Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Реакция русел рек на изменения водности и антропогенное воздействие за последние столетия

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Реакция русел рек на изменения водности и антропогенное воздействие за последние столетия"

На правах рукописи

Каргаполова Ирина Николаевна

РЕАКЦИЯ РУСЕЛ РЕК НА ИЗМЕНЕНИЯ ВОДНОСТИ И АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗА ПОСЛЕДНИЕ СТОЛЕТИЯ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы,

гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 2006

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

Научный руководитель

доктор географических наук, профессор Чалов Роман Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Румянцев Игорь Семенович

кандидат географических наук, доцент Панин Андрей Валерьевич

Ведущая организация

Российский государственный гидрометеорологический университет

Защита состоится 19 октября 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, Географический факультет, ауд. 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета, 21 этаж.

Автореферат разослан сентября 2006 г.

Отзывы на реферат, заверенные печатью, просим отправить по адресу: 119992 Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, Географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.68 Факс. (495) 932-8836

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

4.

лллсс

Алексеева С.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития науки особенно актуален вопрос о вкладе антропогенного фактора в изменение окружающей среды. Для его оценки важно понять естественные тенденции изменения природных процессов, цикличность и стадийность их развития. Чтобы определить направленность и периодичность процесса следует проследить его развитие за достаточно длительный временной этап. Периодичность (цикличность) в развитии русел рек, проявляющаяся на уровне форм русла — разветвлений и излучин, в большинстве случаев имеет продолжительность от десятилетий до столетий. Поэтому ее объективная оценка возможна только при рассмотрении отрезка времени в несколько столетий. Традиционно временной интервал русловых исследований охватывает несколько десятилетий, в лучшем случае — последнее столетие, и опирается, главным образом, на результаты воднопутейских русловых съемок -лоцманские карты и планы перекатов. Границы исследований могут быть значительно расширены с помощью анализа имеющегося в архивах и библиотеках крупномасштабного картографического материала ХУШ-ХХ вв., до настоящего времени не использованного.

Известно, что основным естественным фактором русловых процессов является водность реки, ее многолетняя и внутригодовая изменчивость. Рассматривать многолетние колебания водности, имеющие свою направленность и периодичность, и оценивать их воздействие на русловые переформирований также целесообразно за более длительный, чем обеспеченный материалом сетевых наблюдений гидрометеослужбы, период времени. Продолжительность рассматриваемых циклов колебаний водности охватывает несколько десятилетий. Поэтому оценка их влияния на состояние русел оказывается не всегда репрезентативной. Недоучет многолетних колебаний водности и реакции на них русла каждой отдельной реки (или речной системы) при введении антропогенной нагрузки может привести к ошибкам в оценке изменений русла, вызвать непредвиденные последствия при освоение ресурсов рек и прилегающих территорий, снизить точность или сделать невозможным прогноз изменений русел вследствие увеличения/уменьшения водности рек в условиях глобального изменения климата.

Для оценки реакции русел рек на более значительные, чем наблюдаемые за последние столетия, изменения водности (как правило, не более 15-20%), уникальную возможность представляет единичный для нашей страны пример межбассейновой переброски стока верхней Волги в р. Москву. В результате сток воды ниже столицы был увеличен почти в два раза, что в естественных условиях наблюдается только в масштабах геологического времени.

Цель и задачи работы. Основной целью работы являлось выявление закономерностей развития русел рек на протяжении нескольких столетий вследствие изменения основного естественного фактора — водности рек и их трансформации при антропогенном воздействие.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- расширение традиционных временных рамок исследований русловых процессов до двух-трех столетий;

- определение многовековых закономерностей формирования русел рек различного морфодинамического типа в разных регионах страны, отличающихся внутригодовым распределением стока, условиями прохождения руслоформирующих расходов воды и устойчивостью русел;

- определение реакции русел на многолетние изменения водности рек как основного фактора их развития;

- оценка степени и характера проявления шггропогенной нагрузки на фоне естественного развития русел, изменений направленности и периодичности природных процессов при воздействии антропогенных факторов различного вида и масштаба;

- выявление воздействия межбассейновой переброски стока на русло р. Москвы; прогнозная оценка его развития при современном сочетании факторов русловых процессов.

Методика исследований. Для анализа направленности и темпов переформирований русла за исторический период времени в качестве основных использовались ретроспективный и гидролого-морфологический методы исследования. Суть ретроспективного метода заключается в сопоставлении разновременных карт и планов и современных данных дистанционного зондирования (аэро- и космических снимков), гидролого-морфологического — в установлении

связей параметров русла с гидрологическими показателями. Для рек Оби и Москвы результаты подкреплялись данными экспедиционных исследований. На р. Оби автор принимала участие в работе Русловой экспедиции научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ в 2001 и 2003 гг. На р. Москве в 2003-2005 гг. автором были организованы рекогносцировочные, гидрологические работы, установлена сеть реперов для наблюдения за интенсивностью размыва и смещения берегов. Для визуализации исследований для всего рассматриваемого участка р. Москвы создан электронный атлас русловых деформаций ХУШ-ХХ вв., включающий в себя карты русловых переформирований за исторический период и карту современной динамики русла.

Фактический материал. Основным фактическим материалом, привлеченным для решения поставленных задач, являлись крупномасштабные картографические источники, отобранные в основных архивах страны: Государственном Историческом музее, Российском государственном архиве древних актов, Библиотеке Российской Академии наук, Военно-историческом архиве и Российской государственной библиотеке. Основным материалом за последние десятилетия являлись лоцманские и топографические карты, экспедиционные отчеты научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева. Значительная часть материалов по р. Москве была предоставлена ГП «Канал им. Москвы», а также Московским районом гидросооружений, Управлениями Западного и Южного речных портов, порта «Коломна». Космические снимки, главным образом «1лгкка1-7», предоставлены И'ГЦ СканЭкс.

Научная новизна работы

1. В работе впервые проведен ретроспективный анализ русловых деформаций за несколько столетий для рек России в разных природных условиях. Для русел рек различного морфодинамического типа выявлены направленность и периодичность их эволюции.

2. Установлена стадийность и продолжительность циклов в развитии основных форм русел — разветвлений и излучин: время перераспределения стока между рукавами, продолжительность «жизни» излучины от возникновения до спрямления.

3. Для р. Москвы создан электронный атлас русловых переформирований ХУШ-ХХ вв.

4. Впервые на примере р. Москвы рассмотрено влияние увеличения водности при межбассейновой переброске стока на трансформацию русла.

5. На основе гидролого-морфологического анализа выполнена прогнозная оценка дальнейшего развития русла р. Москвы в условиях увеличенной водности.

6. На примере р. Вычегды решена обратная задача - восстановление водности реки в историческом прошлом.

Практическая значимость результатов работы. Учет динамики русел рек за историческое время позволяет оценить влияние активных русловых переформирований на хозяйственную деятельность. Размывы берегов создают опасность для жилых строений, коммуникаций, инженерных сооружений. Вне населенных пунктов их интенсификация приводит к сокращению земельных ресурсов. Перемещение основного русла в пределах широкой поймы или «посадка» уровней, обусловленные сочетанием природных и антропогенных факторов, часто оставляют «не у воды» водозаборы и другие хозяйственные объекты, а нередко и сами населенные пункты. Особенного внимания требуют реки, на которых антропогенное воздействие способно изменить многовековую направленность развития русел. Выявление региональных закономерностей в развитии русловых деформаций и их прогнозные оценки дают возможность более объективно оценить вероятность тех или иных переформирований и предотвратить разного рода неблагоприятные последствия их проявления. Результаты исследований могут использоваться при долгосрочных прогнозах изменений руслового режима рек в условиях глобальных изменений природной среды и климата, а также при разработке проектов регулирования речных русел для различных отраслей хозяйства.

