Водный режим пойм равнинных рек на примере Волжского бассейна

Нестеренко, Дмитрий Павлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Водный режим пойм равнинных рек на примере Волжского бассейна
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Водный режим пойм равнинных рек на примере Волжского бассейна"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

НЕСТЕРЕНКО Дмитрий Павлович

УДК: 556.5

ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЙМ РАВНИННЫХ РЕК НА ПРИМЕРЕ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА - 2013

Я 1 п:-г 21!¡3

005536791

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

Научный руководитель - АЛЕКСЕЕВСКИЙ Николай Иванович

доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой гидрологии суши

Официальные оппоненты - БАРЫШНИКОВ Николай Борисович

доктор географических наук, профессор, академик РАЕН, заведующий кафедрой гидрометрии РГТМУ (г. Санкт-Петербург)

СУРКОВ Виталий Владимирович

кандидат географических наук, старший научный сотрудник НИЛ эрозии почв и русловых процессов МГУ

Ведущая организация — Московский государственный

университет природообустройства

Защита состоится 28 ноября 2013 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А-8. Автореферат размещен на сайте географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru). Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять в адрес совета.

Автореферат разослан 18 октября 2013 г.

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

/rfibi'- Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидрологические особенности речных долин во многом определены частотой, глубиной и продолжительностью затопления пойм. Относительно слабая изученность этих процессов обусловливает необходимость их исследования в зависимости от геоморфологических, гидрологических и гидравлических факторов, влияющих на масштабы и условия затопления речных пойм. Особое значение это имеет в наиболее освоенной части Российской Федерации — в бассейне р. Волги, в пределах которого проживает около 40% населения страны. Значительная часть этого населения вместе с социальной и производственной инфраструктурой находится в долинах рек и использует их разнообразные ресурсы. Поэтому вопросы водного режима речных пойм, увязанные с морфологическими особенностями долин, морфодинамическими типами русел водотоков, их размером и водным режимом, гидравлическими особенностями движения воды при затопленной пойме имеют важное научное, методическое и прикладное значение.

Затопление поверхности речных пойм - комплексный процесс, обусловленный влиянием совокупности геоморфологических, гидрологических и гидродинамических факторов. Роль геоморфологических факторов связана с развитием речных пойм в длительные интервалы времени, зависимостью длины, ширины и высоты поймы от морфодинамического типа русла, направленности и интенсивности русловых переформирований, размера рек. В изучение этих процессов большой вклад внесли исследования Н.И. Алексеевского, В.И. Антроповского, Е.Ф. Белевич, K.M. Берковича, К.К. Воскресенского, Е.В. Гниломедова, Г.И. Горецкого, P.A. Еленевского, А.П. Кулакова, Н.И. Маккавеева, Н.П. Матвеева, А.Н. Махинова, H.H. Назарова, Б.В. Нуждина, В.Н. Орлянкина, A.B. Панина, A.A. Перевощикова, И.В. Попова, Ю.Г. Симонова, С.А. Сладкопевцева, P.C. Чалова, A.B. Чернова, Е.В. Шанцера. При этом сохраняется недостаточная изученность закономерностей изменения средних линейных и площадных характеристик пойм по длине рек, пространственного распределения речных

пойм разного типа; влияния рельефа поверхности пойм на величину объема воды, способного задерживаться в понижениях её поверхности.

Роль гидрологических факторов в затоплении пойменных территорий изучалась в связи с анализом причин возникновения и обоснованием мероприятий, направленных на предупреждение наводнений. Прогресс в этом направлении изучения водного режима пойм связан с результатами исследований Н.И. Алексеевского, С.С. Байдина, Н.Б. Барышникова, В.В. Беликова, М.В. Болгова, A.M. Гареева, Б.И. Гарцмана, A.A. Зайцева, В.А. Земцова, И.Н. Крыленко, А.П. Лепихина, Н.И. Маккавеева, В.Ф. Полонского, A.A. Таратунина, В.Ф. Усачева, Н.Л. Фроловой, A.B. Христофорова, A.B. Шаликовского.

Важные результаты в области водного режима пойм получены специалистами, изучающими условия формирования морфодинамических типов русел и руслового режима рек (A.M. Алабян, K.M. Беркович, Н.С. Знаменская, В.М. Католиков, З.Д. Копалиани, А.Г. Ободовский, И.В. Попов, Б.Ф. Снищенко, P.C. Чалов). В последние десятилетия проблемы формирования и изменения водного режима рек стали предметом гидроэкологических исследований (Э.В. Злотина, A.B. Кузин, Н.М. Новикова, Б.М. Миркин, В.В.Сурков).

Полевые исследования гидравлических аспектов водного режима пойм проведены для ограниченного числа участков рек (Иртыш, Обь, Полометь). Анализ полученных результатов содержится в публикациях Н.Б. Барышникова, Н.С. Знаменской, И.Ф. Карасева, Д.Е. Скородумова. Чаще всего для этой цели используются физическое моделирование. Наиболее масштабные лабораторные эксперименты в этой области проведены Н.Б. Барышниковым и Г.В. Железняковым, определившими типы взаимодействия руслового и пойменного потоков и обосновавшими кинематический эффект изменения средней скорости объединенного потока в пределах дна речной долины. Неизбежные при этом проблемы масштабных искажений гидравлических характеристик препятствуют простому переносу выводов, полученных в лаборатории, на натурные объекты. В этом смысле более эффективны математические модели процессов затопления пойм, которые позволяют

воспроизводить разнообразные гидрологические явления в широком диапазоне геоморфологических и гидрологических условий [Зайцев, 2006; Крыленко, 2009; Нестеренко и др., 2012].

Цель диссертационного исследования - установление закономерностей водного режима речных пойм в Волжском бассейне, под которым понимается совокупность закономерно повторяющихся изменений глубины, продолжительности и частоты затопления пойм, а также установление закономерностей скоростного режима потока при затопленной пойме.

Объект исследования - поймы рек в бассейне Волги и их водный режим. Предмет исследования — закономерности водного режима речных пойм при различном сочетании геоморфологических, гидрологических и гидравлических факторов.

Для достижения цели исследования потребовалось решить следующие задачи:

• изучить представления о речных поймах и их параметрах, накопленные на сегодняшний день;

• дать характеристику различным методам изучения гидрологического режима речных пойм;

• рассмотреть распространение различных типов пойм на реках Волжского бассейна в зависимости от географических факторов;

• изучить роль пойм в регулировании стока рек в пределах бассейна р. Волги;

• исследовать связь линейных и площадных характеристик пойм Волжского бассейна с размерами рек и разработать методику определения площади поймы неизученной реки (для бассейна р. Волги) при условии наличия данных гидрологической изученности;

• оценить влияние многолетних тенденций изменения климата и речного стока на водный режим пойм и изменчивость частоты, продолжительности и глубины затопления речных пойм (поёмность) в пределах исследуемой территории;

• провести моделирование процессов затопления долин некоторых рек Волжского бассейна для изучения особенностей скоростного поля потока

половодья и его изменения при росте расходов воды, а также

взаимодействия руслового и пойменного потоков.

Материалы и исходные данные. В работе использованы многолетние материалы наблюдений на 257 гидрологических постах Росгидромета в бассейне Волги с рядами наблюдений до 2010 г., а также оперативные данные с пунктов гидрологического мониторинга, размещенные на сайте ФГУП «Центр регистра и кадастра». Для исследования особенностей прохождения половодья 2010 г. использованы отчетные материалы Верхневолжского, Нижневолжского, Московско-Окского и Камского бассейновых водных управлений. Для подготовки некоторых разделов диссертации использованы результаты исследований кафедры гидрологии суши МГУ, в проведении которых автор принимал участие в 2009—2013 гг. Для оценки вероятности затопления речных пойм в зависимости от размера реки обрабатывались данные сотрудников НИЛ эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ (Б.Н. Власова и др.) В работе использованы картографические материалы (топографические карты масштаба 1: 50000) и космические снимки (спутники SPOT-4, FORMOSAT-2), тематические карты «Водный режим рек России и сопредельных территорий» (2001 г.); «Морфология и динамика русел рек Европейской части России ...» (1999), «Русловые процессы на реках СССР» (1990). Для задания параметров модели затопления поймы [Беликов, Милитеев, 2002; 2003], создания цифровой модели рельефа пойм автор провел полевые работы в долинах рр. Протвы (2010 г.) и Оки (2010 и 2011 гг.).

