Гидролого-морфологическая оценка условий формирования и трансформации широкопойменных русел рек

Актуальность работы. Широкопойменные русла рек с разным морфодинамическим типом формируются в определенных гидрологических, геолого-геоморфологических и ландшафтных условиях, оценка которых составляет важную часть исследований русловых процессов. Результаты таких исследований используются для прогноза трансформации русла при естественных и, особенно, антропогенных изменениях природной среды. Анализ условий формирования русел выполнялся многими исследователями на конкретных реках, однако обобщения, требующие получения обширных сведений по рекам с зональным гидрологическим режимом (средним рекам), проведены для очень ограниченного числа регионов. Еще реже встречаются сопоставления особенностей формирования русел одного и того же типа, в том числе меандрирующего, в разных бассейнах, характеризующихся большим разнообразием условий развития русловых деформаций. Обычно подобный анализ выполнялся по длине одной или нескольких рек с близким сочетанием естественных факторов русловых процессов.

Применительно к меандрирующему руслу при анализе условий его формирования требуется проводить соответствующую оценку и для русел других типов, встречающихся на тех же участках рек, что необходимо для получения объективной картины. Кроме того, в уточнении и дополнении нуждаются данные об условиях, определяющих преобладание на участках меандрирующего русла излучин, находящихся на тех или иных стадиях развития, например, сегментных или петлеобр азных.

Обширная литература посвящена динамике потока на изгибах русла, морфологии, генезису, механизмам развитая и эволюции излучин, гидролого-морфологическим зависимостям для извилистых русел на разных стадиях развития и на реках разных размеров, предложены модели, позволяющие прогнозировать отступание берегов под воздействием потока и т. д. Имеются данные стационарных наблюдений за динамикой излучин, правда, достаточно кратковременные. Поэтому очевидно, что динамика излучин в процессе их развития (морфодинамический анализ) и тем более с учетом многолетних колебаний водности, остается пока слабым звеном в изученности процесса меандрирования. Ряд закономерностей в динамике русел свободномеандрирующих рек может быть выявлен на основе сопоставления разновременных картографических материалов. Они достаточно подробно освещают состояние большинства средних и больших рек в XX веке и, особенно, во второй его половине. Это позволяет выявлять связи характеристик русловых деформаций с изменениями факторов русловых процессов, стадиями развития излучин и антропогенными воздействиями на них, что очень важно для прогноза переформирования русел рек при глобальных изменениях природной среды и климата.

Цела и задачи работы. Основной целью работы является выявление региональных особенностей формирования широкопойменных русел рек, закономерностей их трансформаций на разных стадиях развития форм русел разных типов и в связи с определяющими факторами, в том числе многолетними колебаниями и изменениями гидрологических характеристик.

Для достижения этой цели в ходе работы необходимо было решить следующие задачи:

• систематизировать современные представления о развитии широкопойменных русел;

• получить сведения и дать анализ природных условий формирования широкопойменных русел в крупнейших бассейнах России и их оценку как факторов русловых процессов;

• определить условия формирования прямолинейных и меандр ирующих широкопойменных русел как на основе применения традиционных методов (анализ ^/-диаграмм, анализ «эпюр» руслоформирующих расходов воды), так и с использованием новых подходов (диаграммы «мощность потока — характеристика стока наносов»);

• применить гидролого-морфологический анализ к руслам с наибольшей антропогенной трансформацией условий развития;

• провести анализ трансформации свободномеандрирующих русел рек с учетом стадийности развития речных излучин, пойменных условий, многолетних колебаний параметров гидрологического режима;

• дать географический обзор особенностей развития широкопойменных русел.

Методика исследований и фактический материал. Исследование выполнено на основе анализа и обобщения фактического материала по более чем 110 участкам 50 рек России и Украины. Исследования строились главным образом на основе обработки картографических материалов: топографических и лоцманских карт, полученных автором из фондов научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева. Широко использовались литературные данные.

