Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Устойчивость русел в устьях рек

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость русел в устьях рек"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ //) /

им. М.В .ЛОМОНОСОВА ¡^ ¡^[/^

Географический факультет

На правах рукописи

)

СЕРЕБРЕННИКОВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

УСТОЙЧИВОСТЬ РУСЕЛ В УСТЬЯХ РЕК

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1995

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

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор

В.Н.Михайлов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат географических наук, ст. н. с.

А.Н.Бутаков А.М.Алабян

Ведущая организация - Институт водных проблем РАН

Защита состоится " " декабря 1995 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д - 053.05.30 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП - 3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18-й этаж, ауд. 1801.

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

Автореферат разослан " ноября 1995 г.

А

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Дельты рек имеют сложную внутреннюю структуру, специфический режим стока воды и наносов, изменчивые гидрографическую сеть и ландшафт. Природные комплексы и ресурсы дельт испытывают всестороннюю антропогенную нагрузку, и в то же время играют существенную роль в поддержании экологического равновесия на прилегающих территориях речного бассейна и акватории моря. Вместе с тем, динамика русловой сети дельты во многом обусловливает распределение стока воды, наносов и загрязняющих веществ в пределах дельты, обводнение дельты, опреснение вод устьевого взморья и его биопродуктивность.

Изучение устойчивости дельтовых водотоков и их систем дает возможность разработать методы расчета и прогноза изменения гидролого - морфометрических характеристик и русловых деформаций водотоков дельты, а значит, может оказать помощь при размещении хозяйственных объектов с наибольшим экономическим эффектом и минимальным ущербом для дельтовых природных комплексов.

Основу количественных оценок динамики русловой сети дельт может составить концепция устойчивости русел в устьях рек. Она заключается в допущении существования "устойчивых" соотношений между различными гидролого-морфометрическими характеристиками и стремлении русел к восстановлению устойчивости в случае ее нарушения (путем размыва или заиления). Некоторые гипотезы о существовании таких "устойчивых" соотношений были высказаны ранее, но не получили должной проверки на массовом фактическом материале.

В качестве объектов исследования выбраны дельты Волги и Дуная, сильно хозяйственно освоенные, но мало изученные в отношении пространственной и временной изменчивости характеристик рукавов. Такой анализ характеристик водотоков и прогноз развития русловой сети для дельты Волги представляет особый интерес в связи с повышением фонового уровня Каспийского моря. Кроме того, по этим дельтам имеются необходимые гидрометрические материалы.

Цель и задачи работы. Цель настоящей работы - на примере дельт Волги и Дуная исследовать закономерности формирования, нарушения и восстановления устойчивости русел в устьях рек,

разработать методы расчета характеристик устойчивых русел и на этой основе - способы оценки тенденции их развития.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1)выявить природные и антропогенные факторы, определяющие устойчивость и гидролого - морфометрические характеристики водотоков в устьях рек;

2)исследовать причины, условия, виды и закономерности типичных нарушений устойчивости водотоков в устьях рек (отмирание или активизация рукавов, вертикальная перестройка русел при изменении уровня приемного водоема или мутности воды в рукавах и др.);

3)проанализировать существующие и разработать новые методы расчета устойчивости рукавов неприливных дельт и "устойчивых" характеристик русел;

4) сформулировать критерии направленности русловых деформаций в дельтовых водотоках (размыва или аккумуляции).

Методика исследований и фактический материал. В основу работы положены данные полевых исследований лаборатории устьев рек ГОИНа, Астраханского центра по гидрометеорологии, географического факультета МГУ, Дунайской гидрометобсерва-тории (Украина, Измаил) в дельтах рек Волги (около 100 водотоков) и Дуная (28 водотоков).

Методической основой работы являлись: обработка гидрометрических данных по отдельным створам в дельтовых водотоках; привязка этих данных к фиксированным расходам воды реки в вершине дельты с учетом известного распределения стока воды по рукавам; построение гидролого - морфометрических зависимостей, связывающих между собой характеристики систем водотоков при фиксированных расходах воды реки ( в том числе русло- или дельтоформирующих); анализ причин отклонения точек для отдельных • водотоков от статистически полученных зависимостей; выявление причин отмирания или активизации рукавов дельт.

Научная новизна определяется следующими результатами:

1)впервые детально проанализированы многолетние изменения гидролого - морфометрических характеристик водотоков дельт Волги и Дуная на обширном фактическом материале;

2)установлены и уточнены причины и тенденции изменения гидролого - морфометрических характеристик водотоков дельт

Волги и Дуная; 3)уточнены методы определения тенденции развития дельтовых рукавов и количественной оценки интенсивности изменения их характеристик; 4)разработана методика прогноза развития дельтовых водотоков на основе гидролого - морфометрических зависимостей; 5)разработана методика расчета неизвестных характеристик дельтовых водотоков или характеристик неизученных водотоков с помощью гидролого -морфометрических зависимостей.

Научно-практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы для оценки направленности гидролого-морфологических процессов в русловой сети устьев рек. Полученные материалы будут полезны при решении широкого диапазона задач, связанных с оценкой антропогенного влияния на природные комплексы дельт, при проектировании водохозяйственных мероприятий в дельтах, при моделировании и прогнозе динамики русловой сети и заливания дельты, распределения стока воды, наносов и загрязняющих веществ, разработке природоохранных мероприятий.

Апробация работы и внедрение ее результатов в практику. Работа выполнялась в рамках госбюджетной научно исследовательской темы географического факультета МГУ "Исследование естественных и антропогенных изменений природных условий в устьевых областях рек и разработка научных основ их прогноза и регулирования в целях рационального использования и охраны природных ресурсов", как части проекта 08Л0 "Морские устья рек и геохимические барьеры" (1991 - 1995 гг.). Ряд результатов диссертации использован при выполнении проекта РФФИ 93-05-14257 "Дать характеристику современных гидролого - морфологических процессов и загрязнения устьевой области Волги и оценить изменение выноса загрязняющих веществ в Северный Каспий в связи с повышением уровня моря" (1993 -1995 гг.). Результаты исследований по дельте Волги включены в научно - технический отчет, выполненный географическим факультетом МГУ по заданию института Астрахангипроводхоз.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей" (ИВП РАН), Международной студенческо-аспирантской конференции на географическом факультете МГУ, семинарах в ГОИНе, на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ.