Глубокую благодарность за предоставление материала и консультации автор выражает сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ к. г. н. В.В. Иванову, В.В. Суркову, и C.II. Рулевой, кафедры гидрологии суши профессорам Н.И. Алексеевскому, Р.К. Клиге и В.М. Евстигнееву, доцентам В.А. Жуку и Н.Л. Фроловой, ГП «Канал им. Москвы» О.С. Цвиринько, А.П. Макрушину и Л.А. Халявиной, ИТЦ СканЭкс к.г.н. Алейникову A.A., а также сотрудникам Московского района гидросооружений, РГАДА и отдела картографии ГИМ. Особую, самую теплую благодарность за

поддержку и консультации автор выражает сотруднику лаборатории эрозии почв и русловых процессов к. г. н. А.С. Завадскому.

Публикации и апробация работы. Основные результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (апрель 2004 г., г. Брянск), на VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (апрель 2004 г., г. Москва), на научном семинаре научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева (декабрь 2004 г., г. Москва) и представлены в 11 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 233 страницах и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и архивных материалов из 85 наименований. Текст сопровождается 99 рисунками и 21 таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Документальная история русел рек России. Оценка исходных материалов и выбор объектов исследования

Начало инструментальных съемок русел российских рек и появление первых крупномасштабных карт и планов относится ко времени правления Петра I. До XVIII в. картографический материал в силу своей отрывочности, неточности и мелкомасштабное™ чаще всего не представляет интереса для исследования русел рек. Первая русловая съемка была осуществлена для р. , Дона в 1696 г. непосредственно при участии царя. В дальнейшем съемки петровских геодезистов ,.,: распространялись на самые важные водные артерии. Например, «План Москвы реки. От Москвы от Земляного города до устья ея..» 1731 г. стал первым свидетельством положения русла реки1 и самым ранним из использованных в,работе материалов (рис. 1а). На первую четверть XVIII в. приходится начало масштабных гидротехнических работ по созданию искусственных водных путей — Вышневолоцкой водной системы ... > (1709 г.), Ивановского шлюзованного канала (1701-1709 гг.), Ладожского обходного канала (1719 г.) и др., а также проведение изысканий и создание ряда проектов соединительных систем, в том числе канала Москва-Волга.

1 Помимо положения русла реки, ее притоков и стариц, на план наносились места возможных ; спрямлений излучин, проложения каналов и пр.

Рис. 1. Фрагменты использованных источников: а - «Плана Москвы реки. От Москвы от Земляного города до устья ея..» 1731(4) г. РГБЛН. Масштаб источника 1:67ООО; 6 - плана Генерального межевания Яренского уезда Вологодской губернии. Ч. 3, 1780-е гг. РГАДА. М. 1:84000,' в - рукописной «Генеральной карты р. Москвы от впадения Рузы до соединения сс с Окой...по предмету улучшения Москвы-реки...», изданной в 1809 г. РГВИА. М. 1:104000; г - карты р. Оби из атласа «Частные карты...» по съсмкс 1799 г. РГВИА. М. 1:42000; д - атласа реки Северной Двины, составленного по изысканиям 1858, 59 и 60 гг. РГВИА. М. 1:42000; е - судоходной карты р. Оки от Рязани до Н. Новгорода по исследованиям окской партии в 1879-1880 гг., ГИМ. М. 1:10000.

В 1760-1790-х гг. проводится Екатерининское Генеральное межевание земель. Составленные с применением геодезических методов карты и планы (основной масштаб 1:42000 и 1:84000), охватили практически всю территорию европейской России, а для большинства рек явились хронологически первым картографическим источником. Его основным недостатком является ираниченное применение инструментов - только для съемки границ земельных участков. Однако для исследований русел рек использование межевых материалов вполне оправдано из-за преимущественного расположением границ уездов и дач непосредственно вдоль береговой линии рек (рис. 1 б).

С учреждением в 1798 г. Департамента водяных коммуникаций стали проводиться изыскательские работы на реках Неве, Волхове, Свири, Западной Двине, Немане, Днепре, Доне, Волге, Оке, Каме, Сухоне, Лене, Ангаре, Оби, Иртыше, Москве. Для последней, судя по «Генеральной карте реки Москвы от впадения Рузы до соединения ее с Окой...» (рис. 1в), предполагалось «учредить восемь захватов с плотинами для скопления и удержания весенних вод по предмету улучшения

Москвы-реки»2. В результате работ на сибирских реках выходит атлас «Частные карты и описание оз. Байкал, рек Селенги, Нижней Ангары, Верхней Тунгузки, Енисея, Кети и Оби» 1801 г. (рис. 1г). В 1861 г. Главным управлением путей сообщения были изданы первые подробные атласы рек Волги, Северной Двины (рисЛд) и Днепра. Наиболее информативным источником, восполняющим хронологические пробелы между специальными речными съемками XIX в., являются военно-топографические карты.

С современной точки зрения картографический материал до конца XIX -начала XX вв. имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является отсутствие привязки урезов водной поверхности к надежным реперам и отметкам постоянных гидрологических постов, что приводит к затруднениям в использовании информации о глубинах русла.

С конца XIX века начинают проводиться периодические съемки русел основных рек России и оформление их в лоцманские карты и атласы (рисЛе). На протяжении XX в. лоции судоходных рек издаются в масштабах 1:5000, 10000, 25000, 50000 через каждые 5-15 лет, ежегодно составляются планы перекатов и перекатных участков. С середины XX в. наиболее информативным источником, отражающим как современное, так и историческое положение русел рек (по следам на пойме), становятся данные дистанционного зондирования - аэро- и космические снимки.

Таким образом, продолжительность исторического периода исследований русловых процессов (т.е. отрезка времени, освещенного документальным материалом) на реках России ограничивается пределами последних двух-трех столетий. В качестве объектов исследования из основных водных путей были выбраны системы река-приток Ока-Москва, Северная Двина-Вычегда и Обь-Томь, относящиеся соответственно к центру, северу европейской части России и Западной Сибири. Для р. Оки (от г. Рязани до г. Касимова) исторический период составил 230 лет, Москвы (от г. Звенигорода до устья) - 270 лет, Северной Двины (от устья р. Вычегды до устья р. Ваги) - 240 лет, Вычегды (от устья р. Нема до устья) - 220 лет, Оби (от г. Новосибирска да устья р. Томи) - 200 лет, Томи (от г. Томска до устья) -

2 Ввод в эксплуатацию шлюзованной системы в нижнем течении р. Москвы был осуществлен только в 1870-х гг., а первого москворецкого Истринского гидроузла - в 1936 г.

100 лет. Реки различаются внутригодовым распределением стока воды, условиями прохождения руслоформирующих расходов воды, устойчивостью русел, имеют различный морфодинамический тип русла и в последние десятилетия находятся под воздействием различного вида и интенсивности антропогенной нагрузки. Глава 2. Методика исследований

Описаны основные методические приемы ретроспективного исследования русел: сопоставления разновременных карт рек (XVIII-XX вв.) с применением данных дистанционного зондирования (главным образом космических снимков Landsat ЕТМ+, Terra Aster) и полевых исследований. Дано описание измерения параметров основных форм русла - разветвлений и излучин, и принципа установления их связей с основным фактором русловых процессов — водностью рек — с помощью гидролого-морфологических зависимостей.