Теоретическую основу исследования составили научные представления Н.И. Маккавеева, Н.П. Матвеева, A.B. Панина, И.В. Попова, P.C. Чалова, A.B. Чернова в отношении процессов формирования и изменения речных пойм. При исследовании масштабных эффектов изменения площадей пойм при последовательном увеличении размеров рек учитывались теоретические и методические результаты, полученные Н.И. Алексеевским, А.Г. Косицким, H.A. Ржаницыным, Р. Хортоном. Для изучения поёмности рек Волжского бассейна оказались полезными следствия из теории руслоформирующих расходов воды (Н.И. Маккавеев, P.C. Чалов), идеи В.Г. Андреянова, А.Н. Антипова, Б.Д. Зайкова, В.М. Евстигнеева, Н.И. Коронкевича,

Л.М. Корытного, П.С. Кузина, Д.Л. Соколовского о разнообразии типов водного режима, территориальной неоднородности естественной зарегулированности стока воды, подобии гидрологических объектов и процессов. В разделах диссертации, касающихся гидравлических аспектов водного режима пойм, автор основывался на классических работах Н.Б. Барышникова и Г.В. Железнякова.

При подготовке разделов диссертации использованы следующие методы:

• натурных исследований рельефа поверхности пойм и условий затопления речных пойм в период весеннего половодья;

• географических и картографических обобщений данных о характеристиках речных пойм и факторов их пространственно-временной изменчивости;

• географо-гидрологических аналогий в изменении условий формирования водного режима пойм в различных районах Волжского бассейна;

• картографических обобщений данных по морфологическим особенностям пойм и характеристикам их водного режима на основе материалов дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий;

• математического моделирования процессов затопления речных пойм для выявления закономерностей их гидравлического режима.

На защиту выносятся представления об особенностях формирования водного режима пойм в пределах бассейна р. Волги под влиянием геоморфологических, гидрологических и гидравлических факторов; закономерности изменения площади речных пойм в разных районах Волжского бассейна; выводы о зависимости глубины, частоты и продолжительности затопления пойм от особенностей водного режима рек Волжского бассейна и его изменений под влиянием климатических факторов; результаты исследования гидравлической неоднородности объединенного водного потока при затопленной пойме некоторых рек изучаемого региона.

масштабного изменения площади их пойм при характерном увеличении размера (порядка) реки, оценки суммарной площади потенциально затапливаемых земель в долинах рек в период максимального стока воды по всей совокупности элементов русловой сети бассейна или на территории элемента административного деления страны.

Оценено распространение разных типов речных пойм в пределах незарегулированной части Волжского бассейна и дана количественная оценка влияния рельефа поверхности пойм на характеристики поёмности. Впервые на бассейновом уровне изучена вероятность и продолжительность затопления речных пойм в многолетнем отношении и для гидрологических условий конкретного года. Определены изменения водного режима пойм Волжского бассейна в условиях изменяющегося климата. На основе математического моделирования процесса затопления пойм определена роль морфологических особенностей речных долин, соотношения ширины поймы и ширины меженного русла, их взаимной ориентации в изменении гидравлического режима потока половодья.

Предложено дополнить типизацию взаимодействия руслового и пойменного потоков Н.Б. Барышникова [1984] новым, шестым типом. Его отличие заключается в учете неоднородности пойменного потока, возникающей при затопленной высокой пойме. На основе численных экспериментов, выполненных с помощью математической модели В.В. Беликова, впервые определены условия возникновения кинематического эффекта Г.В. Железнякова [1950; Маккавеев, 1964] на реках разного размера, имеющих сложную по характеру рельефа пойму.

Практическая значимость исследований связана с оценкой особенностей водного режима речных пойм в разных районах Волжского бассейна и при разном уровне их освоенности. При планировании и осуществлении мероприятий по обеспечению гидроэкологической безопасности населения и хозяйства региона существенное значение имеют оценки площади потенциального затопления освоенной местности в период формирования максимальных уровней воды по разработанному в диссертации методу определения площади пойм на участках широкопойменных рек разного

размера. На ее основе можно оценить возможный размер ущербов от наводнений, планировать противопаводочные мероприятия, направленные на уменьшение рисков опасных изменений водного режима пойм. Результаты исследований могут быть использованы учреждениями Росгидромета и Министерства по чрезвычайным ситуациям РФ.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационного исследования использованы при проведении научных исследований на кафедре гидрологии суши Географического факультета МГУ. Результаты анализа пространственно-временной изменчивости гидрологического режима пойм в условиях нестабильности климата и стока вошли в состав отчетных материалов по гранту поддержки ведущих научных школ (НШ-4964.2008.5 и НШ-4088.2010.5). Закономерности изменения линейных и площадных характеристик пойм по длине некоторых рек Волжского бассейна учтены при выполнении проекта ФЦП «Кадры для инновационной России» (государственный контракт 02.740.11.0336). В рамках этой федеральной программы соискатель участвовал в выполнении темы «Разработка моделей и технологий дистанционной диагностики состояния и режима водных объектов суши» (соглашение № 8342). Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении проектов РФФИ (№ 09-05-00339, 10-05-00252 и 12-05-00069). Автор диссертации изучал особенности водного режима пойм во время половодья 2010 г. в рамках исследований по государственному контракту №12 с Московско-Окским бассейновым водным управлением (2010-2012 гг.).

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались на международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов» (Москва, 2009, 2011); 5-й и 6-й международных научно-практических конференциях «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2009, 2011); VIII семинаре молодых ученых по проблемам эрозионных и русловых процессов (Уфа, 2010); 4-й и 5-й международных конференциях молодых ученых и талантливых студентов ИВП РАН «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2010, 2012); XXV ассамблее Международного союза геодезии и геофизики «Швй 2011» (Мельбурн, Австралия, 2011); 1-й и 2-й открытых конференциях Научно-

образовательного центра ИВП РАН - МГУ «Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление» (Москва, 2011,2012).

Публикации. Итоги исследований использованы при подготовке и публикации 7 статей, 4 тезисов, раздела в коллективной монографии «Закономерности гидрологических процессов»; одна статья опубликована в журнале из перечня ВАК.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; изложена на 213 страницах машинописного текста, включающего 88 рисунков и 34 таблицы. Список литературы состоит из 160 отечественных и зарубежных наименований.

Личный вклад автора в проведение исследования заключается в сборе и систематизации информации о гидрологической изученности водотоков в бассейне р. Волги; изучении условий формирования речных пойм Волжского бассейна; установлении закономерностей изменения площадей речных пойм по длине некоторых рек бассейна р. Волги; разработке методики определения площадей пойм на изученных в гидрологическом отношении реках; изучении изменений вероятности, продолжительности и частоты затопления пойм под влиянием климатических изменений во второй половине XX в.; изучении гидравлических особенностей потока при затопленной пойме и исследовании выраженности кинематического эффекта на реках Волжского бассейна.

Автор выражает признательность преподавателям и сотрудникам кафедры гидрологии суши, научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ за помощь в работе над диссертацией. За ценные советы и консультации, помощь в организации и проведении полевых работ, при освоении математической модели автор особо благодарен профессорам В.М. Евстигнееву, P.C. Чалову; доцентам A.M. Алабяну, П.В. Ефремову, Н.Л. Фроловой; д.г.н. A.B. Чернову, к.г.н. Д.Н. Айбулатову, А.Г. Косицкому, И.Н. Крыленко, М.А. Самохину, С.Р. Чалову; с.н.с. Б.Н. Власову; инженерам С.А. Агафоновой, |С.И. Гаррисону! А.Н. Лукьяновой, C.B. Платонову, A.A. Попрядухину, Н.В. Шенберг; аспирантам H.A. Ефремовой, C.B. Лебедевой, P.P. Муракаеву; студенту П.П. Головлеву.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности исследования, описаны цели и задачи работы, определены объект и предмет исследования, охарактеризованы материалы, исходные данные и методы исследования, научная новизна работы, практическая значимость, внедрение результатов и личный вклад автора в проведение исследования.