ПубликацииЛо результатам исследования опубликованы 3 работы и 2 находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем работы: 115 стр. машинописного текста, 19 рисунков, 20 таблиц. Общий объем приложений: 10 таблиц. Список литературы включает 97 наименований, из них 40 зарубежных публикаций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность изучения устойчивости водотоков в устьях рек, формулируются цели и задачи исследования, охарактеризована научная новизна и практическая ценность работы.

Глава1. Проблема устойчивости речных русел

Первая глава состоит из двух разделов, в которых даются основные понятия и обзор подходов к оценке устойчивости речных русел.

Участок реки рассматривается как саморегулирующаяся система "поток - русло", причем 1)русло и поток взаимодействуют друг с другом; 2) при наилучшем соответствии размеров и формы русла, с одной стороны, и потока, с другой стороны, русло находится в "устойчивом" состоянии, и перенос наносов осуществляется с наименьшими затратами энергии; 3) число вероятных сочетаний характеристик потока и русла ограничено, и сочетания определяются природными условиями [Великанов, 1958].

Устойчивость русла может быть статической (влекомые наносы не движутся, взвешенных - очень мало, нет ни заиления, ни размыва русла, скорость потока меньше размывающей) или динамической (фактический расход наносов соответствует транспортирующей способности потока, возможны обратимые русловые деформации). В настоящей работе устойчивость русла расматривается как приобретенное при взаимодействии с потоком свойство русла сохранять осредненные характеристики и форму относительно неизменными в течение длительного периода.

На устойчивость речного русла оказывает влияние большое число природных факторов, действующих в разном направлении, в различных сочетаниях, с разной вероятностью появления и продолжительностью воздействия. По этой причине очень трудно вычленить влияние отдельных факторов, учесть количественно и описать системой уравнений все многообразие местных

особенностей руслового процесса. К основным факторам формирования речного русла обычно относят руслоформирующий расход воды, средний для участка уклон, мутность воды, средний диаметр наносов. Дополнительными факторами являются особенности гидрологического режима участка реки (колебания стока воды и наносов, наличие притоков и др.) и особенности морфологического строения русла и долины (неоднородность грунтов, характер ледовых явлений, растительного покрова и др.). Влияние основных факторов руслоформирования при поиске условий устойчивого состояния русла может быть учтено количественно различными способами.

Исследования устойчивости русел рек в песчаных грунтах основаны на различных концепциях: теории "пороговых" условий, "режимной" теории, статического и динамического равновесия, концепции минимальных потерь энергии и других. Разнообразию решения, формулы, критерии, зависимости и классификации, полученные при исследованиях устойчивости русел и "гидравлической геометрии" потока и русла, основаны на нескольких подходах, например, на сравнении факторов, благоприятствующих и препятствующих деформациям русла, на использовании коэффициентов устойчивости русла или подвижности наносов (показатели Лохтина, Маккавеева, Великанова, Гришанина и др.). Еще одним способом оценки устойчивости русел и изменения элементов движения потока является нахождение аналитических связей (гидролого морфометрических зависимостей) между определяющими факторами и характеристиками потока и русла. В неявной форме такие связи учитывают влияние местных факторов руслоформирования, позволяют рассчитывать полный комплекс характеристик, увязаны соотношением (^=В Ь V, где - расход воды, В - ширина, Ь - средняя глубина русла.

Анализ "теории режима" показывает, что все эмпирические формулы, связывающие между собой различные характеристики потока и русла, можно разделить по выбору независимых характеристик. При расчетах для участка реки к ним относят 1) руслоформирующий расход воды С2, средний диаметр наносов с!, уклон водной поверхности I; или 2) и с!; или 3) С?, <1, мутность воды э. Выбор типа зависимостей для расчетов зависит от типа руслового процесса или местных особенностей участка реки.

Глава 2. Устойчивость водотоков в дельтах рек

В главе проанализированы особенности руслового процесса в дельтах, подробно описаны факторы динамики их русловой сети, структура и методика получения гидролого - морфометрических зависимостей, используемых при расчетах "устойчивых" характеристик дельтовых водотоков.

Наибольшее влияние на строение и динамику русловой сети дельты оказывает сток воды и наносов реки в вершине дельты - как абсолютные величины, так и их колебания различного происхождения и продолжительности. Наличие приемного водоема вызывает уменьшение скоростей течения и уменьшение транспортирующей способности потока, способствуя аккумуляции наносов. Колебания уровня моря определяют форму кривой свободной поверхности в нижней части дельты, влияют на уклон и скорость течения потока, а значит, и на характер русловых деформаций.

Климатические условия влияют на режим волнения и течений на взморье (через воздействие ветра), на развитие и характер почвенно - растительного покрова. Рельеф устьевого взморья определяет емкость, которая заполняется речными наносами, скорость выдвижения дельты в море и длительность стадий ее развития. Крупность донных отложений и связность грунтов, слагающих русла водотоков, определяют сопротивляемость русел размыву. Почвенно - растительный покров является фактором, увеличивающим устойчивость и ограничивающим горизонтальные деформации русел водотоков в дельтах.

Совместное влияние стока воды и наносов реки на динамику русловой сети дельты наиболее четко проявляется через особый характер дельтовых русловых процессов. Русловой процесс в дельтах в отличие от русловых процессов на остальных участках равнинных рек имеет следующие особенности: 1)необратимые однонаправленные русловые деформации, связанные с аккумуляцией наносов, преобладают над обратимыми; 2)изменяется характер обратимых русловых деформаций по сравнению с вышележащими участками рек; 3)однонаправленные и знакопеременные деформации взаимосвязаны между собой более тесно.

Стадии активизации, динамического равновесия и отмирания дельтовых водотоков обусловлены различными причинами и имеют характерные морфологические признаки.

Стадия активизации водотока характеризуется расширением, углублением и удлинением русла. Предпосылкой активного развития водотока является увеличение его стока вследствие: 1)общего увеличения стока реки в многоводный период, 2)увеличения стока частной русловой системы, где находится водоток, 3)естественного или искусственного перераспределения стока между частными русловыми системами, 4)отмирания выше по течению боковых водотоков частной русловой системы, 5)уменьшения потерь стока в пределах частной русловой системы (вследствие, например, обвалования, ограничивающего перелив вод через берега), 6)отмирания смежного водотока.

Характерными морфологическими признаками активизации дельтового водотока являются: врезание потока в глубину, расширение русла, рост прирусловых валов, явное преобладание необратимых деформаций, ведущих к увеличению пропускной способности и уменьшению общего сопротивления русла, кустарниково - древесный растительный покров на прирусловых валах.

Стадия динамического равновесия водотока проявляется в отсутствии четко выраженной тенденции его развития. Сток "устойчивого" водотока и его гидролого - морфометрические характеристики остаются более или менее стабильными в течение всей этой стадии. В это время достигается наилучшее соответствие между морфометрическими характеристиками русла и руслоформирующими расходами воды. В русловом процессе явно преобладают обратимые деформации, хотя временно может проявиться тенденция активизации в многоводный период и отмирания в маловодный.

Стадия отмирания имеет различные морфологические признаки вследствие разнообразия причин отмирания и местных геоморфологических условий: отмирающие водотоки характеризуются в основном сильно зарастающим руслом, задернованными невысокими берегами, закрепленными растительностью побочнями и грядами.

Среди основных причин отмирания и сопутствующего ему уменьшения стока рукава можно назвать: 1) увеличение суммарного гидравлического сопротивления русла по сравнению со смежным водотоком (вследствие большей длины или сильного ветвления нижних звеньев в частной русловой системе отмирающего водотока), 2) блокирование устья водотока баром

при впадении в море или побочнем при впадении в другой водоток, 3) блокирование истока водотока побочнем в узле разветвления или значительное увеличение угла ответвления отмирающего водотока, 4) уменьшение общей водности реки или максимальных расходов воды половодья при регулировании стока, что вызывает отмирание рукавов с высокими порогами в истоках, 5) отмирание магистрального водотока, когда боковые также отмирают, 6)понижение уровня моря, приводящее к тому, что магистральный водоток углубляется, сток сосредотачивается в нем и боковые водотоки отмирают, 7) перехват стока рукава активно развивающимся береговым прорывом, 8) искусственное перекрытие истока бокового рукава, вызывающее его полное отмирание.

В дельтах рек уклон рукавов I, наряду с шириной В, средней глубиной Ь и средней скоростью течения V, формируется в процессе дельтообразования и поэтому становится зависимой характеристикой. Наиболее пригодными в такой ситуации считаются гидролого - морфометрические зависимости вида

ЕВ

уу2

г аВ РВ

= А'в ЕО2 Б

. V/5 . . Р» .

(О

где - гидравлическая крупность наносов, рн - плотность наносов).

Аналогичные зависимости можно получить и для , — и I.

Поскольку главные аргументы гидролого - морфометрических зависимостей - расход воды и мутность - для удобства в расчетах искомые зависимости можно представить в более простом размерном виде, как например,

В=кв<Зав8Рв. (2)

Для разных рукавов конкретной дельты величину мутности воды можно считать приблизительно постоянной. Тогда зависимости вида (2) упрощаются:

в0 = к.во°»

V„= К„(Г-со„ = КВК„<Г

Здесь площадь поперечного сечения ю=ВЬ. Такие зависимости в работе получены как статистические для систем дельтовых водотоков (названные в работе статистическими или фактическими), так и отдельно для водотоков, находящихся в

(3)

устойчивом состоянии (названные устойчивыми, в этом случае В, Ь и V получают индекс 0). Наконец, показатели степени а в зависимостях вида (3) для устойчивых водотоков оказались для различных дельт близкими к ав=1/2, аь=1/3, аУ=1/6. В результате можно получить гидролого - морфометрические зависимости в наиболее простом виде (названные приведенными):

В. = к;(сг ь„ = к;дш V«, = к;«?1"

«о = К|,К№:

(4)

В работе для ряда дельт рассчитаны зависимости вида (3) и (4). Расчет велся следующим образом: 1) для каждого гидроствора строились графики связей всех гидролого - морфометрических характеристик с расходами воды реки в вершине дельты с учетом времени добегания; 2) с этих графиков снимались значения гидролого - морфометрических характеристик рукавов при фиксированных расходах воды реки в вершине дельты (через 1000 или 2000 м3/с для крупных дельт); 3) с помощью ПК рассчитывались зависимости вида (3) при фиксированных расходах воды реки в вершине дельты; теснота связей оценивалась с помощью коэффициентов корреляции между логарифмами характеристик; 4) из всех зависимостей вида (3) выбирались те, для которых теснота связей (по совокупности характеристик) была наилучшей; для таких зависимостей теснота связей дополнительно оценивалась с помощью доверительных интервалов для выборки при уровне значимости 10%, остаточной дисперсии регрессии, и величины s/a; 5) помимо зависимостей вида (3) найдены графическим способом аналогичные зависимости для устойчивого состояния водотоков с учетом разброса точек, овечающих отмирающим и активным водотокам; 6)для сравнимости гидролого - морфометрические зависимости для разных дельт были получены также в приведенном виде (4).

Гидролого - морфометрические характеристики дня системы водотоков, рассчитанные по зависимостям вида (3), соответствуют "устойчивому" состоянию водотоков, если в дельте отсутствуют явно выраженное отмирание или активизация водотоков или количество отмирающих и активных водотоков приблизительно равно, как в дельте Дуная. Если в дельте преобладают отмирающие

водотоки и сильное влияние оказывает изменение уровня моря и зарегулирование стока реки (уменьшение мутности воды и <3Рф), как в дельте Волги, то статистические зависимости вида (3) для всей совокупности дельтовых водотоков могут не отвечать устойчивому состоянию системы водотоков и не совпадать с "устойчивыми" (наилучшим образом разделяющими на графиках отмирающие и активные водотоки).

