Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Сравнительный анализ русловых процессов на больших реках России и Китая
ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
Автореферат диссертации по теме "Сравнительный анализ русловых процессов на больших реках России и Китая"
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА
. ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
На правах рукописи
ЛЮ ШУГУ АН
УДК 551.482
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА БОЛЬШИХ РЕКАХ РОССИИ И КИТАЯ
11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук
Москва -1998
Работа выполнена на кафедре гидрологии суши и в Науч исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процес им.Н.И.Маккавеева Географического факультета Московского государств ного университета им. М.В. Ломоносова.
Научный руководитель-
Официальные оппоненты-
Ведущая организация -
доктор географических наук, профессор P.C.Чалов
доктор технических наук, ст. научный сотрудник Ю.Л.Щевьев
кандидат географических наук, ст. научный сотрудник А.В.Барано
Московский государственный университет природообустройства
Защита состоится 46 " октября 1998 г. власов на заседании диссер ционного совета Д-053.05.30 при Московском государственном университ им.М.В.Ломоносова по адресу:
119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке геогра ческого факультета МГУ (21 этаж).
Автореферат разослан" "сентября 1998 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук
МуК^'
JL Си
С.Ф.Алексеева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Исследованиям русловых процессов на конкретных реках в последние десятилетия уделяется большое внимание, в том числе в России и Китае. Однако изученность больших рек остается в этом отношении (в мировой литературе) недостаточной, хотя география исследований постепенно расширяется. В России, начиная с 60-х годов, опубликованы труды, в том числе монографии, посвященные русловым процессам Оби (верхнее и среднее течете), Лены (среднее и нижнее течение), Амура, Волги (в нижнем течении), а гакже крупные региональные сводки в виде карты "Русловые процессы на реках СССР" (1990) и книги "Русловой режим рек Северной Евразии" (1994). В Китае с 50-х годов ведутся широкомасштабные исследования русловых процессов на реках Хуанхэ и Янцзы - главных источников водных ресурсов страны, важной гранспортной магистрали (Янцзы) и, в то же время, объектов повышенной эпаснссти в связи с постоянной угрозой наводнений и размывов берегов. По каждой из этих рек в Китае опубликованы монографии, атлас русловых процес-:оч (Хуанхэ), многочисленные статьи (труды Цянь Нина, Чжоу Вэньхао, Чжао Еаня и др.).
В то же время, несмотря на полученные достаточно обширные материалы по русловым процессам на некоторых (упомянутых выше) больших peca:«., другие остаются слабоизученными, сведения в литературе о них очень жудьы игш отсутствуют, хотя на них выполняются значительные объемы регу-тяционных мероприятий. Отсюда недостаточная эффективность последних, теобходимость затрачивать дополнительные средства для достижения практи-геской цели (например, для обеспечения надежной трассы судового хода). К гаковым рекам относится, в частности, Сев. Двина. Во-вторых, при изучении русловых процессов акцент делается на те формы их проявления, которые в щнный момент с практической точки зрения являются наиболее важными, огда как другие аспекты проблемы остаются малоизученными. Таковы на-фавленные вертикальные деформации, особенно на реках России; но даже на >еках Китая, где они носят катастрофический характер и являются главной фичиной опасности наводнений, внимание сосредотачивается на их следствии повышение уровней воды), а не на самом явлении. В-третьих, сравнительная молодость" исследований русловых процессов на больших и крупнейших ре-:ах, развитие на них наиболее сложных морфодинамических типов и перефор-шрований русел, требуют постоянного совершенствования схем деформаций, точнения выявленных закономерностей, внесения коррективов в прогнозные щенки и рекомендации по регулированию русел по мере накопления новых наний. В-четвертых, исследования русловых процессов на разных реках прово-(ятся независимо друг от друга, отсутствует сопоставление полученных данных, [то не позволяет при многофакторности русловых процессов объективно су-;ить о причинах деформации, развитии тех или иных типов русел и, как след-твие, переносить опыт регулирования русел с одной реки на другую. В опреде-енной мере этот недостаток устранен в России благодаря единому методоло-ическому подходу при изучении русловых процессов на Лене и Оби (работы ЛГУ). В Китае реки Янцзы и Хуанхэ изучаются разными научно-исследова-ельскими институтами. В еще большей мере несопоставимость результатов сследований ощущается при сравнении российских и китайских рек.
Для сравнительного анализа русловых процессов на больших реках
выбраны три реки России - Сев. Двина, Обь и Лена, отличающиеся по природным условиям формирования, антропогенной измененное™ и степени изученности, и две реки Китая - Хуанхэ и Янцзы. Такое сопоставление необходимо для устранения перечисленных пробелов в изученности больших рек, обеспечит выявление новых закономерностей развития и уточнения условий формирования русел, расширит знания в области географического русловедения, может стать основой для взаимного использования полученных результатов при решении гидротехнических задач и регулирования русел рек России и Китая.
Цели и задачи исследований. Основной целью исследований является выявление условий и закономерностей проявления русловых процессов на больших реках, отличающихся по водоносности, особенностям водного режима, геолого-геоморфологическому строению бассейнов, составу и стоку наносов, соотношению в нем взвешенной и влекомой составляющих. Реализация этой цели позволит выявить географические различия в развитии русловых деформаций - вертикальных (направленных) и горизонтальных, создаст условия для оптимизации регуляционных работ при наиболее сложных формах проявлений русловых процессов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) установлены различия в водном режиме и геолого-геоморфологическом строении бассейнов, определяющие неодинаковые условия развития речных русел; 2) дана оценка стока наносов, взвешенной и влекомой его составляющих, изменений по длине рек и влияния на него гидротехнических мероприятий; 3) определены руслоформирующие расходы и их соотношение с развитием русел рек разных морфодинамических типов; 4) выявлены направленность и темпы вертикальных русловых деформаций; 5) определены морфодинамиче-ские типы русла, их распространение по длине рек и условия формирования с помощью £11- и //»-диаграмм; 6) даны характеристики горизонтальных русловьо деформаций на исследованных реках; 7) сформулированы основные принципь: регулирования русел на основе имеющегося опыта и получения новых закономерностей русловых процессов.
Все задачи решались в сравнительном плане для рек России и Китая с выявлением сходных черт и принципиальных различий, обусловленных неодинаковыми характеристиками факторов русловых процессов.
Методика исследований. При сборе и обработке материалов применялся географический подход к изучению русловых процессов, разработанный Н.И.Маккавеевым и Р.С.Чаловым. Основой для выполнения работы послужил» данные натурных исследований, выполненных на реках России экспедициям! научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов, не реках Китая - научно-исследовательскими институтами водного хозяйстве р.Хуанхэ и р.Янцзы, Хохайским университетом, а также литературные, карто графические источники, материалы сетевых наблюдений Гидрометеослужб России и Китая. Автор принимал участие в работе экспедиции на нижней Лене а также в рекогносцировочном обследовании русел Сев. Двины, Хуанхэ и низо вьев Янцзы (1997 г.).
Руслоформирующие расходы воды для исследованных рек рассчитань по модифицированной методике Н.И.Маккавеева с уточнениями, связанными ( определением временного интервала. Сток донных наносов определен по мето дике Н.И.Алексеевского. При типизации русел за основу была взята морфоди намическая классификация МГУ, дополненная по материалам, полученным дл; рек Китая. Направленность вертикальных русловых деформаций определяла« по кривым связей расходов воды и уровней и по балансу наносов.
Научная новизна работы. В работе впервые даны сравнительная характеристика и анализ русловых процессов на больших реках Евразии, отличающихся по водоносности, величине стока наносов, другим природным и антропогенным факторам. В результате исследований: 1) установлены направленность и темпы вертикальных русловых деформаций, их изменения по длине рек, преобладающее аккумулятивное развитие рек в их нижнем течении (за исключением случаев пересечения ими горных массивов); 2) определены различия в формах проявления, интенсивности и пространственно-временной изменчивости вертикальных деформаций, обусловленные величинами стока наносов и другими факторами русловых процессов; 3) выявлены условия формирования русел рек разных морфодинамических типов с помощью QI-диаграмм, 1р-диаграмм (уклон-мутность потока) и определения руслоформирующих расходов воды, соответствующих развитию того или иного типа русла; 4) показано, что при большом стоке наносов снижается вероятность образования разветвленных русел из-за быстрого обмеления проток и рукавов и интенсивного блуждания динамической оси потока, приводящего к размыву формирующихся островов; 5) дополнена морфодинамическая классификация речных русел МГУ новыми типами и разновидностями, которые распространены на реках Китая; 6) установлена связь изменений типов русла по длине рек с устойчивостью русла, составом руслообразующих наносов и влиянием коренных берегов; 7) показаны различия в изменении русловых процессов на Оби и реках Китая, обусловленные влиянием водохранилищ ГЭС с разным режимом их эксплуатации.
Практическое значение. Выполненное исследование обеспечивает возможность обмена опытом и взаимного использования приемов и методов регулирования русел специалистами России и Китая с учетом специфики русловых процессов на больших и крупнейших реках обеих стран. Кроме того, отдельные частные результаты исследований должны учитываться при проектировании конкретных гидротехнических работ. В частности, выявление темпов аккумуляции наносов в нижнем течении Хуанхэ и их изменения по длине реки позволяет определить величину ежегодного наращивания противопаводковых дамб. Выделение морфодинамических типов русла на Северной Двине и выполненный анализ результатов его выправления необходим, с одной стороны, для обоснования проектирования судовых ходов, а, с другой, позволяет оценить последствия прекращения этого вида воздействия на реку.
Апробаиия. Основные результаты исследований доложены на 13-м пленарном совещании Межвузовского научно - координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов(сентябрь 1998 г.) и двух опубликованных статьях; две статьи находятся в печати.
