Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Процессы массообмена между потоком и речными отложениями

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Процессы массообмена между потоком и речными отложениями"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

'Г б од

- 5 I* О П Географический факультет

На правах рукописи

ГНИЛОМЕДОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОЦЕССЫ МАССООБМЕНА МЕЖДУ ПОТОКОМ И РЕЧНЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ

1.00.07 - Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1996

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

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор

Н.И.Алексеевски:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат географических наук, ст.н.с.

Т.А.Алие А.М.Алабя

Ведущая организация: Российский гидрометеорологический институ

Защита состоится 19 декабря 1996 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д - 053.05.30 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП - 3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 1801.

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

Автореферат разослан 19 ноября 1996г.

(г.Санкт-Петербург)

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алексее

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Между потоком и руслом существует непрерывно или периодически возникает обмен минеральными частицами. При их поступлении в поток, перемещении во взвешенном или влекомом состоянии, повторном возвращении в состав речных отложений они неоднократно изменяют свой статус, что отражает специфику взаимодействий в эрозионно-аккумулятивной системе (ЭАС). Для описания общего цикла перемещения частиц в системе поток - русло удобно пользоваться термином "массообмен". Он характеризует взаимодействие между элементами эрозионно-аккумулятивных систем, вследствие которого изменяются объемы подстилающих пород, речных отложений, характеристики стока наносов в различных масштабах времени. Процессы массообмена имеют специфические формы проявления в различных ЭАС. Они заметно видоизменяются при переходе от одной природной зоны к другой, в долинах рек разных порядков, на участках водотоков с различным морфодинамическим типом русла. Многие особенности этого процесса изучены явно недостаточно, что затрудняет решение разнообразных прикладных задач (прогнозирование русловых деформаций, строительство различных сооружений в пределах речных долин, проектирование трасс судовых ходов, эксплуатация русловых и пойменных карьеров и т.п.).

Цель исследования состоит в изучении пространственно-временных закономерностей массообмена в различных звеньях речной сети и обосновании количественных методов их учета при решении прикладных задач. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- выделить пространственные и временные масштабы процесса, охарактеризовать формы проявления массообмена в системе поток - речные отложения;

. - обосновать региональные зависимости характеристик массообмена от определяющих факторов;

- изучить особенности исторических, многолетних и внутригодовых процессов взаимодействия потоков и речных отложений;

- разработать методы расчета характеристик массообмена в различных эрозионно-аккумулятивных системах;

- провести имитационное моделирование процессов взаимодействия в системе поток - русло и на этой основе получить представление о закономерностях массообмена в широком диапазоне изменения определяющих факторов (физико-географических условий, размера реки,

морфодинамического типа русла, типа внутригодового распределения стока, гранулометрического состава взвешенных наносов и русловых отложений);

- исследовать специфику массообмена на устьевых участках рек при различном стоке наносов;

- оценить характер изменения массообмена на участках разработки русловых карьеров; создать методы оптимизации изъятия песчано-гравийной смеси для предупреждения негативных процессов в зонах эксплуатации карьеров.

Методика исследований и фактический материал. Работа базировалась на обобщении собственных и опубликованных данных о специфике массообмена в системе поток - русловые отложения и применении методов географо-гидрологического анализа изменчивости характеристик процесса в зависимости от определяющих факторов. Широко использовались физические подходы к его описанию в различных эрозионно-аккумулятивных системах, методы математического моделирования динамики минеральных частиц в системе поток - русло. В качестве основного способа выявления реакции характеристик массообмена на изменение физико-географических, гидрологических и гидродинамических факторов избран метод имитационного моделирования процесса. Автор разработал новые методы и активно использовал существующие методические средства изучения процесса, разработанные Н.И.Алексеевским, Н.Б.Барышниковым, К.М.Берковичем, В.Н.Гончаровым, В.К.Дебольским, А.В.Караушевым, Н.Е.Кондратьевым, И.А.Кузьминым, Ц.Е.Мирцхулавой, В.Н.Михайловым, А.Е.Михиновым, Н.А.Ржанициным, К.И.Россинским, А.Ю.Сидорчуком, Б.Ф.Сншценко, Р.С.Чаловым и др.

Материалами для исследования служили справочные и полевые данные по рекам России и сопредельных стран. Часть исходной информации заимствована из литературных источников. В работе нашли отражение архивные материалы Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, института Севкавгипроводхоза и географического факультета МГУ. Некоторые данные получены автором в дельте Волги и на р.Оке.

Предметом защиты являются закономерности пространственно-временной изменчивости характеристик массообмена в различных физико-географических, гидрологических, гидродинамических условиях и в отличающихся по размеру эрозионно-аккумулятивных системах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Впервые дано целостное представление о массообмене в различных эрозионно-аккумулятивных системах.

- Обоснованы положения о пространственно-временной изменчивости процессов обмена минеральными частицами в системе поток - речные отложения.

- Изучена специфика массообмена в условиях изменения размера эрозионно-аккумулятивных систем и вариации определяющих факторов.

- Разработаны новые методы количественной оценки направлешюсти и интенсивности массообмена.

Выполнены прогностические расчеты интенсивности и направленности массообмена на устьевом участке р.Терек и по длине рук.Бахтемир (дельта Волги) при различных сценариях изменения уровня Каспийского моря.

. - Разработан метод определения оптимальных характеристик русловых карьеров для минимизации негативных последствий их эксплуатации.