Глава 3. Водность рек как основной фактор русловых процессов и ее изменчивость за историческое время

Выполнена оценка колебаний водности рек до и после установления стационарной сети гидрологических постов (конец XIX - начало XX вв.). До этого времени порядок водности устанавливался с помощью методик региональных реконструкций и исторических данных, касающихся непосредственно исследуемых рек. Для оценки колебаний водности р. Москвы использовалась методика Р.К. Клиге [1993], опирающаяся на данные об экстремальных явлениях, в частности о максимальных уровнях половодий. Для р. Оби использованы исследования A.B. Шнитникова [1957] об увлажненности территории между Уралом и Обью по колебаниям уровней озер, продолжительности периодов открытого русла и архивным материалам. Для р. Северной Двины чередование многоводных и маловодных периодов определялось по инструментальным данным об уровнях максимальных половодий и их связи с колебанием общей водности. Установлена тенденция снижения максиматьных расходов половодья со второй половины XVIII века. Для рек Оки и Вычегды, в силу доказанной синфазности изменений стока в речных системах Ока-Москва и Северная Двина-Вычегда, использовались результаты, полученные по рекам Москве и Северной Двине соответственно. Весь непродолжительный исторический период исследований русловых процессов на р. Томи освещен инструментальным гидрологическим материалам.

За период регулярных гидрологических наблюдений - последнее столетие -колебания водности рек оценивались с помощью разностно-интегральных кривых. Установлена продолжительность многоводных и маловодных фаз циклов, которая для последних несколько выше. Результаты региональных реконструкций стока рек и обработки данных гидрологических постов на рассматриваемых участках приведены в таблице 1, в которой выделены длительные циклы колебаний водности продолжительностью от нескольких лет до десятилетий, и проявляющиеся на их фоне короткие периода: от двух до нескольких лет. Для нижнего течения р. Москвы после антропогенного увеличения стока (1937 г.) наблюдается отклонение от естественных условий: начало длительного многоводного периода наступает на четверть века раньше (с 1951 г.) по сравнению с естественными условиями.

Табл. 1. Многоводные и маловодные фазы циклов колебаний стока воды за историческое время

Водность периода Ока и Москва Северная Двина и Вычегда Обь Томь

Многоводные годы Длительные (фоновые) периоды (от нескольких лет до десятилетий) Конец XVII в., вторая половина XVIII в., кон. XIX в,-1908, 1926-1934, 1975-1994 (штя нижнего течения р. Москвы в антропогенных условиях 1951-1994) Начало XIX в., 1850-е-1870-е, 1886-1930 Конец XVIII в.. 1918-1972 1919-1938

Менее продолжатель ные периоды (несколько лет) 1892-1896, 1906-1909, 1916-1917,1926-1934 1892-1896, 1898-1905, 1913-1917,1923-1930, 1988-2000 (для верхней и средней Вычегды 1947-1953, 1963-1971) 1911-1930, 1935-1961, 1968-1973 1919-1930, 1935-1938

Маловодные годы Длительные периоды Середина XVIII в., сер.-кон. XIX в.,1918-1925, 1935-1975 (для нижнего течения р. Москвы в антропогенных условиях 1935-1950) Вторая половина XVIII в., 1820-е, 19321977 (Выч. 1932-1947, 1966-1979), 1988-2005 Конец XIX в.-1911, 1973-2005 Конец XIX в. - 1918

Менее продолжатель ные периоды 1897-1905,1910-1915, 19181925, 1935-1975,1995-1997, 2000-2004 1874-1885,1932-1947, 1966-1979 1894-1910, 1931-1934, 1974-2002 1994-1918, 1931-1934, 1939-1940, 1942-1968

Глава 4. Изменения морфологии и динамики речных русел за историческое время под воздействием основных факторов, их определяющих

С течением времени и изменением природных и антропогенных факторов идет непрерывный процесс переформирований русел рек. Согласно классификации P.C. Чалова [1979] выделяются вертикальные и горизонтальные деформации русла, которые по времени проявления могут быть направленными, периодическими и текущими; по проявлению в пространстве (по длине реки) — общими (фоновыми), местными и локальными. Каждый тип русловых деформаций наблюдается в

определенном временном интервале: общие направленные деформации охватывают периоды от нескольких столетий до целых геологических эпох; развитие периодических определяется сотнями, десятками лет и годами; текущих — фазами водного режима.

Основным объектом исследования русел рек за историческое время являются горизонтальные периодические деформации, которые отчетливо прослеживаются при сопоставлении съемок русел разного времени. Выбранный отрезок времени позволил проследить стадийность и цикличность в развитии основных форм русла -разветвлений и излучин - на широкопойменных участках и выявить общие закономерности этого процесса.

Естественное развитие русел рек и основные факторы, его определяющие. Интенсивность русловых деформаций на участке реки зависит от уклона, характера водного режима, величины и режима стока наносов, состава пород и грунтов, слагающих дно и берега реки [Маккавеев, Чалов, 1986]. Способность русла к изменению своей формы в плане на протяжении какого-либо времени отражается понятием его устойчивости [Гришанин, 1972]. Для русел выбранных участков рек в естественном состоянии характеристика устойчивости и ее количественный показатель (число Лохтина - функция от уклона и диаметра наносов) приведены в таблице 2.

Воздействие гидрологических факторов на русловые переформирования наиболее объективно отражено понятием руслоформирующих расходов воды £>ф, при которых осуществляются наиболее интенсивные русловые деформации [Маккавеев, 1955]. Для рек с различными условиями формирования русел устанавливается от одного до трех интервалов Qф (табл. 2), каждый из которых соответствует разным диапазонам уровней воды, имеющим различную обеспеченность, и отражается в развитии различных форм русла и руслового рельефа. Указанные в таблице значения обеспеченности интервалов Qф, являются осредненными за интервал времени, освещенный гидрологическими данными. Фактическая обеспеченность £}ф зависит от водности года (периода лет) и, как правило, в многоводные годы возрастает. Установлено, что на это время приходится повышение интенсивности русловых деформаций.

Река Тип водного режима, характерный гидрограф Преобладающий тип русла Устойчивость русла, (значение Л) Условия прохождения руслоформирующего расхода воды Периодические деформации, продол-жительность циклов переформирований

Северная Двина \ Восточно-1 Европейский Разветвленное с преобладанием одиночных, сопряженных и параллельно-рукавных разветвлений Слабоустойчивое (Л=3,3) Два интервала: по г.п. Абрамково - верхний обеспеченностью 3,7% и средний 44%. Перераспределение водности между рукавами осуществляется в течение нескольких лет. Цикл перехода основного стока из одного рукава в другой составляет от 10 лет

Верхняя и средняя Вычегда Л Восточно- Лёг Меандрирующее. Преобладают сегментные и омеговидных излучины Слабоустойчивое (Л=5,0) Три интервала: по г.п. Сыктывкар - верхний 3,2%, средний 5,4%, нижний 13,5%; по г.п. Федяково -верхний 1,6%, средний 2%, нижний 30% Продолжительность «жизни» излучины - от 150 лет, в среднем 400450 лет. Спрямление после достижения излучинами омеговидных форм

Нижняя Вычегда Преимущественно разветвлено-извилистс русло и одиночные разветвления Слабоустойчивое (Л=4,2) Перераспределение водности между рукавами осуществляется в течение нескольких лет. Полного цикла перемещения основного стока из одного рукава в другой и обратно не наблюдается из-за причленения островов к пойме

Средняя Обь к Западному Сибирский Разветвленное, с преобладанием сопряженных разветвлений СУгносительно устойчивое (Л=6,3) Один средний интервал: по г.п. Новосибирск -17,7% Цикл перемещения основного основного стока из одного рукава в другой и обратно составляет более 200 лет для верхнего участка и от 60-100 для нижнего

Нижняя Томь 1. Западно-Ш. Сибирский Разветвленное, преимущественно одиночные разветвления Устойчивое (Л=20) Один средний интервал: по г.п. Томск - 6,5% На фоне общей стабильности русла на единичном участке сопряженных разветвлений перераспределение стока между рукавами составляет порядка 30 лет

Средняя Ока 1 Восточно- Преимущественно меандрирующее. Преобладают сегментные и омеговидные излучины Относительно устойчивое (Л=11,7) Три интервала: по г.п. Половское - верхний 0,33%, средний 2,5%, нижний 87%; по г.п. Касимов-верхний 2,5%, средний 5,2%, нижний 74% Продолжительность «жизни» излучины - в среднем порядка 600-700 лет. Спрямление после достижения излучинами омеговидных форм.

