Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сток взвешенных наносов рек Камчатского края

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Сток взвешенных наносов рек Камчатского края"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 556.535.6 (571.66)

КУКСИНА Людмила Вячеславовна

СТОК ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ РЕК КАМЧАТСКОГО КРАЯ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 6 ЯНВ 2014

МОСКВА - 2013

005544440

005544440

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель

Официальные оппоненты

АЛЕКСЕЕВСКИЙ Николай Иванович

доктор географических наук, профессор кафедры гидрология суши

ГОЛОСОВ Валентин Николаевич

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник НИЛ эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ

- РЕЗНИКОВ Павел Николаевич

кандидат географических наук, главный гидролог ОАО «Росстройизыскания»

Ведущая организация - ФБГУН Тихоокеанский институт

географии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ФБГУН ТИГ ДВО РАН) (г. Владивосток)

Защита состоится «13» февраля 2014 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А-8. Автореферат размещен на сайте географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http ://www. geogr.msu.ru/). Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан «30» декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук, профессор

Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования определена природными особенностями и степенью изученности пространственных и временных закономерностей изменения мутности, расходов и модулей стока наносов на территории Камчатского края. Камчатский край - природный регион, для которого характерно сочетание традиционных и необычных факторов формирования стока взвешенных наносов рек, отличающихся по характеристикам водного режима и источникам поступления в реки минеральных частиц. Разнообразие факторов, определяющих специфику эрозионных процессов на водосборах и особенности транспорта продуктов разрушения горных пород по русловой сети, дополняется отсутствием существенного техногенного изменения мутности поверхностных вод. Исключение составляют немногочисленные водотоки Камчатского края, находящиеся в зонах производства горных работ. Специфика региона заключается в наличии на его территории многочисленных активных и потухших вулканов. Наличие на их склонах рыхлых вулканогенных отложений создает особые условия поступления минеральных частиц в поверхностные воды. Природные и антропогенные факторы изменения мутности определяют малоизученные для условий Камчатского края закономерности многолетних, внутригодовых и кратковременных флуктуаций содержания в воде минеральных частиц. Их выявление важно для понимания механизмов русловых переформирований, способных ограничивать природопользование на освоенных участках рек, представлять опасность для социальных и производственных объектов в руслах рек и на их берегах. Информация о речных наносах необходима при определении экологических ограничений для некоторых видов хозяйственной деятельности. Реки региона являются местом нереста многих видов ценных лососевидных промысловых рыб (чавыча, кижуч, кета, нерка, горбуша и др.), развитие популяций которых лимитировано мутностью воды [Пешков, 1985]. Неконтролируемое

техногенное увеличение мутности способно негативно изменить экологические условия воспроизводства этих видов рыб.

Камчатский край - слабо изученный регион Российской Федерации в отношении стока речных наносов. Последние и наиболее полные обобщения данных по средним многолетним значениям мутности речных вод и модулю стока взвешенных наносов региона относятся к концу 1970-х годов [Ресурсы..., 1973; Сток наносов..., 1977] и не учитывают современных гидрометеорологических условий поверхностного смыва и транспорта минеральных частиц в речной сети территории. Закономерности межгодовой и внутригодовой изменчивости характеристик стока взвешенных наносов ранее в регионе практически не изучались.

Целью работы является изучение пространственно-временных закономерностей формирования и изменения стока взвешенных наносов на территории Камчатского края. Достижение данной цели потребовало решения комплекса взаимосвязанных задач:

• выделения основных факторов формирования смыва почв и стока взвешенных наносов рек Камчатского края;

• количественной оценки влияния ландшафтных условий на интенсивность смыва почв и разрушение горных пород;

• районирования территории по условиям формирования стока взвешенных наносов;

• исследования внутрисуточной и синоптической изменчивости мутности воды в русловой сети на склонах камчатских вулканов;

• анализа сезонных колебаний мутности воды и расходов взвешенных наносов рек Камчатского края;

• изучения многолетней изменчивости стока наносов рек региона;

• характеристики пространственного распределения средней многолетней мутности воды и модуля стока взвешенных наносов;

• оценки влияния вулканов на пространственно-временную изменчивость характеристик стока взвешенных наносов;

• оценки влияния антропогенных факторов на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.

Объекты, состав и методика исследований. В качестве объектов изучения рассматривались постоянные и временные водотоки на территории Камчатского края, включающего полуостров Камчатку и бассейны рек, впадающих в Пенжинскую губу (от м. Тайгонос на западе до Рекиннинской губы на востоке), а также в Берингово море (от устья р. Анапка на юго-западе до м. Пятнистый на северо-востоке). В работе использованы данные стационарных наблюдений за стоком взвешенных наносов на 56 водотоках и в 63 створах постов УГМС по Камчатскому краю за период с 1940 по 2010 гг. Для изучения сезонных, синоптических и менее продолжительных флуктуаций мутности под влиянием природных факторов и антропогенных нагрузок автором выполнены (2008-2012 гг.) экспедиционные работы в долинах водотоков, находящихся в зоне развития активного вулканизма, а также в районе открытой разработки месторождений россыпной платины (Корякское нагорье).

Обработка рядов гидрологических данных произведена с использованием стандартных статистических методов. Цифровая модель рельефа Камчатского края создана на основе данных радарной топографической съемки с разрешением 90 м и спутниковых снимков с разрешением 30 м. Выявление географо-гидрологических закономерностей многолетних колебаний мутности и модуля стока взвешенных наносов осуществлено с использованием стандартных методов гидрологических расчетов. Для выделения эрозионных и гидрологических районов оказался полезен потенциал методов ландшафтной гидрологии. Методы создания карт средней многолетней мутности и модуля стока взвешенных наносов реализованы в программной среде Ап^я 9.3. Кроме того, привлекались методы гидрологического районирования, гидрологической

аналогии и генетического анализа данных стационарных наблюдений за стоком взвешенных наносов.

Научная новизна работы:

• впервые для рек Камчатского края произведена количественная оценка влияния рельефа, литологии горных пород, вулканизма, климатических факторов, почвенно-ботанических условий, стока воды на величину и изменчивость стока взвешенных наносов. На территории края выделено 26 эрозионных районов, относительно однородных по водно-эрозионным условиям, и 11 районов с примерно одинаковыми условиями формирования стока взвешенных наносов;

• на основе теоретической концепции Уишмеера-Смита и современных гидрометеорологических данных произведена оценка потенциального смыва с поверхности водосборов рек Камчатского края;

• определена величина трансформации продуктов разрушения горных пород в сток взвешенных наносов (коэффициента доставки наносов) для всех пунктов мониторинга на реках Камчатского края. Установлен убывающий характер зависимости коэффициента доставки наносов от площади водосбора р. Камчатка;

• для рек Камчатского края выявлены современные закономерности пространственного распределения характеристик стока взвешенных наносов, их внутрисуточной, синоптической, сезонной и многолетней изменчивости;

• на примере районов разработки россыпных месторождений платины в Корякин произведена оценка воздействия хозяйственной деятельности на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования научных результатов исследования для оптимизации структуры гидрологического и геоэкологического мониторинга окружающей среды,

определения направленности и интенсивности русловых процессов на освоенных участках речных долин, оценки влияния природных факторов и хозяйственной деятельности (горных работ) на условия воспроизводства рыбных ресурсов региона.

Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении проектов «Мониторинг воздействия геологоразведочных работ и разработки россыпной платины на условия воспроизводства и состояние рыбных запасов в бассейне р. Вывенки» (2008, 2011 гг.), «Рыбохозяйственный мониторинг бассейна р. Фальшивой» (2008 г.), выполненных Федеральным агентством по рыболовству Российской Федерации и КамчатНИРО - ВНИРО. Результаты районирования Камчатского края по природным факторам формирования стока наносов вошли в научный отчет географического факультета МГУ по проекту ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение № 8342 с Минобрнауки РФ) «Мониторинг водных объектов и прогнозирование гидрологических процессов» (2012-2013 гг.). Они также нашли отражение в научных отчетах по инициативным проектам РФФИ: «Генетический анализ пространственно-временной изменчивости гидрологических ограничений для природопользования на территории России» (проект № 09-05-00339-а), «Закономерности изменения гидрологического состояния и режима рек при их слиянии и делении на рукава» (проект № 12-05-00069-а), «Вулкано-гляциальные процессы на действующих вулканах: особенности речного стока и связанная с ним вулканическая опасность (Камчатка, Россия)» (проект № 12-05-09282-моб_з), а также гранта МК-2857.2012.5 («Природные и техногенные закономерности изменения стока наносов по длине речных систем», 2012 г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на VII Гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2013); конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, 2013); XIX симпозиуме по проблемам изучения бассейнов северных

морей (Аляска, США, 2013); семинаре по гидрологическому моделированию (Кобленц, Германия, 2012); XXVII пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ижевск, 2012); III Международной конференции по вопросам вулкано-гляциального взаимодействия на Земле и других планетах (Анкоридж, США, 2012); VII научном семинаре молодых ученых высших учебных заведений (Волгоград, 2012); семинарах вулканологических школ (Аляска, США, 2012; Камчатка, 2011); IX и VIII Генеральных ассамблеях европейского географического общества (Вена, Австрия, 2012, 2011); XI Международной научной конференции «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (Петропавловск-Камчатский, 2011); семинаре летней школы Итало-Российского института (Палермо, Сицилия, 2011); VII международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (Петропавловск-Камчатский, 2011); XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011» (Москва, МГУ, 2011); XIV Съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2010); Международном гляциологическом симпозиуме (Казань, 2010).

Результаты исследований опубликованы в 4 научных статьях (две из них - в научных журналах из перечня ВАК России) и 14 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 215 страниц, включая 144 рисунка и 43 таблицы. Список литературы содержит 146 наименований, в том числе 15 - на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование актуальности темы исследования, определение цели и задач работы, характеристику научной новизны, практической значимости диссертации. В нем сформулированы основные

защищаемые положения, приведены сведения об исходных материалах и методах исследования.

В главе 1 рассмотрены общие вопросы формирования и изменения стока наносов, приведены сведения об основных характеристиках стока взвешенных наносов и генетических факторах их изменения.

На основе обобщения научных публикаций [Алексеевский, 1998; Дедков, Мозжерин, 1984; Караушев, 1977; Сток наносов..., 1977] показано, что наносы - минеральные частицы, перемещающиеся совместно с водой и по дну рек. Характеристики речных наносов тесно связаны с условиями водно-эрозионных процессов на склонах водосборов и в русловой сети территорий. Совместно с гравитационными процессами они определяют генезис минеральных частиц, перемещаемых в речных системах. Чем больше размер рек (площадь их бассейнов), тем меньшая часть продуктов разрушения горных пород на водосборах достигает устьев в форме речных наносов [Алексеевский, 1998; Голосов, 2006; Сидорчук, 1996; Milliman, Meade, 1983]. В русловой сети территории быстрые изменения характеристик стока речных наносов связаны с пространственно-временным изменением транспортирующей способности водных потоков.

Формирование стока речных наносов происходит под воздействием природных и антропогенных факторов. В количественной форме влияние этих факторов на сток наносов WR характеризует генетическое уравнение [Алексеевский, 1998]

wr = (Wp3 + £ W3P. + Wm + Won + WC + Woe + W0n + Ws) -WA±W3±WX, (!) в котором учтено изменение его величины под влиянием эрозии в русле главной реки IVP3; выноса продуктов эрозии из боковых притоков W3?i; поверхностного смыва Wcм; овражной эрозии fV0B; селей Wc\ осыпей fV0C; оползней Won; солифлюкционных процессов IVS\ аккумуляции части транспортируемого материала в русле реки и на пойме }VA; эолового переноса Иэ; хозяйственной деятельности Wx. Величина AW- результирующая баланса

наносов - дает представление об изменении стока наносов и объема речных отложений на участке реки за некоторый интервал времени и в заданных пространственных границах.

Наиболее мощное влияние на сток наносов оказывает поверхностный смыв. Для количественной оценки поверхностного смыва эффективны методические подходы Уишмеера-Смита [Wischmeier, Smith, 1978]. Они обеспечивают возможность определения потенциального поверхностного смыва (в зависимости от совокупности климатических, орографических и почвенно-ботанических факторов) и, следовательно, стока наносов в сети временных нерусловых и русловых потоков.

Вторая глава посвящена состоянию изученности стока взвешенных наносов на территории Камчатского края и методам его исследования.

Анализ пространственной изменчивости стока наносов в пределах Камчатского края выполнялся неоднократно [Шамов, 1949; Лопатин, 1955; Ресурсы..., 1973]. Последнее обобщение данных наблюдений за характеристиками стока взвешенных наносов на реках Камчатского края относится к концу 70-х годов [Сток наносов..., 1977].

Для проведения исследования использованы результаты стационарных наблюдений на постах Управления Гидрометслужбы. Сеть постов по наблюдению за характеристиками стока взвешенных наносов распределена по территории региона неравномерно. Продолжительность наблюдений изменяется от 6 до 71 года. Большая часть постов (46 постов с продолжительностью наблюдений 6-55 лет) расположена в бассейнах малых рек. Ряды наблюдений даже небольшой продолжительности являются репрезентативными, что обеспечивает относительную устойчивость оценок характеристик стока наносов, полученных по имеющимся рядам наблюдений. Проверка однородности рядов стока взвешенных наносов по критериям Стьюдента и Фишера показала, что относительно однородными являются ряды данных наибольшей продолжительности.