Практическая зпачимость исследования связана с возможностью использования выявленных закономерностей массообмена и разработанных расчетных методик при анализе реакции системы поток - речные отложения на естественные или антропогенные изменения определяющих факторов. Они создают основу для количественного прогноза условий безопасного существования промышленных и социальных объектов на пойменных территориях, разработки рекомендаций по улучшению условий судоходства, эксплуатации русловых карьеров и других прикладных задач, связанных с русловыми процессами. Научные разработки автора использованы при оптимизации добычи нерудных строительных материалов на р.Чулым (Енисейское БУВГГ), обосновании положений федеральной целевой программы "Каспий", исследованиях руслового режима на устьевом участке р.Терек (Западно-Каспийское БВО) и по длине рук.Бахтемир (ин-т "Астрахангипроводхоз"). Методика определения характеристик массообмена в многолетних масштабах времени привлечена для оценки динамики радионуклидов в зоне расположения предприятия "Радон".

Апробация работы. Некоторые результаты исследований доложены на X Межвузовском координационном совещании по проблемам русловых, эрозионных и устьевых процессов в г. Вологде в 1995 г, научной конференции "Взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы" (Москва, 1996), научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 1996).

Публикации. Результаты исследований положены в основу четырех публикаций.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложетгй. Общий объем работы: 136 страниц

машинописного текста, 47 рисунков, 24 таблицы. Список литературы вюпочает 58 наименований.

Автор выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ докторам географических наук В.М.Евстигнееву, В.Н.Михайлову, Р.С.Чалову, В.Н.Коротаеву, кандидатам географических наук К.М.Берковичу, В.А.Скорнякову за полезные советы и замечания.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, излагаются цели и задачи работы.

В первой главе рассмотрены теоретические аспекты массообмена. Эти процессы лежат в основе существования разнообразных ЭАС - систем, в которых взаимодействие потока и русла обусловливает взаимосвязанное изменение объема подстилающих пород, речных отложений и характеристик взвешенных и влекомых наносов, (табл.1). Массообмен проявляется на уровне частицы, гряды, формы русла, морфологически однородного участка русла, участка речной сети, бассейна реки (Кондратьев, Попов, Сншценко, 1982). Любая ЭАС включает два компонента: постоянный (или временный) поток и аллювиальные отложения (коренные породы).

Массообмен прослеживается в различных масштабах времени. Текущий масштаб характеризует массообмен, время проявления которого занимает секунды, минуты и часы. Эти процессы характеризует время Тх:

Ь

Тх = —

0)

где Ь - глубина потока, \у - скорость осаждения частицы (гидравлическая крупность).

На уровне микроформ руслового рельефа внутрисуточные и сезонные особенности массообмена проявляются в масштабах продолжительности смещения гряд на свою длину Ь^,:

т =—-

, (2)

где Сгр - скорость их движения.

Многолетний и исторический масштабы массообмена прослеживаются на уровне форм русла и однородного участка реки. В частности, развитие этих процессов на участке расположения излучины характеризует время:

5

гр _ ^итл

с™, (3)

где Сим и Ьизл - скорость смещения излучины и ее шаг. Характерное время массообмена на однородном участке реки равно:

V

Т = —^ (4)

' |ДР|' ( )

где Уотл - объем речных отложений на участке русла, ДР - изменение расхода наносов на участке русла вследствие увеличения или уменьшения объема речных отложений.

Таблица 1

Характеристика процессов массообмена в различных звеньях речной сети

Характе- Структурные уровни массообмена

ристики

массооб- Частица Гряда Форма Морфол. Участок Бассейн

мена русла однородный участок русла речной сети реки

Зона лока- Поток, Активный Участок Речная Фрагменты Речная сеть

лизации русловые отложения слой русла речной долины долина речной сети

Форма Местное Движение Продольное Вертикаль- Изменение Изменение

проявления изменение форм и попереч- ные дефор- объемов объемов

концентра- руслового ное смеще- мации отложении отложений

ции речных рельефа ние и коренных и коренных

наносов пород пород

Преиму- Вертикаль- Продоль- Попереч- Вертикаль- Продольная Продольная

щественная ная, про- ная, верти- ная, про- ная, про-

ориентация дольная, кальная, дольная, дольная

потока поперечная поперечная вертикаль-

частиц ная

Основные Внутрису- Внутрису- Сезонная, Многолет- Многолет- Историчес-

типы точная точная. многолет- няя, исто- няя, исто- кая, гео-

временной сезонная няя рическая рическая, логическая

изменчи- геологичес-

вости кая

Условия массообмена могут заметно изменяться даже в пределах одной ЭАС. Это связано с особенностями гранулометрического состава взвешенных наносов и русловых отложений (З.Д.Копалиани, 1985). При свободном массообмене (рис.1) происходит интенсивный обмен минеральными частицами между потоком и русловыми отложениями. Даже наиболее крупные частицы способны переходить из русловых отложений в поток. Затрудненный массообмен соответствует участкам дна или берегов, которые

сложены связными грунтами. Он фиксируется увеличением различий гранулометрического состава взвеси и русловых отложений. Массообмен в этом случае возможен дашь в некотором интервале изменения диаметра частиц. На многих участках горных и полуторных рек гранулометрический состав взвеси и русловых отложений не имеет совпадающих фракций. В этом случае массообмен отсутствует или прослеживается в исторических и геологических масштабах времени.

а)

б)

/

ЩщшЕ

.........¡.и.|Х|±|Г^:

ьееЕ^ ЕР

нТн НГН-нфДЗДРИЕ '■'••;•; ж ДЗДЯФ^Я^

Рис.1 Специфика (а - свободный, б - затрудненный, в - ограниченный, г - малозаметный) массообмена в системе поток - русло; 1 - несвязные отложения, 2 - связные отложения, 3 - коренные неразмываемые породы.