Нижняя Москва ВосточноЕвропейский Меандрирующее. Преобладают сегментные излучины Относительно устойчивое (Л=6,1) Один средний интервал: в створе 50 км - 2,7% Продолжительность цикла «жизни» излучин первого порядка более 700-1000 лет. Спрямления за рассматриваемое время единичны

Один верхний интервал: в створе 41 км - 1,4% Продолжительность цикла «жизни» излучин второго порядка 100-200 лет. Спрямление сегментных и омеговидных излучин

Интервалы Оф соответствуют: верхний - затопленной пойме (высокие половодья); средний - уровням бровки поймы (средние по водности половодья); нижний - высокой межени [Чалов, 1979]

Значимым фактом в развитии русел является наличие верхнего интервала руслоформирующего расхода. Для рек, где Qф не выходит за пределы пойменных бровок (Обь, Томь, Москва), чередование многоводных и маловодных периодов сказывается, в основном, в ускорении/замедлении деформаций русла: динамике побочней перекатов, размыве/формировании поймы, смещении береговой линии и т.п.

При наличии ()ф верхнего интервала (Северная Двина, Вычегда, Ока, Москва на некоторых участках), проходящего при затопленной пойме, определяющую роль играют высокие половодья, приходящиеся соответственно на многоводные годы. Именно на многоводные периоды приходятся наибольшее число случаев преодоления руслом порогового рубежа в развитии — перемещения основного стока из одного рукава в другой или спрямления излучин - наступающего на определенной стадии и резко меняющего морфологию русла. Ярким примером является полученная статистика по р. Вычегде, русло которой отличается малой устойчивостью и интенсивными переформированиями. Здесь со снижением максимальных расходов воды со второй половины XVIII в. до настоящего времени наблюдается двукратное уменьшение числа рубежных переформирований русла. На меандрирующих участках верхнего и среднего течения за период конец XVIII - начало XX вв. спрямилось 24 излучины, а за XX в. - всего 10. На разветвленном русле нижнего течения из 23 разветвлений переход основного течения из одного рукава в другой осуществлялся за рассматриваемое время в 15 из них, причем 10 случаев пришлось на период конец XVIII — начало XX вв. и только 5 на XX в. (причем в двух случаях перераспределение стока было осуществлено искусственно). На Северной Двине на многоводный период конца XIX - начала XX вв. приходится самое масштабное за последние столетия переформирование русла - прорыв серии излучин в районе с. Красноборска (рис.2а).

Таким образом, основным фактором, определяющим интенсивность русловых переформирований, их направленность и периодичность, является водность реки. В рамках исторического времени многовековая цикличность стока определяет направленность русловых деформаций, многолетняя - его периодичность.

Направленные (фоновые) деформации — аккумуляция/врезание — существенным образом сказываются на морфологии русел и нередко задают основные условия их переформирований. На фоне аккумуляции наносов, отмеченной

Рис. 2. Переформирование русел рек различного морфодинамического типа за период XVIII-XX вв а. -Северной Двины (485-5)0 и 555-585 км от устья): 1 - положение русла по съмкам 1780-х гг., 2 - 1888 г., 3 - 2001 г.; б. - Оби (880-910 км): 1 -1799 г., 2 - 1899 г., 3 -1999 г.; в. - Оки (450-520 км): 1 - 1780-х гг, 2- 1879 г., 3-1991 г.; г. - Вычегды (716-743 км): 1 - 1780-х гг., 2 - 1908 г., 3 - 2000 г.; д. - Москвы (52-63 км): 1 - 1780-х гг., 2 - 1908 г., 3 - 2001 г.

в естественном состоянии на Оби [Попов, 1962, Маккавеев, Чалов, 1970, Чалов и др., 2000] и Северной Двине [Сахарова, 1960, Чалов и др., 2000] наблюдается смещение островов вверх по течению, увеличение их количества и размеров. Этот процесс за последние 220 лет нагляден на рис. 2а для участка Северной Двины (485-510 км), где скорость регрессивного смещения островов составляет около 15 м/год. Обратный процесс - врезание реки - отмечен в естественных условиях на Вычегде и в антропогенных - на Оби (после зарегулирования стока Новосибирским гидроузлом) и Томи (в результате карьерных разработок) [Беркович и др., 2000, Русловые процессы и водные пути..., 2001]. Эрозия способствует трансгрессивному смещению островов, уменьшению длин звеньев разветвления (на Вычегде почти в два раза, на Оби - в 3-4 раза), сосредоточению стока в одном из рукавов, отмиранию второстепенных.

Периодические горизонтальные деформации подразумевают определенную повторяемость в развитии форм русла на протяжении рассматриваемого времени, цикличность. Периоды и циклы для разветвленных участков русла проявляются в перераспределении стока между рукавами, для излучин — в их стадийном развитии от появления первичного изгиба до спрямления. Их длительность — время «главенства» одного из рукавов или «жизни» излучин — зависит от сочетания основных факторов и занимает, как правило, от нескольких лет до нескольких столетий.

В табл. 2 приведены основные формы проявления периодических деформаций и их продолжительность в зависимости от сочетания основных условий. Для наименее устойчивых русел рек Северной Двины и Вычегды, где Qф наблюдается выше пойменных бровок, периодичность циклов в переформированиях значительно короче, чем для других рек. Скорость смещения побочней перекатов, периодически перекрывающих заходы в рукава и протоки разветвленного русла, достигает 100-200 м/год, что приводит к перераспределению стока между рукавами в течение одного-нескольких лет. Для относительно устойчивых разветвленных участков средней Оби и устойчивого русла нижней Томи, где Qф не выходят за пределы пойменных бровок, полный цикл перераспределения стока между рукавами — перемещение основного стока из одного рукава в другой и обратно - составляет более 100-200 лет.

Для всех разветвленных на рукава рек стабильность положения основного течения в одном из рукавов чаще объясняется приуроченностью главного к

коренному или террасовому «ведущему» берегу. Последний при затопленной пойме способствует возникновению специфической структуры потока, обеспечивающей главному рукаву большую глубину и устойчивость, и оставляющей рукавам в пойменных берегах второстепенное значение. Например, на рис. 26 ведущим и определяющем развитие сопряженной системы рукавов Оби является левый коренной берег.

Переформирования русел меандрирующих рек более предсказуемо, так как здесь наиболее явно прослеживается стадийность и существует более четкая граница циклов - спрямление излучин. С момента зарождения первичного изгиба излучина последовательно переходит из одной стадии в другую [Завадский, Каргаполова, Чалов, 2002, Чалов и др., 2004]. Причем для каждой стадии характерны свои соотношения между параметрами излучин, гидролого-морфологические зависимости, распространение фронта и скоростей размыва берегов. При благоприятных условиях (после достижения излучиной степени развитости 1/Ь (длина/шаг излучины)2»/,53 [Маккавеев, 1955] и достаточной обеспеченности верхнего интервала) излучина спрямляется через шпору.

Располагая наглядной информацией о развитии и спрямлении излучин со второй половины XVIII века (схемы приведены на рис. 2в,г,д), с учетом скоростей смещения их берегов, определялась средняя продолжительность их существования. На Вычегде, Оке и большем протяжении р. Москвы излучины из-за небольшой обеспеченности ()ф достигают омеговидных форм и спрямляются за счет встречного размыва берегов на крыльях, как правило, после достижения степени развитости 1/Ь>3, Средняя скорость развития излучин на Вычегде составляет 3-5 (до 10 и более) м/год, на Оке от 2-3 (до 5-6) м/год, на Москве 0,5-1 (до 1,5) м/год. На Вычегде за рассматриваемое время спрямилось около половины излучин, на Оке - четверть, на Москве случаи спрямлений единичны. Цикл развития излучин (т.е. продолжительность их «жизни») на Вычегде со слабоустойчивым руслом составляет в среднем 400-450 лет, на Оке с относительно устойчивым - 600-700 лет, а для большего протяжения Москвы, где ()ф сосредоточен в пределах пойменных бровок и имеет невысокую обеспеченность, длительность эволюционного цикла достигает 1000 лет (табл. 2).

