Гидролого-морфологические процессы в дельте Волги

Актуальность исследования. В последнее время во всем мире возрос интерес к изучению специфических природных объектов, занимающих особое место на земной поверхности, — устьевых областей рек. Устья рек являются наиболее освоенными зонами. Одновременно это территории активных, часто опасных гидролого-морфологических процессов, носящих многофакторный характер. Особенно сложно сочетание этих факторов в дельте Волги. К настоящему времени накоплен достаточно большой объем данных по геологии, геоморфологии и гидрологии дельты Волги. Он отражает специфику развития природного комплекса дельты в прошлом и настоящем. Фактические данныеоснова объективных оценок изменений в состоянии этого комплекса. Они имеют большую научную ценность для изучения роли дельтообразующих факторов, оценки их значимости для формирования дельты в условиях колебаний уровня Каспийского моря и интенсивной хозяйственной деятельности. В частности эти материалы характеризуют гидролого-морфологические процессы (динамику вод, наносов, рельефа дна). Они в максимальной степени влияют на условия безопасности жизнедеятельности в дельте реки, экологические условия ее устья.

Устье Волги изучено намного лучше, чем устья других рек России. Наиболее крупные работы, посвященные ее развитию, выполнены В. В. Валединским, Б. А. Аполловым, С. С. Байдиным, Ф. Н. Линбергом, И. В. Самойловым, Н. А. Скриптуновым, М. М. Роговым, В. Н. Михайловым, В. Ф. Полонским, Г. Ф. Красножоном и др. В последние 20−30 лет активное участие в изучении устья Волги принимали сотрудники ГОИНа, географического факультета МГУ, Института водных проблем РАН, ГГЙ, Астраханского заповедника, Астраханской ГМО. Ими достигнуты серьезные результаты в области гидрологии, гидрохимии и гидробиологии устья Волги. Относительно меньшее внимание уделялось гидролого-морфологическим процессам. Это связано, как с многообразием форм их проявления, сложностью изучения, так и дефицитом информации. Он заметно обострился в последние 10−15 лет, когда произошло резкое сокращение объема гидрометеорологических исследовайий в устье Волги. Постепенное накопление натурных данных, появление новых технологий анализа картографической информации, космических снимков, обработки баз данных позволяет рассчитывать на получение новых научных и прикладных результатов, связанных с гидролого-морфологическими процессами в дельте Волги.

Цель исследования заключается в выявлении пространственно-временных закономерностей гидролого-морфологических процессов в дельте Волги на основе использования ГИС-технологий. Для этого потребовалось решить ряд частных задач:

— разделить гидролого-морфологические процессы в устьях рек по масштабам их пространственно-временной изменчивости;

— выделить основные факторы и оценить их влияние на направленность и интенсивность развития речных дельт;

— исследовать и использовать возможности ГИС-технологий для изучения гидролого-морфологических процессов;

— создать атлас электронных карт, и на основе их совмещения, учета изменчивости речных и морских факторов выявить соотношение активного и пассивного механизмов выдвижения дельты Волги;

— изучить возможности формализации структуры русловой сети в дельте Волги, исследовать эволюцию ее элементов за период с 1914 по 1991 гг.;

— провести анализ территориальной изменчивости распространенности русел различных морфодинамических типов в устье Волги;

— выяснить зависимость интенсивности и направленности вертикальных и горизонтальных деформаций в основном русле Волги от изменчивости речных и морских факторов.

Методика исследований и фактический материал. Основной метод исследования заключался в широком использовании физических подходов для объяснения их пространственно-временной изменчивости гидролого-морфологических процессов. Пространственные распределения водных объектов, изменение гидрографической сети дельты, миграция ее морского края изучались на основе ГИС-технологий. Наряду с традиционными методами географического анализа картографического материала, аэрофотоснимков, космических, спутниковых снимков они обеспечили получение главных научных результатов. Часть из них является результатом обработки созданных специализированных баз данных. Важной частью исходной информации стали собственные данные автора, полученные во время двух экспедиций в дельте Волги. В работе широко использовались карты дельты за различные годы. Данные по гидрологии устья реки .за последние годы предоставлены Астраханским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Информация по распределению мощности отложений заимствована из работы М. В. Кленовой (1951).

Предметом защиты являются научные, технологические, методологические и прикладные результаты изучения изменении гидролого-морфологических процессов в дельте Волга под влиянием природных и антропогенных факторов в ХЕХ-ХХ вв.