В первой главе даны общие представления о речных поймах. Обобщение предшествующих исследований [Кондратьев и др., 1982; Маккавеев, 1955; Чалов, 2011; Чалов, Чернов, 1985; Чеботарев, 1978; Шанцер, 1951] доказывает, что пойма возникает как следствие русловых (преимущественно горизонтальных) деформаций. Поймы эпизодически или ежегодно затапливаются речными водами в период максимального стока. В зависимости от расположения пойменных массивов относительно русла реки возможно существование односторонней, двусторонней или чередующейся поймы. Двусторонние поймы свойственны равнинным меандрирующим рекам. У разветвленных рек двусторонние поймы встречаются реже из-за меньшей относительной ширины долины. Чередующиеся поймы свойственны адаптированным руслам рек и участкам русловых разветвлений.

Дано представление о пойме, как о природном объекте в долине реки, линейные характеристики которого - функция геоморфологических и гидрологических факторов. Длина пойменного массива зависит от особенностей его затопления в период максимального стока [Попов, 1969]. Для меандрирующего русла длина участка поймы // совпадает с длиной излучины / и превышает длину участка реки L, на котором эта излучина располагается. В период затопления поймы длина пойменного массива Iff стремится к шагу излучины X. На относительно прямолинейных участках рек и на участках русловых разветвлений величина If ~ /р (длина участка русла реки). В случае формирования разветвлений длина пойменных массивов превышает /р, поскольку обычно она больше суммы длин рукавов (/] и /2).

Для условий свободного формирования относительно прямолинейного русла суммарная длина лево- и правобережного пойменных массивов равна

Lf = 2/p. Если русло реки адаптировано, то пойменные массивы формируются попеременно у правого и левого берегов. Поэтому их суммарная длина в среднем равна Lf = /р. На участках врезанного русла величина Lf -> 0. Эти соотношения в целом справедливы и для случая меандрирующего русла. Разветвление русла сопровождается появлением островной поймы. При средней длине пойменных островов /0 и числе островов в разветвлении Ка суммарная длина пойменных массивов Lf = 2/р + lJCa.

Ширина поймы Вп находится в зависимости от сочетания морфологических особенностей речных долин, наличия или отсутствия ограничений русловых деформаций и гидрологического режима водотоков. В случае односторонней поймы на меандрирующей реке ее ширина равна длине перпендикуляра от вершины излучины (верхней излучины в случае двустороннего массива) к тыловому шву поймы 5п1. Для двусторонней поймы к указанной длине добавляется длина линии из вершины нижней излучины, направленной по перпендикуляру к вектору направления пойменного потока воды 5п2- Суммарная ширина поймы В„ = Ви] + Вп2. Она больше или равна ширине пояса меандрирования Ви — расстояния между условными линиями, соединяющими вершины смежных (верхних и нижних) излучин.

В русловых разветвлениях суммарная ширина поймы В„ складывается из суммы ширин пойм по левой Впpi и правой Вир2 сторонам разветвления в створе его максимальной ширины, а также ширины островной поймы Вои. Если островов в разветвлении несколько, то суммарная ширина островной поймы Воп = «ДП01 где Вопо- средняя ширина пойм островов конкретного разветвления русла реки; п0 - число островов в данном створе. Следовательно, Ва = В^+Вщг+ ПоВотю. Для меандрирующих рек со свободными условиями русловых деформаций ширина поймы Вп может достигать десятков километров. Для таких рек Вп > кВр, где к = 2-3, Вр — ширина русла. Если условия русловых деформаций ограничены (врезанные русла), то величина коэффициента к < 1. Пойма у таких рек может отсутствовать. В условиях адаптированного русла 1 <£<2-3 [Чалов, 1997].

Ширина поймы прямо пропорциональна изменчивости уровней воды на участке реки [Барышников, 1978] и обратно пропорциональна ее размеру

(площади водосбора) [Маккавеев, 1955]. Величина Вп нелинейно возрастает при увеличении среднего из максимальных расходов воды [Барышников, 1978].

Высота поймы Нп равна разности высоты поймы и меженного уровня реки. В условиях свободно меандрирующего и адаптированного русла она максимальна у выпуклого пойменного берега в вершине излучины (возрастает в 2-3 раза при переходе от средней части верхнего крыла излучины к ее вершине) и снижается от этой вершины к центральной части нижнего крыла излучины [Чалов, 2011]. Для относительно прямолинейных участков рек высота поймы вдоль пойменных массивов снижается от верхней к нижней границе участка реки в соответствии с общим падением ее русла. В условиях многорукавного русла эта закономерность может нарушаться вследствие неоднородности условий формирования береговой и островной поймы на предшествующих этапах развития участка реки.

В поперечном сечении речной долины выделяются различные ступени пойм: низкая, средняя и высокая. Высота поймы зависит от размера реки, амплитуды колебания уровней воды, стока наносов и возраста поймы [Чалов, 2011]. Чем больше возраст поймы, тем больше её высота. Для меандрирующих рек характерна меньшая высота поймы по сравнению с разветвленными и относительно прямолинейными участками рек, что связано с особенностями формирования пойменного рельефа [Барышников, 1984].

Изучены типы речных пойм [Еленевский, 1936; Кондратьев и др., 1959; Маккавеев, 1971; Попов, 1969; Чалов, 1970; 2011; Чалов, Чернов, 1985; Чернов, 2009; Шанцер, 1951]. В пределах Волжского бассейна встречаются сегментно-гривистые, ложбинно-островные, гривисто-островные и параллельно-гривистые поймы.

Закономерно повторяющиеся изменения глубины, продолжительности и частоты затопления пойм (водный режим пойм, их поёмность) зависят от морфологических особенностей речной долины, типа и возраста пойм, особенностей водного режима и размера рек, степени естественной зарегулированное™ стока. Они существенно изменяются при переходе от низкой (Н\), к средней (Н2) и высокой (#з) пойме [Барышников, 1978; Максимов, Мерзлякова, 1972]. Низкая пойма затапливается каждый год и на

продолжительное время. Средняя пойма характеризуется менее продолжительным и более редким затоплением. Высокая пойма затапливается несколько раз за 100 лет и на короткий срок. Чем больше высота поймы, тем меньше вероятность её затопления, меньше ее поёмность [Алексеевский, Нестеренко, 2011].

Во второй главе описан набор факторов (геоморфологических, гидрологических и гидравлических), от которых зависит водный режим поймы, и их изменение в бассейне Волги. Разнообразие условий формирования водного режима пойм Волжского бассейна связано с гигантскими размерами бассейна, наличием 151 ООО водотоков.

В диссертации впервые изучена роль размера (порядка N¡„) рек в качества признака подобия характеристик речных пойм. На основе формулы jVm = 1 + log2>S, где S — число водотоков с длиной менее 10 км в бассейне реки [Алексеевский, Нестеренко, 2011], вычислены порядки 9907 рек в бассейне Волги. Они изменяются от 1 до 18 (порядок Волги до начала регулирования стока в районе г. Волгограда). Порядки рек возрастают от истоков к устьям рек под влиянием впадения притоков (рисунок 1). В общем случае увеличение порядка рек сопровождается возрастанием длины, ширины и высоты пойм.

Обоснована роль геоморфологических факторов в изменении водного режима речных пойм. Под влиянием этих факторов находится возможность возникновения поймы; высота, длина, ширина пойменных массивов. Их пространственно-временное изменение создает отличия рек по частоте, глубине и продолжительности затопления пойм.

На основе анализа карт [Русловые процессы..., 1990; Морфология и динамика..., 1999] определено, что в Волжском бассейне отсутствуют ограничения на развитие пойм на 76,6 % длины рек с L > 200 км. Длина затопленных пойм в зоне влияния Волжско-Камского каскада ГЭС составляет 4,2 % суммарной протяженности пойменных массивов рек с длиной более 200 км. Поймы отсутствуют или имеют локальное распространение на 14,2 % суммарной длины средних и крупных рек Волжского бассейна (на участках врезанного русла). Односторонняя пойма распространена на участках адаптированного русла (5,0 % длины).

Рисунок1. Порядки рек в бассейне р. Волги

Обработка карты (Морфология и динамика..., 1999] показала, что поймы средних и крупных равнинных рек Волжского бассейна в основном (66,8 %) относятся к сегментно-гривистому типу. Такой тип поймы встречается во всех районах Волжского бассейна. Ровные и озсрно-старичныс поймы (30,6 %) формируются в верхнем и среднем течении равнинных рек. Относительно редки ложбинно-островные (1,7 %) и иараллсльно-фивистыс типы пойм (0,9 %).

