Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Структура временных и постоянных водотоков в речных бассейнах центра ЕТР, Западной Сибири и Западного Тянь-Шаня

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Структура временных и постоянных водотоков в речных бассейнах центра ЕТР, Западной Сибири и Западного Тянь-Шаня"

московский государственный университет

имени м.в. ломоносова Географический факультет

На правах рукописи

005013163

МУР АКАЕВ Руслан Рафикович

УДК 556.522

СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ И ПОСТОЯННЫХ ВОДОТОКОВ В РЕЧНЫХ БАССЕЙНАХ ЦЕНТРА ЕТР, ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ЗАПАДНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 2 мдр 2072

Москва-2012

005013163

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

Научный руководитель: АЛЕКСЕЕВСКИЙ Николай Иванович

доктор географических наук, профессор

Официальные оппоненты: ЯСИНСКИЙ Сергей Владимирович

доктор географических наук

БОНДАРЕВ Валерий Петрович

кандидат географических наук, доцент

Ведущая организация Курский государственный университет

Защита состоится «29» марта 2012 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, дом 1, МГУ, географический факультет, ауд. 1801 (e-mail: secretary@geogr.msu.ru).

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

Автореферат разослан «20» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Талые и дождевые воды на поверхности водосборов формируют вещественные потоки, которые испытывают сложные пространственные изменения вследствие эрозионно-аккумулятивных процессов и постепенного увеличения их размера под влиянием конвергенции (сходимости) водных потоков. При этом образуется и эволюционирует сложная иерархически соподчиненная (каскадная) система «транспортных» сетей. Ей соответствует древовидная структура временных и постоянных водотоков - водно-эрозионная сеть речных бассейнов. Изучение структурных особенностей этой сети, подобия и отличий систем организации временных и постоянных водотоков в разных природных условиях, закономерностей изменения их гидрографических характеристик - хорошо известная и пока не решенная научная проблема геоморфологии и гидрологии, теории функционирования эрозионно-аккумулятивных систем.

Наиболее детально изучены закономерности строения русловых систем и соподчинения рек разного размера (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 2004, 1996; Гарцман, 1968, 1973; Карасев, 1984; Кичигин, 2003; Корытный, 2001; Косицкий, 1999, 2002; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Перевозщиков, 1998; Ржаницын, 1960, 1985; Рош, 1971; Симонов, Кружалин, 1992, 1998; Симонов, Симонова, 2003; Хортон, 1948; Чалов, 1979; Strahler, 1952). В гораздо меньшей степени исследованы особенности структуры овражно-балочных водосборов (Бондарев, 1996, 1997, 2010; Бондарев и др., 2000; Бутаков и др., 1997; Голосов, 2006; Еременко, Панин, 2010; Зорина, 2000, 2006; Ковалев, 2011; Маккавеев, 1955; Маккавеев, Чалов, 1984; Назаров, 2000; Рысин, 1998; Foster, 2005). Еще меньше работ, в которых рассматриваются проблемы структурной организации временных потоков воды на склонах речных бассейнов (Бефани, 1958; Бронгулеев, 2011; Будник, 2007; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002; Маккавеев, 1955; Погорелов, Думит, 2009; Willgoose, Rodriguez-Iturbe, 1991). В рамках этих исследований разработаны способы определения структурного положения отдельных водотоков в их общей иерархии, определения различий этих водотоков по порядку, устанавливающему структурное положение и размер конкретного

водотока относительно других элементов водно-эрозионной сети. Выявленные закономерности структурной организации систем водотоков (рек, водотоков в овражно-балочной сети, микроручейков на склонах) характеризуют конкретные звенья водно-эрозионной сети территории. В этой связи научное обоснование способов сопряжения всех элементов каскадной структуры временных и постоянных водотоков на единой физической основе является актуальной научной и практической задачей.

Цель диссертационной работы - научное обоснование методов сопряжения временных и постоянных водотоков в каскадной водно-эрозионной сети речных бассейнов и исследование закономерностей изменения стока воды на склонах, в овражно-балочной и речной сети водосборов в различных природных условиях.

Объект исследования - временные и постоянные водотоки речных бассейнов и их системы. Предмет исследования - закономерности структурной организации водотоков в каждом звене водно-эрозионной сети территории и их сопряжения в разных природных условиях.

Для достижения цели диссертационного исследования потребовалось решить следующие задачи:

- выполнить анализ форм организации вещественных потоков на поверхности суши;

изучить особенности формирования и эволюции элементов микроручейковой сети на склонах;

- разработать математическую модель для исследования механизма формирования микроручейковой сети на склонах;

- провести анализ результатов исследований структуры овражно-балочной сети с учетом ее формирования и эволюции;

- изучить технологии формализации соподчиненных элементов речной сети и оценить их эффективность;

- создать (на общей физической основе) метод определения «размера» каждого элемента водно-эрозионной сети речных бассейнов и их сопряжения; оценить эффективность созданной методики для изучения структурной организации временных и постоянных водотоков в разных природных условиях.

Материалы и исходные данные. Информационной основой диссертации стали данные из справочников «Гидрологическая изученность», «Основные гидрологические характеристики». Это позволило определить структурное положение рек разного размера в русловой сети центральной части ЕТР (бассейн оз. Ильмень, pp. Москва и Клязьма), Западного Тянь-Шаня (бассейны pp. Чирчик и Ахангаран), Южного Зауралья (верховья р. Тобол). Для изучения структуры водотоков в овражно-балочной сети, изучения соотношений между площадью их водосборов и характерными расходами воды использованы результаты наблюдений на Валдайской и Подмосковной водно-балансовых станциях, а также материалы экспедиционных исследований сотрудников Лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева (географический факультет МГУ). Для обоснования параметров модели формирования микроручейковой сети автором выполнены полевые работы в Калужской области (водосбор р. Протва, д. Сатино), на склонах долины р. Ока (Озернинский район Московской области), в долине р. Раменка (г. Москва), в районе г. Весьегонск (Рыбинское водохранилище).

Теоретическую основу исследования составили научные представления отечественных и зарубежных ученых в области формирования стока на склонах (Бефани, 1958; Голосов, 2006; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002), в овражно-балочной (Бондарев, 2010; Бондарев и др., 2000; Зорина, 2006; Рысин, 1998; Foster, 2005) и речной сети водосборов (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 2004; Гарцман, 1973; Динамическая геоморфология, 1992; Карасев, 1984; Корытный, 2001; Косицкий, 1999; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Ржаницын, 1960; Хортон, 1948; Чалов, 1979; Strahler, 1952). Ключевое значение имела концепция «условных порядков», разработанная в работах (Алексеевский и др., 1996; Алексеевский, Соколова, 1999).

В работе использованы методы: - гидролого-географических обобщений, позволивших выявить зональные закономерности формирования факторов и структурных характеристик водно-эрозионных систем;

математического моделирования структуры микроручейковой сети на склонах;

статистического анализа зависимостей между порядками водотоков, площадями их водосборов и характерными расходами воды, результатов математического моделирования;

экспериментальных исследований процесса водной эрозии на склонах для определения условий формирования систем временных водотоков при небольшой размывающей способности временных водных потоков;

- натурных исследований микрорельефа склонов и формирования поверхностного стока в верхних звеньях водно-эрозионной сети водосборов. На защиту выносятся:

представления о формировании на поверхности речных бассейнов сети сопряженных временных и постоянных вещественных потоков - каскадной системы, состоящей из множества иерархически соподчиненных систем водотоков;

- закономерности формирования структуры микроручейков (временных нерусловых потоков воды) при изменении состояния и микрорельефа склонов;

- выводы о зависимости структуры временных русловых потоков в овражно-балочной сети от ландшафтных условий территории, этапа эволюции и площади водосбора овражно-балочных форм;

- результаты анализа эффективности подходов к формализации структуры речной сети;

методология сопряжения временных нерусловых, временных русловых и постоянных русловых потоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов;

- оценки эффективности использования концепции условных порядков при проведении процедуры сопряжения элементов водно-эрозионной сети речных бассейнов в различных природных условиях.

