CC BY
69
УДК 551.435.11
А.А. Перевощиков
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДНИЩ ДОЛИН МАЛЫХ РЕК И ИХ РОЛЬ В ПРОЦЕССАХ ПОЙМЕННОЙ АККУМУЛЯЦИИ
На примере малых рек Удмуртии рассматриваются особенности процессов пойменной аккумуляции в зависимости от морфологических и гидродинамических условий пойменной поверхности.
Ключевые слова: малые реки, наилок, пойма, аккумуляция.
Пойменно-русловая часть речной долины - сложная природная подсистема, регулирующая режим стока в условиях весеннего половодья и дождевых паводков, механизм функционирования которой до сих пор не совсем ясен [1; 2; 3]. В совокупности с руслом реки ей отводится важная роль в завершающей фазе транспортировки, переотложения и выноса твердого материала за пределы водосбора. Своеобразие поймы заключается в ее периодическом затоплении и осушении, то есть в ее особом гидрологическом режиме, определяющем особенности эрозионно-аккумулятивных, геохимических и почвообразующих процессов.
В целом для малых рек Удмуртии, опираясь на классификацию А.В. Чернова [12], можно выделить следующие виды пойм. Поймы рек 1-2-го порядков (по системе Философова-Штралера), длина которых не превышает 10 км, формируются преимущественно в условиях ограниченного развития поймообразующих процессов и вертикальных русловых деформаций. Они могут быть подразделены на двусторонние и "шахматные", с некоторым участием в их формировании нефлювиальных геоморфологических процессов. Реки более высоких порядков, как правило, озерно-старичные и сегментно-гривистые.
Большое геоморфологическое разнообразие пойм в первую очередь характерно для крупных рек [12]. Малые реки и особенно самые верхние звенья выделяются однородным характером строения пойменной поверхности, морфология которой во многом напоминает морфологию балок [4]. В отличие от крупных и средних рек здесь огромное значение приобретают склоновые процессы и деятельность временных водотоков, существенно изменяющих первоначальный рельеф пойменной поверхности конусами выносов овражно-балочных систем и делювиальными шлейфами. Но в целом поймы малых рек характеризуется относительно плоской поверхностью, имеющей значительные уклоны по направлению долины и некоторый уклон в направлении от склонов к руслу. Русловые процессы протекают крайне медленно, из-за чего берега русла нередко задернованы и закреплены кустарниковой и древесной растительностью. Поэтому создается
впечатление об отсутствии русловых деформаций. Некоторые следы эрозионной активности наблюдаются лишь на локальных участках и проявляются резким увеличением глубины вреза русла относительно поверхности поймы, что, по-видимому, связано с наличием регрессивной эрозии. На это же указывает в своих работах А.И. Скоморохов [9; 10], выделяющий местные циклы в формировании днищ верхних звеньев эрозионной сети.
На реках длиной более 10 км по мере увеличения их водности и снижения уклонов водной поверхности активизируется боковая эрозия, что находит отражение в появлении русловых аккумулятивных тел и начале меандрирования реки. Свободное меандрирование существенно усложняет морфологию пойменной поверхности, придает ей волнистый характер, что непосредственно отражается на особенностях распределения пойменного стока, способствует резкой дифференциации условий седиментации наносов.
Осадконакопление на поймах малых рек существенно отличается от осадконакопления на средних и крупных реках равнинных областей по ряду причин:
- подавляющая масса склонов принадлежит именно этой категории постоянных водотоков, поэтому значительная доля в балансе наносов формируется за счет бассейновой составляющей;
- близость склонов, высокие уклоны реки и ее временных притоков формируют экстремально высокие показатели мутности;
- малая ширина поймы при высокой извилистости русла способствует некоторому выравниванию темпов осадконакопления в ее поперечном плане;
- незначительные скорости русловых деформаций удлиняют период осадконакопления в пределах пойменных сегментов;
- в освоенных водосборах на малых реках отмечается высокая плотность гидротехнических сооружений, выступающих в роли ловушек наносов.
Процесс формирования пойменного аллювия ограничен временем и величиной затопления пойменной поверхности в период экстремально высоких показателей стока. Продолжительность и величина затопления поймы обусловлена цикличностью стока, естественным и антропогенным изменением природных условий, определяющих режим и величину стока, а также геолого-геоморфологическим строением речных долин.