Автор считает своим долгом поблагодарить своего научного руководите-w - профессора P.C.Чалов, профессора Н.И.Алексеевского, сотрудников науч-ю-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И.Маккавеева кандидатов географических наук А.М.Алабяна, H.H.Виноградову, В.В.Иванова, Р.В.Лодину, С.Н.Рулеву, В.В.Суркова, а также С.Н.Ковале-за, Н.В.Анисимову, Л.Н.Никитину, Б.В.Белого, О.М.Кирика, сотрудника кафедры гидрологии суши С.И.Гаррисона за разностороннюю помощь и консультации в процессе работы над диссертацией. Автор искренне признателен профессорам Чжао Еань, Цзэн Цинхуа, Ли Цунсянь и сотрудникам Хохайского университета, предоставивших данные натурных исследований и содейство-)авших их выполнению.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность выполненной работы, определены цели и задачи исследования, приведены сведения об использованных материалах и методах исследования, показана новизна полученных результатов, определено их практическое значение.
В первой главе рассматривается современное состояние изученности русловых процессах на больших реках. Выделено три основных этапа в их изучении: 1 - информационный; 2 - эмпирический; 3 - научный. Первый характеризовался накоплением сведений, описанием русел рек в различных литературных источниках, составлением карт русел для практического использования. Второй период ознаменовался получением на основе наблюдений некоторых общих закономерностей развития русел и их использованием для защиты берегов от размыва, борьбы с наводнениями, организации судоходства. Главной особенностью третьего периода явилось создание теории русловых процессов -русловедения, отрасли знаний, изучающей условия и процессы формирования речных русел, разрабатывающей приемы и методы их регулирования. В России и Китае на разных реках эти этапы охватывали разные промежутки времени. В России первые сведения о руслах рек содержались еще в летописях, в 1700 г. была издана первая карта (Дон). Первая лоцманская карта Сев. Двины составлена в 50-е годы XIX века, и с тех пор здесь ведутся регулярные промерно-съемочные работы; в XX веке карты издаются с периодичностью 5-10 лет. Эти материалы послужили основой для выполнения на реке выправительных работ, опыт которых использовался в руководствах и инструкциях по воднотранспортному регулированию русел. В 50-е годы на Сев. Двине работала экспедиция МГУ под руководством Н.И.Маккавеева. Она положила начало научному обоснованию создания современного водного пути на этой реке. Однако полноценное обобщение материалов по ее русловому режиму не было сделано.
На верхней и средней Оби первая карта русла (атлас) была издана в начале XX в. Начиная с 20-х годов регулярно выпускается лоцманские карты, ведутся изыскательские работы. Специальные исследования русловых процессов начались здесь в 60-е годы МГУ и ГГИ, в дальнейшем в них участвовали ученые ВНИИГ, НГАВТ, ЗапсибНИГМИ.
Первая съемка русла р.Лены была выполнена в 20-е годы XX в. (Н.И.Евгенов). Приоритет в изучении русловых процессов на этой реке (среднее и нижнее течение) принадлежит МГУ, экспедиция которого ведет здесь регулярные исследования с 1969 г. Их результаты широко освещены в литературе, в т.ч. в книге "Водные пути бассейна Лены" (1995).
Русла рек Китая имеют значительно более древнюю историю исследований и регулирования. Первые сведения о р.Янцзы содержатся в книге "Шаншу-Юйгон" (2-е тысячелетие до н.э.). В эпоху династии Западная Хань (260 г. до н.э. - 24 г. н.э.) Цзя Лан применил термин "блуждание" к оценке переформирований русла Хуанхэ и организовал первые работы по его регулированию. В период троецарствия (220-265 гг.) Ли Даоюань написал книгу "Шуйцзиньцжу", в которой даны сведения о перемещениях русла Янцзы, изменении берегов и развитии островов. Вся история Китая связана со строительством дамб вдоль Хуанхэ и Янцзы для борьбы с наводнениями и размывами берегов. Однако изучение русловых процессов на них началось лишь в 50-60-е годы XX в., когда были созданы специальные институты водного хозяйства р.Хуанхэ (г.Чжэнчжоу) и р.Янцзы ( г.Ухань). Наиболее крупные исследования рек Хуанхэ связаны с именами Цянь Нина, Чжоу Вэньхао и Чжао Еаня; заметный вклад внесли ученые института географии АН КНР, Всекитайского НИИ
водного хозяйства и гидроэнергии, Пекинского университета. Под руководством Чжао Еаня создан "Атлас русловых процессов в нижнем течении р.Хуанхэ" (1985). Специальные монографии опубликованы также учеными института географии АН КНР, института водного хозяйства р.Янцзы и Нан-кинским НИИ водного хозяйства.
К настоящему времени в России и Китае предложено большое количество классификационных схем русловых процессов. Большинство из них являются по своей сущности морфодинамическими. Основу их составляет подход К.И.Российского и И.А.Кузьмина (1947), которые впервые выделили самостоятельно три основных типа русла: прямолинейные неразветвленные, извилистые (меандрирующие) и разветвленные (разбросанные, блуждающие). В дальнейшем он развивался и уточнялся О.В.Андреевым и И.А.Ярославцевым, Н.И.Маккавеевым, К.В.Гришаниным, Н.А.Ржанициным, Р.С.Чаловым, а в Китае - Линь Чэнкунем, Фан Цзундаем, Ин Гоканом, Цянь Нином, Гун Гоюань. Иной принцип построения классификации был принят ГГИ (И.В.Попов, Н.Е.Кондратьев); в ней выделяется восемь типов русла, расположенных в определенной последовательности, отражающей, по мнению авторов, связь с транспортирующей способностью потока, величиной стока воды и наносов и "ограничивающими факторами руслового процесса".
В диссертации за основу принята морфодинамическая классификация МГУ (Р.С.Чалова), в которой русловые процессы типизируются по нескольким уровням: 1) на горных, полугорных и равнинных реках; 2) широкопойменные, адаптированные, врезанные; 3) собственно морфодинамические типы русла; 4) по устойчивости русла, составу руслообразующих наносов, антропогенной преобразованности русел и т.д. Этот подход отличается полнотой учета форм проявлений русловых процессов и позволяет постоянно дополнять классификацию по мере получения новых знаний.
Р.С.Чалову (1986, 1997) принадлежит также классификация видов русловых деформаций, в которой главным является выделение вертикальных и горизонтальных, направленных и периодических, общих и местных деформаций. По существу все морфодинамические классификации относятся к формам развития горизонтальных деформаций. Вертикальные деформации учитываются в некоторых из них (Н.А.Ржаницин, И.Ф.Карасев). В Китае, где интенсивная направленная аккумуляция (вертикальные деформации положительного знака) очень интенсивна и обусловливает угрозу наводнений, специальных классификаций их не приводится, но они учитываются во всех работах о русловых процессах.
Во второй главе рассматриваются водный режим рек и геолого-геоморфологическое строение бассейнов, а также хозяйственная деятельность, как условия формирования русел рек Сев. Двины, Оби, Лены, Хуанхэ и Янцзы.
Исследованные реки существенно отличаются по своей водоносности. Янцзы является третьей рекой в мире по величине стока (среднегодовой расход зоды - 29300 м31с), а Лена и Обь входят в десятку крупнейших рек на Земле. Для зек России характерно высокое весеннее половодье, связанное с таянием снега, (орошо выраженной низкой меженью, длительной на Сев. Двине и короткой на Г1ене, увеличение доли летне-осенних дождевых паводков в направлении с запаса на восток. На верхней и средней Оби половодье весенне-летнее невысокое и растянутое, связанное также с таянием снегов и ледников в горной части бас-:ейна (на Алтае). Водный режим характеризуется повышенным летне-осенним •.током и длительным спадом уровней; низкая летняя межень наблюдается толь-со в маловодные годы.
На реках Китая многоводная фаза режима приходится на лето и обусловлена выпадением обильных муссонных дождей. Различия в водном режиме Хуанхэ и Янцзы связаны с ливневым (на первой) и неливневым (на второй) характером дождевого стока. В бассейне Янцзы дождевой период по времени смещается от нижнего течения к верхнему, причем, в среднем и нижнем течении (ГЭС Гэчжоуба - устьевая область) формируется 50% стока реки. Это вызывает несовпадение максимального стока на притоках и главной реке и разных ее частях. В результате образуется единая гребенчатая паводочная волна, охватывающая период с конца апреля до начала сентября. Дождевой сток на Хуанхэ связан с ливневыми дождями очень большой интенсивности, выпадающими на небольших площадях в июле-августе при продолжительности каждого ливня не более 4-5 дней с многократной повторносгью. Паводочная волна высокая и резко выраженная, продолжительность стояния наибольших уровней - до 10 дней.
В распределении стока Янцзы, особенно в среднем течении, большую роль играют озера. Озеро Дунтинху в пределах равнины Лянху по четырем рукавам забирает до 40% годового стока (до 60% стока во время паводков) и в конце равнины по одному рукаву возвращает его в реку. Сток Хуанхэ в нижнем течении убывает к устью в 1,3 раза из-за безвозвратного водопотребления, а в межень иногда полностью иссякает. Этому способствует режим регулирования водохранилища ГЭС Саньмэнься, полностью срабатывающегося в паводочный период и наполняющегося в межень.
ГЭС Гэчжоуба на Янцзы осуществляет частичное внугригодовое перераспределение стока, обеспечивая снижение уровней воды в многоводную фазу в связи с защитой от наводнений равнины Лянху. В нижнем бьефе Новосибирского водохранилища на Оби при прохождении половодья сток уменьшается на 13,3%; в летне-осенний период он близок к естественному, в зимнюю межень увеличивается. В летне-осенний и зимний периоды на состояние русла оказывает влияние колебания расходов и уровней, связанные с волнами попусков суточного и недельного регулирования.
Для всех рек России характерны длительный ледостав, продолжительность которого и мощность льда увеличивается с запада на восток. На Лене на значительной части русла лед ложится на дно. Весенний ледоход сопровождается заторами льда, особенно на Лене и Сев. Двине. На Хуанхэ ледовые явления кратковременны (15-20 дней); в низовьях и на Янцзы вообще не наблюдаются.