Научная новизна исследования. В работе впервые рассмотрены особенности структуры всей водно-эрозионной сети водосборной территории, а не только ее отдельных звеньев: систем нерусловых временных потоков на склонах, временных и (или) постоянных русловых потоков в овражно-балочной сети, рек разного размера. Для каждого из этих звеньев проведен критический анализ подходов к формализации их структуры и установлены пределы применения этих подходов. Разработана математическая модель формирования микроручейковой сети на

склонах, позволяющая оценить главные закономерности формирования сети эфемерных потоков в зависимости от уклона, длины и микрорельефа поверхности склонов. Научно обоснована и реализована оригинальная методика сопряжения временных и постоянных водотоков, образующих водно-эрозионную сеть водосборов. Доказано, что она в одинаковой мере эффективна для формализации структуры водотоков в условиях равнинных и горных территорий, речных бассейнов, находящихся в разных климатических зонах.

Практическая значимость исследования определена возможностью использования полученных научных и методических результатов для изучения и количественной оценки процессов формирования и трансформации вещественных потоков от приводораздельных участков речных бассейнов до впадения рек в приемные водоемы. Созданная в работе технология сопряжения всех типов водотоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов создает предпосылки для изучения физики процессов транспорта разных видов вещества в конкретных звеньях эрозионно-аккумулятивной системы водосборов. Она полезна для изучения масштабных эффектов изменения гидрографических, осредненных гидрологических и морфодинамических характеристик временных и постоянных водных потоков в зависимости от их места в структурной организации водно-эрозионной сети территории. Практическое и методическое значение имеет созданная в работе математическая модель формирования структуры микроручейков на склонах, а также технология определения условных порядков временных и постоянных водотоков с учетом региональных условий формирования характерных расходов воды.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались на XXIV (Барнаул, 2009) и XXV (Астрахань, 2010) межвузовских координационных совещаниях по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ; на Всероссийской конференции «VI Щукинские чтения: Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты» (Москва, 2010), на научном семинаре кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ (Москва, 2011). Часть научных результатов диссертанта использована в научных отчетах по гранту РФФИ «№ 09-05-00339 «Генетический анализ пространственно-временной изменчивости гидрологических ограничений для природопользования», а

также по гранту президента России для ведущих научных школ Роснауки (НШ-4964.2008.5) «Генезис изменений режима водных объектов и закономерностей гидрологических процессов».

Публикации. Итоги исследований изложены в 8-ми научных работах, из них 3 статьи в журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией и 5 работ в сборниках материалов конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 197 страницах, включает 83 рисунка, 30 таблиц и список литературы из 138 источников.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ за помощь в подготовке диссертационного исследования. Особая признательность диссертанта д.г.н. Г.А. Ларионову, Л.Ф. Литвину, проф. P.C. Чалову, к.г.н., доц. A.M. Алабяну, П.В. Ефремову, В.А. Жуку, Н.Л. Фроловой, С.Н. Ковалеву, А.Г. Косицкому, О.М. Пахомовой, инж. М.И.Гуровой, асп. Д.П. Нестеренко, оказавшим поддержку и давшим ценные советы по разным аспектам проведения научного исследования, помогавшим в организации и проведении полевых исследований. Автор также глубоко признателен сотрудникам кафедры гидрологии суши Национального университета Узбекистана и Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института: проф. Г.Е. Глазырину, Г.Н. Трофимову, Ф.Х. Хикматову, к.г.н. М.Г. Глазыриной за содействие в определении темы исследования и в разработке отдельных разделов работы. Автор благодарит проф. A.M. Гареева (Башкирский госуниверситет), В.А. Земцова (Томский госуниверситет), сотрудников Валдайской ВБС A.B. Кокорева и А.Ю. Виноградова и Подмосковной ВБС - И. Н. Гапонова - за предоставленные фактические данные по условиям формирования стока воды в разных климатических зонах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказана актуальность темы, отмечена ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, определены цели и задачи исследований и положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены теоретические аспекты организации систем потоков вещества и энергии на поверхности суши. Выделены различные масштабы (от планетарного до локального) таких систем. Доказана взаимосвязь и иерархичность систем организации потоков воды, наносов, растворенных веществ, соподчиненность их функционирования в рамках глобального, регионального и бассейнового влагообмена.

Основное внимание уделено анализу организации потоков воды в пределах речных бассейнов и связанных с этими потоками линейных эрозионных форм рельефа (табл. 1). В речном бассейне происходит трансформация атмосферных осадков в поверхностный сток, под влиянием которого возникает иерархическая древовидная структура эрозионно-аккумулятивных форм рельефа в пределах водосбора. В ней выделяются три звена (Маккавеев, 1955): временные нерусловые, русловые потоки и реки (постоянные русловые потоки). Совокупность этих потоков можно рассматривать в качестве каскадной водно-эрозионной сети, в пределах которой периодически или постоянно осуществляется перенос потоков вещества и энергии. Различия между временными нерусловыми, временными русловыми потоками и реками отражают закономерные изменения их размеров (водоносности), обусловленных процессами концентрации и дивергенции водных потоков (Курдюмов, 1977).

Основным фактором развития водно-эрозионной сети является сток воды. Чем больше потоки воды, формирующиеся в элементах водно-эрозионной сети, тем больше гидрографические и морфометрические характеристики соответствующих элементов в иерархии эрозионно-аккумулятивных форм рельефа поверхности участка суши. Верно и обратное утверждение: характерные расходы воды, возникающие в пределах частных водосборов нелинейно возрастают при увеличении их площади. Особенно жестко площадь водосбора ^ лимитирует величину максимального расхода воды Qтах. Зависимость Qmax = /(/•) имеет зональный характер и определяется соотношением приходных и расходных

составляющих уравнения водного баланса (Евстигнеев, 1990). При постоянной площади водосбора переход от условий избыточного увлажнения к аридным территориям сопровождается уменьшением нормы стока (F= const). Расходы воды, формирующиеся в различных зональных условиях, могут отличаться в 5-300 раз и более (Косицкий, 1999). Это обстоятельство эффективно учитывают зависимости, рекомендованные для определения величины максимального стока с водосборов неизученных рек (Соколовский, 1968; Евстигнеев, 1990; Комлев, 2002).

Таблица 1. Элементы иерархии флювиального рельефа территорий и типы стока (Бондарев, 2010) (с изменениями и дополнениями автора)

№ Формы флювиального рельефа Характерная длина, км Тип стока

1 отдельные неровности, агрегаты и частицы на склонах <0,0001 временный, нерусловой

2 микрорельеф на склонах 0,0001-0,001 временный, нерусловой

3 микроручейковые понижения поверхности склонов 0,001-0,01 временный, нерусловой или русловой

4 лощины 0,01-0,1 временный, нерусловой или русловой

5 овраги 0,1-1 временный, русловой

6 балки 1-10 временный или постоянный, русловой

7 долины малых рек 10-100 постоянный, русловой

8 долины средних рек 100-1000 постоянный, русловой

9 долины больших рек 1000-2000 постоянный, русловой

10 долины крупных рек 2000-4000 постоянный, русловой

11 долины крупнейших рек >4000 постоянный, русловой

Анализ выполненных ранее исследований показал, что между различными гидрографическими характеристиками водосборов существуют устойчивые статистические связи. Наиболее четко выражена зависимость типа Ь = к!^, в которой Ь - длина водотоков, а Т7-площадь их водосборов. Определенные автором эмпирические коэффициенты к и Е, для ряда малых водосборов центра ЕТР равны соответственно 0,66 и 2,09. Их величина хорошо согласуется с результатами более ранних исследований (к =0,56 и Ъ, = 1,36) (Нежиховский, 1971).

