Реакция русел рек на изменения водности и антропогенное воздействие за последние столетия

Актуальность работы. На современном этапе развития науки особенно актуален вопрос о вкладе антропогенного фактора в изменение окружающей среды. Для его оценки важно понять естественные тенденции изменения природных процессов, цикличность и стадийность их развития. Чтобы определить направленность и периодичность процесса следует проследить его развитие за достаточно длительный временной этап. Периодичность (цикличность) в развитии русел рек, проявляющаяся на уровне форм русла — разветвлений и излучин, в большинстве случаев имеет продолжительность от десятилетий до столетий. Поэтому ее объективная оценка возможна только при рассмотрении отрезка времени в несколько столетий. Традиционно временной интервал русловых исследований охватывает несколько десятилетий, в лучшем случае — последнее столетие, и опирается, главным образом, на результаты воднопутейских русловых съемоклоцманские карты и планы перекатов. Границы исследований могут быть значительно расширены с помощью анализа имеющегося в архивах и библиотеках крупномасштабного картографического материала ХУШ-ХХ веков, до настоящего времени не использованного.

Известно, что основным естественным фактором русловых процессов является водность реки, ее многолетняя и внутригодовая изменчивость. Рассматривать многолетние колебания водности, имеющие свою направленность и периодичность, и оценивать их воздействие на русловые переформирований также целесообразно за более длительный, чем обеспеченный материалом сетевых наблюдений гидрометеослужбы, период времени. Продолжительность рассматриваемых циклов колебаний водности охватывает несколько десятилетий. Поэтому оценка их влияния на состояние русел оказывается не всегда репрезентативной. Недоучет многолетних колебаний водности и реакции на них русла каждой отдельной реки (или речной системы) при введении антропогенной нагрузки может привести к ошибкам в оценке изменений русла, вызвать непредвиденные последствия при освоение ресурсов рек и прилегающих территорий, снизить или сделать невозможным прогноз изменений русел вследствие увеличения/уменьшения водности рек в условиях глобального изменения климата.

За последние столетия колебания водности рек, как правило, не превышали 15−20%. Для оценки реакции русел на более значительные изменения водности уникальную возможность представляет единичный для нашей страны пример межбассейновой переброски стока верхней Волги в р. Москву, увеличивший сток воды ниже столицы почти в два раза. Подобные этому изменения водности в естественных условиях наблюдаются только в масштабах геологического времени.

Цель и задачи работы. Основной целью работы являлось выявление закономерностей эволюции русел рек на протяжении нескольких столетий вследствие изменения основного естественного фактора — водности рек и их трансформации при антропогенном воздействие.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1) расширение традиционных временных рамок исследований русловых процессов до двух-трех столетий на основе анализа картографического архивного материала, относящегося к ХУШ-Х1Х векам;

2) определение особенностей формирования русел рек различного морфодинамического типа в разных регионах страны, отличающихся внутригодовым распределением стока воды, условиями прохождения руслоформирующих расходов воды и устойчивостью русел;

3) определение направленности и периодичности русловых деформаций, оценка их продолжительности и цикличности (времени перераспределения стока между рукавами, «жизни» излучин и т. д.) с учетом стадийности развития форм русла;

4) определение реакции русел рек на многолетнюю изменчивость водности рек как основного фактора их развития на основе построения гидролого-морфологические зависимостей;

5) разработка методики ретроспективной оценки водности с помощью гидролого-морфологического анализа;

6) оценка степени и характера проявления антропогенной нагрузки на фоне естественного развития русел, изменений направленности и периодичности естественных процессов при воздействии антропогенных факторов в зависимости от их вида и масштаба;

7) анализ переформирований русла под воздействием значительного увеличения водности, связанного с межбассейновой переброской стока (на примере р. Москвы);

8) прогнозная оценка развития русла р. Москвы при современном сочетании факторов русловых процессов.

Методика исследований. Для анализа направленности и темпов переформирований русла за исторический период времени в качестве основных использовались ретроспективный и гидролого-морфологический методы исследования. Суть ретроспективного метода заключается в сопоставлении разновременных карт и планов и современных данных дистанционного зондирования (аэрои космических снимков), гидролого-морфологического — в установлении связей параметров русла и гидрологических показателей. Для оценки водности прошлых столетий использовались различные региональные реконструкции стока, опирающиеся, в основном, на исторические сведения (как правило, о максимальных уровнях половодий) [Клиге и др., 1993; Шнитников 1957, 1969] и на геолого-геоморфологические методы (в основном, по исследованиям озерных отложений) [Шнитников 1957, 1969; Швец, 1978]. Для рек Оби и Москвы результаты подкреплялись данными натурных исследований. На р. Оби автор принимала участие в работе Русловой экспедиции научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева МГУ в 2001 и 2003 гг. На р. Москве в 2003;2005 гг. были организованы и выполнены рекогносцировочные и гидрологические работы, установлена сеть реперов для наблюдения за размывом берегов и интенсивностью смещения русла. Для визуализации исследований для всего рассматриваемого участка р. Москвы создан атлас русловых деформаций ХУШ-ХХ вв., включающий в себя карты переформирований русла за исторический период и карту современной динамики русла.