Для рек умеренного пояса с интенсивным весенним половодьем, зимней и летней меженью и отдельными летними дождевыми паводками Н.И. Маккавеев [6] выделил пять фаз гидрологического режима поймы: от аккумуляции воды в снегу, покрывающем поверхность поймы, стекающей с прилегающих к ней склонов, до появления стока на поверхности поймы во время дождевых паводков в меженный период. С этими фазами связано регулирование руслового стока в период 50%-й и более высокой обеспеченности речного стока, а также вся морфологическая перестройка пойменной поверхности [5].
Уже в первую фазу вместе с поступлением талых вод на поверхности поймы начинаются процессы аккумуляции наносов исключительно бассейнового происхождения. На этом этапе снег является надежным фильтром на пути движения наносов в сторону русла реки. Автором статьи неоднократно отмечалось в начальной фазе половодья равномерное окрашивание снега на поверхности пойм малых рек Удмуртии смытыми со склонов наносами. В этом случае несомненна сортировка наносов: их наиболее крупные фракции откладываются в пределах подошвы склона, а глинистые фракции относительно равномерно (с учетом неровностей рельефа) распределяются в пределах пойменного массива. Вместе с тем необходимо отметить, что данный тип аккумуляции будет характерен только для самых верхних звеньев речной сети, с относительно узкими поймами, измеряемыми десятками или первыми сотнями метров, либо для участков пойм средних и больших рек, примыкающих к эродируемым склонам.
Вторая, третья и четвертая фазы гидрологического режима пойм по Н.И. Маккавееву [6] приурочены к выходу воды на поверхность поймы и ее спаду. Именно с перечисленными выше фазами связаны прохождение руслоформирующих расходов [11], максимальные показатели стока наносов и их аккумуляция на поверхности поймы.
При почти месячной продолжительности половодья масштабы затопления пойменной поверхности достаточно сильно варьируются в зависимости от водности года: от стока только в пределах русловой части до затопления всей пойменной поверхности. На малых реках вода на поверхности поймы держится обычно 1-2 дня, реже больше. На крупных реках этот период может растянуться до 10 дней.
Влияние морфологии русла на затопляемость пойм зависит от пропускной способности русла, а та, в свою очередь, от ширины русла и глубины его вреза относительно поверхности поймы. Для рек Удмуртии данная величина изменяется в пределах от 0,5 м до 6 м и во многом определяется порядком водотока (табл. 1). Так, на реках 1-го порядка средняя величина вреза русла составляет 1,2 м. Для рек 2-4-го порядков соответствуют значения 1,7-3,0 м, а средняя величина вреза рек более крупных порядков составляет 4,1 м.
Таблица 1
Частота случаев глубины вреза русла относительно поверхности поймы на реках Удмуртии разных порядков
Порядок Глубина вреза русла относительно поймы, м Всего
реки До 1,0 1,1-3,0 3,1-5,0 5,0 и выше Среднее
1-й 10 6 - - 1,2 16
2-й 14 33 5 1 1,7 53
3-й 13 58 19 3 2,3 93
4-й - 37 21 1 3,0 93
5-7-й - 7 20 7 4,1 34
Всего 37 141 65 12 2,5 255
Величина вреза русла относительно поймы - величина не постоянная и испытывает достаточно значительные изменения в пределах нескольких километров и даже сотен метров на водотоках одного порядка. По-видимому, это связано с активным проявлением процессов попятной, или регрессивной, эрозии, о чем было сказано выше.
Поэтому в условиях неравномерного покрытия поймы водой в продольном плане даже в пределах относительно коротких отрезков речной долины процессы пойменной аккумуляции будут крайне неравномерны. Так, в пределах затопленных участков поймы в ее прирусловой части будут преобладать процессы грядовой аккумуляции, а в пределах остальной -площадная плащеобразная аккумуляция.
По наблюдениям автора в пределах низкой поймы фация типичного пойменного аллювия, как правило, отсутствует или представлена небольшой по мощности суглинистой присыпкой. Для высоких пойменных массивов разовые максимальные значения мощности отлагающегося наилка даже в прирусловой части не превышают 240 мм. При этом отложения обычно представлены в виде языков (гряд) длиной не более 12 м, шириной до 6 м (р. Кобылка, 1990 г., приток р. Вотки 2-го порядка, р. Малая Вотка, р. Июль, 1994 г). При площадном отложении наилка, что было отмечено нами на р. Лумпун (1994 г.), мощность свежего наилка составляла не более 10 мм и имела относительно равномерное распределение в пределах всей зоны аккумуляции. При этом основная масса наилка закрепилась на травянистой растительности, покрывающей поверхность, а между телом поймы и свежевыпавшим наилком осталась воздушная прослойка. По-видимому, на большей части поймы основная масса наносов (глинистая фракция) оседает на травянистом покрове, впоследствии смываемая атмосферными осадками, она ложится на грунт. Со временем происходит уплотнение осадка, уменьшающее общую мощность наилка.