Для большей части территории Волжского бассейна характерен восточноевропейский тип водного режима (с наличием черт казахстанского типа водного режима на юго-востоке бассейна). Он определяет большую сезонную изменчивость уровней воды и вероятность ее выхода на пойму.

В данной главе проведена характеристика объектов, выбранных для изучения поёмности и гидравлических аспектов водного режима пойм -участков Раменки, Протвы, Оки и Вятки. Они отличаются по размеру, морфологическим особенностям долин, типу русла и поймы (таблица I).

Таблица 1. Гидрографические характеристики ключевых участков рек

Река Длина Площадь Порядок Линейные характеристики пойм, м

участка водосбора, реки, ширина высота высота высота

реки, Ь, км2 поймы Ни м #2, м #з, м

км Вп, км

Раменка 1,0 6,6 1 <0,05 <0,5 1,3-1,5 1,7-2,3

Протва 4,4 1446 8,3 < 1 <0,5 2-3 4-5

Ока

а) д. Торбушево 3 69445 13,5 0,95 <2,5 5-7 >9-10

б) д. Трегубово 4,9 70621 13,5 1,8 <2,0 3-5 > 10

Вятка 30,15 48700 14,1 5,74 <2,5 3-5 >6-7

В третьей главе исследованы изменения линейных характеристик, высоты и площади пойменных массивов по длине рек.

На участках меандрирующего русла длина Ь^ ширина В„ и высота Н„ поймы изменяются в зависимости от размера реки (таблица 2). При увеличении нормы стока воды длина пойменных массивов нелинейно возрастает в большей, а ширина — в меньшей степени. Приращение ширины поймы происходит несколько медленнее по сравнению с приращением ширины меженного русла. Увеличение коэффициента развитости излучин (р сопровождается уменьшением длины пойменных массивов. На Оке величинам ср = 1,27 и (р= 1,75 соответствуют пойменные массивы длиной 3,3 и 2,8 км [Чалов и др., 2004]. Чем больше шаг и длина излучин, тем больше длина пойменного массива, формирующегося вдоль выпуклого берега реки. Ширина поймы Вп>Ви = 2/г,ф, где /гпр - длина стрелы прогиба излучин. Средняя ширина пойменных массивов Впср сложным образом изменяется по длине рек. Сопоставление данных по рр. Москве, Пахре, Оке и Вятке показывает, что наибольшая ширина поймы характерна для нижнего течения этих рек.

В условиях ограниченного развития русловых деформаций и в долинах малых рек формируются одно- или двусторонние поймы небольших размеров (таблица 2). Особенности геоморфологических и гидрологических факторов, а также тип пойм, определяют особенности рельефа их поверхности, способность задерживать часть транзитного стока реки в понижениях поймы в период ее затопления речными водами. Поймы, на поверхности которых

интенсивно происходят карстовые процессы, обладают значительно большей способностью задерживать сток. Величина объема карстовых понижений Ук (и аккумуляции воды в пределах пойменного массива) в первом приближении экспоненциально увеличивается с возрастанием порядка реки Л^ (за счет соответствующего увеличения площади поймы)

Гк=9,7ехр(0,7Лгш). (1)

На участках ограниченного развития русловых деформаций и формирования односторонних пойм объем понижений на их поверхности существенно сокращается.

Таблица 2. Изменение характеристик пойменных массивов некоторых изученных рек Волжского бассейна

Река, участки Ширина русла Вр, м Характеристики пойменного массива

Длина и м Ширина Вп, м Высота, #„, м Площадь /=■„, км2 Изменение высоты поверхности, ДАл, м Макс, объем понижений, м3

Раменка <3 <30 <50 <2,3 2-4-10"4 0,17 17-34

Протва, 1 20-30 1730 780 <5 0,74 3 1,1М06

Протва, 2 20-30 670 90 <5 0,04 0,75 69

Ока, 3 300 9 390 950 >9-10 6,5 - -

Ока, 4 290 9 170 1 800 > 10 10,8 <5 5,91-Ю6

Вятка 300 7 730 5 740 >6-7 34,3 <5 -

Примечание: 1 - широкопойменное русло (Барский луг); 2 - адаптированное русло (на правом берегу Протвы, ниже д. Дедюевка); 3 - адаптированное русло (д. Торбушево, правый берег Оки); 4 - адаптированное русло (д. Трегубово, левый берег Оки).

Характеристики пойменных массивов изменяются во времени вследствие многолетнего взаимодействия транзитного потока воды и наносов с речными отложениями. Аккумуляция наносов на поверхности поймы обусловливает повышение ее отметок. Интенсивность их повышения зависит от размера реки [Гниломедов, 1996; Перевощиков, 2006]. Наибольшие скорости накопления характерны для зоны степи, наименьшие - для зоны тайги. С наименьшей скоростью повышаются отметки участков поймы, наиболее удалённых от русла [Чернов, 1983; Перевощиков, 2003; Чалов и др., 2004]. Максимально быстро

увеличиваются отметки прирусловой части пойменного массива. Объем аккумуляции наносов на пойме рек со свободными условиями русловых деформаций в 2-3 раза превышает аналогичную величину на поймах рек с адаптированным руслом [Гниломедов, 1996]. Увеличению относительной высоты пойм разных уровней способствует врезание потока [Панин, 1991].

Для выделения границ речных пойм и масштабов потенциального их затопления в период максимального стока в работе использован анализ 115 топографических карт масштаба 1:50000. С учетом характерных признаков пойм [Алексеевский, Нестеренко, 2012] определялись линейные и площадные характеристики пойм на участках рек с общей протяженностью около 2000 км.

Осреднение площади речных пойм для участков рек в бассейнах Оки, Вятки и Белой [Миркин, 1974], имеющих одинаковый порядок Иш = г, показало, что в условиях свободного развития русловых деформаций величина /ср возрастает с увеличением порядка А^ в соответствии с уравнением

/сР,,= Юа№и±ь. (2)

При этом отчётливо прослеживается региональный характер зависимости (2) (таблица 3). Зависимости для бассейнов Оки и Вятки имеют схожий характер, но существенно отличаются от линии тренда для р. Белой. Это связано с расположением бассейнов Оки и Вятки в лесной зоне, в северной части изучаемого региона, а бассейна р. Белой - в степной зоне.

Таблица 3. Характеристики региональных зависимостей типа (2) для крупных рек в бассейне Волги

Бассейн реки Уравнение линии тренда Индекс корреляции р

Ока /ср.|=10м9№,-м* 0,67

Вятка г _|п0.««»-и /ср./ 1 и 0,95

Белая г _ . п 0.22 Ми + 0.24 /ср./ 1 и 0,83

Зависимость (2) предоставляет возможность для определения масштабного эффекта изменения площади речных пойм при переходе от реки с = г к реке с = г+1. Поскольку в бассейне Оки К/ = /ср,,>]//с^ = 2, то при увеличении порядка реки на единицу площадь поймы в среднем возрастает в 2 раза. Для бассейна Вятки К/ ~ 3, а для бассейна Белой К/ ~ 1,7. По данным

работы [Матвеев, 1984] величина К/ ~ 4, что связано с использованием другого метода определения порядка реки. Величина порядка по этому методу 7Уф.с ~ ЛГш-4 [Малые реки..., 1998].

Эта закономерность позволяет приближенно оценить суммарную площадь пойм в долине отдельной реки при изменении ее порядка от /=1 до /—М. В этом случае к устью главной реки площадь поймы равна сумме средних площадей пойм /}/. Суммарная площадь пойм всех водотоков, представленных в речной сети бассейна или административного района этого бассейна, может быть вычислена согласно уравнению:

^ = (3)

/=1

где / - порядок реки, М - максимальная величина порядка 7-й реки на исследуемой территории; и,- - количество рек г'-го порядка на исследуемой территории; - площадь поймы 7-той реки г-го порядка согласно выражению (2). Рассчитанная по этой методике суммарная площадь пойменных массивов в бассейнах рр. Ветлуги и Чепцы не превышает 3% от площади их бассейнов.

В четвертой главе диссертации выполнен анализ гидрологических факторов водного режима речных пойм. Основное значение для пространственно-временной изменчивости характеристик процесса затопления пойм в бассейне Волги имеет тип внутригодового распределения стока воды, естественная зарегулированность стока и многолетняя изменчивость максимальных расходов и уровней воды.