Характеристики элементов водно-эрозионной сети водосбора зависят от их структурного расположения в пределах сети. Анализ предшествующих исследований по выявлению сути этой зависимости (Алексеевский и др., 2004; Глазырина, Муракаев, 2001; Нежиховский, 1971; Ржаницын, 1960) показал, что они в основном были ориентированы на поиск соответствий между переменными для

изолированных звеньев водно-эрозионной сети (микроручейковой, овражно-балочной и речной сети). Отсутствие общего подхода к анализу зависимости между структурным положением элемента водно-эрозионной сети водосборной территории, его гидрографическими и стоковыми характеристиками препятствует выявлению закономерностей трансформации вещественных потоков при переходе от склонов водосборов к устьям рек.

Во второй главе работы рассмотрены особенности формирования и эволюции сети временных потоков на склонах, основные факторы, влияющие на образование и трансформацию склонового стока. Проведено обобщение и анализ существующих подходов к классификации и формализации элементов структуры склоновых потоков. Создана математическая модель формирования структуры микроручейковой сети на склонах. Результаты моделирования сопоставлены с натурными системами организации склоновых потоков.

Склоновый сток возникает как следствие комплекса процессов гидрологического цикла (Бефани, 1949; Виноградов, 1988; Кучмент, 2008; Кучмент и др., 1983). Климатические условия определяют величину осадков, режим их поступления на поверхность склона, а также потери влаги на испарение. Морфометрические характеристики склона обусловливают особенности распределения поля градиентов силы тяжести в пределах склона, направление стекания формирующихся водных потоков (Ларионов, 1993; Литвин, 2002; Погорелов, Думит, 2009), их энергетические параметры. От интенсивности поступления осадков, водопроницаемости грунтов и их устойчивости к размывающему воздействию водных потоков зависит направленность и скорость эрозионно-аккумулятивных процессов. Значительное влияние на процессы формирования склонового стока и структуру водных потоков на склонах оказывают длина (LCK) и уклон (/ск) склона (Ларионов, 1993), а также наличие и состояние растительности на его поверхности (Швебс, 1974).

Структурность (свойство воды объединяться в струи и микроручейки) -характерная черта склонового стока (Бефани, 1958; Караушев, 1972; Литвин, 2002; Маккавеев, 1955; Эрозионные..., 1984). Она приводит к значительному увеличению эродирующей способности стекающих вод и формированию древовидной микроручейковой сети. В верхней части склонов ее формирование происходит на

некотором расстоянии от водоразделов, при превышении некоторой площади дренирования (Хортон, 1948; Маккавеев, 1955). Лимитирующая площадь дренирования зависит от физико-географических условий формирования стока н морфометрических характеристик склонов. Структура микроручейковой сети в значительной степени определена микрорельефом склонов (Маккавеев, 1955). В общем случае ее возникновение имеет вероятностный характер (Литвин, 2002). На обрабатываемых землях микроручейковая сеть возникает под влиянием упорядоченности расположения неровностей рельефа распаханных склонов, обусловленной типом распашки земель.

В структуре склоновых потоков выделяют ручьи 4-х типов (Караушев, 1972). К ручьям первого типа относятся элементарные струйки воды между повышениями и понижениями поверхности склона. Ручьи второго типа возникают при слиянии ручьев первого типа. Они перемещаются в так называемых «эфемерных» руслах. Слияние ручьев второго типа приводит к образованию ручьев третьего типа. Они имеют эфемерное русло, совпадающее с естественными понижениями рельефа. Ручьи четвертого типа имеют постоянные русла и соответствуют постоянным или временным водотокам в овражно-балочной сети территории.

Изучение структуры микроручейковой сети затруднено эпизодичностью ее возникновения и малыми размерами склоновых потоков. Для преодоления этой проблемы можно использовать математическое моделирование процессов формирования микроручейковой сети, основанное на моделях рельефа склона (Бронгулеев, 2011; Лурье, Лурье, 2010; Willgoose et al, 1991). В диссертации для этой цели реализована оригинальная авторская модель этого процесса (Муракаев, 2002,2011), блок-схема алгоритма которой представлена на рис. 1.

Модель позволяет воспроизводить структуру систем временных водных потоков для конкретных природных условий. Обработка результатов моделирования позволила оценить влияние основных определяющих факторов на формирование структуры сети временных водотоков на склонах. Установлено (рис. 2), что сложность возникающей ручейковой сети (ее порядок по системе H.A. Ржаницына (1961)) зависит от степени генерализации рельефа склона (размера ячейки расчетной сетки а). Увеличение линейной характеристики а приводит к уменьшению числа узлов слияния ручьев разного размера, соответствующему

сокращению числа изолированных ручейковых систем на склоне (рис 2, А), упрощению сложности структуры временных водотоков на склонах.

Рис. 1. Блок схема алгоритма модели формирования микроручейковой сети

Число ручейковых систем ЛГРС сложным образом изменяется в зависимости от рельефа склона (фактора всхолмленности Ад) (рис. 2, Б). В диапазоне малых значений Дл (0,25 + 0,75) увеличение Дд сопровождается незначительным сокращением числа ручейковых систем, а при Дл > 0,75 их количество быстро возрастает. При близких к нулю значениях Дд рельеф склона представляет собой практически ровную наклонную поверхность, на которой формируется множество почти параллельных изолированных прямолинейных потоков, ориентированных по направлению от водораздела к подножью склонов. При возрастании Дд увеличивается расчлененность рельефа и вероятность слияния некоторых ручейковых потоков. Они образуют ручейковые сети, число которых меньше по сравнению с числом параллельных изолированных потоков. Дальнейшее увеличение Ак приводит к образованию более расчлененного рельефа и к возникновению все большего числа изолированных ручейковых систем.

Переход от плоскостного стока к струйчатым потокам происходит при достижении некоторой критической величины расхода воды ()к, соответствующего началу процесса формирования ручейков первого типа по А.В. Караушеву (1972). При больших значениях водопоступления <2 в отдельную ячейку сетки граница возникновения ручейковой сети смещается вверх по склону, а ее густота увеличивается (рис. 2, В). При увеличении 0 в 10 раз (с 0,0002 до 0,002 л/с) густота сети временных водотоков увеличивается почти в 6 раз (с 0,34 до 1,98 м/м2).

А Б В

Рис. 2. Изменение параметров ручейковой сети на склонах в зависимости от условий обводнения и рельефа склонов (по результатам численных экспериментов; принятые обозначения даны в тексте) А: Л^ =/(«); Б: Л^ = £(ЛЯ); В: ¿> = п(&)

Третья глава посвящена особенностям стока в овражно-балочных сетях, закономерностям формирования и развития их структуры, анализу процессов трансформации временных или постоянных вещественных потоков в иерархии овражно-балочных форм рельефа.

Овражно-балочная сеть сложным образом сопрягается с микроручейковой сетью на склонах и с речной сетью водосборов. Большая часть элементов овражно-балочной сети периодически и на относительно короткое время служит каналами транзита дождевых и талых вод. В этом процессе участвуют разнообразные эрозионные формы (Голосов, 2006; Зорина, 2006; Маккавеев, 1955; Рысин, 1998), генезис которых определен особенностями взаимодействия водных потоков и поверхности водосбора.

Совокупность овражно-балочных форм, участвующих в организации транзита временных или постоянных потоков воды разделяется на две категории: современные (активно развивающиеся) и реликтовые (древние), не изменяемые современными водными потоками (рис. 3). Активно развивающиеся эрозионные формы относят к овражной, а реликтовые формы - к суходольной сети (Ржаницын, 1960). Овражную сеть образует иерархия эрозионных форм, образованная размоинами, вымоинами, промоинами и оврагами, а суходольную сеть образуют ложбины, лощины, балки и суходолы (Рысин, 1998).