Фактический материал. Основным фактическим материалом, привлеченным для решения поставленных задач являлись крупномасштабные картографические источники, отобранные в основных архивах страны: Государственном Историческом музее, Российском государственном архиве древних актов, Библиотеке Российской Академии наук, Военно-историческом архиве и Российской государственной библиотеке. Перечень использованного в настоящей работе исторического материала приведен в конце работы. Основным материалом за последние десятилетия являлись лоцманские и топографические карты, экспедиционные отчеты научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева. Значительная часть материалов по р. Москве была предоставлена ГП «Канал им. Москвы», а также Московским районом гидросооружений, Управлениями Западного и Южного речных портов, портом «Коломна». Космические снимки, главным образом «Landsat-7», предоставлены ИТЦ СканЭкс.

Научная новизна работы.

1. В работе впервые проведен ретроспективный анализ русловых деформаций за несколько столетий для рек России в разных природных условиях. Для русел рек различного морфодинамического типа выявлены направленность и периодичность их эволюции.

2. Установлена продолжительность циклов и стадийность в развитии основных форм русел — разветвлений и излучин: время перераспределения стока между рукавами, продолжительность «жизни» излучины от возникновения до спрямления.

3. Для р. Москвы создан электронный атлас русловых переформирований за ХУШ-ХХ века.

4. Впервые на примере р. Москвы рассмотрено влияние увеличения стока при межбассейновой переброске на трансформацию русла.

5. Выполнена прогнозная оценка дальнейшего развития русла р. Москвы в условиях увеличенной водности.

6. На примере р. Вычегды решена обратная задача — восстановление водности реки в историческом прошлом на основе построения гидролого-морфологических зависимостей.

Практическая значимость результатов работы. Учет динамики русел рек и их особенностей за историческое время позволяет оценить роль активных переформирований русел на условия хозяйственной деятельности. Размывы берегов излучин создают опасность для жилых строений, коммуникаций, инженерных сооружений. Вне населенных пунктов их интенсификация приводит к сокращению земельных ресурсов. Перемещение основного русла в пределах широкой поймы или «посадка» уровней, вызванная, как природными, так и антропогенно обусловленными русловыми деформациями, часто оставляют «не у воды» водозаборы и другие хозяйственные объекты, а нередко и сами населенные пункты. Особенного внимания требуют реки, на которых антропогенное воздействие способно изменить многовековую направленность в развитии русел. Выявление региональных закономерностей в развитии русловых деформаций и их прогнозные оценки дают возможность более объективно оценить вероятность тех или иных переформирований и предотвратить разного рода неблагоприятные последствия их проявления. Результаты исследований могут использоваться при долгосрочных прогнозах изменений руслового режима рек в условиях глобальных изменений природной среды и климата, а также при разработке проектов регулирования речных русел для различных отраслей хозяйства.

Глубокую благодарность за предоставление материала и консультации автор выражает сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева МГУ кандидатам географических наук В. В. Иванову, В. В. Суркову, и С. Н. Рулевой, сотрудникам кафедры гидрологии суши профессорам Н. И. Алексеевскому,.

P.K. Клиге и В. М. Евстигнееву, доцентам В. А. Жуку и H. J1. Фроловой, сотрудникам ГП «Канал им. Москвы» О. С. Цвиринько, А. П. Макрушину и J1.A. Халявиной, ИТЦ СканЭкс Алейникову A.A., а также сотрудникам Московского района гидросооружений, РГАДА и отдела картографии ГИМ. Особую, самую теплую благодарность за поддержку и консультации автор выражает сотруднику лаборатории эрозии почв и русловых процессов кандидату географических наук A.C. Завадскому.

Публикации и апробация работы. Основные результаты работы доложены на V семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (апрель 2004 г., г. Брянск), на VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (апрель 2004 г., г. Москва), на научном семинаре научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева (декабрь 2004 г., г. Москва) и представлены в 11 публикациях.