Особенностью наблюдений за характеристиками стока взвешенных наносов на реках Камчатского края является отсутствие информации о мутности в период пониженной водности. Полученная в диссертации зависимость среднемесячных расходов взвешенных наносов Дмес от среднемесячных расходов воды <2иес позволила восстановить пропуски в рядах среднемесячных расходов наносов по известным расходам воды. Для условий камчатских рек зависимость между средней месячной мутностью и соответствующими расходами воды не имеет преимуществ в точности восстановления пропусков в рядах данных по сравнению с зависимостью Дмес = /(<2 мес)- Использование этой зависимости позволило существенно уточнить средние многолетние расходы наносов, определяемые в рамках упрощенной схемы гидрологического мониторинга.

Для проведения оперативного мониторинга мутности в речных водах Камчатского края в диссертации обоснованы эмпирические зависимости между значениями этой величины, полученными на основе гравитационных и оптических методов. Полученные соотношения имеют индивидуальный характер для водотоков на склонах вулканов и в районах производства горных работ (рис. 1).

.2 со

10000 1000 100 10 1

0,1

г = 0.95

0,1 1 10 100 1000 Оптическая мутность Т, НТУ

юооо

Рисунок 1 - Соотношение мутности 5 и ее оптической величины Г для водотоков в районе Сейнав-Гальмоэнанского горного узла (Корякия)

В главе 3 рассмотрены гидрологические условия формирования и изменения характеристик стока взвешенных наносов на территории Камчатского края, отличающейся повышенной густотой речной сети. Чем больше густота водотоков и уклоны рек, тем большая часть смытых почв и продуктов разрушения горных пород вовлекается водными потоками в перемещение и достигает приемных водоемов.

Водный режим рек Камчатского края обусловливает основные черты внутригодового изменения мутности и расхода речных наносов. По типу внутригодового распределения стока реки Камчатского края делятся на три зональных типа - реки с весенне-летним половодьем, реки с весенне-летним половодьем и паводками в теплое время года, реки с весенним половодьем и паводками. С учетом преобладающего источника питания и характера водного режима рек на исследуемой территории выделено 6 гидрологических районов (рис. 2). В пределах Камчатского края впервые получил природное подтверждение ранее теоретически выделенный [Львович, 1974; Лукьнович, 2011] тип водного режима с исключительно подземным питанием и равномерным внутригодовым распределением стока. Он характерен для небольших водотоков в бассейне р. Камчатка (рр. Николка Первая, Озерная). Доля подземных вод в питании этих рек составляет порядка 90%.

Наличие циклов повышенной и пониженной водности и мутности большинства рек Камчатского края связано с климатическими изменениями. Реки одного гидрологического района, как правило, характеризуются относительно синхронными колебаниями водного стока независимо от размера водосбора. Асинхронность колебаний стока воды и наносов может возникать как следствие различного географического положения водосборов и их отличий по площади. Причиной изменений водности и стока наносов рек вулканических регионов могут быть извержения вулканов, влияющие на поступление минеральных частиц, масштабы и интенсивность снеготаяния. Реки наиболее полноводны в периоды извержения вулканов. После крупных извержений

обычно начинаются фазы пониженной водности и мутности рек, поскольку извержения вулканов сопровождаются сокращением важного источника питания рек вулканических районов.

100

е. зо ¿¡60 40 -

20 - / V

„ /

10

¿6 5!

2,5 - Ц

су

гЧ

0,5 •

щ

V ■■ $ ; ДН ' ШШ К. ^

Ж1Л ж яв М 1 У

п

л г\

к [ У

. д

5 4

5»

51

Рисунок 2 - Гидрологическое районирование территории Камчатского края по сочетанию типов водного режима и преобладающего источника питания. I -

Северный, II - Западный, III - Юго-западный, IV - Центральный, V -Восточный, VI - Северо-восточный

Камчатский край относится к регионам с относительно небольшой антропогенной нагрузкой на реки и их бассейны. К числу имеющихся антропогенных нагрузок можно отнести изменение стока воды и наносов под влиянием горных работ (разработки месторождений россыпных металлов, крупнейшим из которых является платиновое месторождение Сейнав-Гальмоэнанского горного узла). Мутность воды в пределах зон влияния горных работ может увеличиваться на 3000% и более по сравнению с фоновым содержанием в воде взвешенных частиц.

В четвертой главе дана характеристика природным факторам (климат, рельеф, литологические особенности горных пород, типы почвенно-

растительного покрова), которые определяют величину потенциального смыва и стока взвешенных наносов рек Камчатского края. Впервые рассмотрена роль вулканической деятельности в формировании стока взвешенных наносов некоторых рек Камчатки.

Влияние рельефа на пространственную изменчивость стока наносов проявляется в дифференциации территории по величине эрозионного индекса рельефа. На территории Камчатского край выделено 11 орографических районов, отличающихся по этому индексу (табл. 1). Он изменяется от 2 (равнинные территории) до 840 (горные вулканические области).

Формирование стока наносов рек в существенной мере зависит от эрозионного потенциала осадков (ЭПО) (табл. 1). Максимального значения (8) он достигает на восточном побережье островной части региона, а минимума (1) - в материковой области Камчатского края. Впервые для региона получена зависимость величины ЭПО от среднемноголетней суммы осадков X:

ЭПО = 0.0077Х - 2.29. (2)

Восстановление значений ЭПО для неизученных территорий по известной величине суммы осадков X позволило существенно уточнить распределение величины ЭПО по территории края (по сравнению с данными [Ларионов, 1993]).

На основе анализа созданных электронных тематических карт показано, что растительный покров региона в разной степени защищает горные породы и почвы от размыва склоновыми потоками. На территории Камчатского края выделено 22 округа, отличающихся по сочетанию защитных свойств различных типов растительности. Минимальные защитные функции характерны для растительности горных территорий и особенно районов проявления активного вулканизма (фактор незащищенности почв здесь максимален (0.45)). Его величина минимальна (0.003) для районов, занятых древесной растительностью, обеспечивающей максимальную защиту горных пород от размыва.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика эрозионных районов Камчатского края

№ Название района № подрайона Эрозионный индекс рельефа ЭПО % от общей площади территории Средняя высота, м

Срединный хребет 1 4 2.3

I 2 181 2 11.7 1200-1400

3 4 2.9

Восточный хребет 4 4 1.6

II 5 90 2 1.5 1200-1400

6 4 0.9

Центральная 7 2 1.0

III Камчатская 8 47 1 2.6 200-400

равнина 9 3 0.6

10 3 1.2

Восточный И 3 1.4

IV вулканический 12 837 6 1.6 1600-1800

район 13 5 1.6

14 7 3.0

Восточный приморский район 15 3 3.1

V 16 14 4 2.6 400-500

17 5 0.9

18 7 1.3

Западная 19 2 12.2

VI Камчатская равнина 20 47 4 4.0 500-600

VII Парапольский ДОЛ 21 1.6 1 4.7 150-350

VIII Корякское 22 208 4 4.2 450-650

нагорье 23 2 15.0

IX Пенжинский хребет 24 37 0.5 2.5 250-450

X Пенжинская низменность 25 2.3 1 3.9 100-300

XI Ичигемская горная система 26 107 0.5 11.7 800-1000

Оценка эродируемости восьми основных типов почв Камчатского края показала, что эрозии наименее подвержены подбуры и пойменные почвы. Максимальная эродируемость характерна для почв вулканических областей (фактор эродируемости почв достигает 0.8), занимающих около 40% территории края. Это связано, в частности, с периодическим поступлением на их поверхность вулканического пепла.