На Москве на участках пониженной поймы, где появляется Qф верхнего интервала, следует выделить второй тип излучин, развитие которых отлично от описанного выше. В зависимости от обеспеченности верхнего интервала они развиваются до крутых сегментных и омеговидных форм со скоростями смещения вогнутых берегов до 3-4 м/год и спрямляются через шпору в годы с высокими половодьями. Продолжительность их «жизненного» цикла составляет от 100-200 лет. Примером подобных излучин являются нижние Михалевские луки, спрямившиеся в многоводный период конца Х1Х-начала XX вв. (рис. 2д).

Количественный анализ, выполненный на основе измерения параметров русла за все временные срезы на протяжении 2-3-х столетий, позволил доказать, что многолетние колебания водности определяют не только интенсивность русловых переформирований и влияют на продолжительность циклов, но и отражаются на параметрах русловых форм. Наиболее определенно на изменения водности реагируют русла меандрирующих рек. С помощью гидролого-морфологического анализа установлены тесные связи между изменением параметров излучин и гидрологических показателей. В многоводные периоды с большей интенсивностью происходит увеличение степени развитости 1/Ь («крутизны») излучин, а их средние размеры, определяемые параметрами г (радиус кривизны) и Л (шаг излучины), увеличиваются.

Развитие русел рек под воздействием антропогенных факторов. Начало прямого и непосредственного антропогенного воздействия на русла рек приходится на конец XIX — начало XX вв., когда стали проводиться планомерные работы по землечерпанию на судоходных трассах, развиваться гидротехническое строительство (плотин, шлюзов, мостовых переходов и т.д.), проектироваться системы водохранилищ. Наибольший размах и распространение работы приобретают с середины XX в. До настоящего времени основными видами антропогенной нагрузки на русла рек, отражающимися не только на периодичности их переформирований, но и на направленности естественных многовековых процессов, являются работа гидроузлов, разработка карьеров песчано-гравийной смеси и землечерпание на трассах судовых ходов.

Регулирование стока Оби Новосибирским гидроузлом и снижение значения и обеспеченности Qф прервало процесс естественной аккумуляции в нижнем бьефе и

привело к развитию глубинной эрозии. По балансу наносов, рассчитанному для участка 730-740 км за период 1967-2001 гг. [Каргаполова, Сурков, 2003] установлено, что размыв почти на 40% превышает отложение наносов. В результате в эволюции русла меняются основные тенденции: относительная водность главных рукавов растет, их русло становятся более устойчивым; второстепенные рукава отмирают; длина звеньев разветвлений сокращается (с конца XVIII века в среднем с 12-13 до 2-3 км); а на некоторых участках наблюдается превращение разветвленного русла в меандрирующее.

Карьерные разработки в нижнем течение Томи вызвали врезание русла и полную перестройку продольного профиля реки [Беркович и др., 2000]. Устойчивое русло реки вышло из состояния естественного динамического равновесия; произошла «посадка» уровней, изменилась площадь поперечного сечения и форма продольного профиля, большая часть поймы вышла из режима ежегодного затопления, водность второстепенных рукавов и пойменных проток понизилась, основной сток сконцентрировался в главных рукавах. В обоих случаях - Оби и Томи - вместе с изменением направленности деформаций нарушена естественная периодичность в развитии форм русла, продолжительность циклов переформирований возросла.

Па разветвленных реках искусственные изменения периодичности распределения стока между рукавами часто обуславливаются хозяйственной выгодой и достигаются путем проведения землечерпательных работ на трассах судовых ходов. Эти работы на Оби, Северной Двине и Вычегде3, проводимые с учетом естественных тенденций развития их русел, привели к закреплению положения главного течения вдоль коренных берегов, что улучшило условия судоходства и, в ряде случаев, предотвратило опаспые проявление русловых процессов (размывы берегов, «посадку» уровней и т.п.).

Значимую роль в нарушении естественного развития русел играют работы по укреплению береговой линии, возведение дамб, полузапруд, перекрытие рукавов и пойменных проток, искусственное спрямление излучин. Например, на р. Москве на участке Марчуговских лук с 1937 по 1966 гг. было спрямлено 10 крутых излучин, что сократило протяженность судового хода на 4 км и превратило серию свободных

3 Работы на Северной Двине и Вычегде полностью прекратились в 1990-е гг. и к настоящему времени их русла практически вернулись в бытовое (естественное) состояние.

излучин в прямолинейный канал с плоским, лишенным грядового рельефа дном; в результате изменился морфодинамический тип русла (рис.За).

Единичным для нашей страны и, в отличие от перечисленных выше, недостаточно изученным видом антропогенной нагрузки является межбассейновая переброска стока рек. Ее пример - транзит с 1937 года волжского части стока в р. Москву - представляет уникальную возможность для оценки влияния почти двукратного увеличения водности ниже створа слияния с каналом им. Москвы, на русло реки. Здесь водный и уровенный режимы регулируются целым комплексом инженерных мероприятий: сток воды зарегулирован системой водохранилищ Москворецких и Рузских гидроузлов, уровни в течение периода навигации поддерживаются системой шлюзов, а гарантированные глубины на трассе судового хода - объемными дноуглубительными и выправительными работами.

Искусственная трансформация внутригодового распределения стока вместе с изменением площади поперечного сечения землечерпательными работами4 нашла свое отражение в руслоформирующей деятельности потока. На значительном протяжении нижнего течения Москвы-реки пойма вышла из режима ежегодного затопления; сильно возросла обеспеченность расходов высокой межени; в пределах пойменных бровок появились еще два интервала £)ф. В результате в настоящее время русловые переформирования происходят в течение большей части года, в размыве берегов участвуют как расходы половодья, так и межени; на широкопойменных участках размываются от 30 до 50 % береговой линии [Каргаполова, 2004; Каргаполова, Завадский, 2006]. На рис. ЗБ для участка Островецко-Слободских лук приведены сопоставленные схемы русла реки в естественном состоянии и в процессе его трансформации к антропогенным условиям.

Анализ параметров излучин, сопоставление разновременных карт и рекогносцировочные натурные обследования показали увеличение размеров излучин (радиус кривизны г увеличился с 285 до 305 м, шагХ - с 780 до 790 м, ширина - с 120 до 190 м). В смещении излучин активизируется их продольная составляющая, размыв вогнутых берегов в нижних крыльях достигает 1,5-2 м/год. В результате показатель степени развитости излучин 1/Ь снижается (с 1,61 до 1,55), наблюдается их

4 В том числе - бесконтрольной разработкой песчаных карьеров для нужд москворецких портов

«выполаживание». При этом динамическая ось потока приближается к выпуклым берегам излучин, в некоторых случаях зафиксирован их размыв. При наличии в привершинной части излучины острова или осередка активизируется более пологий по степени развитости рукав у выпуклого берега, куда, как правило, переводится судовой ход (рис. 3).

Таким образом, в условиях увеличенной водности и преобразованного руслового режима до настоящего времени наблюдается направленный процесс развития свободных излучин в сторону увеличения их размеров.

Рис. 3. Изменения русла р. Москвы, обусловленные антропогенным воздействием: а - на участке Марчуговских лук (42-48 км); б - на участке Островецко-Слободских лук (92-110 км). 1 - положение русла по съемке 1930 г.; 2 - 1991 г.; 3 - фарватер 1991 г.; 4 - старичные озера; 5 - коренной берег; 6 - линия размыва берегов.