Физической основой процесса массообмена на произвольном участке реки является несоответствие транспортирующей способности потока И^р и фактического расхода наносов Иф. Величина 11тр зависит от гидравлических и

морфометрических характеристик ЭАС, фазы водного режима. Фактический расход наносов Яф - функция зональных факторов формирования стока, порядка реки, типа водного режима. Они определяют количество наносов, поступающих с водосбора. Кроме того, величина R<j, зависит от особенностей массообмена на вышележащих участках реки. Совместное воздействие этих факторов приводит (в общем случае) к неравенству R^, и R^, что обусловливает определенную направлешюсть массообмена на участке реки, увеличение или уменьшение объема речных отложений (коренных пород) AW0. Для некоторой поверхности дна S величина AWo зависит от соотношения объема оседающих WK и взмываемых WB3M минеральных частиц за время AT:

AW0=W„-WB3„ (5)

Величину Woe и WB3M можно определить по уравнениям (Караушев, 1960):

рд(Цу + w)SAT

10005отя ' W

_p,(U,-w)SAT

10005ота ' v '

где рвзм - мушость взмыва, рд - придонная мутность, Uy - вертикальная составляющая пульсационной скорости, 5ОТЛ - плотность речных отложений. Интенсивность осаждения Мое и взмыва Мвзм частиц из состава русловых отложений соответственно равна:

Pj(Uy+w) = —

10005о P™(U.-w)

(9)

10005отл "

Результирующая интенсивность массообмена М определена разностью величин Woe и WB3M:

AW„

М = М - М = —-

SAT . (Ю)

Вариация объема отложений связана с изменением стока речных наносов

AW:

AW0=-AW (11)

и наиболее ярко прослеживается в исторических и многолетних масштабах времени.

Во второй главе рассмотрены особенности массообмена в исторических масштабах времени. Речные отложения (рис.2) контактируют с потоком большее или меньшее время. Русловые отложения по этому признаку относятся к активному, пойменные - к квазиактивному, террасовые - к

стабильному массивам отложений. В исторических масштабах времени важно различать фрагменты пойменных отложений, отличающихся по вероятности взаимодействия с транзитным потоком минеральных частиц. В этом отношении выделяются консервативный массив высокой поймы и квазиактивный массив отложений, формирующих низкую пойму и незатопляемые в межень побочни.

-----2

Рис. 2 Схема разновероятностных переходов минеральных частиц в системе транзитный поток наносов - речные отложения (1, 2 - большая или меньшая вероятность процесса)

Изменение объемов литогенного материала в пределах речной долины в исторических масштабах времени носит черты вероятностного процесса. Перемещение частиц происходит с вероятностью Ру, которая зависит от объема переноса минеральных частиц \УЦ- между отсеками 1 (из которого они удаляются) и j (в который они поступают) за время Д(:, а также начального объема отложений V,:

Р-=3

За время Д1 объем отложений массива j вследствие массообмена изменяется в соответствие с балансовым уравнением:

где п - число массивов отложений (в общем случае оно равно 4); - объем минеральных частиц, переместившихся из отсека ] в поток и вынесенных за пределы участка речной долины; \У| - объем литогенного материала, поступившего к верхней границе участка и осевших в пределах массива

Для упрощенной схемы массообмена в исторических масштабах времени допустима гипотеза о значимости этого процесса лишь для активного и квазиакгавного массива отложений. Число неизвестных в уравнениях (12 -13) в этом случае сводится к минимуму: ЧЛ^ , \У„а , \¥ка-п , \УП-Ка , , Ука. Удельный (отнесенный к единице длины реки) объем русловых Уа или пойменных Уца отложений в первом приближении равен произведению мощности русловых отложений Мр на среднюю ширину русла Вр (или пойменных отложений М„ на среднюю ширину поймы Вп). Объем перехода частиц из активного массива в поток и объем противоположного

перехода зависит от соотношения фактического расхода наносов и

транспортирующей способности. Объем осаждающегося \Упа или взмываемого материала (на единице длины русла за время М) равен:

(Лр) • О • Д1

. (14)

где Ар - продольный градиент изменения мутности, формируемой русловыми фракциями наносов. Удельное накопление литогенного материала на пойме \Vn-Ka находится по уравнению:

У/п^т,, Вп (15)

где тн - среднегодовой слой наилка на поверхности поймы. Переход минеральных частиц из состава пойменных отложений в транзитный поток наносов пропорциопален скорости размыва берегов Сб:

\^ап=Сб(Мп-Мр), (16)

где разность (М„ - Мр) характеризует слой пойменных отложений, контактирующий с потоком.

Массообмен в исторических масштабах времени зависит от многих факторов. Существенное влияние на этот процесс оказывают физико-географическое положение водосбора (ПЗ), размер (порядок Ы, или площадь бассейна Б) реки, морфодинамический тип русла (МДТР) (рис.3). Влияние

зональных факторов на сток воды и наносов в основном прослеживается для рек с N = 2 - 8. Водотоки с N < 2 часто имеют азональные характеристики стока. Сток рек с N > 8 имеет полизональные черты. Воздействие указанных факторов проявляется в изменении гидрологических, гидравлических и морфодинамических характеристик ЭАС, объема речных отложений и характеристик массообмена в системе поток - русло.

Объемы отложений

va Vxa

i

Объемы перемещения минеральных частиц

Wa.n w„ W vv ка-п Wn-ca

Морфодинамические характеристики

Мр Вр мп вп Сб m„

L j L

Гидрологические характеристики

Q W„ р рм d <а Тп

Гидравлические характеристики

ип им hn h„ Pip

1 i

Основные факторы

ПЗ N F МДТР

Рис. 3 Соотношение факторов и характеристик массообмена на участках речных долин в исторических масштабах времени (обозначения в тексте).

