Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Морфология и сезонные деформации перекатов на реках с неразветвленным руслом

ВАК РФ 11.00.04, Геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации по теме "Морфология и сезонные деформации перекатов на реках с неразветвленным руслом"

гс

т о>

На правах рукописи

ТУРЫКИН Леонид Анатольевич

МОРФОЛОГИЯ И СЕЗОННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ПЕРЕКАТОВ НА РЕКАХ С НЕРАЗВЕТВЛЕННЫМ РУСЛОМ

11.00.04 - Геоморфология и эволюционная география

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского государственного университета им, М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Р.С.ЧАЛОВ

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Ю.Г.СИМОНОВ кандидат географических наук, доцент Т.М.САВЦОВА

Ведущая организация: Производственный научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС).

Защита состоится 11 декабря 1997 г. В 1500 ч. на заседании диссертационного совета Д-053.05.06 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу : 119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, географический факультет, ауд. 2109.

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

Автореферат разослан ".¡Г" ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор ^

Ю.Ф.Книжннков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Перекаты представляют собой крупные аллювиальные, постоянно изменяющиеся под действием потока, формы руслового рельефа, в наибольшей степени влияющие па условия речного судоходства. Знание причины образования, закономерностей развития и режима нереформирований перекатов позволяет разрабатывать эффективные схемы мероприятий по улучшению судоходных условий, прогнозировать изменение глубин на перекатах и на этом основании планировать сроки проведения дноуглубительных работ. В конечном итоге это дает возможность существенно уменьшить затраты и повысить действенность путевых работ на реках. Исследование перекатов представляет также значительный теоретический интерес, так как позволяет уточнить обшие закономерности формирования и развития речного русла, расширяет научные представления о региональных особенностях проявления русловых процессов.

Перекатам посвящено значительное количество натурных и лабораторных исследований, на основании которых сделан ряд теоретических обобщений, раскрывающих причины образования, закономерности многолетних и сезонных переформирований перекатов (работы А.И.Лосиевского, Н.И.Маккавеева, ). Тем не менее опыт показывает, что морфология и режим деформаций реальных перекатов во многих случаях существенно отличается от общепринятых взглядов, а известные методики прогноза сезонных деформаций перекатов требует значительной корректировки применительно к местным условиям. Таким образом, недостаточная изученность вопроса о строении и развитии перекатов обусловливает необходимость проведения новых исследований.

Цель и задачи. Цель работы - исследование строения и механизма переформирования перекатов на реках с неразветвленным относительно устойчивым руслом, протекающих в различных природных условиях (на примере нижнего Днестра, среднего Чулыма, верхней и средней Оки), выявление зависимости сезонных деформаций перекатов от руслообразую-щих факторов, совершенствование методики анализа русловых деформаций.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• сделан обзор современных представлений о перекатах;

• проведен анализ условий формирования перекатов на различных реках;

• исследовано геологическое строение, морфология и причины образования перекатов, дана их сравнительная характеристика;

• установлены соотношение стока влекомых и взвешенных руслообразующих наносов и их вклад в сезонные деформации перекатов;

• рассмотрен механизм сезонных .реформации перекатов в связи с грядовой и взвешенной формой перемещения руслообразующих наносов.

• исследована связь сезонных деформаций перекатов с основными русло-образующими факторами - гидрологическим, геоморфологическим и ли-тологическим;

Методика исследования. Методологической основой работы послужил географический подход к исследованию русловых процессов, разработанный Н.И.Маккавеевым и Р.С.Чаловым. Указанный подход заключается в том, что речное русло рассматривается как результат взаимодействия зональных (местных, региональных) географических условий и азональных факторов, связанных с законами динамики руслового потока.

Основным источником данных послужили экспедиционные исследования научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов (НИЛЭПиРП) МГУ на рр. Днестре, Чулыме и Оке, в которых принимал участие автор в качестве ответственного исполнителя. Работы выполнялись по методике производства русловых исследований, принятой на географическом факультете МГУ (Чалов, 1995). При анализе механизма русловых деформаций и зависимости последних от основных руслообразующих факторов также использованы фондовые материалы Днестровского, Енисейского бассейновых управлений пути, управления канала им.Москвы (планы перекатов, лоцманские карты); института Ленгипрореч-транс, Московской геолого-гидрологической экспедиции (описания скважин, геолого-литологические профили).

Научная новизна работы.

• Выявлены особенности геологического строения и морфологии перекатов на реках с неразветвленным относительно устойчивым руслом.

• Определена доля влекомой и взвешенной составляющих в общем стоке руслообразующих наносов на реках с песчаным и гравелистым руслом.

• Уточнен механизм русловых деформаций, обусловленных движением гряд.

• Предложен метод оценки величины вертикальных деформаций перекатов в связи с осаждением - взмучиванием руслообразующих наносов.

• Введено понятие «пороговый расход воды» для характеристики условии, при которых происходит изменение знака русловых деформаций на перекатах.

• Предложены новые количественные характеристики русловых деформаций и изменения сюка воды.

• Определена зависимость русловых деформаций перекатов от колебания стока воды для рек с различными типами гидрологического режима.

• Рассмотрена связь русловых деформаций с морфологией перекатов.

• Установлено, что степень воздействия основных руслообразующих факторов на режим переката зависит от фазы гидрологического режима.

• Объясняется причина сложного характера русловых деформаций перекатов в межень.

• Разработаны рекомендации по усовершенствованию методики исследования сезонных деформаций перекатов.

Практическое применение. Результаты выполненной работы могут быть использованы при анализе руслового режима перекатов на реках с неразветвленным руслом с целью разработки мероприятий по улучшению судоходных условий, а также при планировании и проведении русловых изысканий.