Прогнозная оценка переформирований русла р. Москвы. Для прогнозной оценки параметров, которые стремится приобрести русло, перестраиваясь под искусственно заданные условия, использовались принципы гидролого-морфологического анализа. Располагая гидрологическими данными о естественном режиме р. Москвы и рек-аналогов (верхней Оке, Клязьме, Пахре, Вори, Торгоши, Верхней Устыни) и измеренными морфометрическими показателями размеров их излучин, в частности,

радиусом кривизны г, была построена зависимость типа г=/ЮС1), где ()ср -среднегодовой расход воды. Подставляя в полученное уравнение регрессии г=16,2£)ср '65 современные, увеличенные расходы воды Москвы-реки, были получены значения радиуса кривизны излучин, характерные для каждой серии излучин в условиях увеличенной водности.

Зная величину параметра г свободных излучин р. Москвы до и после регулирования и увеличения стока, оценивались темпы изменения размеров излучин и рассчитывалось время завершения этого процесса. Получено, что излучины достигнут соответствующих увеличенной водности размеров в среднем через 100-150 лет (считая с 2005 г.). Затем, процесс «выполаживания» и .развития излучин (заданный антропогенными условиями) скорее всего, сменится их поперечным смещением и увеличением «крутизны» (как это происходило в ходе естественной эволюции).

Ретроспективный анализ водности р. Вычегды. Гидролого-морфологический анализ применим также для решения обратной задачи, а именно для восстановления порядка водности реки по известным параметрам русла. Для анализа была выбрана Вычегда, для которой характерны относительная неустойчивость русла и связанная с этим высокая интенсивность русловых переформирований (в этих условиях реакция русла следует сравнительно быстро - в течение нескольких десятилетий - за изменением основного фактора - водности), а также наличие нескольких однородных по водности участков (между притоками Тимшер, Нем, Северной Кельтмы, Вишеры, Сысолы, Выми), позволяющих установить пространственную зависимость параметров излучин от водности реки. .

С увеличением водности вниз по течению реки, увеличиваются размеры излучин, что проявляется в росте радиуса кривизны г и шага Ь излучин, и отражается зависимостью г(1.)=/(()ср). Применяя полученные уравнения регрессии 0С[, ~0,02 г''47и QCp =0,004 Ь во временном аспекте и зная размеры излучин заданного периода (вторая половина XVIII в.), можно определить его водность. Объективность использования пространственной зависимости обуславливается однородными условиями формирования стока, не только для бассейна Вычегды, но и для большей части бассейна Северной Двины. В результате установлено, что водность реки во второй половине XVIII в. могла быть на 20-30% выше, чем в XX веке.

Глава 5. Переформирования русел рек России

Северная Двина^ Русло реки между устьями Вычегды и Ваги отличается наименьшей устойчивостью. Основным фактором, вызывающими перераспределение стока между рукавами является динамика побочней перекатов, периодически перекрывающих заходы в рукава и протоки. Как правило, из-за большой скорости смещения (на некоторых участках до 500 м/год) побочни не успевают закрепиться. Это определяет относительно короткую продолжительность периодических процессов (от нескольких лет до 20-30 лет) и является одной из причин стабильного положения островов и пойменных ответвлений в многолетнем плане. На многоводные периоды (когда повышается обеспеченность <2ф) приходятся наиболее крупные пороговые переформирования русла (прорыв серии излучин в районе с. Красноборска), в целом для реки не характерные. С конца XVIII в. со снижением максимальных значений и обеспеченностей половодий для рек бассейна Северной Двины (в т.ч. Вычегды) наблюдается понижение водности проток и полоев, составляющих пойменную многорукавность.

Вычегда. Слабоустойчивое русло представляет пример наибольшего разнообразия переформирований из-за неоднократной смены по длине реки его морфодинамического типа: стадийное развитие излучин на меапдрирующих участках, смещение поясов меандрирования, изменение положения основного рукава на разветвленных и разветвлено-извилистых участках русла, смещение основного течения из одного рукава в другой на участках пойменно-русловых разветвлений, изменение мест слияния с притоками и др. На верхней и средней Вычегде основным видом горизонтальных деформаций является постепенное развитие излучин в сторону увеличения степени их развитости, заканчивающимся спрямлением на стадии крутой омеговидной (№>3-4), образованием на месте спрямленного русла нового изгиба и его дальнейшим развитием. Для верхнего течения характерно поперечное смещение излучин со скоростями размыва вогнутых берегов в вершинах излучин до 5-6 м/год (при средних около 3 м/год). Ниже по течению темпы смешения возрастают и достигают 8-10 м/год, причем увеличивается доля продольного смещения. За рассматриваемое время на некоторых излучинах полный цикл их развития составлял от 100-150 лет (при среднем 400-450 лет). На нижней Вычегде для разветвленных и

разветвлено-извилистых участков специфика перераспределения расхода воды между рукавами заключается в том, что основное течение, как правило, не возвращается в прежнее русло (как, например, на Северной Двине), полный цикл перехода основного течения из одного рукава в другой и обратно не наблюдается. При этом в разветвленном русле часто наблюдается изменение типа разветвления (например, одиночного на одностороннее), в разветвленно-извилистом — образование новой излучины с островами у выпуклого берега.

Обь. Для среднего течения реки от г. Новосибирска до устья Томи наиболее распространенным типом русла являются системы сопряженных разветвлений. Их переформирование, обусловленное перераспределением стока между рукавами, осуществляется, преимущественно, по схеме «восьмерки». Одновременно за последние столетия наблюдается изменение количества и размеров островов, что является проявлением направленного процесса, связанного с постепенным затуханием процесса аккумуляции. Периодичность процессов перераспределения стока между рукавами имеет различную продолжительность для двух участков - г. Новосибирск-с. Батурино и с. Батурино-устье р. Томи, отличающихся по условиям формирования русла. На верхнем, более устойчивом, перемещение основного течения из одного рукава в другой составляет более 100 лет (полный цикл — более 200 лет). Для нижнего участка, менее устойчивого, продолжительность цикла несколько ниже. Здесь, для двух разветвлений был зафиксирован полный цикл перехода основного течения из одного рукава в другой и обратно, составивший соответственно порядка 60 и 100 лет. Последний пример представляет разветвление, образованное островом Никольским (рис. 26 - третий узел сопряженной системы).

Томь. В ходе естественной эволюции за последние 100 лет русло нижней Томи можно назвать стабильным. Значимые переформирования осуществляются только на единичном участке сопряженных разветвлений, где достаточно интенсивно (порядка 30 лет) осуществляется перераспределение водности между рукавами, связанные, главным образом, со смещением побочней, перекрывающих заходы в рукава. В результате антропогенного врезания русла и ряда выправительных работ перераспределение стока в системе сопряженных разветвлений становится здесь маловероятным.

Ока. Для меандрирующего относительно устойчивого русла в среднем течении реки (от г. Рязани до г. Касимова) характерно последовательное развитие излучин на протяжении нескольких столетий (в среднем 600-700 лет) и спрямление через шпору по достижению омеговидной формы и степени развитости 1/1>3-4. В системах пойменно-русловых разветвлений продолжительность «главенства» одного из двух меандрирующих рукавов зависит в основном от взаимодействия двух факторов: достижения руслом параметров, динамически выгодных для перехода основного течения в другой рукав за счет развития излучин каждого из них, и достаточной для этого обеспеченности ()ф верхнего интервала. Периодичность этого процесса колеблется от нескольких десятилетий до нескольких столетий.