На основе обобщения данных о факторах смыва почв на территории Камчатского края выделены 26 эрозионных районов (рис. 3), относительно однородных по условиям формирования стока взвешенных наносов. При относительно небольшой плотности наблюдательной сети основанием для их выделения стала однородность условий формирования стока воды и наносов.

Рисунок 3 - Районы с однородным набором факторов изменения стока взвешенных наносов для рек Камчатского края

В Главе 5 проведено исследование особенностей суточной, внутригодовой и многолетней изменчивости характеристик стока взвешенных наносов.

Внутрисуточная изменчивость стока взвешенных наносов изучена на примере рек, дренирующих склоны и подножия действующих вулканов Камчатки. Изменения характеристик стока взвешенных наносов здесь в

основном определены режимом таяния ледников и снежников, выпадением осадков, формированием потоков воды под слоем русловых отложений.

Синхронный характер изменения мутности и расхода воды (рис. 4) возникает при небольшой противоэрозионной устойчивости рыхлых вулканогенных пород и больших уклонах русла (25-60%о). Максимум расхода и мутности воды приходится на 12:00-18:00 часов. В это время достигает максимальных значений температура воздуха и интенсивность снеготаяния. Максимум мутности воды несколько опережает суточный максимум расхода воды, что связано с особенностями движения волны паводка и закономерной последовательностью в достижении максимальных значений уклонов, мутности воды, скорости течения и расхода воды, транспортирующей способности потока на подъеме волны паводка [Михайлов, 1998; Чалов, 2007]. На спаде паводка ситуация приобретает противоположный характер, что приводит к неоднозначности связи мутности и расхода воды (рис. 5).

зооо

2500 Тг 2000 1500 1000 500

0,4

0,35

О

0,3

3 0,25

ее

О СО 0,2

ч: о 0,15

X

о с« 0,1

0,05

0

О со

о X н

о

21 июл 22 июл 23 июл 24 июл 25 июл 26 июл 27 июл

-расход воды

-мутность воды

Рисунок 4 - Внутрисуточное изменение расхода и мутности воды р. Сухая Елизовская (июль 2012 г.)

Эта закономерность нарушается при отсутствии местного (руслового) источника поступления в поток минеральных частиц. Подобные условия характерны для рек с высокой долей снегового питания (порядка 35-40%), при

наличии на водосборе андезитов, андезито-базальтов и туфов, имеющих повышенную пористость и пониженную относительную плотность. Для небольших водотоков в районах активного вулканизма экстремальное уменьшение мутности воды наблюдается в ночные часы вследствие прекращения стока.

Расход воды, м3/с

Рисунок 5 - Гистерезисная зависимость мутности от расхода воды (р. Сухая Елизовская, июль 2012 г.)

Средние суточные величины мутности воды 5 хорошо согласуются с расходами воды <9. Лишь для Северного гидрологического района Камчатского края, где характерно сплошное распространение многолетнемерзлых пород и грунтов, может наблюдаться несовпадение максимумов и £ [Чалов, 2007]. Для основной территории Камчатского края максимум мутности практически совпадает с максимумом расходов воды.

Внутрисезонные изменения мутности воды 5 соответствуют изменениям расходов воды 2 (рис. 6, 7). Для рек Камчатского края они учитываются 4 типами связи. Увеличению расхода воды обычно соответствует

возрастание мутности воды, а на спаде происходит снижение содержания в воде взвешенных частиц (максимум стока взвешенных наносов опережает при этом дату максимального расхода воды) (рис. 7, II, а). Это связано с тем, что на подъеме половодья или паводка в реке много относительно мелких частиц, на

спаде же основная их часть уже вынесена, поэтому мутность воды оказывается существенно меньше. В отдельные годы и для некоторых рек этот тип зависимости трансформируется в линейный (рис. 6, 1А), экспоненциальный типы (рис. 6, 1Б) или видоизменяется (рис. 7, IV). Наиболее сложный характер между этими переменными характерен для рек в зонах активного вулканизма.

— 0(0 — — ^ПО)

Рисунок 6 - Варианты I типа связи между мутностью и расходами воды

Реки региона отличаются не только по синхронности изменения переменных, их большей или меньшей относительной трансформации, но и по датам начала возрастания и стабилизации мутности, формирования максимальной мутности, продолжительности и интенсивности нарастания и уменьшения мутности, ширине гистерезисных петель в зависимостях 5 = /((?)•

— от — да« — я-по)

Рисунок 7 — Разнообразие (II, III, IV, V) типов связи между мутностью и

расходами воды

Многолетние особенности сезонного изменения стока взвешенных наносов в основном соответствуют многолетним колебаниям водного стока. Основная часть наносов (порядка 90%) на реках Камчатского края формируется в период половодья и мощных паводков. Реки, испытывающие влияние вулканических извержений, в половодье выносят порядка 50% наносов и примерно столько же — в период летне-осенней межени, прерываемой паводками.

Для большинства рек Камчатского края соотношение относительных изменений стока воды и наносов не зависит от водности года. Исключение составляют реки Северного гидрологического района. Для них относительное изменение расходов воды в многоводные годы почти в два раза больше по сравнению с относительным изменением расхода взвешенных наносов. В средние по водности годы относительное изменение расхода взвешенных наносов в период половодья превышает изменчивость относительных расходов воды, а в межень соотношение между переменными приобретает

противоположный характер. В маловодные годы наблюдается синхронное колебание расходов воды и взвешенных наносов.

Многолетние колебания стока взвешенных наносов на территории Камчатского края в основном синхронны с изменениями стока воды. В этих колебаниях выражены две продолжительные фазы увеличения (до конца 70-х -начала 80-х годов) и последующего уменьшения стока наносов. Их наличие характерно для малых, средних и крупных рек региона. Эта закономерность нарушается для рек, испытывающих воздействие вулканических извержений. На рр. Камчатка и Толбачик наиболее существенное увеличение стока наносов произошло после крупнейших в XX в. извержений вулканов Безымянный (1956 г.), Шивелуч (1964 г.), Толбачик (1975-1976 гг.) (рис. 8).