Роль гидрологических факторов в водном режиме пойм удобно оценивать в зависимости от отношения максимальных и средних годовых уровней Ны/Нг, разности между максимальными и минимальными уровнями воды АН [Нестеренко и др., 2010]. Для подавляющего большинства рек в бассейне Волги характерен восточно-европейский тип водного режима, для которого величина Нм/Нг > 5-20 [Самохин, 2006]. В естественных условиях формирования стока разность АН для Волги (г. Тверь) составляла 11 м, а ниже устья Камы — 15-17 м, т.е. возрастала с увеличением порядка рек Nш. Морфологические особенности долины реки ниже Волгограда объясняют уменьшение разности

ДН вблизи Астрахани до 3-5 м, а у морскою края дельты до 2.2 м [Ьайдин, 1962; Исупова. 2008; Соколов. 1%4).

Размах колебаний уровня воды АН в долинах рек Волжского бассейна изменяется от 2 м до 15 м и более. Величина АН зависит от размера реки (площади водосбора, ее порядка #„) [Нестерснко, 2011). С увеличением порядка диапазон изменения уровней воды возрастает в соответствии с зависимостью ДН » Аг|Лр*2 > 1). При = 10,5*12,3 характер связи между переменными изменяется на противоположный (ДН- 1/ЛГи) [Самохин, 2006).

П 1С« «« И [ * « НС «I СI

Рисунок 2.

Пространст вен мое и изменение срслнсго значения коэффициента " естественной

зарегулирован »ости <р (за 1978-2010 гг.) в бассейне р. Волги

»1

Ы ( ш

ООО» I )»>)•

9(1)«

Величина АН зависит от условий формирования русла и поймы, типа русел рек. При прочих равных условиях наибольшие значения АН характерны для рек с адаптированным руслом (средняя амплитуда уровней составляет 6,89 м). Наименьшие значения АН (средняя величина равна 5.03 м) присущи рекам с широкопойменным руслом. Промежуточные значения АН (6,47 м) свойственны руслам врезанных рек.

Для характеристики многолетних особенностей водного режима пойм эффективен анализ пространственной изменчивости коэффициента естественной зарегулирован ности стока <р [Соколовский. 1946]. Он соответствует доле «базисного» стока в годовом объеме стока. Чем меньше величина <р, тем больше вероятность и продолжительность затопления пойм. Для оценки влияния этого фактора на особенности водного режима рек создана карта изменчивости коэффициента естественной зарегулирован ности стока для Волжского бассейна [Фролова, Нестерснко, и др., 2010] (рисунок 2). Максимальные значения коэффициента ^характерны для западной и восточной частей Волжского бассейна. Значения уменьшаются в северной и центральной частях бассейна. Коэффициент минимален южнее р. Самары.

Изменение вероятности, продолжительности и глубины затопления речных пойм в бассейне Волги в значительной мере определено наблюдающимся потеплением климата преимущественно в холодный сезон года [Кнслов и др., 2008 и др.]. Это влияет на водный режим рек, уменьшение объема половодья и максимальных расходов воды (Фролова, Нестерснко и др., 2010; Рго1оуа «?/ о/., 2011]. Уменьшение весеннего стока в бассейне Оки составило 10-20% [Семенов, Семенова, 2002]. Аналогичное уменьшение оказалось характерно и для р. Суры. Для рр. Унжи, Ветлуги, Камы весенний сток, наоборот, возрос. В бассейне Камы он увеличился на 15-25% |Фролова, Нестерснко и др., 2010]. В бассейнах рек, расположенных между 56 и 60° с. ш. (левобережные притоки Волги в верхнем и среднем течении), Камы, лесостепной зоны Волжского бассейна эти изменения сочетаются со значительным увеличением годового стока на 10-15%. В бассейне Вятки оно достигло 15-30%. К северу и югу от этой зоны на левобережье Волги прослеживается менее значимое (5-15%) увеличение водности рек [Алексеевский и др., 2011; Фролова, 2012; Рго1о\а е! о/., 2011].

Повышение температуры воздуха в зимний период привело к сдвигу дат начала половодья на более ранние сроки (на 10-15 дней) и увеличению продолжительности многоводной фазы [Рго1оуа е! а/., 2011]. Это сопровождается замедлением интенсивности нарастания уровней и расходов воды на подъеме волны половодья, уменьшением максимальных расходов

воды, частоты, глубины и продолжительности затопления пойм. Уменьшение максимальных расходов весеннего половодья (на 20-40%) и доли стока за половодье наиболее характерно для рек в бассейне Оки (рисунок 3) и Унжи. Эта тенденция преобладала в последние три десятилетия и в колебаниях максимального стока рек в бассейне Верхней Волги. В бассейне Нижней Волги уменьшение максимального стока достигало 40-70 %.

Годы Годы

Рисунок 3. Многолетнее изменение максимального расхода воды ()ши(а) н доли весеннего половодья в головом стоке (б) (р. Ока - г. Калуга)

Сравнение данных за 1946-1977 гг. и 1978-2010 гг. показало, что увеличение коэффициента </> в наибольшей степени проявляется в бассейнах Мокши и Суры (более 30%), верховьях Оки и Волги (до 20-30%), в несколько меньшей степени - в бассейне Мологи, среднем и нижнем течении Ветлугн и Унжи (10-20%), и практически незаметно в самой северной части бассейна. Наиболее сильные изменения произошли в южной части бассейна. Для рек Нижней Волги увеличение <р составляет около 30%. В отличие от Нижней и Верхней Волги для бассейна Камы случаи статистически значимых возрастающих трендов (1946-2010 гг.) единичны (р. Ан, Белая, Вятка, Дсма).

Продолжительность затопления пойм средних и крупных рек в Волжском бассейне не превышает 50 дней. Для большей части бассейна характерно их затопление на период в среднем менее 10 дней. В Калужской, Кировской, Московской, Рязанской и Тверской областях. Пермском крае, республиках Башкортостан, Татарстан, Удмуртия и Чувашия оно более длительное (10-30 дней) [Алексеевский. Власов, Нестеренко, 2011]. Лишь иногда поймы Ветлуги и Мологи затапливаются на период более 30 дней. Поймы ряда малых рек в Волгоградской и Самарской областях затапливаются очень редко или вообще

не затапливаются в современных гидроклиматических условиях. В отдельные годы ситуация с затоплением речных пойм может сильно отличаться от средних многолетних условий (рисунок- 4).

Рисунок 4. Характеристики затопления пойм бассейна Волги в половодье 2010 г.

Оценка повторяемости суточных расходов воды, соответствующих затоплению поймы, выполнена на основе данных (Власов, Чалов, 1991) по 74 гидрологическим постам. Показано, что расход воды ¿V, соответствующий ее средним многолетним значениям, возрастает с увеличением размера реки (порядка /V,,,) [Алекссевскнй, Нестеренко, 2011) в соответствии со степенным уравнением

С^-1.76*ивя. (4)

В пятой главе изучены гидравлические особенности движения речных вол в условиях их выхода на пойму.

Для изучения гидравлического состояния водных потоков, формирующихся в пределах дна речных долин, проведены численные эксперименты с использованием программного комплекса «Л/мег» [Беликов, Милитесв, 2002; Беликов и др.. 2003). Предложенная модель основана на двумерной схематизации движения русловых и пойменных потоков (уравнениях Сен-Венана) и позволяет анализировать поле глубин и скоростей течения в пределах дна речных долин в зависимости от особенностей руслового и пойменного рельефа, а также изменения граничных условий [Пестеренко и др., 2012). Эта модель обнаружила хорошую эффективность при изучении процессов затопления в разных природных условиях |3айнев, 2006; Крыленко, 2009]. Моделирование проводилось с использованием собственных данных о рельефе русла и поймы на характерных участках м&зых, средних и крупных рек (таблицы 1-2). В качестве верхнего граничного условия использовались данные о величине и повторяемости расходов воды на близко расположенном гидрологическом посту. Для задания нижнего граничного условия учитывались данные об уровнях воды ниже экспериментального участка реки.