Научная новизна работы. В диссертации обобщены данные о зависимости характеристик гидролого-морфологических процессов от размера рек, мутности воды. На основе анализа физических закономерностей гидролого-морфологических процессов и учета их региональных особенностей установлена нелинейная зависимость площади дельт от водоносности рек, возрастание скорости их выдвижения при увеличении мутноста речных вод. Впервые в стране обоснована и реализована программа исследований гидролого-морфологических процессов в дельтах на основе ГИС-технологий. В работе произведена количественная оценка пассивного и активного выдвижения дельты Волги. На основе методов индикационной гидрологии произведена формализация структуры русловой сети дельты Волги. Изучена изменчивость сети водотоков за последние 100 лет. Обнаружена связь пространственной изменчивости мощности послехвалынских отложений с историей выдвижения дельты и развития сети водотоков. Установлена закономерная изменчивость морфодинамических типов русел при переходе от вершины к морскому краю дельты (МКД). Дана оценка роли речных и морских факторов в изменении направленности и интенсивности осредненных по длине основного русла Волги вертикальных и горизонтальных деформаций типизации гидролого-морфологических процессов в устьях рек.

Практическая значимость исследования связана с возможностью использования его результатов к при учете специфики опасных гидролого-морфологических изменений в дельте Волги. Методические подходы, разработанные в диссертации, можно использовать при изучении других устьев рек. Созданные электронные карты и специализированные базы данных являются основой для разработки географической информационной системы. Ее использование позволит оперативно учитывать опасные изменения гидролого-морфологических процессов при вариации речных и морских факторов. Результаты исследования уже нашли применение при разработке нескольких научных проектов: РФФИ (№ 97 05−65 105, «Создание электронного каталога водотоков в дельте Волги»), Миннауки («Комплексные исследования антропогенных и естественных изменений абиотической компоненты экологических систем морских устьев рек Европейских и Дальневосточных регионов России»), ФЦНТП «Мировой океан» (№ 6.8 «Комплексное исследование роли гидролого-морфологических процессов в гидроэкологической дестабилизации устьев рек южных морей»), INTAS (№ 99.139 «Sequence stratigraphy in closed basins: the Pliocene and Resent deltas of the Volga River in the Caspian Sea»).

Апробация работы. Результаты исследований доложены на: XI пленарном совещании межвузовского научно-координационного Совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ (Казань, 24−26 сентября.

1996 г), международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96» (Москва, 12−14 апреля 1996 г), 1 Всероссийской научной конференции по картографии (Москва, 7−10 октября.

1997 г), международной конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-98» (Москва, 7−10 апреля 1998 г), XX международной конференции «Человечество и береговая зона Мирового океана в XXI веке» (Москва, 4−5 февраля 2000 г.), весенней студенческой школе «Динамика атмосферы и океана» (Текос, 5−10 мая 2000 г.), научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 17 октября 2000 г.), международной конференции «Причины и последствия повышения уровня Каспийского моря (Москва, 17−20 января 2001 г).

Публикации. Результаты исследований положены в основу 8 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация включает Введения, шесть глав и Заключение. Она изложена на 181 странице машинописного текста (в т.ч. 71 рисунка, 42 таблицы).

Список литературы

насчитывает 89 наименований.

Автор диссертации выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, докторам географических наук В. Н. Михайлову, В. Н. Коротаеву, кандидатам географических наук В. В. Иванову, Е. А. Захаровой, Г. В. Кругловой, ст.н.с. кафедры картографии географического факультета МГУ кандидату географических наук С. В. Чистову, в.н.с. ИБП РАН доктору географических наук Г. Ф. Красножону, сотрудникам Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (АЦГМО) за полезные советы, рекомендации, предоставленные материалы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие теоретические, методологические и практические выводы:

1. Каждому пространственному масштабу гидролого-морфологических процессов соответствует специфика их временной изменчивости. Сочетанию конкретных пространственно-временных переменных соответствует определенный гидролого-морфологический процесс. В основе любого процесса лежат фундаментальные законы сохранения вещества, энергии и момента количества движения. Их отражением является динамика отдельной минеральной частицы в пределах устья и эволюция всей дельты. Физические закономерности гидролого-морфологических процессов не исключают их региональных особенностей.

2. Размер рек влияет на площадь дельты, структуру и динамику ее русловой сети. Чем больше сток воды и наносов, тем больше площадь речных дельт (при прочих равных условиях). Интенсивность выдвижения морского края дельт является функцией мутности. При мутности менее 1 кг/м3 она не превышает 0,1 км/год, а для р. Хуанхэ достигает 3,25 км/год. Интенсивность гидролого-морфологических процессов в дельтах контролируется тектоническими особенностями территорий. Важные особенности этих процессов могут быть связаны с соотношением речных и морских факторов, типом устьевого взморья и т. п.