На Оби, Лене и Хуанхэ (на исследованных участках) геолого-геоморфологическое строение территорий, по которым они протекают - соответственно, юго-восточной части Западно-Сибирской, Центрально-Якутской низменностей и Великой Китайской равнины, определяет свободные условия развития русловых деформаций. В отличие от российских рек, Хуанхэ протекает по аллювиальной равнине, не имея сколько-нибудь выраженной долины и перемещаясь по ней за исторический период в полосе шириной до 600-800 км (вплоть до впадения в Янцзы близ ее устья). На Оби и Лене русло иногда подходит к коренным и террасовым берегам, сложенным как легкоразмываемыми грунтами (лессовидные суглинки Предалтайского степного плато на верхней Оби, песчаные террасы на Оби и Лене), так и скальными породами (гранитные массивы по правобережью средней Оби; Табагинский утес, Канталасский Камень и отроги Верхоянских гор на Лене). На Хуанхэ подобные условия возникают вследствие поднимающихся среди равнины останцовых гор.
На Сев. Двине и Янцзы происходит чередование участков со свободными и ограниченными условиями развития русловых деформаций. На Сев.
Двине это связано с формированием русла среди древнеаллювиальных четвертичных отложений или пересечением рекой трудноразмываемых отложений валдайской морены, мергелей, песчаников и алевролитов пермь-триаса. На Янцзы свободные условия развития русловых деформаций приурочены к древ-неозерной равнине Лянху (среднее течение) и юго-восточной окраине Великой Китайской равнины (низовья). Они разделяются участком, где река имеет врезанное или адаптированное русло, протекая между Хуайяньшанскими горами на левобережье и низкогорьем Тешань по правобережью.
Большую роль в формировании русел Хуанхэ и Янцзы играют, соответственно, Лессовое плато и Сычуаньская котловина, в пределах которых формируется основной сток взвешенных наносов рек как следствие размыва лессовых и красноцветных толщ, а на Лессовом плато - также катастрофической эрозии почв.
Степень воздействия антропогенного фактора неодинакова в зависимости от экономического развития и населенности регионов. Из исследованных рек Сев. Двина и Лена условно могут быть отнесены к рекам, практически сохранившимся в естественном состоянии. На них главным видом хозяйственной деятельности являются мероприятия по улучшению условий судоходства. На Оби техногенный пресс существенно больше; это связано с сооружением Новосибирской ГЭС, выправлением русла, многочисленными другими формами воздействия на реку, особенно возле городов Барнаула и Новосибирска. Среди них ведущая роль принадлежит разработке русловых карьеров стройматериалов. Примерно в таком же положении находится р.Янцзы, на которой добавляются мероприятия по противопаводковой защите земель (дамбы, паводкорас-пределительные и паводкоаккумулирующие районы) и берегоукрепление. Максимум антропогенной нагрузки приходится на Хуанхэ, в нижнем течении которой осуществляются практически все (кроме мероприятий по улучшения условий судоходства, которое здесь развито очень слабо) виды хозяйственной деятельности на реке. Как ни на одной другой реке, здесь развита противоправод-ковая защита, приведшая к сплошному обвалованию русла на всем протяжении нижнего течения.
В третьей главе рассмотрен сток взвешенных и влекомых наносов, их гранулометрический состав и его продольные изменения. Фактический сток наносов, сформировавшийся в бассейне реки и в вышерасположенных звеньях речной сети IV, может отличаться от предельно возможного при данных гидравлических характеристиках потока \Vmp- Их соотношение IV > 1Утр или IV< IVтр приводит к возникновению направленного массообмена между транзитным потоком наносов и речными отложениями, в процессе которого система поток-русло стремится к достижению равенства 1У= 1Утр. Последние отражают вертикальные русловые деформации как на протяженных, так и на ограниченных по длине участках рек, обеспечивая автоматическое выравнивание транспортирующей способности потока ( по Н.И.Маккавееву).
Расчеты стока взвешенных наносов производились по зависимости ()), где Я - расход взвешенных наносов, 2 - расход воды. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
В бассейне Сев. Двины природные условия, несмотря на достаточное и даже избыточное увлажнение, обусловливают низкую интенсивность эрозионных процессов и небольшую мутность речных вод. 79% годового стока взвешенных наносов приходится на половодье. На Оби наличие горной части бассейна с интенсивным стокообразованием и пересечение рекой в верхнем течении Предалтайского степного плато, сложенного лессовидными суглинками, явля-
ются причиной более высокой мутности, чем на Сев.Двине. Вниз по течению она заметно убывает, хотя остается больше северодвинский. В период половодья проходит 86% годового стока взвешенных наносов. Лена по величине мутности занимает промежуточное положение между Обью и Сев. Двиной. Большая часть годового стока наносов (92,5%) проходит здесь во время половодья. Оттаивание многолетнемерзлого грунта летом обусловливает повышение минимальной мутности вниз по течению при понижении максимальной более, чем в два раза. Такое разнонаправленное изменение мутности по длине реки в многоводную и маловодную фазы режима обусловливает одинаковые ее значения в среднем и нижнем течении.
На Хуанхэ Лессовое плато (среднее течение) во время ливневых мус-сонных дождей превращается в арену мощного проявления эрозии почв, обусловливающий огромное значение мутности речной воды, среднегодовое значение которой достигает 35,82 кг/мЗ (г/п Цзяхэтань), а наибольшее - 405 кг/м3(г/л Хуаюанькоу). Эти величины, судя по литературным данным, на 25-30% меньше, чем до проведения в бассейне противоэрозионных работ, и проявляются в многолетней тенденции соотношения величины годового стока наносов. 84% годового стока взвешенных наносов проходит по реке в весенне-летний паводочньп! период, снижаясь вниз по течению почти в 1,5 раза.
В бассейне Янцзы эрозия почв проявляется с меньшей интенсивностью, но, в сопоставлении с бассейнами рек России, обусловливает мутность на один (по сравнению с Обью) - два (Сев. Двиной и Леной) порядка больше. На весенне-летний паводочный период приходится от 82 до 95% стока наносов. Вниз пс течению мутность уменьшается - более чем в 3 раза наибольшая и в 2 раза среднегодовая. Как и на Хуанхэ, это связано с аккумуляцией наносов (в пределах равнин Лянху и Великой Китайской).
Реки России и Китая, имея примерно одинаковые или близкие порядки N. существенно отличаются друг от друга по всем характеристикам стока взвешенных наносов из - за различных природных условий водосборов. Одновременно в каждой речной системе прослеживается зависимость этих характеристик от изменений N. На Хуанхэ происходит продольное уменьшение порядка реки (на 0,4); одновременно среднегодовой 1Уя уменьшается в 1,41 раза, что пр! огромном стоке наносов проявляется в многолетней их аккумуляции.
Влияние на сток взвешенных наносов Оби, Хуанхэ и Янцзы оказывает гидротехническое строительство. На Оби водохранилище Новосибирской ГЭС перехватило основную долю стока наносов, снизив его величину на 61,1% Вследствие размывов русла продольное увеличение стока наносов между г/г Новосибирск и г/п Колпашево возросло, по сравнению с естественными условиями, более, чем в 3 раза (10,54 млн.т против 3,27 млн.). На Янцзы ниже ГЭС Гэчжоуба наблюдается увеличение стока наносов, что связано с иным режимол-эксплуатации водохранилища. На Хуанхэ ниже водохранилища Саньмэньс? сток наносов уменьшился на 33%, что связано пропуском паводка и "промыв кой" водохранилища. Сооружение противопаводковых дамб непосредственнс вдоль русла в низовьях Хуанхэ привело к тому, что по длине реки на участи Лэкоу - Лицзинь сток взвешенных наносов возрос на 9 млн.т.
Более высокие темпы продольного изменения характеристик стокг наносов на реках Китая связаны с особенностями гранулометрического составг взвешенных наносов и русловых отложений. Для них, особенно для Хуанхэ характерно близкое соответствие среднего диаметра частиц во взвеси и донны> наносов. Для рек России оно отсутствует: крупность руслообразующих наносо! у них в 4-10 раз больше, чем взвешенных. На Хуанхэ Ло взвешенных наносог изменяется от 0,031 до 0,022 мм, уменьшаясь вниз по течению. Средний диаметр
Сток взвешенных наносов рек России и Китая в естественных условиях
Река-пост Площадь бассейна Норма сток Порядок реки Мутность воды Сток взвешенных наносов, то млн.т
Д км2 воды б, мЗ/с N г, кг/м3 межень половодье среднемноголетний
Сев.Двина
Абрамково 220000 1930 10,6 0,046 0,26 1,06 1,32
Обь
Фоминское 92200 1150 9,6 0,14 0,47 4,53 5,00
Барнаул 169000 1470 10,0 0,17 1,10 7,00 8,10
Камень-на-Оби 216000 1570 10,2 0,35 1,60 16,26 17.86
Новосибирск 252000 1742 10,4 0,245 0,76 12,62 13,38
Колпашево 486000 4260 12,4 0,12 1,88 14,77 16,65
Лена
Табага 897000 7150 13,9 0,04 1,37 7,62 8,99
Юосюр 2430000 16700 16,0 0,043 3,58 19,08 22,66
Хуанхэ
Хуаюанькоу 730036 1592 9,6 30,18 217 1283 1500
Цзяхэтань 731019 1530 9,4 35,82 229 1507 1736
Гаоцунь 734136 1538 9,4 29,65 225 1198 1423
Сунькоу 734824 1521 9,4 29,27 220 1187 1403
Айшань 749236 1544 9,4 27,10 211 1106 1317
Лэкоу 751494 1539 9,4 24,47 202 1025 1227
Лицзинь 751869 1523 9,4 27,71 184 1136 1320
Янцзы
И чан 1005501 14300 15,5 1,17 24 488 512
Лошань 1294911 20300 16,4 0,69 74 351 425
Ханькоу 1488036 23400 16,7 0,62 62 367 429
Датун 1705383 28900 17,1 0,53 60 411 471
русловых отложений снижается вниз по течению по мере уменьшения уклона от 0,092 у выхода из гор до 0,057. На Янцзы (¡¡о взвешенных наносов такой же, но в низовьях заметно меньше (0,012 мм). Средний диаметр русловых отложений здесь на порядок больше, чем на Хуанхэ - 0,056 мм. По направлению к устью реки йср уменьшается почти в 3 раза. Даже относительно небольшое изменение гидравлических характеристик способно вызвать их перевод из состава русловых отложений в поток и наоборот.