Имитационное моделирование массообмена в каждом из массивов отложений создает предпосылки для оценки значимости зональных и азональных факторов в изменениях характеристик процесса в исторических масштабах времени. Результаты моделирования процессов изменения объема русловых и пойменных отложений в долинах рек различного размера показали, что реки лесной, лесостепной и степной зон имеют близко совпадающие характеристики массообмена, если N = const и они имеют одинаковый морфодинамический тип русла. Максимальные скорости "сработки" русловых отложений характерны для водотоков малых порядков в

зоне тайги и смешанных лесов. Увеличение порядка (площади водосбора) зональных рек приводит к возрастанию объема русловых отложений Va (рис. 4). Наиболее интенсивное его увеличение вследствие аккумуляции наносов характерно для рек стенной зоны. Изменение объема русловых отложений рек лесостепной зоны имеет особенности, свойственные как водотокам лесной, так и степной зон. Интенсификация процессов перевода минеральных частиц в речные отложениях (при переходе от северных к южным территориям) связана с зональным увеличением смыва с поверхности водосборов и мутности воды.

Влияние морфодинамического типа русла на массообмен в исторических масштабах времени практически не прослеживается. Этот фактор влияет на частные составляющие процесса. На поймах меандрирующих рек удельное накопление литогенного материала примерно в 2-3 раза больше по сравнению с прямолинейными и разветвленными реками (N — const, реки расположены в одной природной зоне). Интенсивность наилкообразования является функцией мутности воды. На лесостепных и степных реках она значительно выше, чем на реках лесной зоны. Объем литогенного материала, поступающего в поток вследствие размыва пойменных берегов малых рек (N = 2), практически не зависит от природных условий на водосборе. С каждого метра береговой лиггии в поток поступает 2 - 2,5 м3/год минеральных частиц. С увеличением водоносности рек заметно возрастает размыв пойменных отложений. Интенсивность поступления минеральных частиц в транзитный поток из этого источника находится в большей зависимости и от физико-географического положения бассейнов рек. Поток литогенного материала из состава пойменных отложений в систему транзитного движения взвеси максимален на меандрирующих реках, поскольку для них характерны повышенные скорости размыва берегов. Разнонаправленные процессы аккумуляции наносов на пойме и размыва берегов приводят к уменьшению объема материала в квазиактивном массиве отложений на участках рек таежной зоны и зоны смешанных лесов. Увеличение объема пойменных отложений характерно для меандрирующих рек лесостепной и степной зоны. В этих природных условиях объем минеральных частиц, поступающий в поток вследствие размыва пойменных отложепий, и объем наилка примерно одинаковы на участках относительно прямолинейных и разветвленных рек.

Рис.4. Относительное изменение объема русловых отложений в руслах рек (%/год)

В третьей главе рассмотрены закономерности массообмена в многолетних масштабах времени. Эти закономерности базируются на результатах, полученных с помощью модели продольного массообмена. В основу модели положено уравнение баланса наносов:

Р„-РВ = ДР, (17)

где Р„ и Р„ - расход наносов на границах участка русла длиной Ах; АР - его изменение за интервал времени А1. Из уравнения (11) следует, что

АР = -Л\¥0 /М. (18)

Расчет АР и задание изменений объема русловых отложений А\¥о через соответствующие характеристики русла (А\Уо = Вр Ах Лг, где Вр - ширина русла, Аг - изменение толщины слоя отложений на участке длиной Ах) позволяет оценить направленность и величину вертикального массообмена в системе поток-русло. Горизонтальные деформации русла предполагаются относительно малыми, а их влияние на величину АР - несущественным. Суммарный расход наносов равен Р = в + Я, где С - расход влекомых и Я -расход взвешенных наносов. Расход влекомых наносов является функцией скорости потока и порядка реки (Алексеевский, 1990). Величина Я и ее вариация связаны с гидравлическими и морфометрическими характеристиками системы потока - русло, которые устанавливаются в процессе решения системы уравнений кинематической волны.

Особенности массообмена изучены на основе численных экспериментов, имитирующих изменение характеристик процесса при выведении системы поток - русловые отложения из состояния равновесия. Реакция системы учитывалась несколькими характеристиками. Одной из них является время стабилизации системы Тст. Оно численно равно времени повторного достижения сбалансированности массообмена, необходимому для стабилизации обмена минеральными частицами между потоком и руслом после изменения одного или нескольких факторов. Другая характеристика -интенсивность массообмена М:

М=А\Уо/(ТстЬВр). (19)

Она характеризует изменение объема русловых отложений на участке длиной Ь за время Тст. В процессе имитационного моделирования изучены особенности вариации этих характеристик, соответствующие некоторым сценариям изменения уровня приемного водоема, уклона рек, стока воды и наносов) на реках с восточноевропейским типом водного режима.

Изменение уровня приемного водоема сопровождается (Маккавеев, 1955; Михайлов, 1978 и др.) трансформацией кинематических условий взаимодействия в системе поток - русловые отложения. При понижении уровня на 0,4 м интенсивность уменьшения объема речных отложений М^

равна -0,017 м3/м2год, а при повышении на 0,4 м его увеличение происходит со скоростью 0,05м3/м2год (табл.2). На малых реках Тех больше при снижении, чем при повышении базиса эрозии. Увеличение размера рек сопровождается возрастанием времени восстановления сбалансированного массообмена в системе поток-русло. Повышение уровня влечет за собой более существенное изменение 'ДЭДо по сравнению с условиями его понижения. На

л. - ~ |

реках с N = 8 величина М в среднем равна 0,06 м/м год, а М равна - 0,12 м /м год. Таким образом, неравенство |М | > |М |, характерное для малых рек, при увеличении N изменяется знак (IМ11 =0,12, | | = 0,06 м3/м2год при N = 11; |мх| =0,25, |МТ| =0,17 м3/м2год при N = 14).