Из множества гидролого - морфометрических зависимостей наибольший интерес представляют те, которые отвечают руслоформирующему расходу воды для всей системы дельтовых рукавов. Этот "дельтоформирующий" расход определялся в работе, во-первых, как средний максимальный расход воды реки в вершине дельты в половодье, во-вторых, как расход воды реки в вершине дельты, соответствующий максимуму кривой рЯ=/(()), полученной умножением ординат кривой связи расходов наносов и расходов воды 11=ДО) и кривой повторяемости суточных расходов воды, и, в-третьих, как расход воды реки, соответствующий максимальным коэффициентам корреляции гидролого морфометрических зависимостей ввда (3) для всей системы водотоков дельты. Две последние методики дают хорошую сходимость. Последним способом по новым исходным данным для двух периодов определены Орф для дельты Волги: 24000 (1952 - 1962 гг.) и 22000 м3/с (1981 - 1991 гг.) и Дуная: 10000 м3/с для 1958 - 1963 и 1988- 1993 гг.

Русловые деформации в устьях рек и динамика русловой сети дельты являются процессом, направленным к достижению устойчивого состояния. Сравнение фактических характеристик с "устойчивыми" (с индексом "О") показывает, что при соотношениях В<Во, Ь>Ьо, ю<соо, у>уо, 1>1о обычно идет процесс активизации, при обратных соотношениях - процесс отмирания водотоков. Выяснены закономерности нарушения и восстановления устойчивости рукавов. Изменения внешних определяющих факторов (расхода воды, мутности воды, длины рукава) обусловливает изменение "устойчивых" характеристик водотоков. Это, в свою очередь, изменяет соотношение "устойчивых" и фактических характеристик и является причиной русловых деформаций в направлении уменьшения различия между этими характеристиками рукавов.

Тенденция развития рукавов (активизация, стабильность, отмирание) определена путем сравнения гидролого

морфометрических характеристик при фиксированных расходах воды в вершине дельты за два периода (1952 - 1962 и 1981 - 1991 гг. для дельты Волги, 1958 - 1963 и 1988 - 1993 гг. для дельты Дуная). Это сравнение позволило определить изменение характеристик водотоков за 30 лет и оценить направленность и интенсивность русловых деформаций в рукавах.

Глава З.Морфологические процессы и

устойчивость рукавов в дельте Волги

Специальных исследований гидролого-морфометрических характеристик водотоков дельты Волги и их изменчивости ранее не проводилось. Такое исследование на массовом материале затруднено чрезвычайной многочисленностью водотоков и их морфологическим разнообразием.

Проанализированы процессы, влияющие на гидролого морфометрические характеристики водотоков дельты Волги: Х)Делыпообразование и динамика русловой сети дельты. Неравномерное в разных направлениях выдвижение дельты в море, понижение уровня Каспия, искусственное углубление устьев некоторых водотоков способствовали перераспределению стока в крупные рукава и отмиранию боковых водотоков, изменили "устойчивые" характеристики водотоков. 2)Зарегулирование стока реки привело, во-первых, к заметному перераспределению расходов воды в течение года с заметным уменьшением высоты половодья и к некоторому уменьшению среднего стока, а, во-вторых, к уменьшению мутности воды приблизительно в два раза; 3)Длительное снижение уровня Каспия привело к эрозии водотоков дельты, начавшейся в 1930-х гг. и в силу инерционности этого процесса продолжающейся в настоящее время; аккумулятивные процессы, связанные с повышением уровня моря после 1978 г., пока захватывают лишь самую нижнюю часть дельты.

Описаны метод расчета гидролого - морфометрических зависимостей для системы водотоков дельты Волги при различных расходах воды в вершине дельты и метод расчета "устойчивых" характеристик водотоков. Проанализирована пространственная изменчивость характеристик водотоков в современных условиях и параметров статистических гидролого - морфометрических зависимостей для дельты в целом, а также отдельно для ее верхней и нижней частей.

В дельте Волги при расходе воды реки в вершине дельты 22000 м3/с по мере дробления водотоков уменьшение площади поперечного сечения и средней глубины водотоков происходит гораздо медленнее (показатели степени в зависимостях вида (3) аш=0.74 и аь=0.26), чем в других дельтах, для которых показатели степени в среднем равны ам=0.83 и аь=0.33; скорости течения -быстрее (ау=0.26, для других дельт ау в среднем равен 0.17) (табл.1). Изменение ширины русел по мере дробления водотоков (ав=0.48) схоже с другими дельтами, для которых ав в среднем равен 0.50. При одних и тех же величинах водоносности рукавов все морфометрические характеристики в нижней части дельты оказались меньше, а средняя V и максимальная ум скорости течения - больше, чем в верхней части дельты. Основная причина этого -большее количество малых отмирающих водотоков в верхней части дельты по сравнению с нижней, где больше вновь возникающих водотоков.

Большое различие между "устойчивыми" и фактическими характеристиками рукавов в дельте Волги (особенно для отмирающих водотоков) объясняется медленными процессами заиления многочисленных отмирающих водотоков вследствие малой мутности воды, особенно в условиях зарегулированного стока.

Проанализировано изменение гидролого-морфометрических характеристик водотоков дельты Волги за последние 30 лет путем сравнения гидролого - морфометрических зависимостей и самих характеристик, рассчитанных для водотоков дельты Волги по "совпадающим" створам (42 створа, данные по которым имеются за оба периода 1952 - 1962 и 1981 - 1991 гг.) при одинаковом суммарном расходе воды Волги 22000 м3/с для обоих периодов.

