Многолетняя динамика морфологической структуры пойменно-русловых комплексов на реках верхнего Поднепровья Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Лобанов Г. Б. Многолетняя динамика морфологической структуры пойменно-русловых комплексов на реках верхнего Поднепровья / Г В. Лобанов, А. Ю. Зверева, М. А. Новикова, А. В. Полякова, М. В. Коханько, Б. В. Тришкин // Научный диалог. - 2014. - № 1 (25) : Естественные науки. - С. 93-105.

УДК 556.537

Многолетняя динамика морфологической структуры пойменно-русловых комплексов на реках верхнего Поднепровья

Г. В. Лобанов, А. Ю. Зверева, М. А. Новикова,

А. В. Полякова, М. В. Коханько, Б. В. Тришкин

В статье описан подход к систематизации сведений о многолетней динамике морфологической структуры пойменно-русловых комплексов (ПРК) и факторах, её определяющих. Актуальность исследования состоит в том, что на сегодняшний день представления о преобразованиях форм русла и трансформациях их типов в зависимости от изменения стока пока недостаточно обеспечены фактическими данными для построения теоретических моделей. Изменение количества и соотношения излучин разных типов рассматривается как показатель динамики факторов, способствующих или препятствующих горизонтальным деформациям. Анализ динамики заключается в сравнении морфологической структуры пойменно-русловых комплексов по разновременным картографическим материалам и космическим снимкам, имеющим сопоставимую подробность изображения русла. Систематические сведения о динамике ПРК получены авторами для некоторых больших, средних и малых рек верхнего Поднепровья с неоднородными геолого-геоморфологическими и ландшафтными условиями стока в границах бассейнов. Выявлены закономерности многолетней динамики ПРК в пространстве и времени. Обоснованы перспективы и ограничения использования сведений о динамике ПРК для прогнозирования русловых процессов. Практическое значение исследова-

ния авторы видят в применении его результатов при планировании природопользования на приречных территориях.

Ключевые слова: пойменно-русловые комплексы; верхнее Поднепровье; морфологическая структура; многолетняя динамика русловых деформаций; ретроспективный анализ; прогноз русловых процессов.

Планирование природопользования на приречных территориях с учётом изменений климата предполагает прогноз горизонтальных русловых деформаций. Зависимость скорости преобразования русла от характеристик и условий стока имеет вероятностный характер, который проявляется на разных уровнях флювиального рельефа - от крупных отрезков течения, отличающихся типом русла, до однородных, сравнительно обособленных участков - пойменно-русловых комплексов (ПРК) и локальных форм [Смирнова и др., 2006; Hooke. 2007; Лобанов и др., 2010]. Прогноз русловых деформаций, таким образом, обосновывает наиболее вероятное направление и степень морфодинамических изменений участка течения, связанное с динамикой факторов и условий стока. Характер, скорость и устойчивость многолетних изменений устанавливается обычно ретроспективным анализом разновременных картографических материалов; их ведущие причины - сравнением морфологических особенностей участков в интервалы времени, для которых имеются сведения о стоке или об определяющих его величину условиях. Наблюдения на реперных участках позволяют прогнозировать динамику участка с высокой точностью в интервале времени до первых десятилетий, далее вероятность расхождения реальных и расчётных результатов существенно увеличивается [Завадский и др., 2010].

В морфологических изменениях отражается динамика русловых процессов, обусловленная сочетанием внешних (природных или антропогенных) причин и закономерной последовательностью развития отдельной формы русла или пойменно-руслового комплекса. Ожидаемое направление и значения скорости изменений участков течения, определенные для ключевых объектов, по-разному сочетаются с фактической динамикой объектов-аналогов: ожидаемое и наблюдаемое направление, средняя скорость могут совпадать, быть

смещёнными во времени или оказаться противоположными. Расхождение фактической и расчётной динамики отмечается для отдельных форм пойменно-русловых комплексов или их типов. Причины расхождения обычно связывают с неполной аналогией условий русловых деформаций ключевым объектам, влиянием динамики соседних участков, спецификой локальных проявлений процессов большего масштаба.

Представления о реакции форм русла разного порядка или их типов на изменения стока пока недостаточно обеспечены фактическими данными для построения теоретических моделей. Большое значение в развитии этой отрасли теории руслового процесса имеет систематизация сведений о динамике русловых процессов на уровне крупных природных регионов, позволяющая оценить распределение её наиболее и наименее вероятных направлений. Сравнительно лучше направление разработано для отдельных форм русла. Имеются фрагментарные сведения о многолетней динамике некоторых отрезков течения, связанные в основном с большим хозяйственным значением этих участков или опасными проявлениями русловых процессов в их границах. В некоторых случаях отрезки фактически совпадают с пойменно-русловыми комплексами, в иных - это участки, выделенные в произвольных границах, не связанных со спецификой руслового процесса.