При анализе распределения пойменного наилка в пределах поймы конкретного участка реки, обладающего однородным гидрологическим режимом, обращают на себя внимание следующие особенности.
На реках 1-2-го порядков, а нередко и более высоких, процесс осадконакопления, по-видимому, идет по типу формирования балочного аллювия. Этому способствуют незначительная ширина поймы, относительно высокие уклоны ее поверхности и малая глубина вреза русла, способствующие систематическому затоплению всей поймы как в половодье, так и во время летних паводков. Наилок в таких случаях достаточно равномерно распределяется в пределах пойменной поверхности и при определенных условиях может достигнуть значительной величины (р.Чура, левый приток р.Лекмы 2-го порядка, мощность наилка 100-110 см).
По реке Шарканке (4-й порядок) и р.Варзинке (3-й порядок) нами проведено профилирование мощности современного пойменного наилка (рис. 1, 2): в первом случае через серию прикопок, а во втором - через
НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2006. № 11
исследование трех оврагов, прорезавших пойму р. Варзинки в непосредственной близости друг от друга.
В пойме р.Шарканки (рис. 1) обращает на себя внимание плащеобразное залегание наилка, а также некоторое увеличение его мощности в прирусловой части при относительно плоской поверхности поймы и отсутствии видимых прирусловых валов. Несколько сложнее ситуация в пойме р. Варзинки, поскольку в месте картирования отложений наилка сформировался конус выноса оврага, нарушивший естественную картину распределения его мощности (рис. 2).
I
О
в-*
50
100 150
200
350
300
350 L (М)
Рис. 1. Мощность наилка и глубина залегания погребенных почв в профиле поймы р. Шарканки в 500 м ниже по течению от дороги Шаркан - Зюзино
По мере увеличения водности потока, расширения поймы и появления излучин картина осадконакопления существенно усложняется. Появляются полосы аккумуляции разной мощности. В своих плановых очертаниях они достаточно четко фиксируются сменой типа почв. Так, областям активной аккумуляции соответствуют аллювиально-слоистые слаборазвитые почвы, а на центральных и притеррасных (тыловых) участках поймы, где интенсивность осадконакопления соответствует скорости почвообразования в условиях избыточного увлажнения, формируются дерново-аллювиальные зернистые почвы. Данный факт может быть использован при площадном исследовании размещения наилка.
Рис. 2. Мощность наилка и глубина залегания погребенных почв в пойме р.Варзинки у с.Варзи-Ятчи:
В период летней межени реки Удмуртии характеризуются низкими уровнями воды и временными дождевыми паводками различной интенсивности, количество которых в среднем составляет от 1 до 3 за сезон, увеличиваясь в дождливые годы до 4 - 8.
В отдельные годы в результате обильных атмосферных осадков ливневого характера (наибольший модуль паводочного стока отмечен в верховьях р. Чепцы и составил 82,9 л/с км2[8]) малые реки могут выйти из берегов, что соответствует пятой фазе гидрологического режима пойм по Н.И. Маккавееву [4]. При этом вероятность затопления пойм малых рек увеличивается не столько за счет высокого ливневого стока, сколько за счет сноса многочисленных прудов [7].
В осенний период сток несколько увеличивается из-за дождей обложного характера и может способствовать повышению уровня на 1-2 м, а в отдельные годы на 3,5-4,0 м, но, как правило, без затопления поймы. Аккумуляция возможна лишь в зоне подошвы склона и в конусах выноса овражно-балочных систем. В зимние месяцы сток резко снижается из-за перехода рек на грунтовое питание, пойменная аккумуляция прекращается.
Итоговые данные по объемам аккумуляции современного пойменного аллювия в долинах малых рек Удмуртии (табл. 2) свидетельствуют о росте аккумулирующей способности пойм по мере возрастания порядка их водотока. Иными словами, поймы самых верхних звеньев эрозионной и
горизонтали, сечение 1 м;
- изолинии мощности наилка,
см;
- овраги
русловой сети аккумулируют меньшую часть выносимого с водосбора материала. Максимальными объемами аккумуляции выделяются поймы рек 3-4-го порядков. По-видимому, подобное положение складывается в результате смены условий стока пойменных вод по мере возрастания порядка водотока. То есть значительные уклоны пойменной поверхности в верхних звеньях речной сети, а соответственно более высокие скорости течения способствуют выносу значительной части наносов. Кроме того, причиной повышенных объемов аккумуляции в данных реках может выступать большая освоенность водосбора и высокая плотность гидротехнических сооружений [7].