Анализ показал, что по мере дробления водотоков и уменьшения их водоносности поперечные размеры водотоков теперь уменьшаются в меньшей мере, чем раньше. Скорости течения стали уменьшаться с уменьшением размера водотоков быстрее, чем раньше. Все это может объясняться, во-первых, усилением процесса отмирания малых водотоков: теряя свой сток, малые водотоки некоторое время сохраняют аномально большие значения площади поперечного сечения, глубины и ширины и аномально малые - скорости течения, а, во-вторых, размывом в глубину ряда водотоков вследствие влияния длительного понижения уровня моря. Изменение соотношения ширины и

Таблица 1

Гидролого - морфометрические зависимости вида (3) для водотоков дельты Волги для двух периодов при суммарном расходе воды реки 22000 м3/с

Характеристики и их комплексы 1952-1962 гг 42 створа 1981-1991 гг 42 створа

Диапазон изменения <3 расходов воды в водотоках,м3/с 50-4550 10-5300

со,м2 Ю=3.59С>0.85 (0.983/0,22) со=7.30(}0-74 (0.952/0,23)

В,м В=4.47С)0-58 (0.948/0,40) В=8.33(20.48 (0.878/0,33)

Ь,м Ь=0.79д0.27 (0.795/0,45) Ь=0.89д0-25 (0.827/0,41)

Ь=(о/В Ь=0.80д0-27 Ь=0.88р0-26

V, м/с у=0.27(20.15 (0.687/0,45) у=0ЛЗ<30-27 (0.744/0,63)

у=СУс>> У=0.28С)0-15 у=0.14д0-26

Ьм,м Ьм=1.19р0.28(0.702/0,43) Ьм=1.38д0.26(0.761/0,39)

Ум,М ум=0.4 ^0.14(0.667/0,46) ум=0.2бд0.22(о.741/0,64)

В/Ь В/Ь=5.59д0-31 В/Ь=9.4бд0.23

Вт/ь=С[ ВОЛ6/Ь=2.49 В°'52/Ь=3.42

ур/Ь=С2 V18/Ь=0.126 V1 °/Ь=0Л48

Примечание:

в скобках указаны коэффициенты корреляции между логарифмами характеристик (в числителе) и величина в/сг (в знаменателе).

глубины русел водотоков дельты Волги отражает то, что "устойчивые" малые водотоки стали относительно более мелкими, а крупные - относительно более глубокими, чем раньше.

Гидролого - морфометрические зависимости для устойчивого состояния водотоков, разделяющие точки для отмирающих и активных водотоков, близки для обоих периодов. Для современных условий "устойчивые" зависимости вида (3) получены в следующем виде:

В0 = 6,20"" Ь0 = 0,45(} 0 37 I у0 = 0,360012 со0 = 2,во""

Параметры таких зависимостей немного изменились вследствие уменьшения мутности воды после зарегулирования стока: уменьшилась ширина и увеличилась средняя глубина русел (форма поперечного сечения русел водотоков дельты Волги стала более гидравлически выгодной).

В работе качественные выводы о тенденции развития водотоков дельты Волги, полученные ранее С.С.Байдиным, М.М.Роговым и др., уточнены с привлечением данных о фактических гидролого-морфометрических характеристиках водотоков дельты Волги и их изменении за 30 лет. В результате анализа изменений гидролого-морфометрических характеристик водотоков дельты Волги получена схема основных направлений сосредоточения стока и активизации водотоков (рис. 1). На рисунке ВД - вершина дельты, В - Волжский вододелитель, Д -вододелительная дамба, пунктиром показаны каналы на взморье.

Выяснено, что для Волги основными процессами, идущими в русловой сети, являются: I) отмирание большого количества боковых водотоков, главным образом, за счет уменьшения глубины русла; 2) сосредоточение стока в магистральных рукавах, имеющих продолжение в углубляемых каналах на взморье, усиленное продолжительным снижением уровня Каспийского моря; 3) большая инерционность русловых деформаций вследствие малой мутности воды.

Для дельты Волги выделены следующие направления активизации водотоков (рис. 1) :

1. Водотоки двух направлений, проходящих практически через всю дельту от вершины до крупных каналов на устьевом взморье:

Рис.1. Основные направления сосредоточения стока в дельте Волги (см. пояснения в тексте).

магистральный рукав системы Бахтемира (I - Волга - Бахтемир -Волго-Каспийский канал) и его ответвление (1а - Талыча - Бакланья - ВКК), и звенья водотоков в системе Бузана ( II - Бузан -Шмагина - Шага-Бушма - Белинский канал), причем интенсивность активизации Бахтемира увеличивается от истока к устью.

2. Магистральные рукава системы Камызяка. Здесь также отмечено увеличение интенсивности активизации водотоков вниз по течению по направлениям стока: III - Камызяк - Рытый банк -Кировский канал, Illa - Камызяк - Артельная - Никитинский канал, Шб - Камызяк - Кулагина - Кулагинский канал.

3. Отдельные звенья русловой сети, расположенные в основном в низовьях русловых систем и тяготеющие к крупным рыбоходным каналам. Для этих водотоков характерно увеличение размеров русла за счет роста его глубины: низовья Бузана - Обжоровский канал, Фомин, Карайский, Гандуринский банки. В качестве наиболее активных выделены направления стока: IV - Б.Болда -Трехизбенка - Буянский канал - Тишковский канал; IVa - Табола -Б.Черная - Каралатский банк - Кировский канал; V - Чурка -Лебяжинка - Васильевский банк - Карайский канал; Va - Фомин банк - Карайский канал; VI - Гандуринский банк - Гандуринский канал; VII - Сарбай - Сорочья - Сухонский банк - Карайский канал; VIII - Обжоровский банк - Обжоровский канал.