Систематические сведения о динамике ПРК получены нами для некоторых больших, средних и малых рек верхнего Поднепровья с неоднородными геолого-геоморфологическими и ландшафтными условиями стока в границах бассейнов. Основанием выделения ПРК являются особенности морфологической структуры - количество и соотношение форм русла разных типов. Конфигурация русла может быть разной сложности - относительно прямолинейные отрезки течения и крупные одиночные излучины, периодическое чередование меандров одного или нескольких типов, русловых разветвлений. Предполагается, что морфологическое подобие отрезка является результатом руслового процесса определённого типа и интенсивности в его границах. Выделение ПРК разработано на основе подхода А. В. Чернова и Р. С. Чалова, который предполагает генетическое единство морфодинамического типа русла и морфологически одно-

родного рельефа поймы в пойменно-русловом комплексе [Чернов, 2009].

Количество ПРК, на которые разделяется течение, определяется длиной реки и площадью бассейна, протяжённость по руслу - преимущественно разнообразием сочетаний факторов руслового процесса по течению (табл. 1). Небольшая длина ПРК характерна для рек, пересекающих на коротком отрезке течения несколько различных по условиям стока водосборных участков (для верхнего Поднепровья -физико-географические районы).

Таблица 1

Морфологические характеристики рек и пойменно-русловых комплексов (ПРК)

Название Длина, км Площадь, водосборная площадь, км2 Количество ПРК Средняя длина ПРК по руслу, км

Десна 1130 88900 29 39

Ипуть 437 10900 11 40

Беседь 261 5600 11 24

Снов 253 8500 9 28

Болва 213 4430 11 19

Судость 208 5980 10 21

Нерусса 161 5630 4 40

Навля 125 2540 7 18

Сев 89 1780 4 22

Снежеть 78 1280 4 20

Воронуса 62 800 6 10

Вабля 57 1260 6 10

Общие геолого-геоморфологические характеристики региона определяют свободные условия проявления русловых процессов и небольшую скорость горизонтальных деформаций [Природные ресурсы..., 2007]. Преобладает меандрирующий тип русла, иные морфодинамические типы (разделенный на рукава и относительно прямолинейный) встречаются реже, наиболее распространены сегментные, синусоидальные, сундучные излучины; реже встречаются петлеобразные, прорванные, заваленные [Чалов, 2007]. Распространение и соотношение типов русла и пойменно-русловых комплексов определяется преимущественно особенностями геолого-геоморфо-

логического строения речных долин [Смирнова и др., 2009; Лобанов и др., 2012, Лобанов и др., 2013].

Современные границы ПРК, выделенные по космическим снимкам, таким образом, отражают устойчивые во времени особенности руслового процесса и могут быть использованы в ретроспективном анализе и прогнозе морфологических изменений в течение нескольких десятилетий - первых столетий. Изменениями геолого-геомор-фологического строения речных долин в этом интервале времени допустимо пренебречь.

Динамика морфологической структуры проявляется в изменении количества излучин и соотношения их типов. Изменение количества и соотношения излучин разных типов рассматривается как показатель динамики факторов, способствующих и препятствующих горизонтальным деформациям, исходя из представлений, что в свободных условиях увеличивается доля сегментных излучин «классической» формы, в относительно ограниченных условиях - сундучных, петлеобразных, заваленных [Чалов и др., 2004].

Анализ динамики заключается в сравнении морфологической структуры пойменно-русловых комплексов (ПРК) по разновременным картографическим материалам и космическим снимкам, имеющим сопоставимую подробность изображения русла. Конфигурация русла на разновременных геоизображениях отражает влияние особенностей стока в интервале времени, предшествующем их созданию. Использованы изображения рек на военно-топографических

Таблица 2

Направления динамики морфологической структуры ПРК и относительная частота их встречаемости

Направления изменений Количества русловых форм

Разнообразия русловых форм Относительная стабильность Увеличение Уменьшение

Относительная стабильность 0,05 (1)* 0,34 (2) 0,23 (3)

Увеличение 0,01 (4) 0,15 (5) 0,05 (6)

Уменьшение 0,03 (7) 0,06 (8) 0,09 (9)

В скобках - условные номера направлений динамики.

картах масштаба 1:126000 (карты Ф. Ф. Шуберта) - состояние местности на 60-е гг. XIX века; топографических картах масштаба 1:100 000 (карты Генштаба) - состояние местности на 1928-1931 и 19881992 гг.; а также космических снимках (2007-2010 гг.)

Варианты изменений морфологической структуры распределены по направлениям: увеличение, уменьшение, относительная стабильность количества и разнообразия типов излучин. Соотношение направлений динамики по частоте встречаемости от середины XIX до начала XXI века представлено в табл. 2.

Наиболее распространены изменения, характеризующиеся неизменным разнообразием русловых форм при сохранении или увеличении их количества (типы 2 и 3). Увеличение количества русловых форм за весь интервал времени (более половины случаев) объясняется, вероятно, двумя причинами: увеличением объема стока в ХХ веке и большей генерализацией картографических материалов одинакового или близкого по значению масштаба, созданных в конце XIX - на-

Таблица 3

Типы ПРК на реках верхнего Поднепровья

Типы ПРК Описание Количество представителей типа

1 Верховья - ручьи, бочажины, сухие руслица с отдельными участками руслового режима, пойма сегментно-гривистая 3

2 Серии сегментных крутых излучин, разделенные участками прямолинейного русла, пойма преимущественно сегментно-гривистая 22

3 Сегментные пологие излучины, раздёленные участками прямолинейного русла, в том числе с прямолинейными участками, пойма преимущественно сегментно-гривистая 28

4 Адаптированные излучины в сочетании с участками прямолинейного русла, пойма преимущественно ровная 10

5 Относительно прямолинейное русло, пойма ровная или сегментно-гривистая 31

6 Сложные сочетания русловых форм, излучин разных типов отрезков прямолинейного русла 10

7 Пойменная многорукавность 8

чале XX века, по сравнению с современными источниками. Разные подходы к генерализации изображения русла могут частично исказить представления о его динамике, но принципиальные изменения конфигурации прослеживаются однозначно.

Анализ распределения динамики морфологической структуры ПРК по интервалам времени подтверждает их связь с климатическими изменениями. Периоду уменьшения стока от середины XIX века до 30-х гг. ХХ века соответствует сокращение количества и разнообразия русловых форм; увеличению стока от 30-х гг ХХ века к началу XXI века - обратное направление изменений.

Изменения величины и условий стока неодинаково влияют на ПРК с разной морфологической структурой и, соответственно, осо-

54° Ї- ■ Чч гг Условные обозначения Типы ПРК: тип 1

53° у Росла (Я>Р н и. V // і» А '*уЬр»ц{к тип 2 тип 3 тип 4 тин 5 тип 6 елен

52° ЧсчсрсКф ) Жлобин Гомель й раж / Клинии Старец; <£/ ^ Почел * X. ІІааля V * >Г~~ V- тип 7 ТИП не выд

Жслспюгарск /с£*

51° Г с 1ос» і г» ) 1 Киот Рильсх • • К>рс* г. Ч

я г Кисіиг* Нели» 0 100 ш

31° 32° 33° 34° 35° 36° 37°

Рис. 1. Распределение типов пойменно-русловых комплексов на некоторых реках верхнего Поднепровья

бенностями руслового процесса. Особенности проявления климатических изменений в морфологической структуре систематизированы на уровне типов ПРК, выделенных по наиболее общим чертам строения поймы и русла (рис. 1, табл. 3).

Сведения о направлениях динамики морфологической структуры разных типов ПРК за интервалы времени: 60-е гг XIX века - 30-е гг XX века; 30-е гг ХХ века - 80-е гг ХХ века; 80-е - 10-е гг XXI века -представлены в табл. 4. Границы интервалов определены наличием картографических материалов.

Для верховьев рек (тип 1) в связи с малым количеством вариант очевидное направление изменений не выявляется. Для участков типа 2 - серий крутых сегментных излучин - изменения за весь период связаны в основном с последовательным, от интервала к интервалу, увеличением количества русловых форм. Особенности морфологической структуры создаются поперечными горизонтальными деформациями, условия проявления которых сохраняются в течение всего периода, но становятся более благоприятными при увеличении стока.

Для участков с преобладанием сегментных пологих излучин в сочетании с отрезками прямолинейного русла (тип 3) в периоды уменьшения стока сокращается разнообразие русловых форм и уменьшается их количество; при увеличении стока динамика изменяется на противоположную.

На участках сочетаний адаптированных излучин и прямолинейного русла с ровной поймой (тип 4) разнообразие типов русловых форм преимущественно не изменяется, что, вероятно, объясняется ограничениями свободных деформаций грунтами, относительно более устойчивыми к размыву, но увеличение стока прямо проявляется в количестве форм русла.

Особенности динамики относительно прямолинейного русла с одиночными излучинами (тип 5) заключаются в уменьшении разнообразия и количества русловых форм при увеличении стока, что объясняется, вероятно, размывом побочней, срезанием ранее образованных изгибов.

На участках сложных сочетаний русловых форм, излучин разных типов отрезков прямолинейного русла (тип 6) при высоком от-

Таблица 4

Направления изменений морфологической структуры разных типов ПРК

(нумерация типов - согласно табл. 3)

Интервалы времени* Направления динамики (согласно табл. 2).

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Тип ПРК 1

I 1 1 1

II 1 1 1

II 1 1

Тип ПРК 2

I 1 8 3 2 1 1 2 1

II 11 4 4 1 1 1

II 15 1 2 1 3

Тип ПРК 3

I 6 7 1 2 4 5

II 1 14 4 3 2 2 2

II 10 8 6 1 1 2

Тип ПРК 4

I 1 4 1 1 2

II 1 3 1 1 2 2

II 4 3 2 1

Тип ПРК 5

I 4 5 8 3 2 4

II 2 5 10 2 6 1 1 4

II 3 13 2 6 2 3 1 1

Тип ПРК 6

I 1 1 3 2 1

II 1 3 2 1 2 1

II 1 4 4 1

Тип ПРК 7

I 2 2 1 1 2

II 1 3 4

II 2 3 3

* Интервалы времени: I - середина XIX века - 30-е гг ХХ века; II - 30-е гг ХХ века - 80-е гг ХХ века; III - 80-е гг ХХ века - начало XXI века

носительно постоянном разнообразии типов излучин изменения их количества прямо связаны с динамикой стока. При увеличении стока на участках с неоднородным литологическим строением существует большое количество разных типов излучин, в периоды уменьшения стока количество излучин сокращается, но разнообразие сохраняется высоким. Величина разнообразия зависит в целом от размывающей силы потока.

Особенности участков с пойменной многорукавностью (тип 7) характеризуются в течение всего периода стабильным относительно невысоким разнообразием типов излучин, определенным, как и для типа 4, литологическим строением ПРК, прямой связью количества форм с величиной стока.

Выявленные особенности имеют вероятностный характер, что весьма убедительно подтверждается частотой наиболее распространённых изменений морфологической структуры (табл. 5). Распределение приведено для наиболее распространённых вариант динамики - стабильности разнообразия, увеличения или уменьшения количества русловых форм.

В распределении наиболее очевидно проявляются следующие закономерности:

- только в некоторых случаях преобладают изменения одного типа, как правило, в одном интервале времени они сочетаются в разных соотношениях;

- участки, на которых разнообразие форм русла не изменяется, встречаются чаще иных вариантов, их доля обратно связана с интервалом времени: чем он короче, тем больше стабильных по этому показателю отрезков;

- разные направления динамики (увеличение и уменьшение количества излучин) чередуются во времени на фоне общей тенденции к возрастанию и разнообразию русловых форм.

Вероятностный характер закономерностей не противоречит общим представлениям о русловых процессах, а полученные результаты являются основанием развития подхода, предполагающего долгосрочное прогнозирование русловых процессов на уровне ПРК, необходимое при планировании природопользования на приречных территориях.

103

Таблица 5

Распределение наиболее вероятных направлений динамики по типам ПРК

Середина XIX века - 30-е гг XX века 30-е гг XX века - 80-е гг XX века 80-е гг XX века - начало XXI века

Код ПРК Доля участков, на которых количество типов излучин не изменяется Доля участков, на которых количество русловых форм увеличивается Доля участков, на которых количество русловых форм уменьшается Доля участков, на которых количество типов излучин не изменяется Доля участков, на которых количество русловых форм увеличивается Доля участков, на которых количество русловых форм уменьшается Доля участков, на которых количество типов излучин не изменяется Доля участков, на которых количество русловых форм увеличивается Доля участков, на которых количество русловых форм уменьшается

1 Не оценивалась

2 0,63 0,74 0,26 0,68 0,68 0,23 0,73 0,82 0,18

3 0,52 0,40 0,56 0,68 0,68 0,29 0,64 0,57 0,39

4 0,56 0,33 0,67 0,50 0,50 0,30 0,70 0,60 0,40

5 0,65 0,38 0,46 0,55 0,48 0,48 0,58 0,68 0,16

7 0,63 0,38 0,50 0,60 0,50 0,40 0,90 0,50 0,40

8 0,50 0,38 0,50 0,50 0,63 0,38 0,50 0,63 0,38

Выпуск № 1 (25): ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ НАУЧНЫЙ ДИАЛОГ. 2014

Литература

1. Завадский А. С. Результаты стационарных исследований русловых процессов на реках ЕТР / А. С. Завадский, Г. В. Лобанов, Л. Н. Петухова, И. А. Серебренникова // Эрозионные и русловые процессы : сборник трудов под ред. Р. С. Чалова. - Москва : Макс Пресс, 2010. - Выпуск 5. -С. 220-250.

2. Лобанов Г. В. Вероятностный подход к оценке устойчивости рельефа (на примере горизонтальных русловых деформаций в среднем течении р. Десна) / Г. В. Лобанов, А. В. Полякова, М. А. Новикова // Сборник материалов VIII семинара молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблемам русловых, устьевых и эрозионных процессов при МГУ имени М. В. Ломоносова. - Уфа : [Б. и.], 2010. - С. 171-175.

3. Лобанов Г. В. Геолого-геоморфологические факторы структуры и динамики флювиальных систем в бассейне верхнего Днепра / Г. В. Лобанов, О. А. Зройчикова, А. В. Полякова, Е. А. Сабайда, М. А. Новикова, Б. В. Тришкин // Вестник Томского государственного университета. - 2013. -№ 373. - С. 189-197.

4. Лобанов Г. В. Подходы к исследованию прочностных характеристик грунтов как фактора устойчивости пойменно-русловых комплексов (на примере бассейна Верхнего Днепра) / Г. В. Лобанов, А. В. Полякова, М. А. Новикова, Б. В. Тришкин, Д. С. Кузнецов // Географический вестник.

- 2012 - № 2. - С. 14-22.

5. Природные ресурсы и окружающая среда субъектов Российской Федерации. Центральный федеральный округ. Брянская область / Администрация Брянской области; под ред. Н. Г. Рыбальского, Е. Д. Самотесова, А. Г. Митюкова. - Москва : НИИ-Природа, 2007. - 1144 с.

6. Смирнова Е. А. Влияние прочностных характеристик грунтов на интенсивность русловых деформаций в среднем течении р. Десны / Е. А. Смирнова, Г. В. Лобанов, Г. В. Бастраков // Геоморфология. - 2009.

- № 2. - С. 75-84.

7. Смирнова Е. А. Морфологические изменения русла р. Десны в конце XX - начале XXI вв. / Е. А. Смирнова, Г. В. Лобанов // Материалы VI семинара молодых ученых : Общие и прикладные вопросы эрозионных, устьевых и русловых процессов - Москва : МГУ, 2006. -С. 213-216

8. Чалов Р. С. Речные излучины / Р. С. Чалов, А. С. Завадский, А. В. Панин. - Москва : Изд-во МГУ, 2004. - 371 с.

9. Чалов Р. С. Русловые процессы и морфодинамика речных русел : критерии типизации / Р. С. Чалов // Вестник Московского университета. Серия 5 : География. - 2007. - № 2. - С. 17-24.

10. Чернов А. В. География и геоэкологическое состояние русел и пойм рек Северной Евразии / А. В. Чернов. - Москва : Крона, 2009. - 684 с.

11. Hooke J. M. Spatial variability, mechanisms and propagation of change in an active meandering river / J. M. Hooke // Geomorphology. - 2007. - Vol. 84. -P. 277-296.

© Лобанов Григорий Владимирович (2014), кандидат географических наук, доцент, кафедра экологии и рационального природопользования, Брянский государственный университет имени акад. И. Г. Петровского (Брянск), lobanov_grigorii@mail.ru.

© Зверева Анна Юрьевна (2014), аспирант кафедры географии и землеустройства, Брянский государственный университет имени акад. И. Г. Петровского (Брянск), zverek1206@mail.ru.

© Новикова Марина Александровна (2014), лаборант-исследователь, НИЛ «Информационные технологии в естественных науках», Брянский государственный университет имени акад. И. Г. Петровского (Брянск), nov3517@mail.ru.

© Полякова Александра Васильевна (2014), лаборант-исследователь, НИЛ «Информационные технологии в естественных науках», Брянский государственный университет имени акад. И. Г. Петровского (Брянск), slavyanka56@mail.ru.

© Коханько Марина Викторовна (2014), аспирант кафедры географии и землеустройства, Брянский государственный университет имени акад. И. Г. Петровского (Брянск), kohanko88@mail.ru.

© Тришкин Борис Викторович (2014), кандидат биологических наук, профессор кафедры управления и информационных технологий, Московский психолого-социальный университет (Брянский филиал), pyramyd@mail.ru.