации относительно прямолинейных неразветвленных русел. Дисс. . канд. геогр. наук. М.: МГУ. 1989.45