В качестве основных применялись методы гидролого-морфологического и ретроспективного анализов. На основе первого выявлены условия формирования пшрокопойменных прямолинейных и меандрирующих русел средних рек, определены региональные особенности их развития. Методами ретроспективного анализа проведено исследование трансформации свободномеандрирующих русел рек.

Научная новизна работы.

• Установлены региональные особенности условий формирования широкопойменных русел средних и малых рек в бассейнах Волги, Дона и Оби.

• Предложены и обоснованы новые методы анализа условий формирования меандрирующих русел, позволившие установить закономерности распространения процесса меандрирования и преобладающих типов излучин на различных участках рек в зависимости от особенностей гидрологического режима рек, высоты поймы и стока влекомых наносов;

• Впервые проведен ретроспективный анализ развития меандрирующих русел для группы рек бассейна Оби, получены гидролого-морфологические и гидролого-морфодинамические зависимости, связывающие характеристики форм русла, интенсивность и направленность трансформации речных излучин с показателями определяющих факторов.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты позволяют существенно расширить возможности прогнозирования русловых деформаций при многолетних и вековых изменениях природной среды, в том числе под влиянием антропогенных воздействий на факторы русловых процессов, а также использоваться при решении практических задач, связанных с регулированием речных русел и учетом русловых процессов при проектировании хозяйственных объектов в руслах и на берегах рек.

Основные выводы работы могут войти в учебные при подготовке специалистов-гидрологов («Русловые процессы», «Опасные гидрологические процессы», «Вводно-технические изыскания»).

Исследования проводились в рамках грантов РФФИ № 03−03−64 302, № 06−564 293 и по гранту президента РФ для поддержки ведущих научных школ, проект НШ-4884.2006,5. Результаты исследований вошли в ряд научно-технических отчетов, выполненных научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов и кафедрой гидрологии суши МГУ по хоздоговорам и контрактам с проектными и производственными организациями и ведомствами.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Брянск, 2004 г.), XX пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Ульяновск, 2005 г.), а также на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ им. М. В. Ломоносова (май 2007 г.).

По результатам проведенных исследований для научных изданий подготовлено 5 статьи, включая журналы «Геоморфологию), «Вестник МГУ. Серия 5. География» и «География и природные ресурсы» по Перечню ВАКа и 1 тезисы.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и трех приложений в табличной форме. Общий объем диссертации составляет 152 страниц печатного текста, включая 61 рисунок и 21 таблицу.

Список литературы

содержит 103 публикации на русском и иностранных языках.

Заключение

.

1) Среди широкопойменных русел абсолютно преобладают меандрирующиеразветвленные русла преимущественно типичны для больших рекпрямолинейные неразветвленные встречаются наиболее редко, составляя первые проценты общей длины рек со свободными условиями развития русловых деформаций.

2) Формирование широкопойменных русел средних и малых рек, имея общую гидромеханическую природу, обладает региональными различиями, обусловленными спецификой водного режима, стока наносов, другими физико-географическими особенностями. Анализ ^/-диаграмм для свободно показал, что верхнюю правую область, соответствующую наибольшей мощности потока, занимают меандрирующие русла наиболее обводненных предгорных районов (реки Алтая), левую нижнюю область — русла аридных областей (бассейн Дона и Нижней Волги).

3) Согласно зависимости «мощность потока — характеристика стока наносов» прямолинейные неразветвленные русла развиваются при меньшем стоке наносов, чем меандрирующие, что является одним из условий их динамической устойчивости.