На реках России руслообразующие наносы представлены средне- и крупнозернистыми песками: на Лене ¿/,=0,31-0,98 мм, на Оби - 0,32-0,96 мм, на Сев. Двине - больше 0,50 мм. Средний диаметр взвешенных наносов примерно одинаков - 0,08 и не изменяется по длине рек. Заметное продольное уменьшение крупности руслообразующих наносов наблюдается, если реки выходят из гор на равнину. В других условиях (Сев.Двина, Лена, Янцзы) она колеблется в зависимости от строения долины, впадения притоков и т.д. В нижних бьефах ГЭС, вследствие дноуглубительных работ (Обь) и стеснения русла дамбами (реки Китая), происходит укрупнение руслообразующих наносов в 1,5-3 раза. Однако при очень мелком их составе (реки Китая) это не приводит к изменению типа донных наносов.
Исследованные реки, будучи песчаными, характеризуются развитой структурой грядового руслового рельефа. Поэтому сток влекомых наносов рассчитан для них по методике Н.И.Алексеевского, основанной на зависимости параметров и скоростей смещения гряд от порядка рек. Для определения N использовалась модифицированная условно-дихотомическая схема кодировки Е.А.Черных. Натурная проверка, выполненная на Сев.Двине, показала хорошую сходимость параметров гряд с полученными расчетом: погрешность 7,327,3%; аналогичные результаты были получены на Оби и Лене другими исследователями. Для проверки расчетов гряд на Хуанхэ и Янцзы использованы литературные источники. На реках Китая с очень малой крупностью наносов методика дает завышенные значения высоты (до 32%) и заниженные (в 2,1-2,8 раза) скорости смещения гряд. Сопоставление позволило ввести поправочные коэффициенты Лл=0,8 для высоты и А"с=2,45 для скорости смещения гряд. В расчетах это проявляется в увеличении расчетных значений стока наносов в 1,96 раза.
В табл. 2 приведены результаты расчета стока влекомых наносов и его соотношения с суммарным стоком наносов на реках.
Зависимость стока влекомых наносов от природных условий (по сравнению с проявляется менее отчетливо. В большей мере она обусловлена порядком реки. Влияние природных условий сказывается в соотношении между стоком влекомых наносов и суммарным стоком речных наносов. Считается, что посоставляет несколько процентов от общего стока наносов. Однако, по некоторым данным (З.Д.Копалиани, А.М.Алабян, Н.И.Алексеевский, В.А.Брюханов, З.Бабиньский), она может изменяться в более широких пределах. Это подтверждает приведенные данные. На реках с большим стоком взвешенных наносов и малой крупностью русловых отложений доля стока влекомых наносов мала: на Хуанхэ - 0,1-0,3%, сокращаясь к устью более, чем в 2 раза вследствие уменьшения 1Утр и йсР русловых отложений. На Янцзы Же формирует 2,4-7,0% общего стока, увеличиваясь на участке Лошань-Датун, где река пересекает горные массивы. Еще выше доля И-'сна Оби: от 5,2 до 14,8%. Она снижается на участке Барнаул-Камень-на-Оби, где увеличивается IVк вследствие размывов потоком уступов и поступления наносов с Предалтайского степного плато. Ниже по течению сток влекомых наносов возрастает в большей степени, чем взвешенных, и его доля, соответственно, становится больше.
Сток влекомых наносов и его соотношение с суммарным стоком наносов на реках России и Китая
Гидрологический пост XV д млн.т XV ШдЛУ,
межень половодье(паводки) среднегодовой млн.т %
Сев. Двина
Абрамково 6,26 0,45 0,71 2,03 35,0
Звоз 0,17 0,44 0,61 2,38 25,6
Усть-Пинега 0,16 0,49 0,65 4,51 14,4
Обь
Фоминское 0,46 0,19 0,65 5,65 11,5
Барнаул 0,44 0,13 0,57 8,67 6,6
Камекь-на-Обн 0,77 0,22 0,99 18,85 5,2
Новосибирск 0,94 0,43 1,37 14,75 9,3
Колпашево 2,49 0,40 2,89 19,54 14,8
Лена
Табага 0,85 4,58 5,43 14,42 37,6
Юосюр 1,06 16,39 17,45 40,11 43,5
Хуанхэ
Хуаюанькоу 0,69 1,74 2.43 1504,80 0,32
Цзяхэтань 0,61 1,63 2,24 1740,50 0,26
Гаоцунь 0,50 1,18 1,68 1426,30 0,23
Сунькоу 0,45 1,28 1,73 1410,40 0,24
Аншань 0,36 0,94 1,30 1319,60 0,20
Лэкоу 0,19 0,49 0,68 1228,30 0,11
Лицзинь 0.24 0,72 0,96 1321,96 0,14
Янцзы
Ичан 0,40 6,14 6,54 525,00 2,5
Лошань 0,98 11,62 12,60 450,00 5,6
Ханькоу 0,96 13,17 14,13 457,00 6,1
Датун 0,85 16,34 17,19 505,00 6.7
Неодинакова реакция стока влекомых наносов на реках России и Ki тая на создание водохранилищ. Обычно они полностью перехватываются вод< хранилищем, и в нижних бьефах происходит формирование нового потока н: носов за счет размыва русла. Это наблюдается на Оби ниже Новосибирско ГЭС. На Хуанхэ ниже водохранилища ГЭС Саньмэнься Wg сократился в преда лах всего на 10-20%. В низовьях реки, где русло ограничено дамбами (г) Лицзинь), наблюдается некоторое повышение Wg в паводочный период. Бли: кая картина наблюдается на Янцзы, где повышение стока влекомых наносов, п сравнению с естественными условиями, происходит при пересечении реке горных массивов (г/п Лошань).
В четвертой главе рассматриваются руслоформирующие расходы вод <2ф и устойчивость русел исследованных рек.
(2ф определен в соответствии с уточненной методикой Н.И.Маккавее! по максимумам на графиках связи Q=f(oQmPI), где Q - расход воды, средни для заданного интервала, 7 - уклон, Р - повторяемость расходов заданного и: тервала, а - коэффициент, зависящий от ширины поймы, m - показатель степеь в зависимости R = f(Qm), R - расход взвешенных интервалов. Временные п риоды, за которые определялись Q,p, устанавливались по разностным инт гральным кривым изменения водности рек и включали в себя одинаковое кол чество разных по водности лет (20-30 лет). На исследованных реках России Китая встречаются все четыре вида кривых, отличающихся по количеству ni ков, соответствующих Q,p, и их соотношению с уровнями затопления пойм (Чалов, 1978). Для рек России выполненные расчеты подтвердили сделаннь ранее выводы (P.C.Чалов, Б.Н.Власов, Б.В.Белый), однако для отдельных п стов получены несколько иные значения из-за уточнения методики расче' (выбора временного периода, определения m по зависимости R~Qm вместо т-
Сев.Двина и Лена по условиям прохождения Q<p входят в северную 3oi Евразии (по схеме Р.С.Чалова), в которой у всех рек верхний Q,p наблюдает' при затопленной пойме. На верхней и средней Оби ()ф проходит до выхода вод на пойму. В нижнем течении Хуанхэ и в низовьях Янцзы (табл. 3) имеется вер ний Q<p. Это соответствует условиям прохождения <2ф на Амуре, реках Монг лии и Средней Азии (по данным Р.С.Чалова, Ж.Нацага, Б.В.Белого) с летш многоводным периодом, вместе с которыми эти реки образуют одну зону. Ян зы на остальных участках характеризуется Q<p, проходящими только до выхо; воды на пойму. По-видимому, она входит уже в следующую к югу зону.
В зарегулированных условиях на Оби произошло снижение абсолю ных значений и обеспеченности среднего Q,p. На Хуанхэ после сооружения в дохранилищ увеличилась "полнота эпюры", т.е. увеличилась ширина поля ме; ду верхним и нижним отрезками кривой, имеющей слабовыпуклую форму, целом, как и на Оби, наблюдается снижение величины и обеспеченности Qф. \ Янцзы при зарегулированном стоке образовался еще один нижний ()ф.
Верхний £~>ф проявляется обычно (реки России) в развитии поймешк многорукавности и преобладании на больших реках разветвленных русел. \ Хуанхэ в этих условиях пойменная многорукавность не возникает, как и ; образуются русловые разветвления. Это объясняется большим стоком наносс кольматирующих возникающие протоки, и отчленением большей части пой.\ от русла дамбами. В низовьях Янцзы бывшие пойменные ответвления испол зуются при прокладке ирригационных и судоходных каналов.
Устойчивость русел, как интегральная характеристика интенсивное русловых деформаций, оценивается с помощью числа Лохтина Л-d/I, коэфф циента стабильности русла Kc=d/bplxl000 и по классификации рек по этим п<
Руслоформирующие расходы и
их обеспеченность на реках
Руслоформирующие расходы
Река Пост Верхний Средний Нижний
м3/с % мУс % мЗ/с %
Янцзы Ичан Е - 28500 13,27 ■ -
3 - - 37500 5,52 32000 10,80
Лошань Е - - 38000 13,21 - -
3 - - 37500 13,42 25500 35,07
Ханькоу Е - - 38000 18,42 - -
3 - - 43500 11,54 37500 19,41
Датун Е 82000 0,34 50000 11,29 42000 25,09
3 67500 0,78 46500 15,97 28500 48,52
Хуанхэ Хуаюанькоу Е 15000 0,18 4000 11,27 - -
3 - - 3000 11,75 - -
Цзяхэтань Е 13000 0,19 3750 16,37 - -
3 - - 3000 11,75 - -
Гаоцунь Е 9000 0,72 3750 15,44 - -
3 - - 3000 10,82 - -
Сунькоу Е 8000 0,18 3600 14,84 - -
3 - - 3000 10,22 - -
Айшань Е 8500 0,69 4500 8,82 - -
3 - - 3000 10,13 - -
Лэкоу Е 6000 3,40 4200 10,57 - -
3 - - 3000 9,67 - -
Лицзинь Е 6300 2,90 3900 12,38 - -
3 - - 3000 8,13 - -
казателям, предложенной Р.С.Чаловым. Среди исследованных рек особое положение занимает Хуанхэ, русло которой на всем протяжении имеет самые низкие значения Л: 0,13 от г/п Хуаюанькоу до г/п Гаоцунь, 0,14 далее до г/п Лэкоу и 0,3 в низовьях. Учитывая, что этому соответствуют чрезвычайно активные переформирования русла, предложено уточнить принятую классификацию выделением в ней абсолютно неустойчивых русел, у которых Л<0,5.