3. Гидролого-морфологические процессы в устьях рек целесообразно изучать на основе ГИС-технологий. Они позволяют с высокой точностью получить новые качественные данные и количественные оценки этих процессов. Созданный атлас электронных карт дельты Волги за XIX—XX вв. позволил провести наиболее полный анализ динамики МКД и русловой сети дельты Волги. В сочетании с базами данных электронные карты являются эффективным средством исследования гидролого-морфологических процессов в дельте. Оценка распространенности и процентных соотношений между основными морфодинамическими типами дельтовых водотоков, соответствия этих типов и условных порядков водотоков, сопоставление водотоков разного порядка и водности основных рукавов в дельте Волги, изучение особенностей процессов деления русла — далеко не полный перечень возможностей ГИС-технологий.

4. Развитие дельты Волги связано с тремя основными факторами: отмелостъю взморья, колебаниями уровня моря и изменением речного стока. Они определяют, в частности, соотношение активного и пассивного механизма выдвижения дельты. Удельная интенсивность выдвижения дельты изменяется по экспоненциальному закону при изменении уровня моря. Накопление на морском крае дельты речных наносов вызывает активное выдвижение дельты Волги в среднем со скоростью 0,2 км/год. Пассивное ее выдвижение может достигать 4 км/год и более. Динамика морского края дельты Волги в основном связана с колебаниями уровня моря. Лишь при низком его положении (ниже — 28,0 м абс) значительное увеличение стока воды и наносов способно заметно влиять на устьевое удлинение дельтовых рукавов.

5. Речные факторы играют подчиненную роль в изменении объема отложений в пределах дельты. Линейная зависимость объема послехвалынских отложений от колебаний уровня Каспийского моря — объективное свидетельство доминирования морских факторов в эволюции дельты. Вклад речных наносов в увеличение объема дельтовых отложений не превышает 6%. В условиях регрессии моря объем отложений в дельте — возрастающая линейная функция времени.

6. Около 60% элементов русловой сети дельты Волги — мелкие водотоки (с условным порядком Ny < 5). Лишь 40% рукавов имеют водоносность, большую 50 м3/с, что соответствует Ny > 5. В устье Волги дробление рукавов продолжается до появления элементов русловой сети с Ny= 1, т. е. достигает абсолютно полного завершения. Ни для одной дельты не характерно такое глубокое рассредоточение стока. Общее число водотоков, образующих русловую сеть дельты, связано с водоносностью основных рукавов линейным уравнением. Число узлов деления русла на рукава, как и число последовательных бифуркаций в дельте Волги достигает аномальных значений. Это свидетельствует о наличии в дельте сложных разветвлений, узлов слияния водотоков и т. п.

7. Размеры элементов русловой сети в дельте Волги коррелируются с мощностью послехвалынских отложений в зоне их расположения. Она возрастает в зонах размещения малых современных водотоков. Наиболее крупные рукава в дельте Волги, наоборот, пересекают районы с минимальной мощностью отложений. Совпадение зон сильного рассредоточения стока с районами максимального объема послехвалынских отложений доказывает существование механизма перераспределения стока в пределах дельты, аналогичного закону развития рукавов на устьевом баре при последовательном увеличении их длины. Накопление большой толщи отложений в определенном районе дельты увеличивает гидравлические сопротивления водным потокам и обусловливает их перераспределение в районы с меньшей мощностью отложений.

8. На долю прямолинейных, извилистых и разветвленных русел в дельте Волги приходится соответственно 66, 27 и 7% суммарной длины водотоков. Чем меньше возраст систем водотоков, тем большая их часть имеет относительно прямолинейное русло. Максимальной извилистостью отличаются давно существующие системы водотоков. Меандрирующим водотокам соответствуют условные порядки Ny = 5−9, а прямолинейным — Ny < 5. Русловые разветвления существуют лишь в крупных рукавах. Они возникают при Ny > 9. Морфодинамические типы русла в дельте хорошо согласуются с мощностью водных потоков. Максимальное распространение относительно прямолинейных русел характерно для ее приморского района. Меандрирующие русла преобладают в центральном и верхнем районах дельты.

9. В дельте Волги на долю отмирающих, находящихся в устойчивом состоянии и активизирующихся водотоков соответственно приходится 65, 24 и 11% элементов русловой сети. Основная доля отмирающих водотоков имеет Ny < 6. С увеличением размера водотока возрастает вероятность его динамически устойчивого состояния или активизации. Минимальное количество отмирающих и максимальное количество стабильных, активизирующихся водотоков приходится на системы, в которых сток постепенно возрастает. Изменение объема русловых и пойменных отложений вследствие вертикальных и горизонтальных деформаций является функцией вариации речного стока. Оно практически не зависит от флуктуаций уровня моря.