4) Процесс меандрирования реки на конкретном участке может быть, с одной стороны, охарактеризован преобладающей здесь схемой эволюции излучин: спрямление сегментных излучины путем образования пойменной протоки или развитие омеговидной излучины с последующим спрямлением путем встречного размыва шпоры излучины со стороны верхнего и нижнего крыльев. Доля излучин, находящихся на ранних стадиях развития, соответствующая преобладающему типу меандрирования, зависит от высоты поймы (чем выше пойма, тем меньше продолжительность ее затопления и меньше вероятность формирования пойменных проток, спрямляющих излучину) и от гидрологического режима реки (чем выше продолжительность высоких расходов воды и дольше период затопления поймы). С другой стороны, участки извилистых русел могут характеризоваться разной степенью распространения процесса меандрирования, проявляющуюся в разном количестве излучин. Для бассейнов Волги и Оби выявлены прямые зависимости характеризующего количество излучин показателя Ки = ~т~ от удельной характеристики стока влекомых наносов Wq/F (чем больше сток влекомых наносов, тем более интенсивно идет развитие грядовых форм руслового рельефа, в частности, побочней, определяющих формирование первичных излучин) и уклона русла, что близко по смыслу влиянию мощности потока на равнинных реках.

5) При антропогенной трансформации условий развития русловых деформаций, приводящей к смене преобладающего на участке типа русла, данная тенденция может быть отражена с помощью тех же, что и для рек в мало трансформированных условиях, методик. Для нижних бьефов ГЭС, где наблюдается тенденция к сокращению доли разветвленных русел и увеличению протяженности прямолинейных русел, на ^/-диаграмме наблюдается смещение точек из области разветвленных русел в область прямолинейных русел.

6) Темпы продольных и поперечных смещений речных излучин в первую очередь определяются стадией развития излучины. Скорость поперечных смещений излучин связана прямой зависимостью с их степенью развитости, скорость продольных смещений — обратной. На поздних стадиях развития (//Z>2,0) влияние формы излучины на темпы смещений сложнее, для омеговидных излучин (l/h>2,65) темпы смещений вьппе, чем у синусоидальных (///г<2,65).

7) Темпы поперечных смещений находятся в обратной зависимости от высоты поймы на всех стадиях развития излучин, что связано с поступлением в поток большего количества наносов при размыве более высокой поймы и ростом сопротивлений со стороны берегового откоса, обусловливающим снижение скорости размыва пойменного берега.

8) Зависимость скорости продольных смещений излучин от высоты поймы сложнее: у пологих излучин она прямая. У сегментных развитых излучин, благодаря эффектам перелива воды на пойму — обратная. У излучин с большей степенью развитости и приближением угла схождения пойменного и руслового потоков к 90° (а затем и к большим значениям) зависимость снова приобретает прямой вид: чем вьппе пойма, тем позже наступают эффекты взаимодействия потоков, приводящие к снижению скоростей течений.

9) Сегментные излучины (//?<2,0) характеризуются обратной зависимостью темпов поперечных смещений от среднего значения максимальных расходов воды за период, для которого проводился ретроспективный анализ. При наличии в период серии максимумов высокой обеспеченности темпы поперечных смещений замедляются за счет смещения в такие половодья динамической оси потока к выпуклому берегу и его размывам. У омеговидных излучин, для которых морфология русла в большей степени управляет потоком, зависимость имеет прямой характер.

10) При реализации прогнозов увеличения водности рек Западной Сибири и северной части Европейской территории России на 10−15% и увеличении повторяемости экстремально высоких максимумов половодий для сегментных излучин здесь можно ожидать снижения темпов поперечных смещений, для омеговидных — увеличения. Изменения могут составить до 60% от современных значений.

11) Прямолинейные неразветвленные русла получают динамическую устойчивость при наличии коренного берега, при малом стоке наносов и большой подвижности грядовых мезои макроформ руслового рельефа в слабоустойчивом или неустойчивом русле. Их деформации заключаются в основном в смещении побочней, перекатов и осередков.

12) Разветвленные русла как регулярные формы свойственны большим и редко средним широкопойменным рекам. Они отличаются наибольшим морфодинамичсеким разнообразиемсложность их возрастает с увеличением водоносности, стока наносов и снижением устойчивости русла. При антропогенных воздействиях разветвления трансформируются в прямолинейное неразветвленное русло, в ряде случаев проявляя тенденцию к меандрированию.