Разработана методика расчета объемов и площадей поверхности русловой сети для дельты Волги с учетом густоты русловой сети в отдельных частях дельты (крупные водотоки учитывались индивидуально). Зная долю стока водотоков при различных расходах воды реки в вершине дельты, длину водотоков и используя статистические гидролого - морфометрические зависимости вида (3), можно получить объемы и площади поверхности русловой сети дельты при различных расходах воды реки. Таким образом, при расчете для дельты Волги получено, что при изменении расхода воды в вершине дельты от 4000 (условия глубокой межени) до 14000 м3/с (руслонаполняющий) объем всей русловой сети дельты увеличивается в 1,5 раза (от 2,01 до 2,96 км3), площади водной поверхности - в 1,03 раза (от 899 до 928 км2). В наименьшей степени с ростом расхода воды реки объем русловой сети увеличивается в верховьях системы Бузана. Результаты такого расчета могут быть использованы в воднобалансовых моделях, при расчетах заливания дельты, переноса и трансформации

загрязняющих веществ, особенно при недостатке гидрометрических данных.

С помощью анализа параметров статистических гидролого -морфометрических зависимостей для двух периодов сделана приближенная оценка объема эрозии и аккумуляции в русловой сети дельты Волги: осредненная величина уменьшения поперечных размеров каждого водотока составляет около 1,5 м2/год. Получено, что ежегодно за последние 30 лет в русловой сети накапливалось около 6,9 млн м\ что при стоке наносов 8,3 млн м3составляет около 85% речных наносов.

В процессе разработки методики расчета и прогноза гидролого-морфометрических характеристик рукава для дельты Волги получены зависимости, позволяющие рассчитывать 1)неизвестные характеристики водотоков по известным при характерных расходах воды - среднем максимальном расходе воды реки (22000 м3/с) и среднем многолетнем (8000 м3/с). Эти формулы позволяют: определять как осредненные, так и "устойчивые" характеристики неизученных водотоков по данным о расходах воды в них или доле стока в % от стока реки; рассчитывать, наоборот, расходы воды рукавов по данным о ширине русла. Ширина русла может быть получена с аэрофотоснимка или лоцманской карты.

Глава 4. Устойчивость водотоков дельты Дуная

Проанализированы условия формирования и динамика русловой сети дельты Дуная. Выявлено, что при относительном постоянстве уровня Черного моря ведущим фактором руслоформирования является сток воды и наносов реки.

Отдельно для каждого створа найдены аналитические выражения зависимостей вида В=Ав(2гв. Основными причинами изменения параметров этих зависимостей являются расстояние от приемного водоема (Черное море), размер рукава, тенденция его развития, и тип руслового процесса, что и подтверждается при анализе связей, полученных по новым данным. Изменение водности рукавов в первую очередь происходит за счет изменения скорости течения, а со, В, Ь изменяются мало в условиях небольшого размаха колебаний уровня воды в дельте.

Различными способами определен руслоформирующий расход воды реки для системы дельтовых водотоков, составивший 10000 м3/с для обоих периодов (1958 -1963 гг., 1988 - 1993 гг.).

В целом для дельты Дуная характерна очень малая изменчивость параметров гидролого - морфометрических зависимостей вида (3) и очень высокая теснота этих связей при изменении водности реки, что свидетельствует о значительной, выработанное™ русел и быстрой реакции морфометрических характеристик русел на изменение водоносности рукавов. Этому способствует и относительно небольшой диапазон колебаний расхода воды в вершине дельты, и повышенная мутность воды. Показатели степени а в зависимостях вида (3) для всех характеристик (со, В, h, v) изменяются мало и очень близки к величинам 5/6, 1/2, 1/3, 1/6.

Для дельты Дуная точки для размывающихся водотоков расположены по одну сторону гидролого - морфометрических зависимостей, а для отмирающих - по другую, и статистически полученные зависимости являются "устойчивыми". Близость "устойчивых" характеристик к фактическим (малый разброс точек) для дельты Дуная объясняется повышенной, мутностью воды (300500 г/м3 в половодье) и поэтому относительно быстрыми процессами размыва и заиления водотоков (рис.2).

В дельте Дуная соблюдается приблизительная пропорциональность в распределении стока воды и взвешенных наносов по рукавам. Эта закономерность нарушается для интенсивно активизирующихся и отмирающих рукавов (доля стока взвешенных наносов у первых больше, а у вторых - меньше, чем доля стока воды). Выявлено, что процесс приспособления морфометрических характеристик русла к уменьшению мутности воды реки в половодье после зарегулирования стока (с 600 до 400 г/м3) не закончен, и идет в основном за счет изменения глубины русел водотоков. Кроме того, за 30 лет уменьшилось число водотоков ( в том числе отмирающих).

Для системы водотоков дельты Дуная тенденция развития рукавов определена с использованием: 1) анализа изменений руслоформирующего расхода воды водотока; 2) сравнения "устойчивых" и фактических гидролого-морфометрических характеристик водотоков; 3) сравнения фактических и "устойчивых" критериев подобия дельтовых водотоков (для отмирающих- B/h > Bo/ho, BV3lh > Bo2/3/ho, для активных - обратные соотношения); 4) сравнения фактического показателя формы русла уь /ув с "устойчивым" значением уьо /уво. Выделены количественные критерии разных типов развития рукавов: интенсивное отмирание

Рис.2. Гидролого-морфометрические зависимости для водотоков дельты

Дуная при (3=10000 м3/с (1988 - 1993 гг.) 1- активизирующиеся водотоки 2 - стабильные водотоки 3 - отмирающие водотоки 4 - ошибка расчета {>Чл-г*-

(Д<3/<3Д1=<(-2)%), умеренное отмирание (ДС)/С>Д1=(-2)-(-1)%), слабое отмирание (ДС>/С1Д1=(-1)-(-0.2)%), относительная стабильность (Д(ДОД1=(-0.2)-0.2%), слабая активизация ^(2/(^=0.2-1%), умеренная активизация (ДО/ОД 1= 1 -2%),и интенсивная активизация (Д(ДОД1=>2%).

Для дельты Дуная основными являются процессы: 1) активного развития молодой Килийской дельты - ее быстрое выдвижение при относительно стабильном уровне Черного моря; 2) искусственного поддержания стабильного состояния Сулинского и Георгиевского рукавов; 3) отмирания боковых водотоков Килийского рукава, 4) сосредоточения стока в небольшом числе рукавов.

Современное развитие русловой сети дельты Дуная определяется перераспределением стока между рукавами и зависит от величины стока реки и размеров его изъятий, величины мутности воды и масштабов гидротехнических мероприятий в пределах дельты. В системе Тульчинского рукава активно развивается рук. Сулинский вследствие выправления его русла, значительно замедлилось отмирание рук. Георгиевского после его спрямления в середине 1980х годов. Увеличивается доля стока Тульчинского рукава и уменьшается доля стока Килийского рукава вследствие неблагоприятных для последнего гидравлических условий в вершине дельты (местное расширение русла и сползание вершины излучины) и увеличения длины Килийского рукава (активное выдвижение в море Килийской дельты).

В системе Килийского рукава происходит интенсивное перераспределение стока по рукавам, вызванное в основном изменением гидравлических сопротивлений отдельных водотоков (вследствие дробления рукавов, изменения длины, ширины, глубины водотоков), сосредоточение стока в наиболее крупных рукавах и отмирание боковых водотоков. В пределах верхней внутренней дельты отмирают рук. Кислицкий, Татару, Даллер, сток сосредоточен в рук. Килийском (Среднем). В нижней внутренней дельте отмирают рук. Черновка, Бабина, слабо отмирает Соломонов, стабилен Килийский (Прямой).

В Килийской морской дельте сток сосредоточивается в системе Старостамбульского рукава, в то время как система рук. Очаковского в целом слабо отмирает. В системе рук. Очаковского отмирает рук. Белгородский, относительно стабильны правые рукава Полуденный, Гнеушев, Анкудинов.

В системе Старостамбульского рукава наиболее активен рук. Быстрый, который становится одним из крупнейших водотоков Килийской дельты вследствие его меньшей длины, чем у Старостамбульского ниже истока Быстрого. Устье рук. Старостамбульского мелководно и здесь образуются острова, что усиливает его отмирание. Отмирают также рук. Лимба, Заводнинский, слабо отмирает Курильский. Интенсивно активизируются короткие прямые рукава Цыганский и Восточный.

Таким образом, основными направлениями стока являются рукава Килийский - Прямой - Старостамбульский - Быстрый, и Дунай - Тульчинский - Сулинский. В пределах Килийской дельты дноуглубительные работы в рук. Прорва могут способствовать активизации или замедлению процесса отмирания русла по направлению Очаковский - Прорва - соединительный канал. Увеличение изъятия стока ускорит процесс сосредоточения стока в крупных рукавах и отмирания малых боковых водотоков.

Глава 5. Устойчивость систем водотоков различных дельт

В главе проанализировано влияние различных природных условий на параметры гидролого - морфометрических зависимостей и характеристики дельтовых водотоков. Для этого существенно уточнены и обобщены результаты исследований В.Н.Михайлова, В.Н.Морозова и П.С.Гранича (для дельты Дуная), В.Н.Михайлова (для дельты Волги), З.С.Смирновой (для дельты Оби), Д.Б.Бабича (для дельт Лены и Яны), Нгуена Ван Кы (для дельт рек Вьетнама) и др.

Расчеты для различных дельт показали, что показатели степени а в гидролого - морфометрических зависимостях вида (3) очень близки для всех дельт и могут быть приняты ав=1/2, а(„=5/6, ось—1/3, ау=1/6 (табл. 2). Это позволяет упростить статистические гидролого - морфометрические зависимости и представить их в приведенном виде (4). Результаты исследования гидролого -морфометрических характеристик в дельтах Волги и Дуная (гл. 3 и 4) позволили получить для них именно такие уравнения для "дельтоформирующего" расхода воды.

Применение однотипных по структуре приведенных зависимостей к дельтам различных рек показывает, что при одних и тех же руслоформирующих расходах воды в разных рукавах характеристики русел оказываются существенно различными. Это подтверждается сравнением гидролого - морфометрических

Таблица 2

Параметры гидролого - морфометрических зависимостей

N Река <3рф, м3/с 5,Кг/м3 ав К'в гв С(1, кл Гь си КЛ Гу

1 Пур 1300 0,015 0,44 19,50 0,38 0,60 0,18 0,11

2 Таз 1500 0,017 0,49 20,00 0,30 0,45 0,21 0,17

3 Енисей 70000 0,020 0,43 24,00 0,37 0,18 0,20 0,08

4 Печора 14050 0,030 0,52 16,00 0,898 0,29 0,39 0,718 0,20 0,19 0,779

5 Лена 50000 0,040 0,56 22,50 0,21 0,11 0,23 0,26

6 Обь 25800 0,050 0,55 14,50 0,992 0,38 0,47 0,973 0,07 0,15 0,724

7 Яна 1350 0,055 0,56 17,00 0,23 0,34 0,21 0,22

8 Волга 22000 0,060 0,50 7,45 0,936 0,25 0,60 0,860 0,25 0,21 0,796

9 Дунай 10000 0,300 0,53 5,70 0,967 0,30 0,67 0,947 0,17 0,26 0,951

10 Меконг 37000 0,800 0,62 34,00 0,33 0,58 0,05 0,05

11 Тхыонг 1020 0,860 0,60 16,00 0,31 0,23 0,09 0,27

12 Зань 6560 0,900 0,60 31,00 0,33 0,28 0,07 0,12

13 Кубань 990 1,000 0,54 4,50 0,949 0,26 0,43 0,830 0,20 0,36 0,842

14 Донгнай 1200 1,300 0,63 19,00 0,31 0,27 0,06 0,20

15 Ба 2750 1,600 0,56 12,00 0,29 0,14 0,15 0,60

16 Кура 1300 2,000 0,50 4,90 0,33 0,49 0,17 0,42

17 Ма 2450 3,900 0,53 9,00 0,26 0,14 0,21 0,79

18 Терек 930 4,000 0,46 4,30 0,31 0,47 0,23 0,50

19 Амударья 1350 5,500 0,50 4,60 0,33 0,36 0,17 0,60

20 Ка 2700 6,800 0,54 10,00 0,28 0,19 0,18 0,53

21 Красная 11000 7,000 0,48 7,50 0,24 0,10 0,28 1,33

Средние: 0,53 14,5 0,30 0,36 0,17 0,35

100,00

10,00

1,00

0,10 0,01

3 5 12 10 АА1 _________ 11 ж 2 Аи а15 17 20

18 ро .16 21 А А * 18 19 X

X ---- ---X X X X х„ X

0,10

1.00

Рис.3 Зависимости К'в и К'у от мутности воды (номера согласно табл.2)

зависимостей для различных дельт (всего использованы данные по 21 дельте, часть данных взята из литературных источников, часть -для дельт Печоры, Оби, Волги, Дуная, Кубани, рек Вьетнама -рассчитана мною). Для дельт, расположенных в зоне избыточного увлажнения ширина водотоков существенно больше, а скорость течения - меньше, чем для рек зоны недостаточного увлажнения (К'в~ 8 - 48 и 4 - 7, 0.05 - 0.27 и 0.21-0.60 соответственно) при тех же расходах воды реки. В аридных районах русла дельтовых водотоков имеют более выгодную гидравлически форму поперечного сечения (меньшее соотношение ширины к глубине).

Анализ параметров статистических и приведенных гидролого -морфометрических зависимостей показал, что в приведенных зависимостях К' в неявном виде учитывает влияние ландшафтных и антропогенных факторов, а также мутности воды. Удалось обнаружить зависимость коэффициента К' в зависимостях вида (4) от мутности воды в половодье вида К'= кБр(рис.3), получены их аналитические выражения: к;, = юле-0" (ширина), к; = о.ззз"-4 (скорость течения). Получилось, что в дельтах с большой мутностью воды скорость течения также больше, ширина русел меньше, а средняя глубина зависит от мутности воды очень мало (к;, » о^"0 07).

Связи К'=1с8р позволяют рассчитывать устойчивые характеристики водотоков в слабоизученных дельтах. При этом можно воспользоваться приведенными гидролого морфометрическими зависимостями вида (4) после подстановки в них упомянутых значений коэффициентов из табл.2. Полученные при этом зависимости вида

В0 = 10,4(31/2 Б"0,1 7

Ь0=О,29ри5^7 • (6)

у0 = (да"^024

могут быть названы универсальными. Зависимости вида (6) могут быть использованы для расчета "устойчивых" характеристик водотоков в дельтах, где морфометрические характеристики рукавов совсем не изучены, но приближенно известна величина мутности воды в половодье и распределение расходов воды по рукавам.

Помимо мутности воды, и другие факторы влияют на параметры зависимостей вида (2): наличие многолетней мерзлоты способствует формированию русел большей ширины и меньшей глубины; сильное зарастание или искусственное закрепление

берегов русел способствует размыву (заилению) в глубину и уменьшает изменения ширины русел; суровые ледовые явления (особенно ледоход) могут также привести к размыву берегов и увеличению ширины русла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ:

Таким образом, поставленные задачи решены, и могут быть сделаны следующие выводы:

1. Дано уточненное определение устойчивости водотоков в устьях рек. Уточнены причины и виды нарушения устойчивости. Показана роль естественных и антропогенных факторов в нарушении устойчивости дельтовых водотоков. Выявлены закономерности нарушения и восстановления устойчивости рукавов: изменения внешних определяющих факторов (расхода воды, мутности воды, длины рукава) обусловливает изменение "устойчивых" характеристик водотоков. Это, в свою очередь, изменяет соотношение "устойчивых" и фактических характеристик и является причиной русловых деформаций в направлении уменьшения различия между этими характеристиками рукавов. Получено, что любые антропогенные воздействия в значительной степени способствуют ослаблению устойчивости русел дельтовых водотоков.

2. Уточнены количественные методы оценки устойчивости водотоков дельт; для устьевых областей Волги и Дуная на основе анализа обширного фактического материала получен комплекс новых гидролого - морфометрических зависимостей, связывающих между собой характеристики дельтовых водотоков; уточнена величина руслоформирующих расходов воды в дельтах этих рек.

3. На основе обобщения данных по 21 дельте мира разработаны универсальные гидролого - морфометрические зависимости, пригодные для систем дельтовых водотоков, находящихся в различных природных условиях; вскрыты закономерности связи их параметров с мутностью воды.

4. Найдены критерии для выявления тенденции развития дельтовых рукавов, основанные на сравнении фактических и рассчитываемых "устойчивых" характеристик потока и русла. Их эффективность проверена для условий устьевых областей Волги и Дуная; они использованы для типизации водотоков дельты Дуная по характеру развития.

5. Разработаны методы расчета неизвестных характеристик дельтовых водотоков с использованием полученных гидролого -морфометрических зависимостей. В частности, предложен метод расчета площади поверхности и объема русловой сети дельты и метод расчета неизвестных характеристик водотоков с использованием зависимостей вида B=KeQaB, при этом получены формулы для дельты Волги для расчета расхода воды, глубины, скорости течения по известной ширине русла, для условий половодья и межени.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: 1.Влияние природных факторов на поперечные размеры дельтовых рукавов // Вестник МГУ, Сер. География, 1993, N5, с.47-53. ¿.Устойчивость водотоков в дельтах рек И Тезисы докладов IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей". - Москва, 1994. - с. 149 - 150.

3.Гидролого - морфометрические характеристики водотоков дельты Волги, тенденция их изменения и метод расчета // Тезисы докладов IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей". - Москва, 1994 -с. 125 - 127 (в соавторстве с Михайловым В.Н.).

4.Гидролого - морфометрические характеристики водотоков дельты Волги и их изменения // Вестник МГУ, Сер.5 География (в печати) (в соавторстве с Михайловым В.Н.).

5.Гидролого - морфометрические характеристики водотоков дельты Волги и методы их расчета // Водные ресурсы (в печати) (в соавторстве с Михайловым В.Н.).

Подл, к пет. 31.10.95 Объем 1,5 п.л. Формат 60x84 1/16 Заказ 254 Тираж 80 ТОО "Иерей". ВНИРО. 107140, Москва, В. Красносельская, 17