В целом исследованные реки можно ранжировать по устойчивости их русел в следующем порядке: абсолютно неустойчивые -Хуанхэ (Л=0,13-0,3); неустойчивые - верхняя Обь от слияния Бии и Катуни до Барнаула (Л =1,2-2,0; Кс= 2,8-4,7); слабоустойчивые - Сев. Двина (Л=2,8-3,5), верхняя Обь на участке от Барнаула до Камня-на-Оби (Л=2,1-4,8; Кс=5,4-9,2), средняя Обь ниже Новосибирска (Кс=9), отдельные участки средней и нижней Лены в районе г.Якутска, выше слияния с Алданом и ниже устья Вилюя (Л=2,4); Янцзы между постами Ичан и Лошань (Л=3,6); относительно устойчивые - Янцзы на участках Ло-шань-Ханькоу и ниже г/п Датун (Л=5,5-7,2), остальные участки Оби (Л=5,5) и Лены (Л=6,5-7,7); устойчивые - Янцзы между постами Ханькоу-Датун (Л=17,3).
В нижних бьефах ГЭС, в результате выполнения дноуглубительных работ и ограничения русла дамбами, произошло некоторое увеличение устойчивости. Наиболее отчетливо это проявилось на средней Оби, где русло стало устойчивым, о чем свидетельствует увеличение здесь глубин на перекатах в 1,5 раза при одновременном сокращении землечерпания почти в 2 раза.
В пятой главе рассматриваются особенности морфологии русел, условий образований морфодинамических типов русел и русловые деформации. Направленные вертикальные русловые деформации на Сев.Двине, Оби, Лене, Хуанхэ и Янцзы проявляются по-разному из-за различных условий формирования русла и разного стока наносов. Для их выявления проведен анализ кривых
за многолетний период и баланса наносов по длине рек с использованием морфологических признаков вертикальных деформаций. Данные табл. 4 свидетельствуют о совпадении результатов анализа обоими методами и близких величинах повышения отметок дна и уровней (-35 +10%) для аккумулирующих рек с большим стоком наносов; заметные отклонения (до 50%) имеются на врезающихся реках. Исключение представляет Янцзы между постами Лошань и Ханькоу: здесь результирующая баланса учитывает разнонаправленные процессы в разных частях участка.
На реках России с малым стоком наносов при однозначности оценок направленности деформации их значения, полученные разными методами, различаются их порядок величины, причем понижение (повышение) уровня больше, чем повышение (понижение) отметок дна. При малом стоке наносов величина слоя размыва (накопления) наносов между постами интегрирует влияние притоков, ниже устьев которых происходит увеличение стока наносов за счет поступления их из притоков, и рост \Утр из-за увеличения водоносности реки. Так, суммарный сток наносов Сев.Двины и Ваги (2,45 млн.т) больше, чем определенный по г/п Звоз (2,38 млн.т), что свидетельствует о положительном знаке вертикальных деформаций на этом участке (это подтверждается морфологическими признаками). То же происходит с учетом поступления наносов из Пинеги, которые учтены г/п Усть-Пинега. Интенсивная аккумуляция наносов на реках Китая приводит к тому, что их русла приподняты над окружающей равниной на 3-10 м. Русло Янцзы врезанное там, где река пересекает горные массивы. В низовьях гидрологические посты отсутствуют, но здесь об аккумуляции свидетельствует естественная обвалованность русла, как и на Хуанхэ. Причины направлений аккумуляции при большом стоке наносов - резкое уменьшение укло-
нов при выходе рек на равнины и последующее их снижение к устью; интенсивное устьевое удлинение рек; массовый забор воды на орошение, распластывание потока в паводочный период по широкой пойме (до сооружения дамб) или недостаточная пропускная способность русла в период прохождения <2ф при стеснении его противопаводковыми дамбами. На Янцзы следствием аккумуляции наносов являются приустьевые озера на притоках. Поскольку аккумуляция наносов наблюдается также на нижнем Амуре (А.Н.Махинов и др.), можно говорить о Тихоокеанском поясе низменностей Евразии, в пределах которого все реки испытывают направленную аккумуляцию наносов.
Таблица 4.
Интенсивность вертикальных русловых деформаций
Пост Слой эрозии (-) или аккумуляции (+), см/год
По й=/(Н) при По балансу стока наносов
Хуанхэ
Хуаюанькоу +4,5 +3,5
Цзяхэтань +5,2 +5,7
Гаоцунь +7,7 +6,6
Сунькоу +7,4 +7,8
Айшань +7,3 +9,1
Лэкоу +7,7 +7,5
Лицзинь +6,0
Янцзы
Ичан - +4,9
Лошань +3,7 -0,6
Ханькоу -1,7 -1,0
Датун -0,5
Лена
Табага -1,8 -0,4
Кюсюр -0,7
Сев. Двина
Абрамково -0,7 -0,01
Звоз - -0,38
Усть-Пинега -
Обь
Фоминское -1,5 -0,22
Барнаул -1,8 -0,71
Камень-на-Оби - +0,87
Новосибирск +0,8 +0,11
Колпашево +3,35
На реках России интенсивность вертикальных деформаций сравни-ельно мала, причем либо на всем их протяжении преобладает врезание (Лена), ибо вниз по течению происходит смена знака процесса - врезания на аккуму-яцию (Обь, Сев.Двина). Однако в условиях малого стока наносов обвалован-ое русло не формируется.
Создание водохранилищ меняет знак вертикальных деформаций. На )би выше Новосибирского водохранилища врезание русла сменилось аккуму-
ляцией, достигшей через 30-40 лет г.Барнаула. В нижнем бьефе развивается глубинная эрозия со скоростью на приплотинном участке 2,3 см/год (такой же результат получен другими исследователями), распространяющаяся трансгрессивно и достигшая г/п Колпашево. В естественных условиях река здесь аккумулировала наносы.
На Хуанхэ после сооружения ГЭС Саньмэнься по нижнему течению очень быстро прошла волна врезания. Однако реконструкция гидроузла и изменения режима его эксплуатации привели к восстановлению аккумулятивных процессов. В низовьях в отдельные годы наблюдается регрессивная эрозия, обусловленная периодическими спрямлениями русла в устье реки.
Общим для всех рек является преимущественное распространение широкопойменных русел; только на Сев.Двине и Янцзы есть участки врезанного и адаптированного русла (соответственно 31 и 8%).
На Сев.Двине и Лене русло в основном разветвленное (соответственно, 75 и 100%), причем распространены наиболее сложные его разновидности. Это связано со слабой устойчивостью русла, значительной долей стока влекомых наносов в общем стоке наносов и большой водоносностью рек (особенно Лены). На Сев.Двине разветвления доминируют даже во врезанном русле (86 км из 96 ). Параллельно-рукавное русло здесь составляет от общей длины участка между устьями Вычегды и Ваги 32%, сопряженные и одиночные разветвления -18%, односторонние - 17% и пойменно-русловое - 5%. На Лене (Покровск-Жиганск) набор разновидностей разветвленного русла больше: сопряженные (с преобладанием сложных форм) - 30%, параллельно-рукавное - 23%, чередующиеся односторонние - 12%, односторонние - 11%, одиночные - 9%, пойменно-русловое - 9% и в устьях притоков - 6%. Ниже устья Вилюя (365 км) развиты только сложносопряженные (62%) и параллельно-рукавные (38%) разветвления. Между устьями Вилюя и Алдана (200 км) выделяются другие их разновидности, причем 41,5% приходится на единственное на Лене пойменно-русловое разветвление и 37,5% на односторонние. Весь спектр (кроме пойменно-русловых) характерен для участка Покровск - устье Алдана (310 км), причем доминируют чередующиеся односторонние (35%) и параллельно-рукавные (19%).
Для Сев.Двины выделение морфодинамических типов русла осуществлено впервые; для Лены сделаны существенные уточнения по сравнению с ранее опубликованным (Водные пути бассейна Лены, 1995).
Обь (слияние Бии и Катуни - устье Томи) характеризуется сложным чередованием морфологически однородных участков (их здесь 11). На верхнее Оби (цо Камня-на-Оби, 500 км), по мере увеличения устойчивости, преимущественно разветвленное русло с преобладаниями параллельно-рукавного и чередующихся односторонних разветвлений (81%) сменяется меандрирующик (58%) и прямолинейным неразветвленным (10%). На средней Оби 56% прихо дится на разветвленное русло (42% - сопряженные разветвления), образованные большими по площади островами (на верхней Оби - архипелаги небольшш островов).
Для всех типов русел рек России рассмотрены схемы их переформиро
ваний.
На Хуанхэ (830 км) выделяется три морфодинамических типа неустой чивого русла, последовательно сменяющие друг друга по мере увеличения чис ла Лохтина и уменьшения водоносности реки: прямолинейное блуждающее меандрирующее (блуждающее и относительно стабильное) и прямолинейно! стабилизированное. Характерно, что при большом стоке наносов и водонос ности, близкой к Оби и Сев.Двине, здесь нет разветвленного русла. Первое и: них отличается постоянной миграцией после каждой многоводной фазы в поло
се блуждания от 10,6 до 2 км. В межень оно представляет собой излучины динамической оси потока (термин Н.И.Маккавеева), огибающие обширные побоч-ни, смещающиеся на сотни-тысячи метров в паводочный период благодаря спрямлению динамической оси: 1/Ц=\,Ъ в межень, 1,08 - в паводок (/ - длина русла, Ь - шаг изгиба). При регулярном отторжении побочней русло перемещается в сторону противоположного берега на несколько км. Поскольку общие очертания русла в границах его блуждания остаются относительно прямолинейными, его предложено называть прямолинейным блуждающим. Определенная аналогия такого неустойчивого русла имеется на участке верхней Оби с односторонними разветвлениями (основной рукав, проходящий вдоль уступа Пре-далтайского плато), но интенсивность блуждания здесь существенно меньше.