Таблица 2
Некоторые морфометрические показатели и объемы аккумуляции современного пойменного аллювия в долинах рек 1-4-го _порядков_
Основные показатели Порядок рек
1-й 2-й 3-й 4-й
Средний уклон, %о Средняя ширина поймы, км 15,1 0,049 7,5 0,074 3,2 0,128 1,3 0,222
Суммарная площадь пойм, км2 525,8 422,8 534,4 412,9
Средняя мощность наилка, см 30,2 44,4 40,3 45,3
Объем аккумуляции:
км3 0,0746 0,0976 0,1228 0,1178
% 17 24 30 29
3 млн.м в год 0,50-0,75 0,65-0,98 0,82-1,23 0,79-1,12
млн.т в год 0,6-0,9 0,7-1,1 1,6-2,4 1,6-2,3
Выводы
Морфология пойм верхних звеньев речной сети характеризуется относительно плоской поверхностью, значительными уклонами по направлению долины и некоторым уклоном в направлении от склонов к руслу. В отличие от крупных и средних рек здесь огромное значение приобретают склоновые процессы и деятельность временных водотоков, существенно изменяющих первоначальный рельеф пойменной поверхности конусами выносов овражно-балочных систем и делювиальными шлейфами.
Появление свободного меандрирования на реках длиной более 10 км существенно усложняет морфологию пойменной поверхности, придает ей волнистый характер, что непосредственно отражается на особенностях распределения пойменного стока, способствует появлению заметной дифференциации условий седиментации наносов.
В прирусловой части поймы преобладают процессы грядовой аккумуляции, а в центральной и притеррасной - площадной аккумуляции, определяемые морфологией пойменной поверхности и гидродинамикой водного потока.
По мере возрастания водности потока в целом отмечается увеличение средних значений мощности наилка, при этом реки 1-го порядка в первую очередь выполняют функцию транзита, а функция аккумуляции ложится на реки более высоких порядков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барышников Н.Б. Речные поймы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 152 с.
2. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
3. Барышников Н.Б., Гареев А.М. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему бассейн - речной поток - русло // Эрозионные и русловые процессы: Материалы координационных совещаний вузов 1991-1995 гг. /Под ред. Р.С.Чалова. М., 1996. Вып. 2. С.70-78.
4. Бутаков Г.П., Дедков А.П., Кичигин А.Н. и др. Малые реки как наиболее уязвимое звено речной сети // Эрозионные и русловые процессы: Материалы координационных совещаний вузов 1991-1995 гг. / Под ред. Р.С.Чалова. М., 1996. Вып. 2. С.56-70.
5. Исаев Д.И., Левашова И.А. Роль поймы в процессе работы саморегулирующейся системы "бассейн - речной поток - русло" // Экологические и гидролого-геоморфологические вопросы изучения речных пойм. Ярославль, 1992. С.8-10.
6. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 346 с.
7. Перевощиков А.А. Гидротехнические сооружения Удмуртии и их роль в процессах аккумуляции наносов на пойме // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Науки о земле. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 2000. С. 101-110.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Средний Урал и Приуралье / Под ред. Н.М. Алюшинской. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Т.11. 848 с.
9. Скоморохов А.И. Скорость роста оврагов (по наблюдениям в Курской области) // Геоморфология. 1981. № 1. С. 97-103.
10. Скоморохов А.И. О двух тенденциях в развитии овражно-балочного рельефа и возможности противоэрозионной защиты почв // Вестн. Моск. ун-та. Сер. География. 1984. № 1. С. 103-111.
11. Чалов Р. С. Географические исследования русловых процессов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. 234 с.
12. Чернов А.В. Геоморфология пойм равнинных рек. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1983. 198 с.
Поступила в редакцию 07.08.06
A. A. Perevoschikov
Morphological and hydrodynamical features of the small rivers valleys' bottoms and their role in the inundated accumulation
The features of the inundated accumulation processes are illustrated by the example of the small rivers of Udmurtia, according to the morphological and hydrodynamical conditions of an inundated surface.
Перевощиков Александр Анатольевич Удмуртский государственный университет 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп.4) Е-mail: [email protected]