Овражно-балочные сети имеют древовидный иерархически соподчиненный характер структуры. Их топология схематизируется направленным (ориентированным) графом. Усложнение графа сопровождается закономерным изменением гидрологических (и гидрографических), морфометрических, гидравлических и др. характеристик временных и постоянных водотоков. Иерархическое положение конкретной эрозионной формы в структуре овражно-

балочной сети в значительной мере устанавливает подобие ее характеристик в различных сопоставляемых системах оврагов и балок. Для определения этого положения используют схемы кодирования водотоков В.И. Философова-А.Н. Стралера, H.A. Ржаницына и др. (Бондарев, 1998). В этом случае элементами первого порядка в суходольной сети эрозионных форм принимаются ложбины, а для овражной сети - промоины. Каскадное увеличение порядкового номера элемента овражно-балочной сети сопровождается масштабными эффектами изменения их гидрологических характеристик.

Рис.3. Типизация овражно-балочных форм рельефа (по (Рысин, 1998), с дополнениями и

изменениями автора)

Число овражных водосборов, соответствующее последовательному увеличению их порядков, достаточно хорошо согласуется с «идеальным» соотношением «1-312-51», установленным Ю. Г. Симоновым (Динамическая геоморфология, 1992). Коэффициенты масштабных изменений 7}, характеризующие изменение числа и протяженности овражно-балочных форм рельефа при каждом последовательном увеличении их порядка, в центральной части Русской равнины близки к аналогичным коэффициентам для речных сетей (Бондарев и др., 2000; Зорина, 2006; Ржаницын, 1960). При увеличении порядка водотока в овражно-балочной сети на единицу длина овражно-балочной сети возрастает примерно в 2 раза. В условиях бедлендов Французских Альп коэффициенты масштабных изменений площадей

водосборов для элементов овражно-балочной сети изменяются соответственно в диапазоне 0,5-4,1, а для их длин - 2} = 0,4^8,3 (Бондарев, 2006).

Морфометрические характеристики оврагов и балок связаны с размерами водных потоков, формирующихся в пределах их водосборов (Зорина, 2000). Наиболее тесная связь существует между длиной эрозионной формы и площадью ее водосбора (Бондарев, 1996; Зорина, 2006). Она описывается нелинейной возрастающей функцией ^ = кЬгде к и и - эмпирические коэффициенты. Статистическая теснота связи между рассматриваемыми характеристиками зависит от этапа развития эрозионной формы. Для этапа стабильного состояния оврагов их характеристики однозначно связаны с площадью их водосборов (Рысин, 1998). Активно развивающиеся овражные формы относительно быстро изменяют длину вследствие регрессивной эрозии. Поэтому одинаковой площади водосбора активных оврагов в разные периоды времени может соответствовать разная длина.

Усредненные характеристики стока временных потоков являются функцией площади водосборов оврагов и балок (рис. 4, А). Вид этих функций изменяется в зависимости от зональных физико-географических условий и сочетания местных факторов. Местные условия могут нарушать однозначность зависимости между расходами воды в элементах овражно-балочной сети и площадью их водосборов. Характерные расходы воды (для временных водотоков - максимальные расходы воды) возрастают по длине овражно-балочных сетей (Зорина, 2006). Чем меньше площадь водосбора, тем больше влияние этих условий на изменчивость расходов воды (рис. 4, Б). Эта закономерность обусловлена постепенным увеличением роли местных особенностей при уменьшении площади овражно-балочных водосборов. В частности, их влияние сводится к изменению доли атмосферных осадков, выпадающих на поверхность водосбора, просачивающихся в подземные водоносные горизонты, располагающиеся ниже тальвега оврага.

В четвертой главе изучена структура постоянных русловых потоков, выявлены закономерности ее организации, выполнен анализ вариантов формализации элементов речной сети. Рассмотрены особенности изменения составляющих стока по длине постоянных водотоков, оценены масштабные эффекты этого процесса в разных природных условиях и в зависимости от относительного положения водотоков в иерархии рек водосборных территорий.

А Б

Рис. 4. Зависимость многолетних средних расходов воды £}ср (А) и коэффициентов вариации С„ среднегодовых расходов воды (Б) от площадей водосборов логов Валдайской водно-балансовой станции ^

Речная система - это совокупность рек данной территории. Она возникает под влиянием эндогенных и экзогенных процессов и изменяется во времени (Морфоструктурный анализ..., 1979). При благоприятных литологических условиях речная сеть возникает, если среднее годовое количество осадков в умеренной зоне превышает 250 мм, в субтропиках - 500, в тропиках - 700-1000 мм (Работа водных..., 1987). При доминировании на водосборах трудноразмываемых пород речные системы не возникают или упрощены даже в зоне достаточно влажного климата.

Речные сети образованы совокупностью иерархически соподчиненных (вложенных) систем главной реки и ее притоков. Системообразующим фактором, объединяющим все звенья речной сети, является речной сток. В одинаковых ландшафтных условиях составляющие речного стока нелинейно возрастают с увеличением площади водосбора F (Алексеевский и др., 2004). Объем поступления воды на поверхность речного бассейна ¥а в одинаковых климатических условиях практически однозначно связан с площадью водосбора Р, а параметры зависимости К = ДР) - константы. Для больших периодов осреднения это означает, что водоносность рек (норма стока £?о) - также функция площади их водосборов (Евстигнеев, 1991; Маккавеев, 1955; Соколовский, 1968).

Площадь водосбора определяет степень трансформации осадков, поступающих на поверхность речного бассейна, в сток на нижней границе участка реки. Увеличение площади водосбора соответствует увеличению естественной зарегулированное™ стока, устранению в колебаниях стока изменений, соответствующих влиянию нестабильных метеорологических условий. Это обстоятельство обусловливает зависимость амплитуды колебаний стока от площади

бассейна и его географического расположения (Кочерин, 1932). При этом теснота связи = Д/7) различна для расходов различной обеспеченности: минимальных, средних, максимальных (табл. 2). Наиболее тесно с площадью водосбора связаны осредненные за многолетний период средние суточные расходы воды и их максимальные значения. В горных бассейнах теснота статистической связи между переменными снижается, что обусловлено характером изменения в горах естественной зарегулированности стока по сравнению с равнинными водосборами (Фролова и др., 2010).

Таблица 2.Корреляционные матрицы для оценки зависимости между характерными расходами воды и площадями водосборов рек в разных природных условиях

Характеристики йсу..™« Qcy^. ср £?суг. тт Qmax <2шп

Бассейн р. Пола

Г 1 - - - - -

£?сут. тах 0,9807 1 - - - -

С?сп. со 0,9943 0,9949 1 - - -

0,7270 0,7713 0,7663 1 - -

е„„ 0,9729 0,9633 0,9698 0,6475 1 -

вш 0,5555 0,6184 0,5993 0,7862 0,3996 1

Бассейн р. Тобол

1 - - - - -

0с\г. тах 0,8088 1 - - - -

Qcvт. ср 0,7817 0,9544 1 _ - -

а™ 0,5820 0,9397 0,9318 1 - -

@тах 0,8507 0,9028 0,7638 0,7273 1 -

4:'тт 0,5524 0,9327 0,9036 0,9963 0,7374 1

Бассейны рр. Ахангаран и Чирчик

Г 1 - - - - -

QcYl. тах 0,9550 1 - - - -

Qcy^. ср 0,8980 0,9614 1 - - -

0,7207 0,8469 0,9489 1 - -

0,8823 0,9267 0,8803 0,7701 1 -

0,6462 0,7388 0,8816 0,9376 0,6638 1

Примечание. Условные обозначения: площадь водосбора, КМ ; Qcyl. тах ~ МЗКСИМЭЛЬНЫИ суточный расход воды, м3/с; (У^. ср - средний суточный расход воды, м3/с; QCyI. „¡„ -минимальный суточный расход воды, м3/с; - наибольший наблюденный суточный расход воды, м3/с; £>пч„- наименьший наблюденный суточный расход воды, м3/с.

Для количественной характеристики структурной организации речных сетей применяются разные системы кодирования ее элементов в зависимости от их расположения в иерархии рек разного размера. В рамках основной (дихотомической) схемы их кодирования, восходящей к работе Р. Хортона (1948), ключевое значение имеет выделение элементарных рек (водотоков первого порядка (Ы = 1)). При таком подходе в структуре речной сети не учитываются водотоки,

размер которых N< 1. В зависимости от числа водотоков первого порядка и их расположения в структуре сети рассчитываются порядки более крупных рек. Они отличаются по абсолютной величине, если для их определения используются разные способы выделения рек первого порядка и алгоритмы расчета порядков более крупных рек. Однако это не препятствуют хорошей скоррелированности значений Ы, полученных в разных схемах их вычисления (Малые реки..., 1998).

Наибольшую степень синхронизации изменения порядков рек и числа водотоков 1 -го порядка в их бассейнах обеспечивает схема кодирования элементов структуры речной сети, предложенная в работе (БЬгеуе, 1966) и функционально связанная с ней схема А. Шайдеггера (Шайдеггер, 1964).

В пятой главе рассмотрены научные подходы к созданию общей (для всей водно-эрозионной сети бассейна) схемы формализации ее структурных элементов, разработан метод определения условных порядков временных и постоянных водотоков, выполнена проверка его эффективности для условий водосборов, расположенных в различных природных зонах.

Для характеристики структуры водотоков в микроручейковой, овражно-балочной и речной сети в настоящее время используются подходы, эффективность которых ограничена соответствующими звеньями водно-эрозионной сети водосборных территорий (Алексеевский и др., 2004; Бондарев, 1996, 1997; Зорина, 2006; Караушев, 1972; Ржаницын, 1960). Это обстоятельство создает противоречие между реально существующим каскадным соподчинением вещественных потоков в пределах водосборов и несогласованными количественными оценками изменения размера (порядка) водотоков по длине водно-эрозионной сети. Оно обусловлено неопределенностью назначения границ между отдельными звеньями сети, поскольку нет объективного структурного критерия, который бы эффективно обеспечивал разделение всех водотоков на временные нерусловые, временные русловые и постоянные реки. В частности, существуют проблемы определения самого крупного временного неруслового потока и наименьшего временного руслового водотока. Неоднозначность характерна и для выбора водотока, который еще относится к элементам овражно-балочной сети или уже является рекой 1 порядка (Алексеевский и др., 2004; Ржаницын, 1960; Черных, 1971).

Еще одна проблема связана с недостаточной синхронизацией изменений гидрологических характеристик водных потоков при изменении их порядков, определенных по существующим схемам расчета величины N. Даже в самой совершенной с этой точки зрения системе кодирования элементов структуры речной сети Р. Шриве (1966) изменение порядков рек происходит лишь ниже расположения устья притоков. Гидрологические же характеристики рек могут изменяться вследствие разгрузки подземных вод и на бесприточных участках постоянных водотоков.

Создание объективной системы кодирования иерархически соподчиненных элементов водно-эрозионной сети (эпизодически или периодически возникающих, постоянно существующих водотоков) требует использования не структурной, а генетической основы, связывающей потоки вещества на склонах, в овражно-балочной и русловой сети. О ее существовании свидетельствуют непрерывные гладкие функции, описывающие изменение характерных расходов воды при увеличении площади водосборов рек F и порядков рек N (Алексеевский и др., 2004; Косицкий, 2003). Площадь водосбора определяет величину характерных расходов воды £>х в элементах овражно-балочной сети (глава 3). На наличие такой связи указывают и результаты имитационного моделирования микроручейковой сети (глава 2).

Обработка натурной информации показала, что можно установить однозначное соответствие между величинами Р и характерными расходами воды в разных звеньях водно-эрозионной сети, между значениями Р, и N (рис.5). Анализ этой зависимости для изученных водотоков, включая временные водотоки в овражно-балочной сети, показывает, что ее экстраполяция вниз позволяет найти площадь водосбора Р, для которой расход воды будет соответствовать величине порядка водотока N<1. Поскольку такая величина N установлена в зависимости от площади водосбора и соответствующего ей характерного расхода воды (а не в зависимости от структурного положения водотока в водно-эрозионной сети), то для ее обозначения можно использовать термин «условный порядок» (Алексеевский, 1999).

Рис.5. К определению соответствия площадей водосборов, характерных расходов воды и порядков водотоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов

Концепция условных порядков делает возможным создание общей системы кодирования элементов водно-эрозионной сети, учитывающей закономерное увеличение характерных расходов воды при возрастании площади водосборной территории, дренируемой водотоками на склонах, в овражно-балочной и речной сети территории (Алексеевский, Муракаев, 2010). Она позволяет описывать топологические свойства сети временных и постоянных водотоков на всем ее протяжении, анализировать масштабные эффекты изменения вещественных потоков в микроручейковой, овражно-балочной и русловой сети на основе учета закономерного изменения их водоносности в период формирования стока. Поскольку зависимости между Р, ()х и N имеют зональный характер, то одинаковым характерным расходам воды будут соответствовать разные условные порядки.

Концепция условных порядков апробирована при исследовании структуры водно-эрозионной сети водосборных территорий в зоне смешанных и лиственных лесов (центр ЕТР, бассейны рр. Полометь, Ловать, Ниша, Мета, Клязьма, Москва и оз. Ильмень), семиаридных горных и предгорных районах (Западный Тянь-Шань, бассейны рр. Чирчик и Ахангаран), степных и лесостепных районах (Южное Зауралье, верховья р. Тобол). Зональный характер изменений условий формирования стока обусловливает различия в интенсивности поступления воды с единицы площади в разных ландшафтных зонах. При одинаковой площади водосборной территории (Р = 4000 км2) в условиях Западного Тянь-Шаня формируется расход воды 84 м3/с, центра ЕТР - 32 м3/с, а в Южном Зауралье - всего

2-3 м3/с. Достоверность корреляционных соотношений = и ()% = ЛР), где Ящр - порядок изученных (в гидрологическом отношении) водотоков по Р. Шриве (1966), возрастает с увеличением модулей стока воды. Соответствие между ЛГшр и Р устанавливает зависимость ЛГшр = ар*, где а и Ь - эмпирические коэффициенты. Зависимость между характерными расходами воды и площадью водосборов имеет вид (Зх = сР1. Параметры зависимостей для вычисления Ыу для условий центра ЕТР, Западного Тянь-Шаня и равнинных областей Южного Зауралья учтены в структуре уравнений:

Щ = 0,0363 Яу = 0,0912 Рт, 7Уу = 0,0197 Р0,126

Логарифмические анаморфозы этих уравнений представлены на рис.6.

Рис. 6. К определению условных порядков временных и постоянных водотоков: (А) в центре ЕТР, (Б) на склонах Западного Тянь-Шаня и (В) в Южном Зауралье

Величина условных порядков Ыу для всех звеньев водно-эрозионной сети

исследуемых территорий приведена в табл. 3. В структуре водно-эрозионной сети

изученных территорий представлены временные и постоянные водотоки, условный

порядок которых изменяется от 0,00005 до 7,83. В условиях достаточного увлажнения (центр ЕТР) с площади водосбора 0,1 км2 периодически поступает в среднем 0, 00016 м3/с воды, что соответствует условному порядку Ny = 0,0065. Для горных водосборов Западного Тянь-Шаня соответствующие значения Q0 и Ny равны 0,0018, а на водосборах Южного Зауралья - 0,00016 м3/с и 0,0039. Уменьшение площади водосбора в 10 000 раз сопровождается уменьшением среднемноголетнего расхода воды, который может на ней сформироваться, приблизительно в 44000, 29000 и 6400 раз соответственно для водосборов в центре ЕТР, предгорной и горной части Западного Тянь-Шаня и Южного Зауралья. При этом условный порядок уменьшается в 973, 14200 и 737 раз. Если для площади водосбора F = 1000 км2 величина N равна 5,7, то в пределах водосбора с F = 0,1 км2 может формироваться временный водоток, величина условного порядка которого Ny составляет 0,002.

Таблица 3. Вид и параметры зависимостей Ny = cfF) и Qo =fiF)

Функция Коэффициент корреляции Количество водотоков Средние многолетние расходы воды, м"7с и условные порядки водотоков при площади водосбора кмг

0,1 1 10 100 1000

Зона слушанных и лиственных лесов ЕТР

Qo=AF) 0,98 71 0,000157 0,00227 0,0329 0,476 6,902

0,80 71 0,00653 0,0365 0,204 1,138 6,353

Горные и предгорные районы Западного Тянь-Шаня

0,93 28 0,00177 0,0173 0,169 1,644 16,032

iVy = «F) 0,91 16 0,000552 0,00603 0,0658 0,718 7,834

Лесостепи и степи Зауралья

5 и 0,88 19 0,000663 0,00465 0,0326 0,228 1,60

л\=т 0,86 36 0,00371 0,0197 0,105 0,558 2,97

Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности взаимной увязки элементов структуры временных и постоянных водотоков (начиная от склонов речных бассейнов до устьев рек) в системе координат: площадь водосбора-средние характерные расходы воды-условный порядок водотока. Использование концепции условных порядков для кодирования всех (временных и постоянных) элементов структуры водотоков на изученных водосборных территориях показывает, что в условиях центра ЕТР в диапазоне изменения площадей водосборов Р = 0,01 + 6450 км2 наблюдается изменение средних максимальных расходов воды от 0,0003 до 84,3 м3/с и последовательное увеличение

условных порядков водотоков от 0,0003 до 29,7. Зависимости между условными порядками водотоков и порядками по Шриве доказывают непротиворечивость концепции условных порядков.

Концепция условных порядков создает предпосылки не только для унификации определения относительного размера водотоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов. Она эффективна и в отношении временной изменчивости структуры водно-эрозионной сети. Поскольку величина условного порядка водотоков устанавливается в зависимости от их водоносности, то при определенных условиях (отсутствие дождей, прекращение таяния снега и льда) структура водотоков будет упрощаться, а в период снеготаяния или выпадения дождей она достигает максимального развития. В первом случае она будет ограничена постоянными водотоками в овражно-балочной и русловой сети. Ее максимальная сложность соответствует условиям активного формирования поверхностного стока в пределах речного бассейна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе подготовки диссертационной работы получены следующие теоретические, методические и прикладные результаты:

1. Формирование и перемещение вещественных потоков на поверхности суши происходит в водно-эрозионной сети водосборных территорий, звенья которой не имеют объективно выделяемых переходных границ. Отсутствие указанных границ препятствует определению структурно соподчиненных элементов сети, соответствующих реально существующим временным нерусловым, временным русловым и постоянным водотокам, затрудняет реализацию потенциала идеи Н.И. Маккавеева о единой природе эрозионных и аккумулятивных процессов на поверхности речных бассейнов и в их русловой сети.

2. Для формирования водно-эрозионной сети территории важнейшее значение имеет величина и режим стока воды. Величина стока - функция площади бассейна водотока любого размера. В разных климатических условиях одинаковая водосборная площадь обеспечивает формирование отличающихся по величине расходов воды, наносов, других веществ.

3. Древовидная структура - характерная черта организации микроручейковой сети на поверхности склонов речных бассейнов. Степень выраженности этой структуры для ручейков, формирующихся на склонах бассейнов в период выпадения дождей или снеготаяния, зависит от величины эффективных осадков (интенсивности снеготаяния), длины, уклона и рельефа поверхности склона. Структура водотоков, формирующихся на естественных склонах, зависит от распределения неровностей на их поверхности. Структура ручейковой сети на пашнях в основном обусловлена интенсивностью и характером распашки склонов.

4. Для изучения условий формирования ручейковой сети и ее структуры удобны и эффективны математические модели, имитирующие возникновение систем временных водотоков в зависимости от морфометрии и микрорельефа склона. На склонах малой расчлененности (всхолмленности) с большей вероятностью формируются параллельные микропотоки; увеличение всхолмленности склона приводит к образованию более сложных древовидных микроручейковых систем.

5. Овражно-балочная сеть водосборной территории - промежуточное звено между системой временных нерусловых потоков на склонах и речной сетью с неопределенной границей выделения самого малого временного и наиболее крупного постоянного водотока в ее пределах. Сложность структуры овражно-балочной сети зависит от объема стока, который формируется на площади водосбора, возрастающей к устьям оврагов и балок, стадии развития овражно-балочных форм, интенсивности оврагообразования.

6. Структура речной сети отражает условия формирования и трансформации стока в различных частях водосбора, литологические особенности горных пород в их пределах. В бассейнах рек существует однозначное соответствие между гидрографическими характеристиками рек (площадью водосбора, длиной рек) и осредненными характеристиками водоносности рек: увеличение значений гидрографических характеристик рек приводит к росту их водоносности.

7. Возрастающий характер имеют зависимости между порядками рек и их характерными расходами воды, если порядки водотоков определены в нисходящей системе их определения (река первого порядка - самый малый

водоток, не имеющий притоков). Максимальную синхронизацию между изменением порядков и осредненными гидрологическими характеристиками рек обеспечивают схемы кодировки элементов сети, предложенные Р. Шриве и А. Шайдеггером. Основным недостатком существующих схем определения порядков рек является невозможность ее распространения на временные русловые потоки и постоянные водотоки в овражно-балочной сети.

8. Решение проблемы создания универсальной схемы для формализации структуры временных и постоянных водотоков, независимо от их структурного положения в водно-эрозионной системе речных бассейнов, обеспечивает концепция условных порядков водотоков. В зональных условиях формирования стока конкретной площади водосбора соответствует некоторая величина максимального, минимального или среднего расхода воды. Этой площади отвечает определенная величина порядка водотоков. Для формирования очень малых расходов воды требуются площади водосборов, величина которых соответствуют порядкам водотоков N<1.

9. Определенные обратным расчетом по известным характерным расходам воды и соответствующим площадям водосборов порядки временных русловых и нерусловых потоков считаются «условными». Они определены водоносностью этих потоков, а не их положением в иерархии элементов водно-эрозионной сети. Величина условных порядков увеличивается от приводораздельных пространств к устьям рек в зависимости от зональных условий формирования стока, уклона водосборных пространств и типа рек (равнинные, полугорные и горные), рисунка сети временных и постоянных водотоков.

10. Использование единой физической основы для определения размера временного или постоянного водотока в водно-эрозионной сети территории создает предпосылки для решения разнообразных теоретических и практических задач, связанных с денудационными процессами на водосборах, процессами перемещения, аккумуляции, переотложения минеральных частиц, химических соединений и элементов, находящихся в растворе или на поверхности взвешенных частиц.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Публикации в журналах н изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Ларионов Г.А., Бушуева О.Г., Добровольская Н.Г., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф., Литвин Л.Ф., Муракаев P.P. Определение гидрофизических параметров почвы в модели эрозии //Почвоведение, 2010. Вып. 4. С. 488-494.

2. Муракаев Р.Р. Моделирование структуры микроручейковой сети на склонах // Геоморфология, 2011. Вып. 4. С. 80-88.

3. Алексеевский Н. И., Муракаев Р. Р. Структурная формализация систем временных и постоянных водотоков //Вестник МГУ. Сер.5. География, 2012. Вып. 1.

Материалы научных конференций:

4. Глазырина М. Г., Муракаев Р. Р. Связь между структурой речной сети и стоком малых водотоков северных склонов хр. Каратепе //Материалы Международной конференции «Геоэкология и геоэкологические проблемы горных систем». Ташкент, 2001. С. 37-40.

5. Муракаев Р. Р. Некоторые положения математической модели эволюции речной сети //Материалы конференции «Географические аспекты использования горных регионов». Ташкент, 2002. С. 184-186.

6. Алексеевский Н. И., Муракаев P.P. Формализация структуры временных и постоянных водотоков // Материалы XXIV-го пленарного межвузовского координационного совещания по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Барнаул, 5-9 октября 2009 г.) Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та. 2009.

7. Алексеевский Н. И., Муракаев Р. Р. Единая схема формализации структуры сетей временных и постоянных водотоков // Материалы Всероссийской научной конференции «Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты» (VI Щукинские чтения), Москва 18-21 мая 2010 г. С.21-23.

8. Алексеевский Н. И., Муракаев P.P. Кодирование элементов сопряженных структур временных и постоянных водотоков // Материалы XXV-ro пленарного межвузовского координационного совещания по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Астрахань, 12-14 октября 2010 г.) Астрахань: Издательский дома «Астраханский университет», 2010. С. 17-19.

С. 45-52.

С. 45-47.

Заказ № 333-i /02/2012 Подписано в печать 17.02.2012 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1,4

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-mail:zak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Муракаев, Руслан Рафикович, Москва

61 12-11/101

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

МУР АКАЕВ РУСЛАН РАФИКОВИЧ

СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ и постоянных водотоков в РЕЧНЫХ БАССЕЙНАХ ЦЕНТРА ЕТР, ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И

ЗАПАДНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ

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 —

2012

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Общие вопросы организации потоков вещества на поверхности суши 11

1.1. Планетарная организация потоков вещества...............................................11

1.2. Структурные особенности потоков вещества на поверхности суши........16

1.3. Системы водотоков на водосборах рек........................................................29

Выводы....................................................................................................................35

Глава 2. Структура временных потоков на склонах..............................................37

2.1 Процессы формирования склонового стока.................................................37

2.2 Изменение объема воды на склонах..............................................................47

2.3 Характеристики склонов и их географическая изменчивость....................50

2.4. Эрозионная работа эфемерных потоков.......................................................65

2.5. Структура временных потоков на склонах..................................................69

2.6. Моделирование структуры временных потоков на склонах......................73

Выводы....................................................................................................................81

Глава 3. Водные потоки в овражно-балочной сети...............................................83

3.1 Место оврагов и балок в эрозионно-аккумулятивных системах водосбора ..................................................................................................................................83

3.2. Потоки вещества в овражно-балочной сети................................................96

3.3. Структура овражно-балочной сети.............................................................104

Выводы..................................................................................................................111

Глава 4. Структура русловых систем....................................................................112

4.1. Особенности формирования и трансформации стока в речной сети......112

4.2. Влияние гидрографических характеристик на сток..................................124

4.3. Структура речных систем............................................................................130

4.4. Масштабные эффекты изменения гидрологических характеристик по

длине рек...............................................................................................................138

Выводы..................................................................................................................148

Глава 5. Структура водно-эрозионных систем речных бассейнов....................149

5.1 Методологические принципы выделения элементов водно-эрозионной сети........................................................................................................................149

5.2. Закономерности изменения стока воды в водно-эрозионной сети изученных территорий........................................................................................156

5.3. Формализация структуры водно-эрозионной сети изученных территорий

на основе концепции «условных порядков».....................................................171

Выводы..................................................................................................................181

Заключение..............................................................................................................183

Литература...............................................................................................................187

Введение

Актуальность исследования. Талые и дождевые воды на поверхности водосборов формируют вещественные потоки, которые испытывают сложные пространственные изменения вследствие эрозионно-аккумулятивных процессов и постепенного увеличения их размера под влиянием конвергенции (сходимости) линий тока. При этом образуется и эволюционирует сложная иерархически соподчиненная (каскадная) система «транспортных» сетей. Им соответствует древовидная структура временных и постоянных водотоков -водно-эрозионная сеть речных бассейнов. Изучение структурных особенностей этой сети, определение подобия и отличий систем организации временных и постоянных водотоков в разных природных условиях, закономерностей изменения гидрографических характеристик временных и постоянных водотоков - хорошо известная и пока не решенная научная проблема геоморфологии и гидрологии суши, теории функционирования эрозионно-аккумулятивных систем.

В настоящее время наиболее детально изучены закономерности строения русловых систем и соподчинения рек разного размера (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 1996,2004; Гарцман, 1968, 1973; Карасев, 1984; Кичигин, 2003; Корытный, 2001; Косицкий, 1999, 2002; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Перевозщиков, 1998; Ржаницын, 1960, 1985; Рош, 1971; Симонов, Кружалин, 1992, 1998; Симонов, Симонова, 2003; Хортой, 1948; Strahler, 1952 и др.). В гораздо меньшей степени исследованы особенности структуры овражно-балочных водосборов (Бондарев, 1996, 1997, 2010; Бондарев и др., 2000; Бутаков и др., 1997; Голосов, 2006; Еременко, Панин, 2010; Зорина, 2000, 2006; Ковалев, 2011; Маккавеев, 1955; Маккавеев, Чалов, 1984; Назаров, 2000; Рысин, 1998; Foster, 2005 и др.). Еще меньше работ, в которых рассматриваются проблемы структурной организации временных потоков воды на склонах речных бассейнов (Бефани, 1958; Бронгулеев, 2011; Будник, 2007; Голосов, 2006; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002;

Маккавеев, 1955; Погорелов, Думит, 2009; ШП^ооБе, ЫосЬ^иег-КигЬе, 1991 и др.). В рамках этих исследований разработаны различные способы определения структурного положения отдельных водотоков в их общей иерархии, определения подобия и различий этих водотоков по размеру (порядку), устанавливающему структурное положение и размер конкретного водотока относительно других элементов водно-эрозионной сети. Выявленные закономерности структурной организации систем водотоков (рек, водотоков в овражно-балочной сети, микроручейков на склонах) невозможно распространить на все звенья водно-эрозионной сети территории вследствие блокирующих ограничений, связанных с использованием гипотез о наличии водотока 1 порядка в каждом из указанных выше звеньев сети. В этой связи научное обоснование способов сопряжения всех элементов каскадной структуры временных и постоянных водотоков на единой физической основе является актуальной научной и практической задачей.

Цель диссертационной работы - научное обоснование и создание технологии сопряжения временных и постоянных водотоков в каскадной водно-эрозионной сети речных бассейнов в различных природных условиях.

Объект исследования - временные и постоянные водотоки речных бассейнов и их системы. Предмет исследования - закономерности структурной организации водотоков в каждом звене водно-эрозионной сети территории и их сопряжения в разных природных условиях.

Для достижения цели диссертационного исследования потребовалось решить следующие задачи:

- выполнить анализ форм организации вещественных потоков на поверхности суши;

- изучить особенности формирования и эволюции элементов микроручейковой сети на склонах;

- разработать математическую модель для исследования механизма формирования микроручейковой сети на склонах;

- провести анализ результатов исследований структуры овражно-балочной сети (ее формирования и эволюции);

- изучить технологии формализации соподчиненных элементов речной сети и оценить их эффективность;

- на общей физической основе создать методологию определения «размера» каждого элемента водно-эрозионной сети речных бассейнов и их сопряжения;

- оценить эффективность созданной технологии для изучения структурной организации временных и постоянных водотоков в разных природных условиях.

Материалы и исходные данные. Для подготовки диссертации использованы данные справочников «Гидрологическая изученность», «Основные гидрологические характеристики» и др. Они позволили определить структурное положение рек разного размера в русловой сети центральной части ЕТР (бассейн оз. Ильмень, рр. Москва и Клязьма), Западного Тянь-Шаня (бассейны рр. Чирчик и Ахангаран), Южного Зауралья (верховья р. Тобол). Изучение структуры водотоков в овражно-балочной сети, соотношений между площадью их водосборов и характерными расходами воды базировалось на результатах наблюдений на Валдайской и Подмосковной водно-балансовых станциях. В этих же целях использованы материалы лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева (Географический факультет МГУ). В 2006-2010 гг. автор выполнил комплекс полевых и экспериментальных работ в районе г. Весьегонск, д. Сатино (Калужская область), на склонах долины р. Ока (Озернинский район Московской области), в долине р. Раменка (г. Москва). Полученные данные позволили обосновать параметры модели, разработанной автором для выявления особенностей формирования микроручейковой сети на склонах речных бассейнов.

Теоретическую основу исследования составили научные представления

отечественных и зарубежных ученых в области формирования стока на склонах

(Бефани, 1958; Голосов, 2006; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002),

6

в овражно-балочной (Бондарев, 2010; Бондарев и др., 2000; Зорина, 2006; Рысин, 1998; Foster, 2005) и речной сети водосборов (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 2004; Гарцман, 1973; Динамическая геоморфология, 1992; Карасев, 1984; Корытный, 2001; Косицкий, 1999; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Ржаницын, 1960; Симонов, Кружалин, 1992, 1998; Симонов, Симонова, 2003; Хортон, 1948; 1979; Strahler, 1952 и др.). Для создания методологии, позволившей объединить на общей физической основе все элементы водно-эрозионной сети речных бассейнов, ключевое значение имела концепция «условных порядков», разработанная для «особых» участков рек (русловые и дельтовые разветвления, истоки озерных рек и т.п.) (Алексеевский и др., 1996; Алексеевский, Соколова, 1999).

В работе использованы методы:

- гидролого-географических обобщений, позволивших выявить зональные закономерности факторов формирования водно-эрозионных систем;

- математического моделирования структуры микроручейковой сети на склонах;

- статистического анализа зависимостей между порядками водотоков, площадями их водосборов и характерными расходами воды, результатов математического моделирования;

- экспериментальных исследований процесса водной эрозии на склонах для определения условий формирования систем временных водотоков при небольшой размывающей способности временных водных потоков;

- натурных исследований микрорельефа склонов и формирования поверхностного стока в верхних звеньях водно-эрозионной сети водосборов.

На защиту выносятся:

- представления о формировании на поверхности речных бассейнов

сети сопряженных временных и постоянных вещественных потоков

7

(водно-эрозионной сети), характеристики которой подвержены масштабным эффектам изменения в зависимости от положения водотоков в структуре сети;

- закономерности формирования структуры микроручейков (временных нерусловых потоков воды) во время дождей или снеготаяния при изменении состояния и микрорельефа склонов;

- выводы о зависимости структуры временных русловых потоков в овражно-балочной сети от ландшафтных условий территории, этапа эволюции и площади водосбора овражно-балочных форм;

- результаты анализа эффективности подходов к формализации структуры речной сети;

- метод сопряжения временных нерусловых, временных русловых и постоянных русловых потоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов на общей физической основе;

- оценки эффективности использования концепции условных порядков для проведения процедуры сопряжения элементов водно-эрозионной сети речных бассейнов в различных природных условиях.

Научная новизна исследования. В работе впервые рассмотрены

особенности структуры всей водно-эрозионной сети водосборной территории, а

не только ее отдельных звеньев: систем нерусловых временных потоков на

склонах, временных и (или) постоянных русловых потоков в овражно-балочной

сети, рек разного размера. Для каждого из этих звеньев проведен критический

анализ подходов к формализации их структуры и установлены пределы

применения этих подходов. Разработана математическая модель формирования

микроручейковой сети на склонах, позволяющая оценить главные

закономерности формирования сети эфемерных потоков в зависимости от

уклона, длины и микрорельефа поверхности склонов. Научно обоснована и

реализована оригинальная методика сопряжения временных и постоянных

водотоков, образующих водно-эрозионную сеть водосборов. Доказано, что она

в одинаковой мере эффективна для формализации структуры водотоков в

8

условиях равнинных и горных территорий, речных бассейнов, находящихся в разных климатических зонах.

Практическая значимость исследования определена возможностью использования полученных научных и методических результатов для изучения и количественной оценки процессов формирования и трансформации вещественных потоков от приводораздельных участков речных бассейнов до впадения рек в приемные водоемы. Созданная в работе технология сопряжения всех типов водотоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов создает предпосылки для изучения физики процессов транспорта разных видов вещества в конкретных звеньях эрозионно-аккумулятивной системы водосборов. Она полезна для изучения масштабных эффектов изменения гидрографических, осредненных гидрологических и морфодинамических характеристик временных и постоянных водных потоков в зависимости от их места в структурной организации водно-эрозионной сети территории. Практическое и методическое значение имеет созданная в работе математическая модель формирования структуры микроручейков на склонах, а также технология определения условных порядков временных и постоянных водотоков с учетом региональных условий формирования характерных расходов воды.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались на XXIV (Барнаул, 2009) и XXV (Астрахань, 2010) межвузовских координационных совещаниях по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ; на Всероссийской конференции «VI Щукинские чтения: Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты» (Москва, 2010), на научном семинаре кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ (Москва, 2011). Часть научных результатов диссертанта использована в научных отчетах по гранту РФФИ «№ 09-05-00339 «Генетический анализ пространственно-временной изменчивости гидрологических ограничений для природопользования», а также по гранту президента России для ведущих научных школ Роснауки (НШ-4964.2008.5) «Генезис изменений режима водных объектов и закономерностей гидрологических процессов».

Публикации. Итоги исследований изложены в 8-ми научных работах, из них 3 статьи в журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией и 5 работ в сборниках материалов конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 197 страницах, включает 83 рисунка, 30 таблиц и список литературы из 138 источников.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ за помощь в подготовке диссертационного исследования. Особая признательность диссертанта д.г.н. Г.А. Ларионову, Л.Ф. Литвину, проф. P.C. Чалову, к.г.н., доц. A.M. Алабяну, П.В. Ефремову, В.А. Жуку, Н.Л. Фроловой, С.Н. Ковалеву, А.Г. Косицкому, О.М. Пахомовой, инж. М.И.Гуровой, асп. Д.П. Нестеренко, оказавшим поддержку и давшим ценные советы по разным аспектам проведения научного исследования, помогавшим в организации и проведении полевых исследований. Автор также глубоко признателен сотрудникам кафедры гидрологии суши Национального университета Узбекистана и Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института: проф. Г.Е. Глазырину, Г.Н. Трофимову, Ф.Х. Хикматову, к.г.н. М.Г. Глазыриной за содействие в определении темы исследования и в разработке отдельных разделов работы. Автор благодарит проф. A.M. Гареева (Башкирский госуниверситет), В.А. Земцова (Томский госуниверситет), сотрудников Валдайской ВБС A.B. Кокорева и А.Ю. Виноградова и Подмосковной ВБС - И. Н. Гапонова - за предоставленные фактические данные по условиям формирования стока воды в разных климатических зонах.

Глава 1. Общие вопросы организации потоков вещества на

поверхности суши

Все планетарные оболочки Земли находятся в непрерывном изменении, которое отражает наличие глобальных, региональных и иных форм организации вещественных потоков на ее поверхности. Огромные или небольшие объемы воды, минеральных частиц, растворенных веществ, живого вещества участвуют в круговороте вещества на планете. Основное значение при этом имеет формирование и изменение потоков воды (Догановский, Малинин, 2004; Михайлов и др., 2008; Муравейский, 1960).

1.1. Планетарная организация потоков вещества

Движение потоков вещества на Земле имеет явно выраженный структурный характер. Он п