Меандрирующее блуждающее русло представлено сегментными излучинами, смещающимися со скоростями от 120-150 до 20-25 м/год (последние в нижней части участка, где Л больше). Излучины в нижней части участка пологие (¿<¿.-1,2-1,3); скорости смещения - доли метра - первые метры в год. Ширина пояса меандрирования - 0,3-1,8 км (против 0,5-6,1 выше по течению,). Большинство из них закреплено дамбами. Прямолинейное стабилизированное русло полностью располагается среди дамб. Ширина его здесь - 0,6 км, побочни отсутствуют.
Янцзы характеризуются большим разнообразием морфодинамических типов русла (рис. 1) и их многократной сменой по длине реки. Врезанное русло (8,2%) находится в начале участка (ниже ГЭС Гэчжоуба) и там, где река протекает среди горных массивов. Между ними и равниной Лянху и устьевой областью русло адаптированное, расположеное в относительно неширокой долине {Вп<ЗЬр), или широкопойменное - в ее расширениях и в нижней части на Великой Китайской равнине. Доля адаптированного русла в среднем и нижнем течении - 30,3%. Здесь оно наиболее устойчиво, его переформирования невелики. Наиболее активно деформации происходят на излучинах с одиночными эазветвлениями, особенно если излучина приобретает заваленную форму (в китайской литературе они называются "голова утки"). Их развитие происходит тод направляющим воздействием мысов коренных берегов. Такой же рисунок и характер переформирований наблюдается в одиночных асимметричных развет-злениях (тоже "голова утки"); в первом случае сначала возникают излучины, в тривершинной части которой формируется остров, во втором (рис. 2) - ниже лыса образуется остров, рукав возле которого в пойменных берегах формирует плучину заваленной формы.
Наибольший по размерам участок широкопойменного русла находится 1 пределах равнины Лянху (600 км). Русло здесь интенсивно меандрирует (20-40 л/год), образуя сначала сегментные, а затем петлеобразные излучины (это соот-¡етствует отвлечению части стока реки в оз. Дунтиху). На остальных участках феобладают прямолинейное русло и простые разветвления: одиночные симметричные, веерные (встречаются так же на Оби) и асимметричные ("голова тки").
Таким образом, различия в водоносности стоке наносов, устойчивости >усла и геолого-геоморфологических условиях его формирования, только ин-енсивная направленная аккумуляция или ее чередование с врезанием обусло-¡или неадекватность морфологии русел, характера и интенсивности горизон-альных русловых деформаций на обеих реках Китая. Еще больше различия :итайских рек и рек России. Последние отличаются большим разнообразием шрфодинамических типов и абсолютным преобладанием среди них разветвлен-
I ж ж
1 2 1 2 3
а б
А кМ — - — —
б /УУ^//^ щ Kl" • шУ "чи' " " V/ ^^l' —
""TP и И/ ^У^У//
В ii ii ii и и и Ä — п ~УУ и^- п " " ^ п „
Г'^ф I" "12 Из
Рис. 1. Основные морфодинамические типы русла р.Янцзы: А - врезанное; Б - адаптированное; В - широкопойменное; I - прямолинейное; II - излучины (меандрирующее): /- сегментные, 2 - петлеобразные, 3 - заваленные (разветвленно-чзвилистое) или синусоидальные; III - разветвленное на рукава: / - сопряженное, 2 - одиночное (а- симметричное, б - асимметричное и веерное), 3 - поСшенно-ру еловое.
Условные обозначения: 1 - борта долины (уступы террас); 2 - пойма; 3 - прирусловые отмели
оо
ных. Наиболее близка к рекам Китая Обь: сопряженные и веерные разветвления встречаются на Янцзы, имеются черты сходства прямолинейно блуждающего русла Хуанхэ с неустойчивым руслом с односторонними разветвлениями Оби.
Анализ условий формирования типов русла с использованием данных по притокам Лены и Оби с помощью <21 - диаграмм (рис. 3) показал следующее: 1). При наибольшей мощности потока происходит формирование разветвленных русел. Нижняя огибающая точек описывается зависимостью 11=5,2<2 -0-45- 2). Ниже и левее располагаются точки, соответствующие прямолинейным нераз-вегвленным руслам, в т.ч. врезанному на Янцзы; его точка занимает положение, самое близкое к верхней границе раздела. 3). Левое нижнее поле занимают точки, отвечающие меандрируклцим руслам и асимметричным одиночным разветвлениям с заваленной излучиной рукава на р.Янцзы ("голова утки"). Граница раздела прямолинейных и меандрирующих русел описывается зависимостью Ь-2,05£) -°-37. 4. Точки, соответствующие блуждающим типам русла Хуанхэ, находятся в верхнем поле, относительно стабильным излучинам и прямолинейному стабилизированному - в центральном и нижнем полях. Таким образом, элуждающее русло имеет те же энергетические условия формирования, что и разветвленное.
На /р-диаграмме (уклон-мутность потока) для рек России в левом поле эасположились точки разветвленных русел, правее - остальных типов. Правую исть графика занимают точки Янцзы и Хуанхэ. Граница раздела проходит под
гтлом 45°. Близкий результат получается при построении £?//>диаграммы, где 2/ - мощность потока. Таким образом, при одном и том же уклоне увеличение ;тока наносов приводит к смене разветвленного русла неразветвленным, а затем Злуждающим. Чем меньше сток наносов, тем при меньших значениях мощности 1 уклона осуществляется смена типа русла. При малом стоке наносов, как и при )чень большом, разветвления не формируются.
Исследование соотношений между положениями точек на (21-днаграм-,1с и кривыми ()ф позволило расчленить "эпюры" <2ф на секции, соответствую-цие тем или иным типам русла. На Лене линия разветвленности лежит ниже )боих пиков кривой ()Ф, т.е. мощности потока в высокое половодье и при уров-1ях в бровках поймы достаточны для формирования разветвленного русла. На Зев.Двине разветвления связаны только с верхним £)ф, т.к. линия этого типа >усла проходит между пиками на кривой. На Оби (г/п Колпашево) вся "эпюра" >асполагается в поле, соответствующем меандрирующему руслу, у г.Новоси-¡ирска - прямолинейному, у г/п Фоминское - разветвленному. Аналогичные оотношения выявлены для Хуанхэ: линия для блуждающего русла сначала (г/п (уаюаиькоу) такае же, как на Лене, а затем (г/п Гаоцунь) как на Сев.Двине, что юдтверждают попадание точек этих рек в одно поле на £/-диаграмме. На Янц-ы линия типа русла располагается ниже линии (2ф, что отличает се от осталь-1ых, что связано с очень большой водоносностью реки.
В шестой главе на основе выявленных закономерностей вертикальных [ горизонтальных русловых деформаций сформулированы основные принципы 1 подходы к регулированию русел больших рек при различных видах хозяйст-енного использования. Большое значение имеют формы учета русловых провесов при водохозяйственном и строительном проектировании, выполнении азличных мероприятий, связанных как с использованием водных и земельных есурсов, так и с защитой от неблагоприятных (опасных) для жизнедеятель-ости людей проявлений русловых процессов. В этом отношении реки России и Л1тая существенно различаются, хотя в определенных позициях имеются черты ходства. При этом опыт регулирования русел, приемов и методов проектиро-
Рис. 3. Распределение морфодинамических типов русла в поле £)/-диа граммы: 1 - разветвленное русло; 2 - прямолинейоное неразветвленное русло; 3 - меаи дрирующее русло; 4 - р.Хуанхэ; 5 - одиночные асимметричные разветвления русл р.Янцзы веерного типа ("голова утки"). Номера точек на диаграмме: 1- Об (Фоминское); 2 - Обь (Барнаул); 3 - Обь (Новосибирск); 4 - Обь (Колпашево); 5 - Чульп (Коммунарка); 6 - Томь СГомск); 7 - Сев. Двина (Абрамково); 8- Лена (Табага); 9- Лен (Табага); 10 - Лена (Юосюр); 11 - Алдан(Верхоянский перевоз); 12 - Хуанхэ (Хуаюанько} блуждающее прямолинейное); 13 - Хуанхэ (Гаоцунь, блуждающее извилистое русло); 14 Хуанхэ (Айшань, стабильные излучины); 15 - Хуанхэ (Лицзинь, прямолинейное русло дамбах); 16 - Янцзы (Ичан); 17 - Янцзы (Сицан); Янцзы (Цзянли); 19 - Янцзы (Лошань' 20 - Янцзы (Ханькоу); 21 - Янцзы (Датун);
вания и выполнения гидротехнических работ во многих случаях взаимополезен, поскольку в России и Китае исторически сложились неодинаковые подходы к регулированию русел. С другой стороны, учет направленности и интенсивности русловых деформаций позволяет, во-первых, предотвратить возможный экономический ущерб, т.к. обеспечивает устойчивость и надежность сооружений (мероприятий), во-вторых, использовать деятельность самой реки в направлении получения положительного эффекта; в-третьих сохранить речную экосистему (или минимизировать ее нарушения) при техногенном воздействии на реку.
В заключении приводятся основные выводы.
1. Особенности русловых процессов на больших реках России и Китая определяются различиями в их водоносности, водном режиме, геолого-геоморфологическом строении бассейнов, крупности и величине стока наносов, соотношении в нем взвешенной и влекомой составляющих.
2. На Оби, Лене и Хуанхэ в условиях свободного развития русловых деформаций формируются широкопойменные русла, на Сев.Двине и Янцзы имеются участки адаптированного и врезанного русла, где складываются в той или иной степени ограниченные условия для развития русловых деформаций. При этом русла рек России в целом сохраняются в естественном состоянии, несмотря на различные виды хозяйственного использования. Вдоль Хуанхэ и Янцзы построены противопаводковые дамбы и берегозащитные сооружения, вследствие чего антропогенные факторы русловых процессов здесь по значимости такие же, как природные.
3. Реки таежной зоны России характеризуются малой мутностью воды и небольшим стоком взвешенных наносов. На Оби (степная зона) сток взвешенных наносов на порядок больше, достигая максимума при пересечении рекой Предалтайского плато, сложенного лессовидными суглинками. Хуанхэ относится к рекам с наибольшим стоком взвешенных наносов, что связано с его формированием в пределах Лессового плато, где происходит катастрофический смыв почв. Промежуточное положение занимает Янцзы.
4. Для рек Китая характерно соответствие средней крупности взвешенных и руслообразующих наносов, что обусловливает постоянный массообмен между потоком и руслом. На реках России крупность взвешенных наносов эольше, чем руслообразующих на Хуанхэ и в 4-10 раз меньше собственных злекомых. Это определяет замедленный массообмен и резкую дифференциации гранспорта взвешенных и влекомых наносов.
5. Сток влекомых наносов зависит от порядка реки, продолжитель--юсти половодья, состава русловых отложений, наличия многолетнемерзлых грунтов (на Лене), направленности массообмена в системе "поток-русло". Доля ;тока влекомых наносов изменяется от 0,1-0,3% на Хуанхэ (при большом стоке «вешенных наносов и малой крупности русловых отложений) до 35-43% на "ев.Двине и Лене. На Оби пересечение рекой Предалтайского плато сопровож-;ается ростом доли стока влекомых наносов при одновременном увеличении лутности потока.
6. Руслоформирующие расходы воды проходят на Сев.Двине, Лене, Ху-шхэ и в низовьях Янцзы при затопленной пойме и в ее бровках, на Оби и остальном протяжении Янцзы - до выхода воды на пойму. По этому показателю <уанхэ и Янцзы (в низовьях) входят в одну зону вместе с Амуром, реками Мон-•олии и Средней Азии, для которых характерен летний многоводный период.
7. Реки России имеют слабоустойчивое и относительно устойчивое >усло; лишь на верхней Оби есть участки неустойчивого русла. Хуанхэ отличатся самыми низкими показателями устойчивости, что позволяет выделять
дополнительно градацию абсолютно неустойчивых русел (Л<0,5). Русло Янцзы является относительно устойчивым и устойчивым.
8. В нижнем течении рек (на Оби в естественных условиях - ниже г.Камня-на-Оби) происходит аккумуляция наносов, что связано с уменьшением уклонов и устьевым удлинением рек. При большом стоке наносов (реки Китая^ она носит катастрофический характер - до 7-9 см год, вследствие чего меженное русло располагается выше окружающей местности. Стеснение русла дамбами предотвращая наводнения, активизирует процессы аккумуляции из-за сосредоточения стока наносов в узкой полосе между дамбами. При пересечении рекамк горных массивов аккумуляция сменяется врезанием (Янцзы) или врезание проявляется до устьевой области (Лена в низовьях). При малом стоке наносов темпы аккумуляции невелики.
9. При создании водохранилищ в нижнем бьефе аккумуляция сменяете* врезанием; при малом стоке наносов (Обь) - это длительный направленные процесс, при большом стоке наносов (реки Китая) - кратковременный. Выше водохранилищ происходит регрессивная аккумуляция наносов.
10. На всех реках выделены морфодинамические типы русла по классификации МГУ, уточненной для рек Китая. На Хуанхэ специфическими типами русел являются прямолинейные блуждающие и меандрирующие блуждающие, на Янцзы - асимметричные одиночные разветвления с заваленной излучиной одного из рукавов ("голова утки"). На реках России преобладают сложные формы разветвлений; на реках Китая с большим стоком наносов рукава быстро мелеют и отмирают, вследствие чего разветвленное русло не формируется (Хуанхэ) или не является доминирующим (Янцзы).
11. Применение метода QI-диаграмм для выявления условий развития русел разных типов показало, что наибольшей мощности потока соответствуют разветвленные (кроме Янцзы) и блуждающие разновидности русла Хуанхэ. Прк наименьшей мощности формируется меандрирующее русло, а также асимметричные разветвления с заваленной излучиной развивающегося рукава (Янцзы) В поле диаграммы "уклон-мутность" потока максимуму I и минимуму р соответствуют разветвленные русла России, минимуму I и максимуму р - остальные типы русла. При одних и тех же уклонах и мощности потока увеличение стока наносов приводит к смене разветвленного русла неразветвленным, а затем блуждающим.
12. Установлено, что условия формирования типов русла зависят от соотношения руслоформирующих расходов воды и положения линий, соответствующих тому или иному типу русла, определенных с помощью QI-диаграмм.
13. Для каждого типа русла описаны схемы их переформирований v сформулированы основные принципы регулирования русел.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Руслоформирующие расходы воды на реках Хуанхэ и Янцзы // Тринадцатое межвузовское совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Доклады и краткие сообщения. Псков. 1998.С. ¡23.
2. Морфология и динамика русел крупнейших рек Китая // Тринадцатое межвузовское совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Доклады и краткие сообщения. Псков. 1998. (соавтор P.C.Чалов). С,3
3. Направленные вертикальные деформации крупнейших рек России к Китая // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 1998. N 5. (соавтор P.C.Чалов).
Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Лю Шугуан, Москва
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В.ЛОМОНОСОВА
ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
На правах рукописи
ЛЮ ШУГУ АН
УД К551.482
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА БОЛЬШИХ РАВНИННЫХ РЕКАХ РОССИИ И
КИТАЯ
11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук
Научный руководитель:
/ А А По л л а м Доктор географических наук, 1/1/Ш ЪЧЛИ профессор Р.С.ЧАЛОВ
Москва -1998
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................3
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РУСЛОВЫХ
ПРОЦЕССАХ НА БОЛЬШИХ РАВНИННЫХ РЕКАХ. .. 10
1.1 История иследований русловых процессов на больших реках России и Китая................................................................................................................................................................................10
1.2 Виды русловых деформаций равнинных рек и классификации речных русел........................................................................................................................................................................................17
ГЛАВА 2 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РУСЕЛ БОЛЬШИХ
РАВНИННЫХ РЕК............................................................................................................................36
2.1 Водный и уровенный режим рек..............................................................................................................36
2.2 Геолого-геоморфологические условия..........................................................................................61
2.3 Хозяйственная деятельность..........................................................................................................................68
ГЛАВА 3 СТОК И СОСТАВ НАНОСОВ..........................................................................................84
3.1 Речные наносы и русловые процессы................................................................................................84
3.2 Сток взвешенных наносов............................................................................................86
3.3 Руслообразующие наносы(состав и распределение)................................................103
3.4 Грядовое движение и сток влекомых наносов....................................................................116
ГЛАВА 4 РУСЛОФОРМИРУЮЩИЕ РАСХОДЫ ВОДЫ И
УСТОЙЧИВОСТЬ РУСЕЛ......................................................................................................134
4.1 Руслоформирующие расходы воды....................................................................................................134
4.2 Устойчивость русел......................................................................................................................................................145
ГЛАВА 5 МОРФОЛОГИЯ И ДЕФОРМАЦИИ РУСЕЛ..........................................151
5.1 Направленные вертикальные деформации..............................................................................151
5.2 Морфодинамические типы русел и их распространение..................................166
5.3 Анализ условий развития типов русел............................................................................................201
5.4 Горизонтальные русловые деформации......................................................................................213
ГЛАВА 6 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
РУСЕЛ БОЛЬШИХ РЕК ПРИ ИХ ХОЗЯЙСТВЕННОМ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ................................................................244
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................251
ЛИТЕРАТУРА
256
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Исследованиям русловых процессов на конкретных реках в последние десятилетия уделяется все большее внимание, в том числе в России и Китае. Однако изученность больших и особенно крупнейших рек остается в этом отношении (в мировой литературе) недостаточной, хотя география исследований постепенно и неуклонно расширяется. В России, начиная с 60-х годов, опубликованы научные труды, в том числе монографии, посвященные русловым процессам на Оби (верхнее и среднее течение), Лене (среднее и нижнее течение), Амуре, Волге (в нижнем течении), а также крупные региональные сводки в виде карты "Русловые процессы на реках СССР" (1990) и книги "Русловой режим рек Северной Евразии " (1994). В Китае с 50-х годов ведутся широкомасштабные исследования русловых процессов на реках Хуанхэ и Янцзы - главных источников водных ресурсов страны, важной транспортной магистрали (Янцзы) и, в то же время, объектов повышенной опасности в связи с постоянной угрозой наводнений и размывов берегов. По каждой из этих рек в Китае опубликованы монографии, атлас русловых процессов (Хуанхэ), многочисленные статьи (труды Цянь Нина, Чжоу Вэньхао, Чжао Еаня и др.).
В то же время, несмотря на полученные достаточно обширные материалы по русловым процессам на некоторых (упомянутых выше) больших реках, другие остаются слабоизученными, сведения в литературе о них очень скудны или отсутствуют, хотя на них выполняются значительные объемы регуляционных мероприятий. Отсюда недостаточная эффективность последних, необходимость затрачивать дополнительные средства для достижения практической цели (например, для обеспечения надежной трассы судового хода). К таковым рекам относится, в частности, Северная Двина. Во-вторых, при изучении русловых процессов акцент делается на те формы их проявления, которые в данный момент с практической точки зрения являются наиболее важными, тогда как другие аспекты проблемы остаются малоизученными.
Таковы направленные вертикальные деформации, особенно на реках России; но даже на реках Китая, где они носят катастрофический характер и являются главной причиной опасности наводнений, внимание сосредотачивается на их следствии (повышение уровней воды), а не на самом явлении. В-третьих, сравнительная "молодость" исследований русловых процессов на больших и крупнейших реках, развитие на них наиболее сложных морфодинамических типов русел, отличающихся специфическими особенностями переформирований, требуют постоянного совершенствования схем деформаций, уточнения выявленных закономерностей, внесения коррективов в прогнозные оценки и рекомендации по регулированию русел по мере накопления новых знаний и получения дополнительных материалов. В-четвертых, исследования русловых процессов на разных реках проводятся независимо друг от друга, отсутствует сопоставление полученных данных и выводов, что не позволяет при многофакторности русловых процессов объективно судить о причинах деформации, развитии тех или иных типов русел и, как следствие, переносить опыт регулирования русел с одной реки на другую. В определенной мере, этот недостаток устранен в России благодаря единому методологическому подходу при изучении русловых процессов на Лене и Оби (работы МГУ). В Китае реки Янцзы и Хуанхэ изучаются разными научно-исследовательскими институтами. В еще большей мере несопоставимость результатов исследований ощущается при сравнении российских и китайских рек, тем более что китайская научная литература недоступна (из-за языкового барьера) ученым России.