Москва. На Москве-реке в естественном состоянии можно выделить два типа излучин, развитие которых принципиально различно. В многоводные периоды, задолго до появления первых документальных источников, сформировались более крупные излучины первого типа, развивающиеся до настоящего времени. Qф здесь (за исключением участка Марчуговских лук) сосредоточен в пределах пойменных бровок. На естественном этапе эволюции для их развития характерно поперечное смещение со скоростью отступания вогнутых берегов в вершинах до 1-1,5 м/год (на Марчуговских луках - до 0,5 м/год). Среднее значение степени развитости 1/Ь увеличилось с 1,56 до 1,63. Развитие и отмирание излучин меньших размеров, составляющих второй тип, на протяжении рассматриваемого времени обуславливает изменение числа излучин в сериях и общей длины реки. На антропогенном этапе развития, с зарегулированием (снижением расходов половодья), увеличением стока воды, проведением землечерпательных работ и укреплением берегов стимулов к развития излучин меньшего размера не стало. В эволюции излучин первого типа активизируется их продольная составляющая, наблюдается их «выполаживание», увеличение размеров. Из наиболее существенных переформирований русла за последние столетия следует отметить отход русла к правому берегу у с. Перервы в XVII в. и спрямление серии излучин в районе пос. Ильинское - пос. Архангельское в многоводный период конца Х1Х-начала XX вв.

Заключение

1. Традиционные временные рамки исследований русловых процессов на реках России расширены с нескольких десятилетий до 200-300 лет благодаря привлечению и анализу картографического материала ХУШ-ХТХ вв.

2. Выявлены многовековые закономерности эволюции основных форм русла — разветвлений и излучин - на реках, протекающих в разных природных условиях. Определены направленность, периодичность и стадийность их развития, даны количественные оценки русловых переформирований. Установлена продолжительность периодов и циклов перераспределения стока между рукавами разветвленного русла и «жизни» излучин (от появления первичного изгиба до спрямления через шпору) в зависимости от основных условий формирования (устойчивости русел, руслоформирующих расходов воды, водности).

3. Установлено, что многолетние колебания водности определяют интенсивность русловых деформаций, продолжительность циклов эволюции основных форм, а также изменение их параметров. С помощью гидролого-морфологических зависимостей между изменением параметров излучин и гидрологических показателей на примере р. Вычегды выполнена ретроспективная оценка водности на вторую половину XVIII века для рек бассейна Северной Двины.

4. Для рек, испытывающих значительную антропогенную нагрузку - Москвы, Оби и Томи, определены степень и характер ее воздействия на русло. Выявлены условия, при которых она не только вносит изменения в периодичность русловых деформаций, но и меняет их многовековую направленность.

5. На примере р. Москвы впервые установлено влияние увеличения водности при межбассейновой переброске части стока Волги по каналу им. Москвы на русловые процессы. Выявлены тенденции «выполаживания» излучи^ увеличения размеров. На основе гидролого-морфологического анализа дана прогнозная оценка дальнейшего развития русла и сроки перестройки излучин под искусственно заданные условия.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Каргаполова И.Н. Стадии развития излучин и их гидролого-морфологичсский анализ // Международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов-2000». М.: МГУ. 2000. С. 46.

2. Завадский A.C. Каргаполова И.Н. Чалов P.C. Стадии развития свободных излучин и их гидролого-морфологический анализ // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 2002. № 2. С. 17-22

3. Каргаполова И.Н., Сурков В.В. Анализ интенсивности деформаций русла в разные фазы водного режима (на примере участка Средней Оби) // Геоморфология. 2003. № 1. С. 54-61

4. Каргаполова И.Н. Деформации русла реки Москвы XVIII-XX веков И Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии. М.: Географический факультет МГУ, 2004. С. 95-101

5. Каргаполова И.Н., Завадский A.C. Природная и антропогенная трансформация русла реки Москвы в XVIII-XX вв. // Труды VI Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Институт водных проблем РАН, 2004. С.384-385.

6. Каргаполова И.Н. Развитие русел рек России в XVIII-начале XXI веков II Двадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Ульяновск. 2005. С. 180-182.

7. Каргаполова И.Н. Документальная история русел рек России (на примере р. Москвы) // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 15. М.: МГУ. 2005. С. 149-163

8. Чалов P.C., Каргаполова И.Н., Штанкова H.H. Изученность русловых процессов на реках бассейна Волги: история, состояние, проблемы И Эрозионно-аккумулятивные процессы в бассейне Верхней и Средней Волги. Ижевск: «Удмуртский университет». 2005. С. 196-213

9. Каргаполова И.Н., Завадский A.C. Естественные изменения русла нижнего течения р. Москвы и его трансформация в условиях интенсивной хозяйственной деятельности // Геоморфология. 2006. № 1. С. 45-56

10. Каргаполова И.Н. Роль многолетних колебаний водности в эволюции русел рек за последние триста лет. // 7-й Международный конгресс "Вода: экология и технология" ЭКВАТЭК-2006. Ч. 1. М.: ГУЛ МО "Коломенская типография". 2006. С. 118-119.

11. Завадский A.C., Каргаполова И.Н. Результаты исследований механизмов и интенсивности деформации речных русел на реках Московской области // «Маккавеевские чтения - 2006». М.: МГУ. 2006. С. 75-87.

Отпечатано в копицентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус. www.stprint.ru e-mail: zakaz@stprint.ru тел.: 939-33-38 Тираж 120 экз. Подписано в печать 08.09.2006 г.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Каргаполова, Ирина Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДОКУМЕНТАЛЬНАЯ ИСТОРИЯ РУСЕЛ РЕК РОССИИ. ОЦЕНКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исторический период в исследовании русловых процессов

1.2. История развития крупномасштабного картографирования речных русел

1.3. Оценка гидрологической информации по рекам России

1.4. Обоснование выбора объектов исследования и временных срезов для оценки русловых деформаций за последние столетия

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методы и приемы ретроспективного анализа

2.2. Гидролого-морфологический анализ

2.3. Натурные исследования

ГЛАВА 3. ВОДНОСТЬ РЕК КАК ОСНОВНОЙ ФАКТОР РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И ЕЕ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЗА ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ

3.1. Оценка колебаний водности до начала установления стационарной сети гидрологических постов. Применение региональных методик реконструкции водности рек за историческое время

3.2. Изменчивость стока рек за последнее столетие (по данным гидрологических наблюдений)

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ И ДИНАМИКИ РЕЧНЫХ РУСЕЛ ЗА ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

4.1. Периодические и направленные деформации русел рек, стадийность развития русловых форм

4.2. Изменение характера русловых деформаций при антропогенном воздействии

4.2.1. Трансформация русел рек в нижних бьефах гидроузлов

4.2.2. Трансформация русел рек в результате дноуглубительных и выправительных работ

4.2.3. Крупное гидротехническое строительство на р. Москве; межбассейновая переброска стока

4.3. Прогнозная оценка переформирований русла р. Москвы с помощью гидрологоморфологического анализа

4.4. Ретроспективный анализ водности р. Вычегды

ГЛАВА 5. ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ РУСЕЛ РЕК РОССИИ ЗА ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ

Северная Двина

Вычегда

Москва

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Реакция русел рек на изменения водности и антропогенное воздействие за последние столетия"

Актуальность работы. На современном этапе развития науки особенно актуален вопрос о вкладе антропогенного фактора в изменение окружающей среды. Для его оценки важно понять естественные тенденции изменения природных процессов, цикличность и стадийность их развития. Чтобы определить направленность и периодичность процесса следует проследить его развитие за достаточно длительный временной этап. Периодичность (цикличность) в развитии русел рек, проявляющаяся на уровне форм русла - разветвлений и излучин, в большинстве случаев имеет продолжительность от десятилетий до столетий. Поэтому ее объективная оценка возможна только при рассмотрении отрезка времени в несколько столетий. Традиционно временной интервал русловых исследований охватывает несколько десятилетий, в лучшем случае - последнее столетие, и опирается, главным образом, на результаты воднопутейских русловых съемок -лоцманские карты и планы перекатов. Границы исследований могут быть значительно расширены с помощью анализа имеющегося в архивах и библиотеках крупномасштабного картографического материала ХУШ-ХХ веков, до настоящего времени не использованного.