1.2

0.8

,0.6 Г

*0,4 0.2

-Створ 1 -Створ 2 -Спор 3 -Створ 4 -Створ 5 -Створ 6 -Створ 7 -Створ 8

400

Рисунок 5. Изменение средней скорости течения р. Мротвы V при увеличении расхода воды д и разной величине В^ВГ (створ 1 - В^ВГ = 31.1; 2 - В^ВГ - 30,1; 3 - В^ВТ = 32.5; 4 - В,/Вр = 20.0; 5 - В,^ВГ = 12.9; 6 - В^ВР - 4.7; 7 - в„/вр - 8,6; 8 - В„/Вр - 5.4; пунктирная линия обозначает расход воды, при котором начинается затопление поймы) [Пестеренко и др., 2012)

Глубина, м

Рисунок 6. Фрагмент поля глубин и скоростей течения в пониженной части долины р. Вятки (в районе расположения г. Кирова, 0 = 5280 м}/с) с элементами взаимодействия руслового и пойменного потоков по типу VI. Крупные стрелки -направления движения воды; 1,2....4 - номера расчетных створов

10-12 12-14 14 • 16 16-18 18-24

Скорость течения, м/с

<0.25

0.25 - 0,50 0.50-1,00 1.00-1.50 1.50-2,00 2.00 - 2,52

Результаты моделирования на экспериментальных участках рр. Протвы и Оки подтвердили существование 5 типов взаимодействия руслового и пойменного потоков, выделенных ранее Н.Б. Барышниковым [1984]. На гидравлическую структуру объединенного (руслового и пойменного) потока воды и их взаимодействие существенное влияние оказывает соотношение ширнны поймы и меженного русла В^ВГ (рисунок 5). Чем большее соотношение тем сложнее и разнообразнее гидравлическая структура

потока при затопленной пойме. Оказалось, что схождение и расхождение свойственно не только русловым и пойменным потокам. Такой характер взаимодействия может существовать и между потоками воды, находящимися в разных частях поймы. Он возникает при сложном характере рельефа дна речной долины, на участках островной поймы и может рассматриваться в качестве дополнительного (шестого) типа взаимодействия вод (рисунок 6).

Процесс затопления пониженной части долины реки сопровождается сильнейшей трансформацией скоростного поля потока в его поперечных сечениях (таблица 4). Изменение средней скорости течения в русловом отсеке в диапазоне от 0,7 м/с до 2,4 м/с (в зависимости от расхода волы)

сопровождается уменьшением скорости движения воды в пределах низкой поймы в 1,2+4 раза, а в пределах высокой поймы - минимум в 12 раз.

Таблица 4. Неоднородность скоростного ноля потока в поперечном сечении долины ___р. Протвы____

Расход волы м'/с Средняя скорость потока в меженном русле кр, м/с Средняя скорость потока в пределах НИТКОЙ ПОЙМЫ »'пи ( В ДОЛЯХ ОТ V,) Средняя скорость потока в пределах средней поймы V« (В ДОЛЯХ ОТ V,) Средняя скорость потока в пределах ВЫСОКОЙ ПОЙМЫ (в ДОЛЯХ ОТ V,)

150 1.22 0.51 0.16 0.06

250 0,94 0,53 0,16 0.09

340 0,83 0.69 0,26 0,17

Обработка результатов численных экспериментов позволила впервые исследовать возможность возникновения кинематического эффекта (в особенности его второй фазы) в условиях естественного водного режима и природного разнообразия рельефа дна речных долин |Нсстеренко и др., 2012]. Для этого анализировалось изменение функции V « Л(0, где V - средняя скорость объединенного (руслового и пойменного) потока воды при расходе воды Q.

-Створ 1 •Ст»ор 2 -Стюр 3 -Створ 4

5000

10000 а м'/с

15000

20000

Рисунок 7. Трансформация функции V /НС) при изменении расходов воды и затоплении поймы р. Оки (район д. Торбушево) (створ I - BJBr = 2,5; 2 - й,/вР = 4.9; 3 - В^Вр = 3,3; 4 - В^В^ » 4,4; пунктирная линия обозначает расход воды, при котором начинается затопление поймы)

Результаты численных экспериментов (рисунок 7) доказали возможность повторного увеличения средней скорости при затопленной пойме (второй фазы кинематического эффекта), если отношение В„/Вр > 2 и расходы воды имеют малую обеспеченность 1-5 %. Чем больше размер реки, тем больше обеспеченность расхода, при котором возникает этот эффект. В сужениях речных долин и при малой ширине поймы (Вп < 2 Вр) кинематический эффект (обе фазы) отсутствует.

В заключении сформулированы выводы, соответствующие основным теоретическим, методическим и прикладным результатам исследования:

1. Линейные и площадные характеристики речных пойм изменяются в соответствии с увеличением размеров (порядков) рек. В Волжском бассейне они меняются в диапазоне от 1 до 18. Подавляющее большинство рек региона имеют небольшую пойму, соответствующую водотокам с порядком

2. Обобщение опубликованных карт показало, что в долинах большей части (76,6%) изученных рек Волжского бассейна отсутствуют ограничения условий развития русловых деформаций. Участки односторонней поймы формируются примерно на 5% участков рек. Поймы отсутствуют или формируются фрагментарно на 14,2% русловой сети. Искусственный водный режим характерен для 4,2% суммарной протяженности пойменных массивов. В пределах бассейна наиболее распространены сегментно-гривистые (66,8%), а также ровные и озерно-старичные поймы (30,6%). Относительно малые по длине участки рек имеют ложбинно-островную и параллельно-гривистую поймы.

3. Впервые выявлен масштабный эффект, при котором увеличение размера (порядка) реки сопровождается нелинейным возрастанием площади поймы. При увеличении порядка реки на 1 единицу площадь поймы в бассейне Оки возрастает в 2 раза, в бассейне Вятки в 3 раза, в бассейне Белой в 1,7 раза.

4. Разработанный в диссертации метод оценки изменения площади пойм в зависимости от размера рек позволяет определить суммарную площадь потенциально затапливаемых территорий в бассейнах отдельных рек или в пределах субъектов Российской Федерации, находящихся в бассейне Волги

(при наличии соответствующей региональной зависимости). С учетом стоимости основных фондов этот метод позволяет рассчитать возможный ущерб от наводнений и стоимость мероприятий по защите населения, объектов социальной и производственной сферы от затопления.

5. Водный режим пойм Волжского бассейна зависит от естественной зарегулированности и неравномерности внутригодового распределения стока. В многоводные годы величина коэффициента естественной зарегулированное™ стока уменьшается, а вероятность затопления пойм возрастает, в маловодные — наоборот. Минимальная естественная зарегулированность и наибольшая вероятность затоплений отличает южную и юго-восточную часть бассейна Волги. Устойчивое снижение неравномерности стока и рост его естественной зарегулированное™ после 1935 г. привели к снижению доли весеннего половодья в годовом стоке и уменьшению вероятности, продолжительности и глубины затопления речных пойм Волжского бассейна. На 2500 км русла Волги и более 1100 км русла Камы пойменные территории имеют искусственный водный режим.

6. Величина пойменного регулирования речного стока зависит от водности года и типа поймы. Пойменное регулирование достигает максимума в многоводные годы, на участках ложбинно-островной поймы, при наличии на ее поверхности старичных понижений и проявлений карста.

7. Гидравлические особенности движения речных вод при затопленной пойме зависят от морфологии речной долины, типа водного режима и размера реки. Чем больше отношение ширины поймы к ширине меженного русла, тем больше разнообразие и сложность структуры потока. В сужениях долин местные скорости течения объединенного потока больше и они менее изменчивы по ширине долины. На участках широкопойменных рек скорости течения при переходе от руслового отсека к отсекам низкой, средней и высокой поймы уменьшаются соответственно на 30, 60 и 80% в диапазоне соотношения ширины русла и ширины поймы Вп/Вр от 4,7 до 32,5.