Для сравнительного анализа русловых процессов на больших и крупнейших реках выбраны три реки России - Северная Двина, Обь и Лена, отличающиеся по природным условиям формирования, антропогенной измененное™ и степени изученности, и две реки Китая -Хуанхэ и Янцзы. Такое сопоставление необходимо для устранения перечисленных пробелов в изученности больших и крупнейших рек,
обеспечит выявление новых закономерностей развития и уточнения условий формирования русел, расширит знания в области географического русловедения, может стать основой для взаимного использования полученных результатов при решении гидротехнических задач и достижений в регулировании русел рек России и Китая.
Цели и задачи исследований. Основной целью исследований является выявление условий и закономерностей проявления русловых процессов на больших и крупнейших реках, отличающихся по водоносности, особенностям водного режима, геолого-геоморфологическому строению бассейнов, составу и стоку наносов, соотношению в нем взвешенной и влекомой составляющих. Реализация этой цели позволит устранить определенные пробелы в географии русловых процессов, выявить географические различия в развитии русловых деформаций, как вертикальных (направленных), так и горизонтальных, создаст условия для оптимизации регуляционных работ при наиболее сложных формах проявлений русловых процессов.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) установлены различия в водном режиме и геолого-геоморфологическом строении бассейнов, определяющие неодинаковые условия развития речных русел;
2) дана оценка стока наносов, взвешенной и влекомой его составляющих, изменений по длине рек и влияния на него гидротехнических мероприятий;
3) определены руслоформирующие расходы воды и их соотношение с развитием русел рек разных морфодинамических типов;
4) выявлены направленность и темпы вертикальных русловых деформаций;
5) определены морфодинамические типы русла, их распространение по длине рек и условия формирования с помощью 0,1 - и 1р -диаграмм;
1 -6
6) даны характеристики горизонтальных русловых деформаций на исследованных реках;
7) сформулированы основные принципы регулирования русел на основе имеющегося опыта и получения новых закономерностей русловых процессов.
Все задачи решались в сравнительном плане для рек России и Китая с выявлением сходных черт и принципиальных различий, обусловленных неодинаковыми характеристиками факторов русловых процессов.
Методика исследований. При сборе и обработке материалов применялся географический подход к изучению русловых процессов, разработанный Н.И.Маккавеевым и Р.С.Чаловым. Основой для выполнения работы послужили данные натурных исследований, выполненных на реках России экспедициями научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов, на реках Китая - научно-исследовательскими институтами водного хозяйства р.Хуанхэ и р.Янцзы, Хохайским университетом, а также литературные, картографические источники, материалы сетевых наблюдений Гидрометеослужб России и Китая. Автор принимал участие в работе экспедиции на нижней Лене, а также в рекогносцировочном обследовании русел Северной Двины, Хуанхэ и низовьев Янцзы (1997 г.).
Руслоформирующие расходы воды для исследованных рек рассчитаны по модифицированной методике Н.И.Маккавеева с использованием уточнений, связанных с определением временного интервала. Сток донных наносов определен по методике Н.И.Алексеевского. При типизации русел за основу была взята морфодинамическая классификация МГУ, которая дополнена по материалам, полученным для рек Китая. Направленность вертикальных русловых деформаций определялись по кривым связей расходов воды и уровней и по балансу наносов.
Научная новизна работы. В работе впервые даны сравнительная
характеристика и анализ русловых процессов на больших и крупнейших реках Евразии, отличающихся по водоносности, величине стока наносов, другим природным и антропогенным факторам. В результате проведенных исследований:
1) установлены (с применением разных методов) направленность и темпы вертикальных русловых деформаций, их изменения по длине рек, преобладающее аккумулятивное развитие рек в их нижнем течении (за исключением случаев пересечения ими горных массивов);
2) определены различия в формах проявления, интенсивности и пространственно-временной изменчивости вертикальных деформаций, обусловленные величинами стока наносов и другими факторами русловых процессов;
3) выявлены условия формирования русел рек разных морфоди-намических типов с помощью <27-диаграмм, /р-диаграмм (уклон-мутность потока) и определения руслоформирующих расходов воды, соответствующих развитию того или иного типа русла;
4) показано, что при большом стоке наносов снижается вероятность образования разветвленных русел из-за быстрого обмеления проток и рукавов и интенсивного блуждания динамической оси потока, приводящей к размыву формирующихся островов;
5) дополнена морфодинамическая классификация речных русел МГУ новыми их типами и разновидностями, которые распространены на реках Китая;
6) установлена в первом приближении связь изменений типов русла по длине рек с устойчивостью русла, составом руслообразующих наносов и влиянием коренных берегов;
7) показаны различия в изменении русловых процессов на Оби и реках Китая, обусловленные влиянием водохранилищ ГЭС с разным режимом их эксплуатации.
Особо следует отметить, что в научной литературе, написанной на русском языке, впервые дается оценка и характеристика русловых
процессов на реках Китая, а также обзор китайской научной литературы по русловым процессам. Это позволяет существенно расширить представления в области географии русловых процессов, выявить новые закономерности их региональной изменчивости. С другой стороны, в работе впервые с единых методологических и методических позиций и подходов (главным образом, на основе русской научной школы русловых процессов Н.И.Маккавеева) рассмотрена руслоформи-рующая деятельность больших рек России и Китая.
Практическое значение. Выполненное исследование обеспечивает возможность обмена опытом и взаимного использования приемов и методов регулирования русел специалистами России и Китая с учетом специфики русловых процессов на больших и крупнейших реках обоих стран. Кроме того, отдельные частные результаты исследований должны учитываться при проектировании конкретных гидротехнических работ. В частности, выявление темпов аккумуляции наносов в нижнем течении Хуанхэ и их изменения по длине реки позволяет определить величину ежегодного наращивания противопаводковых дамб. Выделение морфодинамических типов русла на Северной Двине и выполненный анализ результатов его выправления для создания устойчивой трассы судового хода необходим, с одной стороны, для обоснования проектирования судовых ходов, а, с другой, позволяет оценить последствия прекращения этого вида воздействия на реку.
Апробация. Основные результаты исследований доложены на 13-м пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (сентябрь 1998 г.) и двух опубликованных статьях; две статьи находятся в печати.
Автор считает своим долгом поблагодарить своего научного руководителя - профессора Р.С.Чалова, завкафедрой гидрологии суши МГУ профессора Н.И.Алексеевского, сотрудников научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им.
Н.И.Маккавеева кандидатов географических наук А.МЛлабяна, Н.Н.Виноградову, В.В.Иванова, Р.В.Лодину, С.Н.Рулеву, В.В.Суркова, а также С.Н.Ковалева, Н.В.Анисимову, Л.Н.Никитину, Б.В.Белого, О.М.Кирика, сотрудника кафедры гидрологии суши С.И.Гарри-сона за разностороннюю помощь и консультации в процессе работы над диссертацией. Автор искренне признателен профессорам Чжао Баню, Цзэн Цинхуа и Ли Цунсяню за предоставленные материалы по р.Хуанхэ и организацию экспедиционной поездки по Хуанхэ, позволившей получить дополнительные материалы для работы, а также и сотрудникам Хохайского университета, предоставивших данные натурных исследований и содействующих их выполнению.
10
ГЛАВА 1.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ НА БОЛЬШИХ РАВНИННЫХ РЕКАХ
1.1. История исследований русловых процессов больших равнинных рек
В изучении речных русел можно условно выделить три основных этапа: 1 - информационный; 2 - эмпирический; 3 - научный. Первый характеризовался накоплением сведений, описанием русел рек в различных литературных, в т.ч. рукописных, источниках, появлением первых картографических материалов, специально посвященных изображению речных русел. Второй период ознаменовался тем, что данные наблюдений на реках позволили описать некоторые общие закономерности развития русел и использовать их для защиты берегов от размыва, борьбе с наводнениями, организации судоходства и т.д. Переход к этому периоду не означал прекращения накопления информации; наоборот, оно приобрело новое качество, описание русел сменилось выполнением специальных промерно-съемочных работ, организацией специальных экспедиций и изыскательских партий. Значение информационной базы еще более возросло при переходе к третьему научному периоду. Его главной особенностью явилось создание на основе обобщений и анализа всего имеющегося материала наблюдений, съемок, сетевых данных теории русловых процессов - русловеде-ния, отрасли знаний, изучающей условия и процессы формирования речных русел, разрабатывающей приемы и методы их регулирования (Чалов, 1997). ;
В России первые сведения о руслах рек содержались еще в летописях, поскольку реки были важнейшими путями сообщения; первое специальное картографическое изображение речного русла относится к 1700 г., когда была издана карта нижнего Дона (Русловой режим,.., 1994). Впоследствии, вплоть до конца XIX столетия, появилось боль-
шое количество трудов, в т.ч. картографических, в которых содержались различные сведения о руслах рек, главным образом Европейской России - Волги, Дона, Днестра, Оки.
В 50-е годы XIX века была составлена первая лоцманская карта Северной Двины, и с этого времени здесь начинаются регулярные промерно-съемочные работы на затруднительных для судоходства участках. С �
-
Лю Шугуан
-
кандидата географических наук
-
Москва, 1998
-
ВАК 11.00.07
- Динамика русловых процессов и влияние на нее локальных антропогенных воздействий на реке Аргунь
- Сток наносов и его проявления в морфодинамике речных русел
- Антропогенное преобразование пойменно-русловых комплексов рек Еврейской автономной области
- Морфодинамика русел малых и средних рек Удмуртии
- Сравнительный анализ русловых процессов рек различной водоносности в горно-предгорно-равнинных регионах и их антропогенные изменения