Таблица 2

Изменение характеристик системы поток-русло при колебаниях уровня

приемного водоема

Порядок реки Изменение уровня приемного водоема, м Время стабилизации, лет Изменение объема русловых отложений, млн.м3 Изменение объема русловых отложений, % Изменение отмегок русла в устьевом створе, м Среднее по участку изменение отметок русла, м Средняя по участку интенсивность массообмена, м3/м2год

2 -0,4 24 -0,013 -15,4 -0,39 -0,39 -0,016

-0,2 8 -0,008 -9,7 -0,21 -0,24 -0,03

-од 3 -0,003 1-4,0 -0,10 -0,10 -0,033

0,1 3 0,002 1,9 0,08 0,05 0,017

0,2 3 0,004 4,4 0,17 0,11 0,036

0,4 6 0,011 12,8 0,37 0,32 0,053

8 -4 19 -7,6 -39,9 -3,54 -2,18 -0,11

-2 6 -2,3 -12,1 -1,6 -0,66 -0,11

-1 3 -0,9 -4,7 -0,73 -0,26 -0,09

1 1 0,33 1,7 0,15 0,09 0,09

2 6 1,48 7,7 0.62 0,42 0,07

4 26 ■ 6,12 32,0 2,10 1,75 0,07

14 -4 6 250 -9,2 -2,02 -1,08 -0,18

-2 1 85 -3,1 -0,38 -0,20 -0,20

-1 1 31 -1,1 -0,10 -0,07 -0,07

1 1 15 0,5 0,11 0,03 0,03

2 1 46 1,7 0,14 0,05 0,05

4 4 150 5,3 0,74 0,63 0,16

В естественных условиях средний уклон рек I является функцией их размера N (Ржаницын, 1.960). Если фактический уклон I ф 1(К), то динамическое равновесие в системе поток-русло нарушается. Это нарушение

приводит к уменьшению объема русловых отложений при условии I > 1(К). Зона наиболее интенсивной "сработки" отложений локализована в верхней части участка реки характерной длины, где интенсивность процессов взмыва в 1,5 - 3 раза больше по сравнению со средними условиями. При I < 1(Ы) наоборот, объем русловых отложений заметно возрастает. Средняя интенсивность массообмена | М^ | превышает величину | М^ |. Интенсивность массообмена зависит от порядка рек. При увеличении N от 2 до 14 ее величина возрастает от 0,01 до 0,04 м3/м2год.

Изменение стока воды приводит к существенному нарушению взаимодействий в системе поток - русловые отложения (Михайлов, 1971; Карасев, 1965 и др.). Увеличение О вызывает размыв речных отложений, уменьшите их объема. Процессы противоположной направленности являются следствием уменьшения р. Восстановление утраченной сбалансированности массообмена при ДСУД1 > 0 занимает большее время по сравнению с ситуацией ДС)/Д1 < 0. Интенсивность массообмена возрастает по мере увеличения коэффициента кратности изменения стока воды к. При к = 2 интенсивность массообмена для рек 2, 5, 8, 11 и 14 порядков соответственно равна -0,12, -0,12, -0,22, -0,29 и -0,63 м3/м2год.Интенсивность

массообмена при к < 1 в 3 - 7 раз меньше, чем при к > 1.

Большое влияние на характеристики массообмена оказывает изменение стока наносов (Михайлов, Рогов, 1979; Гидрология устьев рек Терека и Сулака, 1993). Оно может коррелироваться с вариацией естественных шш антропогенных факторов. В условиях изменения стока наносов особенности обмена минеральными частицами между потоком и руслом в существенной мере зависят от впутригодового распределения стока воды. Имитационные расчеты показали, что при прочих равных условиях максимальная интенсивность массообмена свойственна рекам с восточносибирским типом водного режима (при N > 5), поскольку для них отношение Ом/ОсР =16, где Ом и С>ср - соответственно максимальный и средний расход воды. Наименее существенные изменения этой характеристики присущи рекам с западносибирским типом водного режима (С2м/(3ср = 6). Интенсивность массообмена на реках с восточноевропейским типом внутригодового распределения стока имеет промежуточные значения, т.к. (Зи/Оср = 12. Продолжительность восстановления сбалансированного массообмена и интенсивность процесса прямопропорциональны величине (2М. Наиболее существенные изменения объема русловых отложений происходят при одновремешшм уменьшении расхода взвешенных и влекомых наносов. Максимальное воздействие этих факторов на массообмен характерно для

малых водотоков (Ы = 2 - 5). На крупных реках (Ы = 11 - 14) влияние этих факторов менее значимо.

Четвертая глава содержит итоги изучения массообмена в сезонных, внутрисуточных и текущих масштабах времени. Они касаются специфики процесса в пределах активного слоя русла и системе взвесенесущий поток -русловые отложения.

Закономерности продольного и вертикального массообмена в пределах активного слоя русла во многом связаны с перемещением гряд. Они наиболее сложны при развитой структуре руслового рельефа. (Алексеевский, 1990, Сидорчук, 1990). Под развитой структурой понимают наличие иерархии гряд на перекатных участках рек. Макроформам руслового рельефа соответствуют гряды типа А (классификация Н.И.Алексеевского (1987)). Гряды типа Б, В, Г и Д расположены на их поверхности и обладают последовательно уменьшающимися размерами. Активное перемещение гряд вызывает в основном продольный массоперенос (Мпр). Пассивное смещение крупных русловых форм связано с процессами сползания в их подвалья более мелких гряд, обусловливающими продольный и вертикальный Мв (в пределах активного слоя русла) массоперенос.

Суммарный продольный массообмен возрастает с увеличением порядка рек. Гряды Г и Д формируют па малых реках (Ы < 6) более 95 % объема транспортируемого материала. На реках 14 порядка их роль снижается до 7%. Более 50 % М1ф на крупных реках (Ы > 11) связано с динамикой гряд типа Б. Роль гряд А в вертикальном массообменс начинает заметно проявляться только на реках 12 порядка. Независимо от размера реки максимальный вклад в М„ вносят гряды Г. С увеличением размера реки интенсивность продольного массообмена возрастает на фоне уменьшения интенсивности переноса минеральных частиц по вертикальному профилю русловых отложений. Если для рек 3 порядка отношение М„р /М„ = 150 - 200, то при N = 12 эта величина достигает 20000.

Для изучения локального массообмена использованы уравнения, характеризующие зависимость интенсивности взмыва и осаждения минеральных частиц от определяющих факторов. Учет этих факторов (в соответствии с рекомендациями А.В.Караушева (1960)) позволил выявить особенности процессов вертикального массообмена в системе поток-русло в разные фазы водного режима. Результаты расчетов для некоторых рек волжского бассейна показали, что интенсивность взмыва и осаждения не зависит от порядка реки. Основное влияние на эти характеристики оказывает смена фаз водного режима, изменение мутности воды, гранулометрического состава взвеси, гидравлических и морфометрических характеристик ЭАС. При

увеличении мупюста и доли крупных фракций в составе взвеси, интенсивность перехода частиц из транзитного потока наносов в русловые отложения значительно (в 2 раза) возрастает по сравнению с условиями снижения концентрации мелкофракционного материала в воде. Уменьшению мутности и увеличению процентного содержания мелких фракций во взвеси соответствует значительное снижение интенсивности осаждения и небольшое увеличение интенсивности взмыва частиц из состава русловых отложений.

Наличие сезонных особенностей массообмена подтверждает сопоставление мутности и расходов воды. Они проявляются в наличии различных типов связи рф = ДО). Выделено шесть типов изменчивости массообмена во времени. Первому типу отвечает линейная связь между переменными, характеризующая увеличение интенсивности взмыва при возрастании расходов воды. Второму типу соответствует нелинейная связь рф = Д(2). В зависимости от соотношения между рф и р^ этот тип изменчивости ггроцесса характеризует повышенную интенсивность осаждения минеральных частиц при увеличении р. Для третьего типа связи рф = ДО) характерно уменьшение (1рф/с10 ПРН увеличении О. Это соответствует преимущественному переводу частиц из состава русловых отложений во взвесь при больших расходах воды. Петлеобразная связь рф = ДО) (с обходом по часовой стрелке) отвечает IV типу временной изменчивости процесса. Она иллюстрирует повышенную вероятность процессов накопления минеральных частиц в руслах рек на подъеме половодья и взвешивания мелких фракций русловых отложений на спаде уровней воды. Пятый тип связи рф = ДО) (петля с обходом против часовой стрелки) обусловлен преобладанием взмыва частиц над их осаждением при увеличении расходов воды. В условиях спада уровней воды наблюдается противоположное соотношение между этими процессами. VI тип процесса соответствует 8-образной связи между р и О. Она возникает как интегральный результат процессов, приводящих к формированию IV, V и даже I типов зависимости рф = ДО).

В различных природных условиях возникновение того или иного типа сезонного массообмена имеет большую или меньшую вероятность (табл.3). На реках ЕТР в условиях многоводных и средних по водности лет преобладает IV таи связи между р и О. Менее вероятно возникновение процессов, соответствующих V типу связи. На реках с N > 9 они практически отсутствуют. В маловодные годы разнообразие типов временной изменчивости массообмена заметно увеличивается.

Таблица 3

Основные типы сезонной изменчивости массообмена на реках ЕТР и __Западной Сибири

Водность года ЕТР Западная Сибирь

порядок рек порядок рек

1-3 3-6 6-9 >9 3-6 6-9 >9

Максимальная У(1У) IV (V, VI) IV IV IV (П) IV IV, I (1П)

Средняя IV (V) IV (V) IV IV (I) I, IV 1,1У(П)

Минимальная У(1У) IV (V, I) IV (I, VI) IV, V, VI I (IV, II) I I, IV (II)

Примечание: в скобках указаны менее вероятные типы процесса.

В годы повышенной водности на реках Западной Сибири (Ы = 3 - 6) также преобладают процессы массообмена, соответствующие IV типу связи между рф и 0. В маловодные годы наиболее часто возникает I тан связи между этими переменными. Он сменяется IV типом временной изменчивости характеристик массообмена в условиях многоводных лет, когда величина мутности в значительной мере определена процессами смыва на водосборах.

В пятой главе закономерности процессов массообмена использованы для решения пекоторых практических задач в устьевых областях рек и на участках расположения русловых карьеров.

Специфика массообмена в устьевых областях рек зависит от количества наносов, поступающих к вершине дельты и их распределения по системам дельтовых рукавов. Главной особенностью процессов массообмена на устьевых участках рек с большим стоком наносов является их быстрая реакция на изменения стока воды, наносов, уровня моря, гидравлических характеристик потока. ■ Она хорошо иллюстрируется результатами исследований в дельте Терека. Сокращение устьевого участка на 25 км в 1977 г привело к уменьшению объема русловых отложений и понижению отметок дна на нижних 30 км русла. Повышение уровня моря, начавшееся в 1978 г, постепенно компенсировало эти процессы на нижних 20 км р.Терек. Уменьшение уклонов водной поверхности вследствие повышения уровня моря вызвало к 1995 г явления аккумуляции наносов на нижних 20 км реки.

Тестовые расчеты на основе модели многолетних взаимодействий между потоком и русловыми отложениями применительно к условиям этого участка реки показали, что модель правильно характеризует направленность русловых деформаций. На верхнем участке (0 - 25 км) в 1977 - 1992 гг преобладал перевод русловых отложений во взвесь. Ниже по течению (25 - 75 км) примерно 2 - 3 % стока речных наносов переходило в состав активного

слоя русла. На участке 75 - 106 км ниже Каргалинской плотины объем русловых отложений за этот период увеличился более чем на 15 млн.т.

Направленность и масштабы русловых переформирований в ближайшие 10-15 лет тесно связаны с изменением уровня Каспийского моря. В работе рассмотрены различные сценарии процесса при гипотетическом повышении и понижении уровня моря со скоростью 0,05 м/год. При сохранении тенденции повышения уровня моря в 1994 - 2010 гг объем отложений на участке 75 -110 км увеличится на 15,4 млн.т. Это равнозначно скорости повышения средних отметок поверхности дна 0,03-0,04 м/год и увеличению опасности катастрофических наводнений в дельте Терека. В условиях понижения уровня моря на нижних 15 - 25 км реки будут преобладать процессы размыва русловых отложений.

В дельтах рек с малым стоком наносов массообмен отличается существенно большей инерционностью по отношению к изменениям определяющих факторов. Такой характер массообмена свойственен, в частности, рук.Бахтемир (дельта Волги). С 1950 по 1963 гг на верхних 25 км русла рукава преобладали процессы увеличения объема русловых отложений и повышения отметок дна (0,05 - 0,10 м/год). На остальной части рукава (55км) отметки продольного профиля дна в основном понижались (0,02 -0,05м/год). Исключение составил участок 40 - 65 км (от причала № 17 г.Астрахани), где скорость повышения отметок дна составляла 0,02 м/год. Поскольку гидравлическая связь дельтовых водотоков и устьевого взморья (в условиях понижения уровня моря) прослеживалась слабо (Михайлов и др., 1977), то можно говорить о слабой зависимости характера массообмена вдоль рукава от изменения уровня Каспийского моря.

Математическая модель процессов изменения объема русловых отложений (в условиях относительно малого стока наносов) дает реальные оценки направленности русловых переформирований (табл.4). Удельная интенсивность массообмена (на 1 км длины русла) в 1950 - 1990 гг составила: 13 тыс.м3/год (на участке 20 - 35 км), 4 тыс.м3/год (на участке 35 - 65 км) и -1,8 тыс.м3/год (на участке 65 - 100 км). Прогнозные расчеты показали, что в 1997 - 2010 гг на участке 20 - 70 км (независимо от дальнейшего изменения уровня моря) будут преобладать процессы аккумуляции наносов, вызывающие ежегодное повышение отметок дна на 0,01 - 0,02 м. При понижении уровня моря (- 0,05 м/год) размыв русловых отложений возможен лишь на нижних 30 км (0,01 - 0,02 м/год). При повышении базиса эрозии процессы аккумуляции будут доминировать по всей длине рукава. Процессы взаимодействия между потоком и русловыми отложениями могут искажаться

вследствие дноуглубления, добычи нерудных строительных материалов (111 С) из русловых карьеров.

Таблица 4

Рассчитанные и прогнозные отметки продольного профиля дна рук.Бахтемир (м. абс.) вследствие процессов массообмена

Характеристики Расстояние от пристани №17 г Астрахань, км

25 35 45 55 65 75 85 95

Средние отметки дна в 1950 г -37,7 -34,3 -33,6 -34,2 -32,6 -31,2 -31,3 -31,5

Средние отметки дна в 1990 г -36,9 -34,0 -33,3 -33,5 -32,5 -31,8 -32,0 -32,5

Рассчитанные отметки дна (1990 г) -35,5 -33,8 -33,3 -33,7 -32,4 -31,9 -31,8 -31,9

Прогнозные отметки дна в 2010 г (ДНМ = 0,05 м/год) -36,0 -33,9 -33,1 -33,2 -32,5 -31,7 -32,0 -32,7

Прогнозные отметки дна в 2010 г (АН„ = -0,05 м/год) -36,0 -33,9 -33,1 -33,2 -32,5 -31,9 -32,2 -32,9

Добыча ПГС из русловых карьеров и изменение характера массообмена на участках их расположения сопровождается комплексом негативных явлений. Их проявление минимально, если объем извлечения ПГС компенсируется поступлением влекомого материала WgB (Алексеевский, Гниломсдов, 1994):

Ьк1к < У/„7ВР. (20)

К числу негативных явлений выше карьера относится возникновение кривой спада в межень. Она может прослеживаться на расстоянии Ь3 > Ц, что предполагает ухудшение условий судоходства на вышележащих перекатах. Их сохранение требует использования оптимизационного условия Ц < Ьа. Оно может быть достигнуто при некотором сочетании геометрических характеристик карьера Ь^, 1к, Ь^. Максимальная опасность схода оползней существует на участках рек, где Ьк приближается к Вр, где Вр - ширина реки. Условие Ьк < 0,5ВР обеспечивает оптимальные габариты судового хода и сохранение естествешюго существования донных экосистем. Существует также технический предел извлечения грунта (Ь^ < Ьк „ред) и ограничение Ьк с позиций экономической эффективности эксплуатации карьеров с (Ь^ > 0,5 м). Набор технологических, экономических и других критериев позволяет найти оптимальные линейные характеристики карьеров. Численные эксперименты по поиску таких характеристик показали, что они зависят от размера реки N. При прочих равных условиях на крупных реках уклонами существует

возможность изъятия большего объема ПГС, по сравнению с малыми водотоками (при отсутствии негативных явлений). На южных реках можно создавать карьеры большего объема, чем на реках северных регионов (при N = const).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Процессы взаимодействия в системе поток - речные отложения многообразны. Минимальный пространственный масштаб проявления процессов отвечает динамике отдельно взятой частицы, контактирующей с водным потоком. Они прослеживаются также на уровне гряд различных размеров, форм русла, морфологически однородных участков рек, фрагментов речной сети и речного бассейна. Массообмен осуществляется в текущих, внугрисуточных, сезонных, многолетних, исторических и геологических масштабах времени. Каждой эрозионно-аккумулятивной системе соответствует временной масштаб, ограничивающий продолжительность массо обмена в системе поток - русло на уровне значимых изменений элементов ЭАС.

2. Массообмен между элементами ЭАС проявляется в динамике отдельной частицы (перекатывание, сальтация, взвешивание, осаждение), движении отдельных гряд и их комплексов, изменении объема речных отложений в пределах конкретных форм русла, участков реки, объема горных пород в речных бассейнах и их характерных регионах.

3. Основными факторами изменения характеристик массообмена являются зональные условия формирования речного стока, размер водного потока и морфодинамический тип русла. Изменение этих факторов вызывает трансформацию гидрологических и гидравлических условий взаимодействия в системе поток - русло. При прочих равных условиях объем пойменных отложений рек лесостепной и степной зоны больше, чем рек таежной зоны и зоны сметанных лесов.

4. С увеличением порядка реки возрастает удельная интенсивность массообмена между транзитным потоком наносов и речными отложениями (с 2 до 40 м3/(год м) при изменении N от 2 до 8). Результирующий массообмен обеспечивает относительное уменьшение объема русловых отложений на малых реках по сравнению с крупными реками.

5. Массообмен между транзитным потоком наносов и пойменными отложениями наиболее интенсивен на участках меаидрирующих рек. Это

связано с повышенными скоростями перевода пойменных отложений во взвесь и накопления мелкофракционного материала на поверхности пойм на участках расположения излучин.

6. Большое влияние на массообмен оказывают факторы, связанные с изменением уровня приемного водоема, уклонов свободной поверхности, стока воды и наносов. Повышение уровня приемного водоема, уменьшение уклона, расхода воды или увеличение стока наносов сопровождается интенсификацией процессов осаждения частиц и ослаблением процессов их взмыва из состава русловых отложений. Противоположное изменение этих факторов снижает интенсивность аккумуляции наносов и усиливает процессы взмыва частиц из активного слоя русла.

7. Массообмен на устьевых участках рек во многом зависит от мутности речных вод. На устьевых участках рек с большим стоком наносов массообмен отличается повышенной скоростью реакции на изменения стока воды, наносов, уровня моря, гидравлических характеристик потока. При малом стоке наносов он более инерционен по отношению к вариации определяющих факторов.

8. Грядовое перемещение влекомых частиц обусловливает продольный и вертикальный массообмен в активном слое русла. На малых реках продольную компоненту массопереноса формируют в основном (до 90 %) частицы, входящие в состав гряд типа Г и Д (по классификации Н.И.Алексеевского). При N > 11 до 90 % продольного массопереноса связано с динамикой гряды типа А, Б и В. Интенсивность вертикального массообмена по профилю активного слоя русла уменьшается с увеличением порядка рек.

9. Массообмен на уровне отдельных минеральных частиц тесно связаны с вариацией гидравлических характеристик, мутности воды, гранулометрического состава взвеси и русловых отложений. Увеличение глубины потока, его мутности, содержания крупных фракций во взвеси, русловых отложениях и уменьшение скорости потока вызывает преимущественное осаждение частиц. В противоположном случае преобладают процессы "сработки" объема русловых отложений.

10. Многие аспекты взаимодействия потока и русла сложно выявить прямыми методами исследований. Для этого целесообразно привлекать методы имитационного моделирования массообмена в различных ЭАС. Разработанные новые подходы к схематизации процесса и расчетные методы дают возможность количественно определять характеристики массообмена, разрабатывать прогнозы их изменения при различных сценариях изменения определяющих факторов.

11. Учет взаимодействий в системе поток - русловые отложения является необходимым условием решения многих научных и прикладных задач. Результаты проведенного исследования дают общее представление о теоретических и методических проблемах такого учета. Многообразие форм проявления массообмена в разномасштабных ЭАС требует дальнейшего изучения закономерностей взаимодействия потока и русла, уточнения пространствешю-временной изменчивости характеристик этого процесса.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Имитацио1шая модель процессов массообмена в системе поток - русловые отложения // Вестник МГУ. Сер.5 География. - 1993. - вып. 1. - с. 60 - 66 (соавторы - Н.И.Алексеевский, Л.Н.Никитина).

2. К определению оптимальных параметров русловых карьеров // Гидротехническое строительство. - 1994. - № 11. - с. 21 - 24 (соавтор -Н.И.Алексеевский).

3. Процессы вертикального массообмена в системе поток - русло на устьевом участке р.Терек и некоторые результаты их численного моделирования // Метеорология и гидрология. - 1995. - № 5. - с. 97 - 103. (соавтор -Н.И.Алексеевский).

4. Природно-хозяйстаенные конфликты и методы их разрешения в дельтах рек российского побережья Каспийского моря // Тезисы докладов X межвуз. коорд. сов. по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Вологда, - 1995. - с. 3 - 5. (соавтор - Н.И.Алексеевский).