1936 1956 1976 1996 -Камчатка - Большие Щеки -Толбачик - Толбачик

Рисунок 8 - Соответствие среднего годового стока взвешенных наносов и дат извержений вулканов Ключевской группы и вулкана Шивелуч (красные

треугольники)

В шестой главе рассмотрены многолетние закономерности пространственной изменчивости стока взвешенных наносов рек Камчатского края.

Использование большего числа пунктов наблюдений и увеличение продолжительности рядов данных позволило уточнить ранее полученные карты средней мутности и модуля стока взвешенных наносов для территории

Камчатского края [Сток наносов..., 1977]. На новой карте (рис. 9, а) представлено 18 зон с характерным изменением средней многолетней мутности от менее 10 г/м3 до 1000 г/м3 и больше. Выделение большего числа зон оказалось возможным за счет выделения эрозионных районов, однородных по условиям формирования стока взвешенных наносов. При небольшой генерализации эта карта трансформируется в карту изменения модуля стока взвешенных наносов М„ (рис. 9, б), а число районов, однородных по величине модуля стока взвешенных наносов, уменьшается до 13. В пределах Камчатского края средняя многолетняя величина Мк изменяется от 5-10 до 500 т/км2 и больше. Существенное увеличение мутности и модуля стока взвешенных наносов рек характерно для восточных районов полуострова, зоны расположения вулканов (рис. 9, а, б). Максимальная мутность речных вод характерна для района расположения вулканов Ключевской группы. Содержание взвешенных частиц в воде убывает по мере удаления речных бассейнов от зон расположения наиболее активных вулканов.

Рисунок 9 - Районирование Камчатского края по величине средней многолетней мутности воды (а) и модулю стока взвешенных наносов (б)

Относительно редкая наблюдательная сеть не позволяет обосновать эмпирические зависимости модуля стока взвешенных наносов от некоторого комплекса гидрологических и ландшафтных факторов для всех эрозионных районов (рис. 3). Такая возможность реализована лишь для 11 районов Камчатского края с относительно однородными условиями формирования модуля стока взвешенных наносов (рис. 10). Для каждого из них обоснованы регрессионные зависимости для расчета значений модуля стока взвешенных наносов. Для некоторых районов (I, II, III, IV, X) расчеты по приведенным в табл. 2 зависимостям отличает небольшая величина относительных ошибок; они могут рассматриваться в качестве расчетных уравнений. Для остальных районов предложенные зависимости дают первое приближение для величины Мп; они должны уточняться по мере увеличения числа постов и продолжительности наблюдений за стоком наносов.

Рисунок 10 - Районы с одинаковой зависимостью модуля стока взвешенных наносов от определяющих факторов

Таблица 2 — Зависимости для оценки модуля стока взвешенных наносов неизученных рек Камчатского края

Район Зависимость Относительная ошибка расчета, %

I Мд = 1.32^ - 3.24 4.1 - 15.9

II Мд = 235а- 125 Он- 1.6

III Мн = 2Л8М0 + 3.06/ - 223 0.5 -г- 8.5

IV р р Мк = 54.lZ.gF + 7.04/ + 0.74/ + 134-^ - 36.4-? г г - 259 0.3 ч- 20.6

V Мк = 0.34/я - 19.3 5.0+69.0

VI Мд = 0.98М0 - 6.69 20.0 - 700

VII Мд = 3.48^ + 0.033/н - 5.99 0.5+ 143

VIII Мд = 0.247+ 0.28/н - 37.4 1.3+45.5

IX Мд = 39.8а+ 3.477- 17.7 8.0+ 131

X Мд = -0.69/- 0.377- 0.06Мд + 85.4 0.2+7.5

XI Мд = -5.14М0 + 0.039/ + 163 9.6 + 276

средний уклон реки, %о; 7 - средневзвешенный уклон реки, %о; Н - средняя высота водосбора, м; /н - средний уклон водосбора, %о; а - густота речной сети, км/км2; / -залесенность водосбора, %; - притоки, непосредственно дренирующие склоны и подножия действующих вулканов; у - рыхлые вулканические отложения на территории бассейна

При прочих равных условиях средний многолетний расход взвешенных наносов является функцией размера рек. Увеличение площади водосбора, длины рек или их порядка сопровождается возрастанием стока наносов. Средний многолетний расход взвешенных наносов по длине р. Камчатка возрастает в 616 раз.

Сток взвешенных наносов обычно составляет небольшую часть величины потенциального смыва [Сидорчук, 1996]. Расчеты по уравнению Уишмеера-Смита показали (рис. 11, а), что максимальный потенциальный смыв характерен для рек в области современной вулканической активности. Минимальный смыв характерен для областей, сложенных наиболее устойчивыми породами, почвами, с высокими защитными функциями растительного покрова. Изменение коэффициентов выноса наносов

(процентное отношение стока взвешенных наносов к потенциальному смыву) для замыкающих створов рек характеризует рис. 11, б. По длине р. Камчатка увеличение площади водосбора сопровождается уменьшением коэффициента доставки наносов в створах измерений от 15.0 до 0.38%.

Рисунок 11 - Потенциальный смыв (а) и степень его трансформации в сток взвешенных наносов (б) на территории Камчатского края

В Заключении сформулированы основные выводы:

В процессе исследования получены новые научные, методические и прикладные результаты, связанные с формированием и изменением стока взвешенных наносов рек Камчатского края.

1. Впервые для рек региона обоснован состав природных факторов, влияющих на величину и интенсивность водно-эрозионных процессов и условия формирования стока речных наносов. На территории Камчатского края выделено 26 районов с относительно однородными условиями потенциального смыва почв и разрушения горных пород.

2. На основе теории Уишмеера-Смита и современной гидрометеорологической информации выполнена оценка эрозионного индекса

рельефа, осадков, эродируемости почв, фактора защитных свойств растительного покрова. Впервые произведена количественная оценка влияния каждого природного фактора склоновой эрозии на потенциальный смыв минеральных частиц с водосборов Камчатского края. Основными факторами формирования стока взвешенных наносов региона являются рельеф и атмосферные осадки.

3. Для рек исследуемой территории Камчатского края выявлено пространственное распределение коэффициентов доставки наносов. Для р.Камчатка установлено, что при увеличении площади ее бассейна с 12000 до 51600 км2 сток взвешенных наносов соответственно уменьшается в 40 раз по сравнению с объемом потенциального смыва на соответствующей территории.

4. Выполнено новое пространственное обобщение среднемноголетних значений мутности и модуля стока взвешенных наносов рек Камчатского края (за период до 2010 г.). Впервые на исследуемой территории выделено 18 районов, отличающихся по средней многолетней мутности воды. Обоснованы пространственные границы 13 районов с относительно узким диапазоном изменения модуля стока взвешенных наносов (от менее 10 до 500 т/км2 и более).

5. Для пяти районов на территории Камчатского края предложены регрессионные зависимости между величиной модуля стока взвешенных наносов и определяющими факторами, которые обеспечивают приемлемую точность определения этой характеристики для неизученных рек.

6. Для рек Камчатского края характерна фаза повышенного стока наносов, окончившаяся в конце 1970-х - начале 1980-х годов, и пониженного стока в последующие годы. Изменения стока взвешенных наносов и воды носят синхронный характер. Эти закономерности нарушаются в бассейнах рек, находящихся в зоне активного вулканизма. Изменение стока взвешенных наносов во времени зависит от активности вулканов. После крупных

извержений сток взвешенных наносов может возрастать в 5 раз, а мутность воды в русловой сети водотоков на склонах вулканов достигать 600 кг/м3.

7. Закономерности годового, сезонного и суточного изменения стока взвешенных наносов рек Камчатского края определены особенностями их водного режима. Выявлено существование 4 типов S-Q зависимостей, отличающихся по характеру взаимодействия потока и русловых отложений. Наиболее сложный тип зависимости между переменными возникает в руслах рек и ручьев на склонах активных вулканов.

8. При преобладании механизмов естественного пространственного изменения стока взвешенных наносов в пределах Камчатского края есть районы с существенным техногенным увеличением мутности воды. Территориально они совпадают с зонами производства открытых горных работ в долинах рек Корякин. Для некоторых таких рек техногенное увеличение стока взвешенных наносов достигает 25%.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Куксина Л.В., Чалов С.Р. Сток наносов рек с территорий современного вулканизма Камчатки // География и природные ресурсы, 2012. №1. С. 103-110.

2. Kuksina L.V., Chalov S.R. The suspended sediment discharge of the rivers running along territories of contemporary volcanism in Kamchatka // Geography and Natural Resources, 2012. V. 33. №1. P. 67-73.

Публикации в других журналах и сборниках:

1. Алексеевский Н.И., Куксина Л.В. Особенности пространственно-

временной изменчивости стока взвешенных наносов рек Камчатского края // VII всероссийский гидрологический съезд. Сборник научных работ. Санкт-Петербург, 19-21 ноября 2013 г., [электронное издание], CD-ROM.

2. Куксина Л.В., Чалов С.Р. Гидрологический режим рек районов разработок полезных ископаемых (на примере бассейна р. Вывенки,

Камчатский край, Россия) // Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии. Сборник тезисов. Санкт-Петербург, 16-18 ноября 2013 г. С. 98-99.

3. Куксина JI.B. Особенности стока взвешенных наносов рек полуострова Камчатка // Двадцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ижевск, 8-12 октября 2012 г.). Доклады и краткие сообщения. Ижевск, 2012. С. 139-140.

4. Куксина Л.В. К расчету стока взвешенных наносов рек Камчатки // Общие и методические проблемы эрозио- и русловедения. Материалы 9-го семинара молодых ученых. М.: Планета, 2012. С. 165-174.

5. Куксина Л.В., Чалов С.Р. Сток наносов рек районов разработок полезных ископаемых (на примере бассейна р. Вывенки, северо-восток Камчатки) // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей. Тезисы докладов XII международной научной конференции, 14-15 декабря 2011 г. Петропавловск-Камчатский. С. 110-112.

6. Куксина Л.В. Гидрология рек территорий современного вулканизма Камчатки // Материалы Международного молодежного научного форума Ломоносов - 2011. Москва, МГУ им. М.ВЛомоносова, 11—15 апреля 2011 г., [электронное издание], CD-ROM.

7. Куксина Л.В. Сток наносов рек Камчатки. LAP LAMBERT Academic Publishing, Номер ISBN-13: 978-3-8433-2192-1, 2011. 160 с.

8. Куксина Л.В., Чалов С.Р. Гидрологические особенности рек территорий современного вулканизма // XIV съезд Русского географического общества, Сборник научных работ, 11-14 декабря 2010 г., Санкт - Петербург, [электронное издание], CD-ROM.

9. Куксина Л.В., Муравьев Я.Д. Генетический анализ формирования стока «сухих» рек // Лед и снег в климатической системе. Материалы еждународного гляциологического симпозиума, Казань, 31.05.2010-04.06.2010, [электронное издание], CD-ROM.

10. Alekseevsky N.I., Kuksina L.V. The features of suspended sediment yield in rivers in Kamchatka, Far East Russia // Proceedings of the 19th International Northern Research Basins Symposium and Workshop, South-central Alaska, USA -August 11-17, 2013. P. 25-34.

11. Kuksina L., Klimenko E., Muravyev Ya. Volcano-glaciological processes on active volcanoes: river runoff features and their influence on volcanic hazard (Kamchatka, Russia) // Volcano-ice interactions on Earth and other planets, Conference III, Program and abstracts, Anchorage, Alaska, USA - June 18-22, 2012. P. 26.

12. Kuksina L. Hydrological features of "dry" rivers on the territory of active volcanism in Kamchatka // Geophysical Research Abstracts. 9th EGU General Assembly, 2012. Vol.14, #11322, [электронное издание], USB flash drive.

13. Kuksina L. Suspended sediment load below open-cast mines for ungauged river basin // AGU Fall meeting Abstracts, 2011. #2107, [электронное издание], USB flash drive.

14. Kuksina L. Suspended sediment flow features of volcanic territories' rivers // Geophysical Research Abstracts. 8th EGU General Assembly, 2011. Vol.13, #2492, [электронное издание], USB flash drive.

15. Kuksina L., Muravyev Ya., Klimenko E. Lahar danger for Kliuchevskoy volcano massif (Kamchatka) // Geophysical Research Abstracts. 8th EGU General Assembly, 2011. Vol.13, #10039, [электронное издание], USB flash drive.

16. Kuksina L. "Dry" rivers hydrology on the territoiy of active volcanism in Kamchatka // 7th Biennual workshop on Japan-Kamchatka-Alaska subduction processes: mitigating risk through international volcano, earthquake, and tsunami science JKASP-2011, Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS Kamchatkan Branch of Geophysical Service RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, August 25-30, 2011, [электронное издание], CD-ROM.

В печать дата формат 60*90/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл.печ.л. 1,56. Тираж 130 экз. Заказ 197. Типография ОАО НИАТ 115230, Электролитный проезд, д.5б.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Куксина, Людмила Вячеславовна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

04201455958

На правах рукописи

КУКСИНА Людмила Вячеславовна

СТОК ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ РЕК КАМЧА ТСКОГО КРАЯ

Специальность 25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

доктор географических наук,

профессор Алексеевский Н.И.

МОСКВА 2013

Оглавление

Введение............................................................................................................3

Глава 1 Общие вопросы формирования и изменения стока наносов................9

1.1 Речные наносы...........................................................................................9

1.2 Генетические факторы изменения стока наносов...............................................18

Глава 2 Изученность стока взвешенных наносов рек Камчатского края и методы его изучения........................................................................................27

2.1 Изученность стока наносов рек Камчатского края.............................................27

2.2 Методы измерения характеристик стока взвешенных наносов..............................41

2.3 Изучение гранулометрического состава наносов...............................................45

2.4 Расчеты характеристик стока наносов...........................................................48

Глава 3 Гидрологические условия формирования и изменения стока наносов рек Камчатского края....................................................................................59

3.1 Речная сеть региона...................................................................................59

3.2 Водный режим рек....................................................................................66

3.3 Антропогенные изменения гидрологического режима рек...................................79

Глава 4 Формирование стока наносов рек Камчатского края......................83

4.1 Рельеф....................................................................................................83

4.2 Цитологические особенности.......................................................................95

4.3 Климатические факторы............................................................................103

4.4 Почвенно-ботанические факторы.................................................................111

Глава 5 Временные закономерности изменения стока наносов.....................125

5.1 Суточные колебания стока наносов...............................................................125

5.2 Сезонные изменения стока взвешенных наносов..............................................150

5.3 Многолетняя изменчивость внутригодового распределения стока наносов.............163

5.4 Многолетние изменения стока взвешенных наносов..........................................170

Глава 6 Пространственные закономерности изменения стока наносов.........183

Заключение....................................................................................................204

Литература.....................................................................................................206

Введение

Актуальность изучения стока взвешенных наносов рек Камчатского края определена природными особенностями региона и степенью изученности пространственных и временных закономерностей изменения мутности, расходов и модулей стока наносов в пределах территории. Камчатский край - специфический природный регион, для которого характерно сочетание традиционных и необычных факторов формирования стока взвешенных наносов рек, отличающихся по характеристикам водного режима и источникам поступления в реки минеральных частиц. Разнообразие факторов, определяющих специфику эрозионных процессов на водосборах и транспорта продуктов разрушения горных пород по русловой сети, дополняется отсутствием существенной техногенной нагрузки на режим мутности поверхностных вод. Исключение составляют немногочисленные водотоки Камчатского края, находящиеся в зонах производства горных работ. Специфика региона заключается в наличии на его территории многочисленных активных и потухших вулканов. Наличие на их склонах рыхлых вулканогенных отложений создает особые условия поступления минеральных частиц в поверхностные воды, которые ранее не изучались в отечественной литературе. Природные и антропогенные факторы изменения мутности определяют малоизученные для условий Камчатского края закономерности многолетних, внутригодовых и кратковременных флуктуаций содержания в воде минеральных частиц. Их выявление важно для понимания механизмов русловых переформирований, способных ограничивать природопользование на освоенных участках рек, представлять опасность для социальных и производственных объектов в руслах рек и на их берегах. Одновременно они необходимы при определении экологических ограничений для некоторых видов хозяйственной деятельности. Рыбохозяйственный комплекс Камчатского края занимает первое место по вылову водных биологических ресурсов и выпуску рыбной продукции в рыбном хозяйстве Дальнего Востока и Российской Федерации в течение четырех последних лет. Реки региона являются местами нереста многих видов ценных лососевидных промысловых рыб (чавыча, кижуч, кета, нерка, горбуша и др.), развитие популяций которых во многом определено и даже лимитировано мутностью воды [Пешков, 1985]. Неконтролируемое техногенное увеличение мутности способно негативно изменить экологические условия воспроизводства этих видов рыб.

Камчатский край - слабо изученный регион Российской Федерации в отношении стока речных наносов. Последние и наиболее полные обобщения данных по средним многолетним значениям мутности речных вод и модулю стока взвешенных наносов региона относятся к концу 1970-х годов [Ресурсы..., 1973; Сток наносов..., 1977] и не учитывают современных гидрометеорологических условий поверхностного смыва и транспорта минеральных частиц в

речной сети территории. Закономерности межгодовой и внутригодовой изменчивости характеристик стока взвешенных наносов ранее практически не изучались.

Цели и задачи работы. Исследование пространственно-временных закономерностей формирования и изменения стока взвешенных наносов в условиях специфической природы Камчатского края - основная цель диссертационной работы. Достижение цели работы потребовало решения комплекса взаимосвязанных задач:

1) Выделения основных факторов формирования смыва почв и стока взвешенных наносов рек Камчатского края;

2) Количественной оценки влияния ландшафтных условий на смыв почв и разрушение горных пород в рамках теоретической концепции Уишмеера-Смита;

3) Районирования территории Камчатского края по условиям формирования стока взвешенных наносов;

4) Исследования внутрисуточной и синоптической изменчивости мутности воды в русловой сети на склонах камчатских вулканов;

5) Анализа сезонных колебаний мутности воды и расходов взвешенных наносов рек Камчатского края;

6) Изучения многолетней изменчивости характеристик стока наносов рек региона;

7) Характеристики пространственного распределения средней многолетней мутности воды и модуля стока взвешенных наносов;

8) Оценки влияния вулканических извержений на пространственно-временную изменчивость характеристик стока взвешенных наносов;

9) Оценки влияния антропогенных факторов на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.

Объекты, состав и методика исследований. В качестве объектов изучения рассматриваются постоянные и временные водотоки на территории Камчатского края, включающего полуостров Камчатку и бассейны рек, впадающих в Пенжинскую губу (от м.Тайгонос на западе до Рекиннинской губы на востоке), а также в Берингово море (от устья р.Анапка на юго-западе до м. Пятнистый на северо-востоке). Наблюдения за стоком взвешенных наносов охватывают 56 водотоков на территории Камчатского края, причем подавляющая часть постов (73%) располагается в бассейнах малых рек, на большие реки приходится 3% измерительных постов. Продолжительность наблюдений за стоком взвешенных наносов в бассейнах малых рек составляет 6-55 лет, средних - 14-71 год, больших - 52 года.

Изучение географо-гидрологических закономерностей многолетних колебаний мутности и модуля стока взвешенных наносов выполнялось с использованием стандартных методов гидрологических расчетов, метода гидрологического районирования, гидрологической

аналогии, генетического анализа данных стационарных наблюдений за стоком взвешенных наносов на 63 постах УГМС по Камчатскому краю за период с 1940 (год открытия самого первого поста) по 2010 гг. Для выделения эрозионных районов и районов с относительно стабильными характеристиками стока наносов активно привлекались архивные и литературные источники, позволившие реализовать потенциал методов ландшафтной гидрологии. Они позволили использовать методы картографических обобщений в отношении средней многолетней мутности и модуля стока взвешенных наносов с применением программных средств ArcGis 9.3. Для их получения ряды гидрологической информации обрабатывались стандартными статистическими методами. Полученные материалы использованы для создания тематических карт разного масштаба. Эти методы создали предпосылки для подготовки картосхем распределения по территории Камчатского края различных факторов формирования стока взвешенных наносов (противоэрозионной устойчивости почв, эрозионного индекса дождей, запасов воды в снежном покрове, эрозионного индекса рельефа и др.). Цифровая модель рельефа Камчатского края создана на основе данных радарной топографической съемки SRTM (shuttle radar topographic mission) с разрешением 90 м (выполнена в феврале 2000 г.) и спутниковых снимков Aster с разрешением 30 м.

Для изучения сезонных, синоптических и менее продолжительных флуктуаций мутности под влиянием природных факторов и антропогенных нагрузок в работе широко использованы данные экспедиционных работ на реках Камчатского края. Они выполнялись при участии автора в период с 2008 по 2012 гг. В частности, они проводились в долинах водотоков, находящихся в зоне развития активного вулканизма (водотоки Авачинской и Ключевской групп вулканов, вулкана Шивелуч), а также в районе открытой разработки месторождений россыпной платины Сейнав-Гальмоэнанского горного узла (Корякское нагорье, бассейн р. Вывенка). Гидрологические наблюдения на реках этого района автором выполнены в 2008 и 2011 гг. в составе совместных экспедиций кафедры гидрологии суши МГУ имени М.В. Ломоносова (МГУ) и Всероссийского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). Изучение быстрых флуктуаций мутности воды в руслах водотоков, стекающих с вулканов Авачинской и Северной групп вулканов, проводилось автором в составе экспедиции МГУ и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (ИВиС ДВО РАН) в 2009-2012 гг. Для анализа результатов этих работ использованы генетические подходы к оценке изменения содержания в воде минеральных частиц.

Научная новизна работы: • Впервые для рек Камчатского края произведена количественная оценка факторов формирования стока взвешенных наносов (рельефа, литологии горных пород, вулканизма, климатических факторов, почвенно-ботанических условий, стока воды). На

территории края выделено 26 эрозионных районов, относительно однородных по водно-эрозионным условиям, и 11 районов с примерно одинаковыми условиями формирования стока взвешенных наносов;

• На основе теоретической концепции Уишмеера-Смита и современных гидрометеорологических данных произведена оценка потенциального смыва с поверхности водосборов рек Камчатского края;

• Определена величина трансформации продуктов разрушения горных пород в сток взвешенных наносов (коэффициента доставки наносов) для всех постов по наблюдению за стоком взвешенных наносов на реках Камчатского края. Изучена зависимость коэффициента доставки наносов от площади водосбора для р. Камчатка;

• Выявлены современные закономерности пространственного распределения средней многолетней мутности и модуля стока взвешенных наносов рек региона;

• Установлены закономерности многолетних изменений характеристик стока взвешенных наносов рек Камчатского края;

• Впервые произведен детальный анализ особенностей сезонных колебаний мутности воды и расходов взвешенных наносов рек региона;

• Выделены закономерности внутрисуточной и синоптической изменчивости мутности воды в русловой сети на склонах камчатских вулканов;

• На примере районов разработки россыпных месторождений платины в Корякин произведена оценка воздействия хозяйственной деятельности на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.

Основные защищаемые положения:

> Закономерности пространственно-временной изменчивости характеристик стока взвешенных наносов рек Камчатского края в основном формируются под влиянием природных факторов, определяющих величину потенциального смыва и степень трансформации продуктов разрушения горных пород в сток наносов;

> Потенциальный смыв минеральных частиц на территории Камчатского края значительно превышает сток взвешенных наносов в речной сети. Степень трансформации продуктов разрушения горных пород в сток наносов уменьшается с увеличением площади водосбора;

> Закономерные флуктуации характеристик стока взвешенных наносов на реках Камчатского края прослеживаются в разных масштабах времени и обусловлены влиянием несовпадающих наборов природных факторов;

> Антропогенное изменение мутности воды на большинстве рек региона незначительно. Исключение составляют участки рек в районах производства горных работ.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных научных результатов для оптимизации структуры гидрологического и геоэкологического мониторинга окружающей среды, определения направленности и интенсивности русловых процессов на освоенных участках речных долин, оценки влияния природных факторов и хозяйственной деятельности (горных работ) на условия воспроизводства рыбных ресурсов региона.

Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении проектов «Мониторинг воздействия геологоразведочных работ и разработки россыпной платины на условия воспроизводства и состояние рыбных запасов в бассейне р. Вывенки» (2008, 2011 гг.) и «Рыбохозяйственный мониторинг бассейна р. Фальшивой» (2008 г.), выполненных Федеральным агентством по рыболовству Российской Федерации и КамчатНИРО - ВНИРО. Они также учтены при разработке программы эксплуатационной разведки Елизовского месторождения питьевых подземных вод для ООО «Елизовский водоканал» (контракт географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 2011 г.). Результаты районирования Камчатского края по природным факторам формирования стока наносов вошли в научный отчет географического факультета МГУ по проекту ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение № 8342 с Минобрнауки РФ) «Мониторинг водных объектов и прогнозирование гидрологических процессов (2012-2013 гг.). Они также нашли отражение в научных отчетах по инициативным проектам РФФИ: «Генетический анализ пространственно-временной изменчивости гидрологических ограничений для природопользования на территории России» (проект № 09-05-00339-а), «Закономерности изменения гидрологического состояния и режима рек при их слиянии и делении на рукава» (проект № 12-05-00069-а), «Вулкано-гляциальные процессы на действующих вулканах: особенности речного стока и связанная с ним вулканическая опасность (Камчатка, Россия)» (проект № 12-05-09282-моб_з), а также гранта МК-2857.2012.5 («Природные и техногенные закономерности изменения стока наносов по длине речных систем», 2012 г.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на VII Гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2013); конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, 2013 г.); XIX симпозиуме по проблемам изучения бассейнов северных морей (Аляска, США, 2013); семинаре школы по гидрологическому моделированию (Кобленц, Германия, 2012); XXVII пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (МНКС, Ижевск, 2012); III Международной конференции по вопросам вулкано-гляциального взаимодействия на Земле и других планетах (Анкоридж, США, 2012); VII научном семинаре молодых ученых ВУЗов, объединяемых МНКС (Волгоград, 2012);

семинарах вулканологических школ (Аляска, США, 2012; Камчатка, 2011); IX и VIII Генеральных ассамблеях европейского географического общества (Вена, Австрия, 2012, 2011); XI Международной научной конференции «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (Петропавловск-Камчатский, 2011); семинаре летней школы Итало-Российского института (Палермо, Сицилия, 2011); VII международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (Петропавловск-Камчатский, 2011); XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011» (Москва, МГУ, 2011); XIV Съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2010); Международном гляциологическом симпозиуме (Казань, 2010).

Результаты исследований опубликова