Апробация. Основные положения диссертации доложены на IV Всесоюзной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1987), на III и IV Всесоюзных конференциях "Динамика и термина рек, озер, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989 и 1994), на научном семинаре лаборатории эрозии почв и русловых процессов (1995), на научной конференции лаборатории "Маккавеевские чтения" (1996).

Материалы диссертации использованы в отчетах НИЛЭПиРП МГУ по обоснованию схем улучшения условий судоходства на реках Днестр и Чулым, и перспектив добычи песчано-гравийного материала на р.Оке, переданных в соответствующие бассейновые управления пути и речные порты. По теме диссертации опубликовано семь статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка литературы из 67 наименований; содержит 62 рисунка и 26 таблиц. Общий объем работы составляет 171 страницу.

Автор выражает глубокую благодарность за предоставленные материалы, помощь в работе и моральную поддержку сотрудникам Географического факультета МГУ - к.г.н. К.М.Беркоаичу, к.гм/. А.М.Алабяну, д.г.н., Н.И.Алексеевекому, Н.В.Анисимовой, Б.В.Белому, Б.Н.Власову, к.г.н. Л.В.Злотиной, к.г.н. В.В.Иванову, С.Н.Ковалеву, к.г.н. Р.В.Лодиной, Л.Н.Никитиной, И.А.Турыкиной, к.г.н. А.В.Чернову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дается обзор современных представлений о перекатах: их строении, образовании, классификациях, многолетних и сезонных переформированиях, методах прогноза глубин. В уточнение известных определений Н.И.Маккавеева, И.Ф.Попкова, А.И.Чекренева и др. перекат определяется как подводное, частично осушающееся в межень валообразное повышение речного дна, пересекающее русло по всей его ширине, образованное целиком русловыми наносами (аллювиальными отложениями) или имеющее в основе выступ коренных пород и создающее подпор на вышележащем участке реки при низких уровнях воды

Известны две точки зрения на строение перекатов: согласно первой, типичный перекат представляет собой перекошенную гряду, пересекающую речное русло от берега до берега, которая образована двумя побочня-ми и расположенной между ними седловиной (Н.И.Маккавеев, P.C.Чалов, К.В.Гришанин, В.В.Дегтярев). По второй точке зрения, при "побочневом типе руслового процесса" (терминология ГГИ) перекат является скоплением самостоятельных гряд-побочней, примыкающих к берегам в шахматном порядке (К.И.Россинский, И.А.Кузьмин, И.В.Попов, Б.Ф.Снищенко, Н.С.Знаменская).

По вопросу происхождения выделяются три системы взглядов: 1 -перекаты образуются под действием различных "внутренних" течений речного потока; 2 - перекаты тождественны крупным грядам и "перекатная форма" русла - присущее свойство речного потока с подвижным ложем, 3 -перекаты формируются под действием факторов, ослабляющих живую силу (транспортирующую способность) потока в половодье. Многообразие причин и условий образования перекатов обусловили появление значительного количества различных классификаций - морфологических, генетических, динамических, морфодинамических. Практика русловых иссле-

дований показывает, что наиболее объективно природные закономерности отражают региональные классификации, составленные на базе той или иной общей схемы с учетом местных особенностей строения и режима перекатов.

Сезонные деформации перекатов состоят в ежегодно пов торяющихся циклах изменения их морфологии (в плане и но высоте) вследствие сезонных колебаний стока воды и руслообразующих наносов. 13 настоящее время считается общепризнанным, что на большинстве перекатов в половодье и паводки происходит повышение отметок дна, в то же время плесовые лощины углубляются; в конце спада половодья и в межень перекаты размываются, а в плесовых лощинах идет отложение наносов. Наряду с этим известно значительное число перекатов, сезонный режим которых существенно отличается от типовой схемы - при высоких уровнях наблюдается размыв гребней, в конце спада - аккумуляция на них наносов. Разнообразие русловых режимов перекатов ограничивает область применимости общепринятой схемы их сезонных деформаций и ставит необходимость частного подхода к каждому исследуемому перекату.

Методы прогноза сезонных деформаций перекатов можно разделить на две группы. К первой относятся методы эмпирические, в которых используются установленные в результате многочисленных натурных измерений зависимости глубины на перекате от уровня воды на опорном гидрологическом посту или наибольшей высоты половодья. Вторую группу составляют расчетные методы, основанные на создании с помощью ЭВМ математической модели руслового потока и решении уравнения деформации дна.

Во второй главе рассматриваются условия формирования и морфология перекатов. Выбранные для анализа участки рек, различаясь по гидрологическому режиму и геолого-геоморфологическим условиям, по остальным показателям имеют много общего: порядок (по Н.А.Ржаницину) - 810; средний годовой расход воды - 200-500 м3/с; сток руслообразующих наносов - 150-340 тыс.т в год; состав поверхностного слоя донных отложений- пески, занимающие от 50 до 90 % от площади русла. Кроме того, сходна морфология русла: во всех случаях преобладают излучины как морфодинамический тип русла, несколько меньшее распространение имеет относительно прямолинейное неразветвленное русло, и незначительную долю составляют русловые разветвления.