8. Результаты математического моделирования затопления пойм подтвердили правомерность выделения Н.Б. Барышниковым пяти типов взаимодействия руслового и пойменного потоков воды. При сложном рельефе дна речной

долины и большой неоднородности скоростного поля потока обнаружена возможность формирования на поверхности поймы нескольких разнонаправленных струй, соответствующих разным пойменным ступеням. Это позволило выделить новый (шестой) тип взаимодействия руслового и пойменного потоков. 9. В процессе затопления речных пойм возможно возникновение кинематического эффекта Г.В. Железнякова - уменьшения средней скорости объединенного потока воды при выходе воды на пойму (1-я фаза) и увеличения при дальнейшем росте уровней и расходов воды (2-я фаза). Он возникает при наличии широкой (Вп > 2ВР) поймы. Чем больше размер реки, тем больше обеспеченность расхода, при котором проявляется его вторая фаза (прочие условия равны). В сужениях речных долин и при малой ширине поймы (Вп < 2Вр) кинематический эффект (обе фазы) не возникает.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Фролова Н.Л., Нестеренко Д.П., Шенберг Н.В. Внутригодовое распределение стока рек России // Вестник МГУ. Серия 5. География, 2010. №6. С. 8-16. Публикации в других журналах и сборниках:

1. Нестеренко Д.П. Неравномерность внутригодового распределения стока рек России // Материалы докл. XVI Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электронный ресурс]. М.: МАКС Пресс, 2009.

2. Нестеренко Д.П. Особенности неравномерности внутригодового распределения стока рек России // Экология речных бассейнов: труды 5-й Междунар. научно-практ. конф. / Под ред. Т.А. Трифоновой. Владимирский государственный университет. Владимир, 2009. С. 401-405.

3. Нестеренко Д.П., Агафонова С.А., Терский П.Н., Ефремова H.A. Анализ весеннего половодья 2010 г. на реках Волжского бассейна // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. Сб. трудов 4-й Междунар. научн. конф. молодых ученых и талантливых студентов Института водных проблем РАН; / Под. ред. H.H. Митиной. М.: ИВПРАН, 2010. С. 128-131.

4. Нестеренко Д.П. Русловая сеть р. Волги и ее индикационные особенности // Эрозия почв, овражная эрозия, русловые процессы: теоретические и прикладные вопросы. Материалы VIII семинара молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. М.: Географический ф-тМГУ, 2011. С. 181—184.

5. Алексеевский Н.И., Власов Б.Н., Нестеренко Д.П. Особенности затопления речных пойм в Волжском бассейне // Экология речных бассейнов. Сб. трудов 6-й Междунар. научно-практ. конф. Владимирский государственный университет. Владимир, 2011. С. 365-369.

6. Алексеевский Н.И., Нестеренко Д.П. Факторы и особенности затопления речных пойм в бассейне Волги // Сб. трудов 1-й открытой конф. научно-образоват. центра «Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление». М.: ИВП РАН, Географический факультет МГУ, 2011. С. 9-20.

7. Нестеренко Д.П., Лебедева C.B. Исследование гидрологического режима поймы р. Раменка // Сб. докл. XVIII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Под ред. А.И. Андреева, A.B. Андриянова, Е.А. Антипова, М.В. Чистяковой [Электронный ресурс]. М.: МАКС Пресс, 2011.

8. Алексеевский Н.И., Нестеренко Д.П. Использование геоинформационных технологий и методов дистанционного зондирования для оценки изменения площади поймы по длине рек в бассейне Волги // Сб. трудов 2-й открытой конф. научно-образоват. центра «Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз, управление». М.: ИВП РАН, Географический ф-т МГУ, 2012. С. 58-64.

9. Нестеренко Д.П., Крыленко И.Н., Головлев П.П. Исследование выраженности кинематического эффекта Г.В. Железнякова на реках Волжского бассейна // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность: Сб. трудов VI Междунар. научн. конф. молодых ученых и талантливых студентов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института водных проблем РАН. / Под. ред. H.H. Митиной. М: ИВП РАН, 2012. С. 114-117.

10. Евстигнеев В.М., Нестеренко Д.П., Фролова H.JL, Шенберг Н.В. Типы водного режима рек // Закономерности гидрологических процессов / Под ред. Н.И. Алексеевского. М.: ГЕОС, 2012. С. 153-169.

11. Frolova N., Agafonova S., Nesterenko D. Water and ice regimes of the rivers of European Russia under climate change // Hydro-climatology: variability and change /Eds. S.W. Franks, E. Boegh, E. Blyth, D.M. Hannah, K.K. Yilmaz (Selected papers International symp. JH-02, held during IUGG 2011, XXV General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Melbourne, Australia, July 2011). IAHS Publ. 344. IAHS Press, Wallingford, UK, 2011. P. 63-68.

Заказ № 67-P/10/2013 Подписано в печать 18.10.13 Тираж 130 экз. Усл. п.л. 1,4

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; e-mail: info@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Нестеренко, Дмитрий Павлович, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

04201364721

на правах рукописи

НЕСТЕРЕНКО ДМИТРИЙ ПАВЛОВИЧ

ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЙМ РАВНИННЫХ РЕК НА ПРИМЕРЕ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Алексеевский Н.И.

МОСКВА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. Речные поймы.................................................................................................15

1.1. Характеристики речных пойм...........................................................................15

1.2. Классификация речных пойм............................................................................28

1.3. Водный режим пойм...........................................................................................37

Глава 2. Условия формирования водного режима речных пойм

в бассейне р. Волги.......................................................................................................54

2.1. Физико-географические и гидрографические факторы формирования водного режима пойм Волжского бассейна............................................................54

2.2. Геоморфологические условия формирования речных пойм..........................67

2.3. Водный режим рек Волжского бассейна..........................................................70

2.4. Объекты исследований.......................................................................................74

Глава 3. Геолого-геоморфологические факторы водного режима пойм Волжского бассейна..........................................................................................................................89

3.1. Изменение характеристик и рельефа поверхности пойм по длине рек........89

3.2. Изменение высоты речных пойм....................................................................101

3.3. Соотношение порядков рек и площадей пойм..............................................111

Глава 4. Гидрологические особенности водного режима речных пойм в бассейне р. Волги.........................................................................................................................123

4.1. Уровенный режим речных пойм.....................................................................123

4.2. Естественная зарегулированность водного стока рек...................................131

4.3. Многолетние тенденции изменения стока рек Волжского бассейна..........137

4.4. Характеристика поёмности рек Волжского бассейна...................................146

Глава 5. Гидравлические особенности движения воды по затопленной пойме... 157

5.1. Факторы изменения гидравлического состояния пойменных потоков......157

5.2. Методы, условия и объекты моделирования движения воды по пойме.....160

5.3. Гидравлические особенности водных потоков на затопленной пойме......168

5.4. Исследование кинематического эффекта при затоплении поймы..............186

Заключение...................................................................................................................193

Литература...................................................................................................................197

Введение

Актуальность исследования. Гидрологические особенности речных долин во многом определены их поёмностью - частотой, глубиной и продолжительностью затопления ее пониженной и зачастую освоенной части. В понятие поёмности входит задержание части стока половодья при затоплении речной поймы на подъеме половодья и возврат воды в русло реки на спаде уровней. Недостаточная изученность этих процессов обусловливает необходимость исследования зависимости поёмности от факторов, влияющих на неё. Особенно остро такая необходимость существует для наиболее освоенного региона Российской Федерации - бассейна Волги, в пределах которого проживает около 40 % населения страны. Значительная его часть осваивает пространство в долинах рек. Поэтому изучение водного режима речных пойм, морфологических особенностей речных долин, морфодинамических типов русел рек, их размеров и водного режима, гидравлических особенностей движения потока воды при затопленной пойме, имеют не только научный и методический, но и прикладной интерес. Их изучение позволяет выявить закономерности движения речных вод на затопленной пойме, влияние гидрографических, геолого-геоморфологических и гидрологических факторов на вероятность выхода воды на пойму. Оно позволяет оценить площадь пойменных массивов, затапливаемых в пределах отдельной реки, речной сети территории или речных систем в пределах отдельных субъектов Российской Федерации на территории Волжского бассейна в зависимости от размера рек и их количества в границах крупных водосборов. Наличие этой информации открывает перспективы определения площадей речных пойм, которые затапливаются водой в период максимального стока с определенной вероятностью и на некоторое время. Очевидно, что без таких данных сложно решать актуальные задачи оценки опасности и риска затопления освоенных участков пойм (зависящих также от стоимости основных фондов, численности населения, проживающего в условиях риска затопления). Их отсутствие

затрудняет или исключает эффективное планирование и осуществление противопаводочных мероприятий.