Известно, что основным естественным фактором русловых процессов является водность реки, ее многолетняя и внутригодовая изменчивость. Рассматривать многолетние колебания водности, имеющие свою направленность и периодичность, и оценивать их воздействие на русловые переформирований также целесообразно за более длительный, чем обеспеченный материалом сетевых наблюдений гидрометеослужбы, период времени. Продолжительность рассматриваемых циклов колебаний водности охватывает несколько десятилетий. Поэтому оценка их влияния на состояние русел оказывается не всегда репрезентативной. Недоучет многолетних колебаний водности и реакции на них русла каждой отдельной реки (или речной системы) при введении антропогенной нагрузки может привести к ошибкам в оценке изменений русла, вызвать непредвиденные последствия при освоение ресурсов рек и прилегающих территорий, снизить или сделать невозможным прогноз изменений русел вследствие увеличения/уменьшения водности рек в условиях глобального изменения климата.

За последние столетия колебания водности рек, как правило, не превышали 15-20%. Для оценки реакции русел на более значительные изменения водности уникальную возможность представляет единичный для нашей страны пример межбассейновой переброски стока верхней Волги в р. Москву, увеличивший сток воды ниже столицы почти в два раза. Подобные этому изменения водности в естественных условиях наблюдаются только в масштабах геологического времени.

Цель и задачи работы. Основной целью работы являлось выявление закономерностей эволюции русел рек на протяжении нескольких столетий вследствие изменения основного естественного фактора - водности рек и их трансформации при антропогенном воздействие.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1) расширение традиционных временных рамок исследований русловых процессов до двух-трех столетий на основе анализа картографического архивного материала, относящегося к ХУШ-Х1Х векам;

2) определение особенностей формирования русел рек различного морфодинамического типа в разных регионах страны, отличающихся внутригодовым распределением стока воды, условиями прохождения руслоформирующих расходов воды и устойчивостью русел;

3) определение направленности и периодичности русловых деформаций, оценка их продолжительности и цикличности (времени перераспределения стока между рукавами, «жизни» излучин и т.д.) с учетом стадийности развития форм русла;

4) определение реакции русел рек на многолетнюю изменчивость водности рек как основного фактора их развития на основе построения гидролого-морфологические зависимостей;

5) разработка методики ретроспективной оценки водности с помощью гидролого-морфологического анализа;

6) оценка степени и характера проявления антропогенной нагрузки на фоне естественного развития русел, изменений направленности и периодичности естественных процессов при воздействии антропогенных факторов в зависимости от их вида и масштаба;

7) анализ переформирований русла под воздействием значительного увеличения водности, связанного с межбассейновой переброской стока (на примере р. Москвы);

8) прогнозная оценка развития русла р. Москвы при современном сочетании факторов русловых процессов.

Методика исследований. Для анализа направленности и темпов переформирований русла за исторический период времени в качестве основных использовались ретроспективный и гидролого-морфологический методы исследования. Суть ретроспективного метода заключается в сопоставлении разновременных карт и планов и современных данных дистанционного зондирования (аэро- и космических снимков), гидролого-морфологического - в установлении связей параметров русла и гидрологических показателей. Для оценки водности прошлых столетий использовались различные региональные реконструкции стока, опирающиеся, в основном, на исторические сведения (как правило, о максимальных уровнях половодий) [Клиге и др., 1993; Шнитников 1957, 1969] и на геолого-геоморфологические методы (в основном, по исследованиям озерных отложений) [Шнитников 1957, 1969; Швец, 1978]. Для рек Оби и Москвы результаты подкреплялись данными натурных исследований. На р. Оби автор принимала участие в работе Русловой экспедиции научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ в 2001 и 2003 гг. На р. Москве в 2003-2005 гг. были организованы и выполнены рекогносцировочные и гидрологические работы, установлена сеть реперов для наблюдения за размывом берегов и интенсивностью смещения русла. Для визуализации исследований для всего рассматриваемого участка р. Москвы создан атлас русловых деформаций ХУШ-ХХ вв., включающий в себя карты переформирований русла за исторический период и карту современной динамики русла.

Фактический материал. Основным фактическим материалом, привлеченным для решения поставленных задач являлись крупномасштабные картографические источники, отобранные в основных архивах страны: Государственном Историческом музее, Российском государственном архиве древних актов, Библиотеке Российской Академии наук, Военно-историческом архиве и Российской государственной библиотеке. Перечень использованного в настоящей работе исторического материала приведен в конце работы. Основным материалом за последние десятилетия являлись лоцманские и топографические карты, экспедиционные отчеты научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева. Значительная часть материалов по р. Москве была предоставлена ГП «Канал им. Москвы», а также Московским районом гидросооружений, Управлениями Западного и Южного речных портов, портом «Коломна». Космические снимки, главным образом «Landsat-7», предоставлены ИТЦ СканЭкс.

Научная новизна работы.

1. В работе впервые проведен ретроспективный анализ русловых деформаций за несколько столетий для рек России в разных природных условиях. Для русел рек различного морфодинамического типа выявлены направленность и периодичность их эволюции.

2. Установлена продолжительность циклов и стадийность в развитии основных форм русел - разветвлений и излучин: время перераспределения стока между рукавами, продолжительность «жизни» излучины от возникновения до спрямления.

3. Для р. Москвы создан электронный атлас русловых переформирований за ХУШ-ХХ века.

4. Впервые на примере р. Москвы рассмотрено влияние увеличения стока при межбассейновой переброске на трансформацию русла.

5. Выполнена прогнозная оценка дальнейшего развития русла р. Москвы в условиях увеличенной водности.

6. На примере р. Вычегды решена обратная задача - восстановление водности реки в историческом прошлом на основе построения гидролого-морфологических зависимостей.

Практическая значимость результатов работы. Учет динамики русел рек и их особенностей за историческое время позволяет оценить роль активных переформирований русел на условия хозяйственной деятельности. Размывы берегов излучин создают опасность для жилых строений, коммуникаций, инженерных сооружений. Вне населенных пунктов их интенсификация приводит к сокращению земельных ресурсов. Перемещение основного русла в пределах широкой поймы или «посадка» уровней, вызванная, как природными, так и антропогенно обусловленными русловыми деформациями, часто оставляют «не у воды» водозаборы и другие хозяйственные объекты, а нередко и сами населенные пункты. Особенного внимания требуют реки, на которых антропогенное воздействие способно изменить многовековую направленность в развитии русел. Выявление региональных закономерностей в развитии русловых деформаций и их прогнозные оценки дают возможность более объективно оценить вероятность тех или иных переформирований и предотвратить разного рода неблагоприятные последствия их проявления. Результаты исследований могут использоваться при долгосрочных прогнозах изменений руслового режима рек в условиях глобальных изменений природной среды и климата, а также при разработке проектов регулирования речных русел для различных отраслей хозяйства.

Глубокую благодарность за предоставление материала и консультации автор выражает сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ кандидатам географических наук В.В. Иванову, В.В. Суркову, и С.Н. Рулевой, сотрудникам кафедры гидрологии суши профессорам Н.И. Алексеевскому,

P.K. Клиге и В.М. Евстигнееву, доцентам В.А. Жуку и H.J1. Фроловой, сотрудникам ГП «Канал им. Москвы» О.С. Цвиринько, А.П. Макрушину и J1.A. Халявиной, ИТЦ СканЭкс Алейникову A.A., а также сотрудникам Московского района гидросооружений, РГАДА и отдела картографии ГИМ. Особую, самую теплую благодарность за поддержку и консультации автор выражает сотруднику лаборатории эрозии почв и русловых процессов кандидату географических наук A.C. Завадскому.

Публикации и апробация работы. Основные результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (апрель 2004 г., г. Брянск), на VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (апрель 2004 г., г. Москва), на научном семинаре научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева (декабрь 2004 г., г. Москва) и представлены в 11 публикациях.