Общие черты строения характерны также и для большинства перекатов, что позволяет отнести их к нескольким группам. По геолого-литологическому строению выделяются перекаты цокольные и аллювиальные (аккумулятивные). Первые образованы выступами коренных пород (либо мощными пачками базальных валунов и гальки), перекрытых сравнительно топким слоем руслового аллювия. Аллювиальные перекаты сложены русловым аллювием, причем подстилающие его коренные породы залегают на глубине, превышающей среднюю максимальную глубину плесовых лощин. Морфология перекатов, как правило, зависит от их гео-лого-литологического строения. Большинство цокольных перекатов имеет широкий плоский гребень (ширина его - 0,4-0,8 длины переката), осложненный мезоформами грядового рельефа. Аккумулятивные перекаты по форме образуют две группы: 1 - перекаты с одним широким гребнем, осложненным мезоформами грядового рельефа (перекаты-россыпи, по Н.И.Маккавееву); 2 - перекаты с одним или несколькими узкими гребнями (ширина их - менее 0,4 длины переката), расположенными в большинстве случаев под острыми углами к берегам (перекошенные гребни). Перекаты второй группы более многочисленны, чем перекаты первой группы. Общая черта строения перекатов на всех исследованных реках - относительно слабое развитие побочней и осередков: высота их центральных частей над низким меженным (проектным) уровнем составляет не более 1,5 м ( в среднем - 0,5-0,7 м); ширина редко превышает 1/3 ширины русла в пойменных бровках.

Распределение перекатов также подчиняется общей закономерности: на относительно прямолинейных участках плотность перекатов, как правило больше, чем в извилистом русле. Типичные места расположения аккумулятивных перекатов - расширения относительно прямолинейного русла; верхние крылья излучин и перегибы между ними; узлы разветвления и слияния рукавов; при впадении притоков. Цокольные перекаты вследствие геологической обусловленности могут располагаться на любых участках русла, в том числе и в вершинах излучин. Местоположение перекатов и перекатных участков в русле постоянно во многолетнем отношении.

В третьей главе рассматривается механизм сезонных деформаций перекатов. Автор исходит из положения о том, что деформации руслового рельефа есть непосредственное следствие движения руслообразующих наносов (РОН). Поэтому возникает необходимость определения соотноше-

иия стока влекомых и взвешенных РОИ (т.е. их вклада в деформации перекатов), расчета величины колебаний отметок дна в связи с движением гряд и процессом осаждения-взмучивания руслообразующи.х наносов.

Для количественной оценки соотношения стока взвешенных и влекомых РОИ используются зависимости расхода влекомых (G) и взвешенных (Р.) руслообразующих наносов от расхода поды (Q). Зависимость R-f(Q) определяется для опорного гидрологического поста на основании публикуемых в гидрологических ежегодниках данных об измеренных расходах взвешенных наносов и гранулометрическом составе взвешенных наносов и донных отложений (влекомых наносов). Эти сведения позволяют определить для каждого измерения долю руслообразуюших фракций во взвеси (Р), их среднее весовое содержание в удельном объеме воды (у, кг/м1) и расход взвешенных РОН (R, кг/с) по формулам:

Г = />-Р. R=r.Q,

где р- средняя мутность ( кг/м3).

Зависимости G=f(Q) определялись по методике, предложенной А.М.Алабяном (1992): выбирается наиболее подходящая для той или иной реки формула расчета расхода влекомых наносов; по данным об измеренных расходах воды для опорного гидрологического поста строятся зависимости гидравлико-морфометрических характеристик, входящих в принятую формулу, от расхода воды. Эти зависимости в большинстве случаев имеют вид

(v,h,B)=a Q!\

где v - скорость течения, h - глубина потока, В - ширина зоны движения донных наносов, а и (3 - коэффициенты, зависящие от фазы водного режима. Подстановка данных зависимостей в формулу расхода влекомых наносов дает аналитическое выражение последнего как функции от расхода воды. В данной работе расход влекомых наносов вычислялся на основании средней высоты и скорости смещения гряд по формуле Лопатина (1952):

G=kB.a-Crhr,

где к- коэффициент формы гряды (0,67), В. - ширина полосы движения гряд, а- плотность русловых отложений (1700 кг/м'), hr и Сг- высота и скорость смещения гряд порядка Г, являющихся основной формой переноса влекомых наносов на исследованных реках. Для определения hr и Сг использованы зависимости Н.И.Алексеевского (1986, 1987):

С, = 0,0048- и —, &

¡1, = 0,17-

где и- средняя скорость течения, Л- средняя глубина потока. Данные зависимости, полученные на основании обобщения большого фактического материала но Днестру и Чулыму, досточно хорошо согласуются с результатами натурных измерений на рассматриваемых реках.

Расчеты показали, что на Днестре, Чулыме и Оке в межень и среднее половодье расход влекомых наносов превышает расход взвешенных РОН. Сток последних во взвеси начинает преобладать на пике высокого половодья, что наблюдается не каждый год. В результате доля стока влекомых наносов от среднемноголетнего общего стока РОН составляет на нижнем Днестре 69%, на Чулыме 73%, на верхней Оке 94%. Для сравнения на верхней Оби сток влекомых наносов составляет 64% от общего среднемноголетнего стока РОН (А.М.Алабян, 1991). Средний диаметр донных отложений на вышеупомянутых реках составляет, соответственно, 0,29 мм, 0,49 мм, 0,79 мм, 0,33 мм. Таким образом, наблюдается прямая зависимость стока влекомых наносов от их крупности.

Учитывая две составляющие транспорт РОН - влекомую и взвешенную - можно назвать и причины сезонных деформаций: 1) движение и переформирование песчаных и песчано-гравийных гряд; 2) осаждение (аккумуляция) на дно и взмучивание (размыв) РОН. Сезонные деформации перекатов в связи с грядовым движением наносов обусловливаются количеством и режимом их поступления на перекат в виде активных, т.е. перемещающихся под действием потока, гряд. Наблюдения, проведенные на Оке и Днестре, показали, что существует некоторое пороговое значение расхода воды, при котором изменяется соотношение скоростей движения гряд в плесовой лощине и сопряженном с ней перекате: при расходах меньших порогового в плесовых лощинах гряды либо неподвижны, либо смещаются с чрезвычайно малыми скоростями. Вследствие этого поступление РОН из плеса на перекат в маловодный период очень незначительно. В то же время на перекатах РОН достаточно активно движутся в форме гряд. В результате, в данную фазу водного режима с перекатов выносится наносов больше, чем поступает из вышележащего плеса, следовательно,, происходит размыв. Он протекает в основном в виде постепенного "ухода" с переката активных гряд.

При расходах, превышающих пороговый, происходит интенсивное поступление гряд из плеса на перекат. При этом приход РОН на перекат превышает их вынос. В результате на перекате идет намыв, который при дальнейшем увеличении расхода воды усиливается вместе с возрастанием количества РОИ, поступающих из плеса как в форме гряд, так и выпадающих из взвеси па нсрхстом склоне и на гребне переката.

Колебания отметок дна в связи с грядовым движением наносов определяются диапазоном изменения высоты гряд, находящихся в активной фазе развития (табл. 1).

Таблица 1

Высота гряд при среднемииимальных и среднемаксимальных

расходах воды.

Река - Оср.тш, Оср.тах, Ьг шш, Ьг тах, ДЬ,

Гидропост м3/с м3/с м м м

Днестр - 91 1280 0,22 0,73 0,51

Бендеры

Чулым - 20 1110 0,12 0,42 0,30

Красный За-

вод

Ока- 88 4820 0,16 0,90 0,70

Калуга

Эта величина составляет от 0,3 до 0,7 м, причем наибольшие приращения отметок дна (ДЬ) равны максимальной высоте гряд - 0,4-0,9 м, они наблюдаются во время появления гряд на выровненной поверхности верхового склона и гребня переката, либо при их исчезновении.

Режим русловых деформаций, обусловленных взвешенной составляющей транспорта РОН, определяется соотношением их расходов на гребне переката (И.прк) и в вышележащей плесовой лощине (Кпд) в разные фазы водного режима. Для определения соотношения Лпрк и Япл принято, что: 1) расход взвешенных наносов пропорционален четвертой степени скорости течения; 2) максимальное соотношение скоростей течения на гребне и в верхней плесовой лощине переката, расположенного в местном расширении русла, в половодье и в межень можно приблизительно оценить по рис.1 как отношение отрезков а/Ь и с/(1. Они равны, соответственно, 0,8 и 1,16 (последнее с учетом того, что в межень перенос РОН во взвеси возможен при средних скоростях течения больших, чем незаиляющая, которая

1(1

составляет - 0,6 м/с для исследуемых рек). Получены следующие соотношения:

в половодье 1{„р, =0,4 •/<!,„, в межень ¡{„^ = 1,8•/<„,. Максимально возможные сезонные колебания отметок дна на верховых склонах и гребнях перекатов, расположенных в расширении русла (наиболее распространенный тип на рассматриваемых реках), определены

с помощью уравнения деформации:,

& 1 ¿зг а~ р-в'¿г,'

где В - средняя ширина русла на перекате; & - среднее приращение отметок дна; & - продолжительность процесса осаждения или взмучивания РОН; <3? = Я„ - - приращение расхода взвешенных РОН от плесовой лощины к гребню переката; I. - суммарная протяженность верхового склона и гребня переката (зоны осаждения РОН).

Согласно проведенным расчетам, на перекатах верхней Оки при прохождении среднемаксимального половодья осаждается слой РОН толщиной около 0,04 м, на среднем Чулыме - около 0,1 м, на нижнем Днестре -около 0,5 м (табл.2).

Таблица 2

Сезонные колебания отметок дна на перекатах в связи с осаждением-

взмучиванием руслообразующих наносов

Река-гидропост Доля взвешенного стока РОН, % от общего стока РОН 1>г шах, м Слой осаждения -взмучивания, м

Днестр-Бендеры 39 0,73 0,50

Чулым-Кр. Завод 21 0,42 0,10

Ока-Калуга 6 0,90 0,04

Следовательно, средняя величина сезонного колебания отметок дна на перекатах за счет процессов осаждения - взмучивания существенно различается на разных реках и пропорциональна доле стока РОН во взвеси. Наибольшие ее значения соизмеримы со среднемаксимальной высотой активных гряд, наименьшие - не превышают нескольких сантиметров. Суммарное сезонное приращение отметок дна перекатов складывается из амплитуды изменения высоты активных гряд и толщины слоя аккумуляции-

размыва и составляет на нижнем Днестре 1,2 м , на верхней Оке - 1,0 м , на среднем Чулыме - 0,5 м .

В четвертой главе исследуется связь руслового режима перекатов с основными формирующими факторами - гидрологическим (внутригодовым изменением стока воды), литологическим (составом и распределением РОК на перекате и в вышележащем плесе) и геоморфологическим (строением переката как формы рельефа).

В качестве морфометрической характеристики переката принят объем русла {IV) в его пределах, ограниченный поверхностью дна, поверхностью воды при проектном уровне и плоскостями поперечного сечения русла на верхней и нижней границах переката. Объемы русла рассчитывались по планам перекатов, составленным изыскательскими партиями службы пути водного транспорта по формуле:

где ДА - заложение между изобатами, площади русла на плане,

ограниченные соответствующими изобатами и верхней - нижней границами переката. Изменение объема русла отражает в суммарном виде проходящие на перекате переформирования: уменьшение объема русла свидетельствует о преобладании аккумуляции, увеличение - означает преимущественный размыв.

По характеру деформаций перекатов верхней и средней Оки за период, обеспеченный данными промеров глубин (первые съемки на перекатах производятся обычно на спаде половодья), выделяются две фазы водности - спад половодья и летне-осенняя межень. На спаде половодья изменение объемов русла на всех рассматриваемых перекатах достаточно единообразно: в начале спада объемы русла сокращаются - намыв, потом увеличиваются - размыв, а в конце спада - снова уменьшаются (рис.2). В межень общая закономерность в изменении объема русла отсутствует.

Определена зависимость русловых деформаций от водности потока для спада половодья. В качестве характеристики деформаций принято относительное приращение объемов русла - ОД (относительная деформация):

ДШ

од =_.юо%, \У

где \У- начальный объем русла переката,Ш- приращение объема русла. Показатель ОД удобен тем, что отражает суммарный эффект прошедших за некоторый период переформирований и достаточно просто определяется

1 1

6

1 /

/

У

0.6

и, м/с

Рис Л. Зависимость соеднем скорости' течения (и) ос уровня воды (Н ) по К.В.Гришанину, 1976.

4000л

30002000-/ООО-

!/ОиО

¡00й

2000-

1000

м,

ТЫС И '

■гоо 100 ш.

■500 ■6 00

то-

IV,

ЗООО- тыс.м

г2Ш

-300

2 ООО ■т

■500 1

-лоо 1

МОО

"V V '¿г1 V ' <"/' '///I V V//"'«'">/ " ' л

Совмещенные гидрографы и графики изменения объема русла (уу) на перекатах р.Оки: а-г/п Кашира, 1981г., б-г/п Кашира, 1982г., в-г/п Кашира, 1983г., г-г/и Половское, 1973г. Перекаты: 1-Ниж.Серпуховским, 2-Ник.БеспугскиЙ, З-Прилуки, 4-Зиброво, 5-Льговский, б-Рязанские пески.

1.1

по планам русла. В качестве характеристики водности выбран средний за период между промерами расход воды -0ср.

Графики связи ОД=Г(0ср) для спада половодья представлены на рис.3. С уменьшением Оф на спаде половодья обьемы намыва в каждый последующий период времени сокращаются и при некотором пороговом значении среднею за период расхода воды ( 510 м* /с - верхняя Ока, 630 м3/с - средняя Ока) становятся нулевыми. При дальнейшем уменьшении Оср на перекатах начинается размыв, который сначала усиливается, потом ослабевает. При Оф около 330 м3/с деформации на перекатах снова прекращаются. При <3 меньших 330 м3/с на перекатах опять наблюдается уменьшение объема русла - намыв.

На совмещенном графике поперечного профиля русла на гребне 1 -го Льговского переката (р.Ока) и зависимости 0=Г(ДН), где ДН - высота уровня воды над среднеминимальным уровнем летней межени (срезка), видно, что верхний пороговый расход воды (630 м3/с) приблизительно соответствует уровню затопления побочня (рис.4). Нижний пороговый расход (330 м3/с) отвечает уровню на 0,5 м превышающему среднеминимальный меженный уровень воды. Начало размыва на спаде половодья объясняется следующими причинами: во-первых, в это время происходит значительное уменьшение поступления влекомых РОН из вышележащего плеса , во-вторых, наблюдается резкое возрастание средней скорости течения на гребне переката при обсыхании его побочней и концентрации потока на корыте переката. По этим причинам РОН выносятся с переката быстрее, чем поступают из вышележащего плеса, в результате объем русла на перекате увеличивается. Однако при дальнейшем уменьшении Оср средниеско-рости течения на гребне снижаются, соответственно замедляется движение гряд, увеличивается плотность их расположения, и на перекате происходит относительное уменьшение объема русла - наблюдается «вторая волна» намыва.

На перекатах нижнего Днестра, реке с паводочным режимом, связь русловых деформаций и водности, так же, как и на Оке, обнаруживается при высоких уровнях воды . Во время половодья и паводков отметки дна изменяются в соответствии с колебаниями водности: при подъеме уровня они увеличиваются, при спаде - уменьшаются. В меженный период очевидная связь между ходом уровня воды и колебанием высоты гребня переката практически отсутствует.

Оср.м'/С

Рис.3. Зависимость относительной деформации перекатов верхней (а) и средней (о; Оки от среднего расхода воды {вер).

Рис.4. Поперечный профиль русла на гребне

I Льговского переката (1'ка) к зависимость "срезки" (4//) от расхода воды (й ).

Зависимость относительного приращения объема русла от водности ОД=Г(0ср) для нижнего Днестра имеет иную форму, чем для верхней и средней Оки. Средняя часть кривой представляет собой почти вертикальную линию (рис.5). График показывает, что при частом колебании уровня воды, характерном для паводочиого сезона, средний расход воды за любой достаточно продолжительный период имеет почти постоянное значение, при этом в конце периода на перекате может наблюдаться как размыв, так и намыв разной величины. Следовательно, при данном значении <3ср происходит смена знака деформации, в связи с чем его можно считать пороговым.

Очевидно, что состояние переката после прохождения серии паводков определяется их суммарным воздействием, то есть зависит от общего соотношения прошедших за паводочный период фаз намыва и размыва. Поскольку на нижнем Днестре для отдельного паводка наблюдается прямая связь отметок гребней перекатов с водностью потока, то есть намыв происходит на подъеме уровня воды, а размыв на спаде, то при прохождении серии паводков изменение объема русла должно быть связано с характеристикой гидрографа, учитывающей суммарное соотношение стадий подъема и спада уровней воды. В качестве такой характеристики предлагается использовать отношение суммарного прироста расходов воды <2>0-) к их суммарной убыли за период прохождения павод-

ков:

п _ !>(?„», "Еда*,/

Этот коэффициент назван показателем формы гидрографа.

График зависимости ОД=Г(П), построенный по данным нескольких повторных промеров русла на пяти перекатах нижнего Днестра (рис.6), показывает, что наибольший размыв на перекатах может достигать примерно 23%, наибольший намыв - около 30% от первоначального объема русла. Нулевые объемы деформаций после серии паводков имеют место при П=0,85, то есть при условии, когда суммарный спад паводков несколько преобладает над их суммарным подъемом.

Таким образом, на рассмотренных перекатах при высоких и средних уровнях воды наблюдается достаточно определенная связь деформаций русла и водности потока. При этом вид связи на разных реках различается.

1С.

>-'го-

ч «Л э"

5-ю-

I

Оса м'/с

гЬо ьоо

Рис.5. Зависимость относительной деформации лерекатоз нижнего Днестра от среднего расхода воды (бср).

Рис.б. Зависимость относительной деформации

перекатов нижнего Днестра от показателя цюрмы гидрографа (/7 ). Перекаты: I-Варница, 2-Пугачены, З-Кошница, 4-Шерпены, 5-Старые Дубоссары.

Характерная черта сезонных деформаций русла на исследованных реках состоит в том, что в межень не обнаруживается сколько-нибудь устойчивой связи между деформациями и водностью потока. При этом русловой режим разных перекатов даже на одной реке может быть различным. Так, на перекатах верхней Оки в межень проходит одна-две волны намыва (рис.2абв), в то время как на перекатах средней Оки объем русла в течение межени не меняется (рнс.2г). На перекатах нижнего Днестра в межень наблюдаются резкие колебания отметок их гребней, не связанные с ходом уровней.

Подобные различия в характере деформаций перекатов можно объясняются тем, что в межень при отсутствии массового поступления РОН из плеса на перекат русловой режим последнего определяется, главным образом, особенностями пространственного размещения влекомых (перемещающихся в форме гряд) руслообразующих наносов на гребне переката и сопряженном с ним вышележащим участком русла. Если на этом участке в межень активные гряды имеют сплошное распространение, то со временем на перекате устанавливается баланс стока влекомых наносов, и после "второй волны" намыва на спаде половодья существенных деформаций русла не происходит. Такой режим характерен для исследованных перекатов средней Оки.

На тех участках рек, где образовался дефицит влекомых РОН , активные гряды имеют прерывистое распространение. В связи с этим в межень на перекатах наблюдаются резкие колебания высоты дна и объемов русла в соответствии с поступлением и уходом с гребня отдельных грядовых полей - при поступлении гряд происходит обмеление, при их уходе - углубление.

Таким образом, при низких уровнях воды основную роль в деформациях перекатов начинает играть состав русловых отложений. При условии дефицита активных РОН деформации русла в межень имеют случайный характер.

Морфология русла, оказывая влияние на скоростной режим потока, вместе с водностью определяет характер движения РОН, а, следовательно, и режим русловых деформаций. Влияние морфологии русла на режим перекатов рассмотрен на примере среднего Чулыма. Сезонные деформации русла Чулыма связаны с прохождением по галечной отмостке подвижных, быстро трансформирующихся в зависимости от расхода воды песчаных и

песчано-гравийных гряд. Их размеры на перекатах во все фазы гидрологического режима постоянны и составляют: высота - 0,2-0,4 м, длина - 3-5 м. В плесовых лощинах в межень гряды имеют высоту 0,2-0,5 м, длину - 2-5 м; в половодье их параметры увеличиваются, соответственно, до 0,4-0,7 м и 4-7 м . Средние скорости смещения гряд - 0,4 м/час, а вклад в общий сток руслообразующего материала, по расчетам Н.И.Алексеевского (1995), достигает 80%.

Для определения гидродинамических условий существования гряд были рассчитаны средние по живому сечению скорости течения (уср)на отрезках русла с грядами и без них. Статистический анализ показал, что гряды существуют там, где средние по живому сечению скорости потока лежат в диапазоне от 0,4 до 0,8 м/с. При этом пик распределения приходится на интервал 0,5-0,6 м/с. На безгрядовых участках средние по живому сечению скорости течения меняются в пределах 0,4-1,3 м/с, с пиком в интервале 0,7-0,8 м/с. Таким образом, скоростной интервал от 0,4 до 0,8 м/с является необходимым условием существования гряд. Наименьшее и наибольшее значения данного интервала названы, соответственно, первой и второй пороговыми скоростями ^1пор и У2пор).

На исследованном участке Чулыма все перекаты по форме делятся на две группы. К первой группе относятся перекаты с развитыми побочнями. Такое строение обусловливает резкое приращение площади живого сечения потока при затоплении побочня в половодье по сравнению с меженью. Средняя скорость течения на гребне при низких уровнях меньшая, чем у2пор> с увеличением водности равномерно нарастает и в определенный момент времени начинает превышать У2лор; однако, после затопления побочня (или молодой поймы) она резко падает и становится меньше величины

у

2пор'

В соответствии с таким режимом средней скорости течения на перекатах первой группы при больших расхода воды руслообразующий материал , поступающий из вышерасположенного плеса, проходит по гребню в виде гряд. После обсыхания побочней гряды размываются, отметки гребня понижаются на величину, равную высоте размытых гряд - 0,2-0,4 м, соответственно увеличивается объем русла. На этой стадии углубление переката ограничивается галечной отмосткой (либо близким к поверхности дна залеганием кровли коренных пород). При дальнейшем падении уровня воды средние скорости течения уменьшаются, и на гребне вновь формируют-

ся гряды; средине отметки дна повышаются на высоту гряд, объем русла уменьшается. Следовательно режимы русловых деформаций на перекатах Чулыма первой группы и на перекатах верней и средней Оки аналогичны.

Для перекатов второй группы характерно слабое развитие, или отсутствие побочией, в связи с чем поперечное сечение русла до пойменных бровок имеет ящикообразную форму. Такое строение определяет равномерное нарастание средней скорости потока с повышением уровня. При низких уровнях воды, когда Уф<У21тр, РОН перемещаются по перекату в форме гряд. При высоких уровнях Уср начинает превышать У2гюр. Гряды при этом размываются.

Русловые деформации соответствуют режиму скоростей течения и транспорта РОН: в половодье отметки гребня понижаются, объем русла возрастает в межень происходит обратный процесс. Амплитуда сезонного изменения высоты дна, так же, как и на перекатах первой группы, равна средней высоте гряд, наиболее типичных для исследуемого участка реки -0,2-0,4 м. Таким образом, русловой режим перекатов второй группы не характерен для остальных перекатов. Своими основными чертами - размыв в половодье, намыв в межень - он сходен с режимом сезонных деформаций русла на плесовых участках.

В пятой главе на основании опыта проведенной работы предлагаются рекомендации по исследованию руслового режима перекатов. Анализ сезонных деформаций перекатов обычно преследует три главные цели: 1-определение общей последовательности переформирований, 2-установление времени смены знака деформации, 3-определение величины деформаций и их количественных зависимостей от руслообрззующих факторов.

1. Для определения общей последовательности деформаций необходимо установить морфологический тип переката, т.е. по форме поперечного профиля в пределах его гребкя, степени развитости побочней, а также плановым очертаниям берегов отнести его к первой или второй группе. Первую группу образуют перекаты с развитыми побочнями, вторую - перекаты с неразвитыми побочнями

2. Момент смены знака деформации совпадает с наступлением пороговых расходов воды. Последние можно установить: а) на основании граничных гидродинамических условий существования гряд (1-ой и 2-ой пороговых скоростей) и зависимости средней скорости течения на гребне пе-

реката от расхода воды ; б) с помощью графика зависимости относительной деформации переката от среднего расхода воды (рис.3) по точкам пересечения кривой с осью X.

4. Для расчета средней амплитуды колебания отметок дна необходимо: а) установить соотношение влекомой и взвешенной составляющих транспорта РОН, что позволяет выделить ведущий фактор русловых деформаций и пренебречь второстепенными; б) определить амплитуду колебания отметок дна переката в период половодья на основании эмпирических или расчетных данных об изменениях средней высоты активных гряд в зависимости от приращения средней глубины (расхода воды), и расчета толщины слоя осаждения-взмучивания РОН; г) определить амплитуду и режим колебаний отметок дна переката в межень, для чего в этот период необходимо оперативное наблюдение за градами на верховом склоне переката путем регулярного эхолотирования дна по закрепленным продольным створам. Сопоставление продольных профилей дна дает возможность установить пространственное размещение и скорости движения гряд, основной причины деформаций на перекате в межень.

5. В качестве характеристики деформаций переката предлагается использовать относительное приращение объема русла. Данный показатель дает наиболее общую картину русловых деформаций на выбранном отрезке русла и тем самым позволяет избежать случайных значений, которые могут существенно завуалировать связь деформаций с формирующими факторами.

6. Поиск зависимостей, определяющих русловые деформации перекатов, следует проводить для периода высоких и средних уровней воды. В эту фазу русловые переформирования связаны с изменением стока воды. На реках с восточно-европейским типом гидрологического режима в качестве характеристики стока можно использовать средний за период между промерами расход воды . На реках с паводочным режимом лучшие результаты может дать показатель формы гидрографа .

7. В межень, поскольку связь русловых деформаций и изменения стока воды отсутствует, прогноз переформирований перекатов состоит в определении с помощью продольных профилей дна режима прохождения гряд и их параметров.

8. Для получения исходных данных к анализу сезонного режима русловых деформаций перекатов необходимы следующие дополнительные

виды изыскательских работ:

• эхолотирование дна по оси судового хода на всем исследуемом участке русла при наибольших уровнях воды;

• периодическое эхолотирование дна по закрепленным на местности продольным створам, охватывающее в половодье отрезок плес-перекат, в межень - верховой склон и гребень переката;

• стационарные наблюдения за грядами на различных элементах русловых форм рельефа - в плесе, на верховом склоне и гребне переката;

• выполнение тахеометрической съемки берегов на участке переката в пределах пойменных бровок;

• периодические повторные съемки переката, выполняемые по возможности в разные фазы половодья и в течение межени;

• организация временных водомерных постов для измерения уровней и расходов воды на сопряженных плесах и перекатах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Обзор современных представлений о перекатах показал, что известные методы прогноза русловых деформаций не обладают той степенью надежности, которая позволила бы отказаться от детального натурного исследования перекатов и анализа полевых данных с применением традиционных методов аналогов и экстраполяции.

2. Перекаты рассмотренных рек характеризуются постоянным местоположением в русле и имеют общие черты строения, что позволяет отнести их к нескольким группам. По геолого-литологическому строению различаются цокольные и аллювиальные перекаты. Большинство цокольных имеет широкий плоский гребень, осложненный мезоформами грядового рельефа дна. Аллювиальные перекаты по морфологии образуют две группы: 1- с одним широким гребнем, осложненным мезоформами - «россыпи», 2- с одним или несколькими узкими перекошенными гребнями. Общая черта строения всех исследованных перекатов - относительно слабое развитие побочней и осередков.

3. Установлено, что доля влекомых наносов в общем стоке РОН на рассмотренных реках изменяется от 60% до 90% в зависимости от крупно-

сти РОН. Это подтверждает положение о том, что на реках с песчаным и гравелистым дном большая часть руслообразующих наносов переносится во влекомом состоянии.

4. Сезонные деформации перекатов, связанные с влекомой формой транспорта наносов, обусловливаются количеством и режимом поступления на перекат РОН в виде активных гряд. В межень с перекатов выносится наносов больше, чем поступает, поэтому на них наблюдается размыв. В половодье на перекаты поступает больше РОН, чем выносится, и происходит намыв дна. Величина сезонного колебания отметок дна перекатов в процессе грядового движения зависят от изменения высоты активных гряд, составляя на рассматриваемых реках от 0,3 до 0,9 м .

5. Сезонные деформации перекатов, связанные со взвешенной формой транспорта РОН, определяются соотношением расходов взвешенных РОН на гребне переката и в вышележащем плесе. На рассмотренных реках в половодье расход взвешенных РОН в плесах больше, чем на перекатах, поэтому на последних происходит переход РОН из взвешенного состояния во влекомое, что проявляется в повышении отметок дна. В межень наблюдается обратный процесс. Сезонные колебания отметок дна перекатов, обусловленные осаждением-взмучиванием РОН, пропорциональны доле взвешенной составляющей в общем стоке РОН. Средняя величина таких вертикальных деформаций на исследуемых реках изменяется от нескольких сантиметров до 0,5 м . При этом величина положительного приращения отметок дна несколько превышает величину отрицательного приращения.

6. Суммарное сезонное приращение отметок дна перекатов складывается из двух составляющих - амплитуды изменения высоты активных гряд и толщины слоя аккумуляции-размыва. На нижнем Днестре суммарный размах сезонных вертикальных деформаций может достигать 1,2 м, на верхней Оке 1,0 м, на среднем Чулыме 0,5 м.

7. Установлено, что смена знака деформации на перекатах происходит при наступлении определенных расходов воды, которые предложено называть пороговыми. На Оке наблюдается два пороговых значения расхода: верхнее соответствует наименьшему уровню затопления побочней и осередков, нижнее отвечает среднеминимальному уровню межени. На Днестре выявлено одно пороговое значение расхода - при затоплении всех русловых форм рельефа.

8. Показано, что режим сезонных деформаций перекатов определяется сочетанием трех факторов: колебанием стока воды, составом ЮН и морфологией перекатов. При высоких и средних уровнях воды ведущую роль играют колебания стока воды и морфология переката. На перекатах с развитыми побочнями ( 1 группа) при расходах, превышающих пороговое значение, происходит аккумуляция, на перекатах с неразвитыми побочнями (2 группа) - размыв. При расходах меньше порогового на перекатах первой группы наблюдается сначала размыв, а затем - намыв (2-ая волна); на перекатах второй группы - намыв. Связь русловых деформаций и стока воды достаточно определенная и может быть выражена аналитически.

9. При низких уровнях ведущую роль играет характер распределения влекомых РОН выше по течению. При сплошном распространении активных гряд существенных переформирований русла на перекате не происходит. При дефиците влекомых наносов деформации переката определяются режимом прохождения отдельных гряд или грядовых полей и носят случайный характер.

10. На реках с паводочным режимом действуют общие закономерности сезонных деформаций перекатов - намыв происходит при высоких уровнях воды, размыв - на спаде уровня и в начале межени. Состояние переката после нескольких паводков определяется их суммарным воздействием.

11. Сделаны предложения по усовершенствованию методики исследования руслового режима перекатов. В состав изыскательских работ следует включать оперативное наблюдение за грядами путем повторного эхо-лотирования по закрепленным продольным створам. При анализе русловых деформаций рекомендуется определять пороговые значения расхода воды, соотношение влекомой и взвешенной составляющих транспорта РОН; для характеристики русловых деформаций - использовать относительное приращение объема русла, для характеристики стока воды - средний за период расход воды и показатель формы гидрографа,

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ-

I. Об оценке сезонных деформаций перекатов на реках с паводочным режимом. - Метеорология и гидрология, 1985, №8, с.77-82 (соавтор Чалов P.C.).

2. Динамика русла р.Оки на участке устье р.Москвы - г.Горький. - Тезисы докладов IV Всесоюзной научной конференции «Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях». - Изд-во МГУ, 1987, с.ЗЮ-ЗП.

3. Роль грядового движения наносов в деформации перекатных участков нижнего Днестра. - Тезисы докладов III Всесоюзной научной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей", том 1. - Изд-во АН СССР, 1989, с. 125-126.

4. Развитие русла среднего и нижнего Днестра в условиях интенсивной антропогенной нагрузки. - В сб.: Экологические проблемы эрозии почв и русловых процессов. - Изд-во МГУ, 1992, с.141-165 (соавторы Беркович K.M., Злотина Л.В., Иванов В.В., Никитина Л.Н., Рязанов П.Н., Чалов P.C., Чернов A.B.).

5. Грядовый рельеф речного русла и его влияние на сезонные деформации перекатов. - Геоморфология, 1993, № 2, с.83-88.

6. Вертикальные русловые деформации верхней и средней Оки и их связь с хозяйственной деятельностью. - Труды Академии водохоз. наук, 1995, вып.1. -М, 1995, с. 105-114 (соавторы Беркович K.M., Злотина Л.В.).

7. Русловые деформации верхнего Чулыма в условиях разработки русловых карьеров. - В сб.: Эрозия почв и русловые процессы, вып. 10. - Изд-во МГУ, 1995, с. 143-157 (соавторы Алексеевский Н.И., Белый Б.В., Беркович K.M., Иванов В.В., Никитина Л.Н., Чалов P.C., Чернов A.B.).