Затопление речных пойм - комплексный процесс, обусловленный влиянием геоморфологических, гидрологических и гидродинамических факторов. Роль геоморфологических факторов связана с самим фактом существования и развития речных пойм в длительные интервалы времени, зависимости длины, ширины и высоты поймы от морфодинамического типа русла, направленности и интенсивности русловых переформирований, размера рек. В изучение закономерностей этих процессов большой вклад внесли исследования Н.И. Алексеевского, В.И. Антроповского, Е.Ф. Белевич, K.M. Берковича, К.К. Воскресенского, Е.В. Гниломедова, Г.И. Горецкого, P.A. Еленевского, А.П. Кулакова, Н.И. Маккавеева, Н.П. Матвеева, А.Н. Махинова, H.H. Назарова, Б.В. Нуждина, В.Н. Орлянкина, A.B. Панина, A.A. Перевощикова, И.В. Попова, Ю.Г. Симонова, С.А. Сладкопевцева, P.C. Чалова, A.B. Чернова, Е.В. Шанцера. Одновременно можно отметить, что по-прежнему недостаточно изучены закономерности изменения средних линейных и площадных характеристик пойм по длине рек, пространственного распределения речных пойм разного типа; влияния рельефа поверхности пойм на величину объема воды, способного задерживаться в понижениях её поверхности.

Многие важные результаты в изучении водного режима пойм получены специалистами, изучающими условия формирования морфодинамических типов

русел и руслового режима рек (A.M. Алабян, Н.С. Знаменская, В.М. Католиков, З.Д. Копалиани, А.Г. Ободовский, И.В. Попов, Б.Ф. Снищенко, P.C. Чалов). В последние десятилетия проблемы формирования и изменения водного режима рек стали предметом гидроэкологических исследований (A.B. Кузин, Н.М. Новикова, Б.М. Миркин, В.В. Сурков). Тем не менее, остаются открытыми вопросы соответствия условий поёмности и особенностей водного режима рек конкретных территорий. Они представляют значительный научный, методический и практический интерес, поскольку необходимы при оптимизации водопользования на освоенных участках рек, а также для совершенствования методов гидрологических расчетов и прогнозов.

Исследования гидравлических аспектов водного режима пойм исключительно сложны для их проведения в натурных условиях, поэтому натурные данные по гидравлике водных потоков при затопленной пойме уникальны. Они получены для небольшого числа рек (участки Иртыша, Оби, Поломети и др.). Их анализ содержится в работах Н.Б. Барышникова, Н.С. Знаменской, И.Ф. Карасева, Д.Е. Скородумова. Более результативными для выяснения закономерностей изменения гидравлического состояния объединенного потока (с затопленной поймой) оказались исследования на физических моделях. Наиболее значимые лабораторные эксперименты проведены Н.Б. Барышниковым, Г.В. Железняковым и Ю.Н. Соколовым. На основе данных, полученных на физических моделях, выявлены типы взаимодействия руслового и пойменного потоков, обоснован кинематический эффект изменения средней скорости объединенного потока в пониженной части речной долины. Однако неизбежные проблемы масштабных искажений гидравлических характеристик препятствуют простому переносу выводов, полученных в лаборатории, на натурные объекты. В этом смысле исключительно полезны математические модели процессов затопления пойм разного возраста, которые способны воспроизводить разнообразные гидрологические явления в широком диапазоне изменения геолого-геоморфологических и гидрологических условий, а также морфологических особенностей речных долин, пойменных массивов и русел рек.

Опыт их использования в указанных целях пока носит единичный характер [Зайцев, 2006; Крыленко, 2009; Нестеренко и др., 2012].

Объект исследования - поймы рек в бассейне Волги и их водный режим. Предмет исследования - закономерности водного режима речных пойм при различном сочетании вида, типа, разновидностей и возраста пойм (геоморфологических и географических факторов); особенностей водного режима рек; степени естественной зарегулированное™ речного стока; размера рек; максимальных уровней и расходов воды (гидрологических факторов); морфологических особенностей речной долины и участка реки.

Для достижения цели диссертационного исследования потребовалось решить следующие задачи:

• изучить представления о речных поймах и их параметрах, накопленные в соответствующих областях географических наук на сегодняшний день;

• дать характеристику различным методам изучения гидрологического режима речных пойм;

• изучить роль пойм в регулировании стока рек в пределах бассейна р. Волги;

• исследовать связь линейных и площадных характеристик пойм Волжского бассейна с размерами рек;

• разработать методику определения площади поймы неизученной реки (для бассейна р. Волги) при условии наличия данных гидрологической изученности;

• осуществить моделирование процессов затопления долин некоторых рек Волжского бассейна для изучения особенностей скоростного поля потока половодья и его изменения при росте расходов воды, а также взаимодействия руслового и пойменного потоков.

Материалы и исходные данные. В работе использованы многолетние материалы наблюдений на 257 гидрологических постах Росгидромета, относительно равномерно распределенных в пределах волжского бассейна с рядами наблюдений до 2005 г., а также оперативные данные с пунктов гидрологического мониторинга, размещенные на сайте ФГУП «Центр регистра и кадастра» (www.waterinfo.ru). Для исследования особенностей прохождения половодья 2010 г. использованы отчетные материалы Верхневолжского, Нижневолжского, Московско-Окского и Камского бассейновых водных управлений. Основой для некоторых разделов диссертации стали архивные материалы научно-прикладных работ кафедры гидрологии суши МГУ, в проведении которых автор принимал участие в 2009 - 2013 гг. Оценка вероятности затопления речных пойм в зависимости от размера реки была проведена по данным сотрудников НИЛ Эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ (Б.Н. Власова и др.). В работе широко использованы результаты обработки топографических карт масштаба 1:50 000 и космических снимков (спутники SPOT-4, FORMOSAT-2), характеризующие границы пойм и количественные характеристики пойменных массивов. Картографические обобщения изученных в работе характеристик гидрологического режима пойм и факторов их формирования подготовлены с использованием ГИС-технологий в программном пакете ArcView GIS 3.2. Для изучения географических факторов, влияющих на формирование гидрологического режима пойм, в диссертации привлекались ранее

опубликованные карты ("Водный режим рек России и сопредельных территорий" [2001], "Морфология и динамика русел рек Европейской части России ..." [1999], "Русловые процессы на реках СССР" [1990]). При изучении процессов затопления речных пойм использовались результаты численных экспериментов по модели В.В. Беликова (программный комплекс "River") [Беликов, Милитеев, 2002, 2003]. Для задания параметров модели и, в частности построения цифровой модели рельефа, автором проведены собственные полевые работы в долине рр. Протвы (2010 г.) и Оки (2010 и 2011 гг.).

Теоретическую основу исследования составили научные представления Н.И. Маккавеева, Н.П. Матвеева, И.В. Попова, P.C. Чалова, A.B. Чернова в отношении процессов формирования и изменения речных пойм. При исследовании масштабных эффектов изменения площадей пойм при последовательном увеличении размеров рек учитывались теоретические и методические подходы, развиваемые в рамках индикационной гидрологии (разработки Н.И. Алексеевского, А.Г. Косицкого, H.A. Ржаницына, Р. Хортона). Для изучения поёмности рек Волжского бассейна оказались полезными следствия из теории руслоформирующих расходов воды (Н.И. Маккавеев, P.C. Чалов). В диссертации были использованы идеи В.Г. Андреянова, А.Н. Антипова, Б.Д. Зайкова, В.М. Евстигнеева, Н.И. Коронкевича, JI.M. Корытного, П.С. Кузина, Д.Л. Соколовского о разнообразии типов водного режима, территориальной неоднородности естественной зарегулированное™ стока воды, подобии гидрологических объектов и процессов. В разделах диссертации, касающихся гидравлических аспектов водного режима пойм, автор основывался на классических работах Н.Б. Барышникова и Г.В. Железнякова.

При подготовке разделов диссертации использованы методы:

Научная новизна исследования. Обработка картографических материалов и космических снимков для участков речных долин в бассейнах рр. Москвы, Оки и Вятки позволила обосновать зависимость изменения площади речных пойм от размера рек. Она создает возможность определения масштабного изменения площади их пойм при характерном увеличении размера (порядка) реки, оценки суммарной площади потенциально затапливаемых земель в долинах рек в период максимального стока воды по всей совокупности элементов русловой сети бассейна или на территории элемента административного деления страны.

конкретного года. Определены изменения водного режима пойм Волжского бассейна в условиях климатической нестабильности максимального стока рек. На ос�

Информация о работе

Нестеренко, Дмитрий Павлович
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.27

Диссертация

Водный режим пойм равнинных рек на примере Волжского бассейна - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы