CC BY
69
Выпуск 2
рек поступает минимальное количество наносов. Поток таким образом перестраивает свою структуру, что приводит в соответствие поступление наносов с его транспортирующей способностью.
действия потоков в периоды пропуска паводков и половодий по затопленным поймам.
По-видимому, для разработки расчетной методики для паводочного периода необходимо перейти к системному анализу, рассматривая систему «бассейн-речной поток-русло» как саморегулирующуюся.
Таким образом, процесс саморегулирования в системе «речной поток-русло» снижает максимальные расходы и увеличивает продолжительность процесса пропуска паводков и половодий [1].
В целом натурные данные подтверждают концепцию РГГМУ о существенном увеличении транспортирующей способности руслового потока под воздействием пойменного потока при втором типе их взаимодействия и значительного снижения расходов наносов при третьем типе взаимодействия потоков.
Учитывая, что основной задачей исследования являются расходы и сток донных наносов, исключительно важным является оценка воздействия на них эффекта взаимо-
Список литературы
1. Барышников Н. Б. Динамика русловых потоков. — СПб.: Изд-во РГГМУ, 2007. — 314 с.
2. Барышников Н. Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 280 с.
3. Великанов З. М., Ярных Н. А. Натурные исследования гидравлики пойменного массива в высокое половодье // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — Вып. 183. — С. 33-53.
4. Копалиани З. Д., Костюченко А. А. Расчеты расхода донных наносов в реках // Сборник работ по гидрологии. — СПб.: Изд-во Гидрометеоиздат, 2004. — № 27. С. 25-40.
5. Саликов В. Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков // Тр. IV Всесоюз. гидрол. съезда. —Л.: Гидрометеоиздат, 1976. — Т. 11. — С. 75-81.
УДК 502.7 В. И. Антроповский,
НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ГИДРОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕК ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ
СРЕДНЕЙ ВОЛГИ
SOME RESULTS OF THE EVALUATION OF ECOLOGICAL STATE
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
О. А. Шелухина,
СПГУВК
AND HYDRO MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS OF RIVERS ON THE MIDDLE VOLGA LEFT BANK
В настоящей статье по материалам проведенных исследований приводятся результаты оценки экологического состояния рек левобережья средней Волги. Выявлены факторы экологической напряженности. Выполнен анализ гидроморфологических характеристик данной совокупности речных потоков.
The article gives the results of evaluation of rivers ecological state on the middle Volga left-bank as a result of investigations. The factors of ecological tensity are discovered. The analysis of hydro-morphological characteristics of rivers flow aggregate is carried out.
Ключевые слова: переформирования русел, экологическое состояние, руслообразующие факторы, речные русла, русловой процесс.
Key words: channels reformation, ecological state, bed-formation factor, river channels, bed evolution.
1. Результаты исследований русловых процессов являются основополагающими для выяснения экологического состояния рек и направленности изменения этого состояния в случае нарушения динамического равновесия [1]. Природные факторы, определяющие экологическое состояние рек и формирование типов русловых процессов, практически одни и те же. Изменение русел и пойм одновременно означает и изменение экологического состояния рек. Прогнозирование русловых процессов одновременно содержит и элементы прогноза экологического состояния рек.
2. Естественные реки, как правило, находятся в состоянии, близком к состоянию динамического равновесия. Это справедливо в той же мере, в какой можно считать устойчивыми водный режим и сток наносов (а следовательно, и характер переотложения наносов). При динамическом равновесии деформации являются обратимыми и прогнозы могут составляться по ранее наблюдавшимся тенденциям, в условиях сложившегося многолетнего режима жидкого и твердого стока. При этом предполагается сохранение средних гидрологических и гидравлических условий и в будущем [2].
3. Русловой процесс является составной частью развития географической среды [3; 4]. Каждому ландшафту присущ особый водный режим и характер гидрографической сети. С изменением географического ландшафта (например, вследствие потепления климата) изменится и гидрографический облик территории. Существует и обратная связь, так как водный фактор сам по себе играет первостепенную ландшафтообразующую роль. Этим, в частности, объясняется и необходимость дифференцированного подхода при прогнозировании русловых переформирований — рассмотрении рек с учетом особенностей природной среды. Находит проявление положение [4], что гидравлика потока и русловые
формы (русловой процесс) в различных природных условиях связаны неоднозначно. Исследование генетической связи типов руслового процесса с природной средой становится особенно важным в связи с необходимостью их прогнозирования в случае изменения природной среды под влиянием хозяйственной деятельности человека. Характер и степень преобразований конкретных рек при одинаковом изменении климатических условий определяется их состоянием в естественных условиях и, конечно, влиянием хозяйственной деятельности.
4. Преобладающее влияние на создание экологической напряженности на реках левобережья средней Волги оказывают природные факторы. Наиболее важными из них являются [1] геолого-геоморфологическое строение речных долин и неблагоприятные (опасные) проявления гидрологического режима (в том числе особенностей стока воды, наносов, ледовых явлений и русловых переформирований). Проявления гидрологического и руслового режимов являются активными факторами. В первом случае это прохождение половодий редкой обеспеченности, сопровождающихся заторами льда, а также уменьшение водности малых притоков в период зимней и летней межени. Во втором — плановые деформации русел и движение аллювиальных гряд.
5. Наибольшее влияние на повышение экологической напряженности из антропогенных факторов оказывают механические изменения русел и пойм (особенно разработка русловых карьеров, вызывающая значительные изменения в рельефе русел и посадку уровня воды); уменьшение водности рек вследствие водозабора; усиление эрозии и заиление рек (особенно малых притоков) из-за сведения лесов, несоблюдения водоохранных зон и защитных полос, а местами и увеличение распашки склонов пойменных массивов.
Выпуск 2
Выпуск 2
Размыв и движение форм руслового рельефа представляют опасность для населенных пунктов, промышленных объектов и культурно-исторических памятников, находящихся на берегах рек. Под угрозой находятся объекты промышленных предприятий.
Необходимо также отметить загрязнение вод ядовитыми веществами. Важной проблемой на данный момент является проектирование переходов нефте- и газопроводов через реки, а также оценка состояния существующих переходов. При их эксплуатации необходимо учитывать природные и антропогенные предпосылки. В противном случает экономическая выгода может обратиться экологической катастрофой. При прокладке вновь проектируемых переходов нефте- и газопроводов рекомендуется использовать уже применяющийся в настоящее время метод наклонно-направленного брения.
По причине снижения объемов дноуглубительных и выправительных работ на всех исследуемых реках происходит обмеление перекатов, что крайне неблагоприятно сказывается на судоходстве и санитарно-эпидемиологической обстановке, а также возрастает риск наводнений.
6. На основе составленной карты типов речных русел левобережья верхней и средней Волги [5] и анализа распространения морфологически однородных (бесприточных с определенным типом русловых процессов) участков рек можно заключить, что здесь преобладает свободное меандрирование. В пределах левобережья верхней Волги (выше г. Рыбинска) из рассмотренных 223 участков рек почти 50 % являются свободномеандрирующими. Примерно 20 % с ограниченным меандриро-ванием и остальное составляют реки с врезанным руслом.
В пределах левобережья средней Волги (ниже г. Рыбинска) из 500 рассмотренных участков свободномеандрирующие реки составляют 64 %, 18 % — реки с ограниченным меандрированием и остальное в основном приходится на реки с врезанным руслом. Из 20 участков, выделенных на самой Волге, только на двух (ниже г. Ярославля и в зоне выклинивания подпора Чебоксарского водохранилища — выше устья Керженца) наблюда-
ется русловая многорукавность. На остальном протяжении русло врезанное, причем на двух третях участков — относительно прямолинейное (часто с наличием ленточных гряд или побочней), а на одной трети — извилистое (врезанные излучины).
Интересно, что число участков со свободным меандрированием в пределах левобережья средней Волги примерно на 14 % больше, чем в верхней части бассейна Волги. Зато количество участков рек с врезанным прямолинейным руслом меньше на 12 %. Свободное меандрирование характерно для рек, протекающих в пределах низменностей (Кострома, Унжа, Ветлуга, Вятка и др.). Многие из этих рек меандрируют на всем протяжении.
Ограниченное меандрирование наблюдается в узких долинах, склоны которых препятствуют значительным плановым перемещениям русла. Оно отмечается на реках: Медведица, Кема и др.
7. Средняя скорость плановых деформаций на меандрирующих реках рассматриваемой территории может составлять несколько метров в год, а максимальная — 10-15 м/год. На средней Волге до создания ГЭС, по данным Н. И. Маккавеева, скорость сползания излучин составляла 6-12 м/год. Е. В. Шанцер определял скорость смещения русла Волги на участке ниже г. Ульяновска для тех же условий равной 14-60 м/год.
Вогнутые берега в среднем течении р. Мологи размываются со скоростью от 0,5 (глинистые, суглинистые) до 5 м/год. Размывы пойменных берегов р. Унжи на участке ниже впадения р. Неи происходят со скоростью 2-3 м/год. Размывы вогнутых пойменных берегов на излучинах р. Ветлуги возрастают вниз по течению от 2 до 10 м/год. Колебания отметок дна р. Ветлуги на участке: пгт Вет-лужский — устье составляют 0,7 м.
По данным Г. Г. Месерлянса (1994), средняя скорость размыва вогнутых песчаных берегов свободномеандрирующих излучин р. Керженец в нижнем течении составляет 3-6 м/год. Высотные деформации в створе перехода трубопроводов (в 19 км выше устья) могут достигать 2,0-2,5 м. Вогнутые берега излучин Вятки и Чепцы в верхнем течении, сложенные песчаными наносами, по данным
В. Ф. Николаева (1993), размываются со скоростью до 50 м/год, а на участке пересечения рекой Вятских Увалов — со скоростью до 10 м/год. Размыв пойменных берегов Вятки ниже Увалов происходит со средней скоростью 5-6, а максимально — 20 м/год. Понижения дна до 4,5 м на участке ниже Симоновского водного узла и до 3 м в Заводской воложке, выделяющиеся на совмещенных профилях русла 1976 и 1992 гг., являются следствием преимущественно добычи строительных материалов и дноуглубительных работ.
8. В последние 20-25 лет прошлого века на территории России отчетливо обозначился процесс глобального потепления климата, произошли коренные изменения в масштабах использования речных вод [6]. При этом воздействие климатических факторов на водные ресурсы и водный режим проявлялось как непосредственно в результате процессов гидрологического цикла, так и косвенно за счет влияния на формирование потерь стока при его хозяйственном использовании. В результате годовой сток рек на преобладающей территории страны превысил норму и наблюдается существенное увеличение водности в периоды зимней и летне-осенней межени, что привело к значительному увеличению естественной зарегулированности стока, по масштабу сопоставимому с влиянием водохранилищ сезонного регулирования. Стратегия по адаптации водохозяйственного комплекса страны к предстоящим гидроклиматическим условиям, по мнению ученых ГГИ, должна разрабатываться на основе данных о фактически наблюдающихся современных изменениях водного режима и результатов сценарных оценок. В соответствии с имеющимися оценками международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2001) уже в первой половине ХХ1 столетия возможны существенные изменения климатических условий в результате дальнейшего роста концентрации парниковых газов в атмосфере. В качестве возможных климатических условий будущего использовались климатические сценарии, полученные с использованием моделей общей циркуляции атмосферы —
моца (еснлм 4, орбь-я15, сосм 1, Наа-
СМ 2, НааСМ 3), а также сценарий, разрабо-
танный в ГГИ на основе палеоклиматических реконструкций. Естественным продолжением сценарных исследований водности являются работы по оценке возможных изменений характера русловых процессов и значений конкретных характеристик рек. Оценки ГГИ возможных изменений водного режима рек под влиянием естественных и антропогенных факторов приняты в данной работе в качестве основы при составлении фонового прогноза русловых переформирований рассматриваемых рек.
9. В условиях потепления климата происходит изменение активных факторов рус-лообразования (стока воды и наносов) и как следствие — нарушение динамического равновесия. Возникает необратимый процесс, заключающийся в развитии реки (ее качественной перестройке). Происходит преобразование морфологического строения русла и поймы, возвращающее реку в состояние динамического равновесия. Количественные или качественные изменения в русловом процессе, вызванные нарушением естественного водного режима, могут распространяться на большие расстояния и охватывать целые речные системы. В этих условиях прогноз может быть лишь фоновым, то есть определяющим только осредненные характеристики морфологических процессов. Прежде всего производится оценка возможности изменения типа руслового процесса, неизбежно возникающая вследствие изменений, определяющих процесс факторов. В основу прогноза положены закономерности, связывающие русловой процесс с определяющими его факторами, — так называемые критериальные зависимости, характеризующие условия перехода одного типа русла в другой [2].
10. Обычно при составлении фоновых прогнозов русловых переформирований и в критериальных зависимостях в качестве расчетных используются средние максимальные расходы воды за многолетний период. Однако для условий потепления климата об этих расходах пока нет достаточно надежных сведений. Вместо них в данной работе использованы средние годовые расходы воды за многолетний период (то есть расходы, характеризующие норму стока). Модификация
Выпуск 2
Выпуск 2
зависимостей (эмпирических формул), используемых в данном случае при прогнозировании количественных характеристик рек, как раз и выразилась в замене указанных расходов. Основанием для такой замены является то, что преобладающим типом руслового процесса рассматриваемых рек является свободное меандрирование. При свободном же меандрировании на эпюрах руслоформирующих расходов воды обычно как раз и имеется два максимума значения, которые примерно одного порядка с указанными средними из максимальных годовых и средними годовыми расходами воды за многолетие. И вполне естественным представляется, что если нельзя использовать в качестве расчетного один из них, то наиболее обоснованным является использование другого.
11. Критериальный график с использованием в качестве расчетного среднего годового расхода за многолетний период Qcvг и уклона дна долины 10 в относительном виде (в долях единицы) представлен двумя критериальными зависимостями, характеризующими условия перехода руслового процесса из одного типа в другой: а) для линии, разграничивающей участки с незавершенным меандрированием и многорукавные русла: /0=0,2Ю-ес;00; б) для линии, разграничивающей участки с незавершенным и свободным меандрированием: /0 = 0,060 • 0,~р^°. Результаты оценки показали, что полученный критериальный график может использоваться для приближенного определения типа руслового процесса в случаях существенного изменения гидрологического и руслового режимов рек (вероятность попадания точек в зону русел со свободным меандрированием равна Р = 93 % при средней квадратической ошибке
о = 0,03).
12. В связи с изменением водности и гидрологического режима рек вследствие глобального потепления климата увеличивается вероятность изменения руслового режима (типа русловых процессов и соответственно схемы деформаций), морфометрических и гидравлических характеристик рек, что необходимо учитывать при перспективном планировании целого ряда отраслей хозяйства страны.
В процессе исследований рек левобережья средней Волги выяснилось, что типы речных русел (русловых процессов) оказываются относительно устойчивыми и для абсолютного большинства рассматриваемых рек сохраняются даже при увеличении их годового стока на 35 %. Из 19 участков свободно-меандрирующих рек только на трех возможно появление признаков незавершенного меан-дрирования (да и то одним из них является р. Вычегда у с. Малая Кужба, относящаяся к другому бассейну).
Для определения типа русловых процессов в условиях потепления климата использовался также метод Н. А. Ржаницына и Е. К. Рабковой. Совмещение модельных гидрографов с «единичными гидрографами», свойственными рекам с определенным типом русловых процессов, в целом подтверждает результаты, полученные с использованием критериального графика. Однако все же приходится признать результаты, полученные вторым методом, менее определенными и надежными. Одной из причин этого является отсутствие надежных прогнозов максимальных расходов воды.
13. В случае уменьшения максимального стока на рассматриваемых реках можно ожидать отмирания мелких пойменных протоков, уменьшения числа осередков, островов и их подвижности, концентрации стока в главном рукаве и усилении его меандриро-вания. Поймы меандрирующих рек будут затапливаться реже, что должно отразиться на размерах и форме излучин. Увеличение заре-гулированности стока вследствие выравнивания его в году способствует превращению рек в канализованные с меньшей извилистостью в плане.
14. Изменению подвержены морфометрические и гидравлические характеристики рек. Наиболее чутко на изменение водности рек реагирует ширина русел рек [2]. Сток воды с поверхности бассейна служит главным фактором, от которого зависят поперечные размеры речного потока [7]. Если грунты и уклон долины фиксированы, то поперечные размеры потока (размеры русла) полностью определяются стоком. В тех случаях, когда норма стока и другие его статистичес-
кие характеристики в течение длительного периода не изменяются, говорят, что сток статистически устойчив. При статистически устойчивом стоке делается статистически устойчивым и речной поток: математические ожидания и дисперсии его элементов сохраняются. Очевидно это относится и к руслу реки. Испытывая местные знакопеременные деформации, русло статистически устойчивого потока сохраняет без изменения математические ожидания и дисперсии своих главных размеров.
Основным способом определения ширины в условиях потепления климата является способ, базирующийся на использовании модифицированной формулы С. Т. Алтунина. Результаты такого определения свидетельствуют об увеличении ширины в бровках русла. В связи с этим следует ожидать и увеличения шага излучины меандрирующих рек и интенсивности плановых деформаций, которые тесно связаны с шириной. Это подтверждается результатами определения указанных характеристик с использованием графиков (связей) И. В. Попова [8].
15. Для определения высотных деформаций (средних глубин) русел рек нашли применение формулы, структура которых предложена Г. В. Железняковым и К. В. Гришаниным. Естественно, что с увеличением средних годовых расходов воды увеличиваются и глубины. Однако на них влияют и русловые переформирования.
16. Определение средних годовых расходов взвешенных наносов с увеличением среднего годового стока воды выполнено при допущении о незначительном изменении средней многолетней мутности в условиях потепления. В пользу указанного допущения свидетельствует отсутствие достаточно выраженной зависимости мутности с увеличением расходов воды. О донных (влекомых) наносах рассматриваемых рек можно судить по соотношению их со взвешенными наносами. Так в работе [9] в бассейне Волги по доле стока влекомых наносов в общем их объеме (Ж / Жобщ, %) выделено три группы районов:
1 —— < 25; 2 — 25-50; 3 — > 50.
Левобережные притоки верхней и средней Волги (выше г. Казани) относятся к третьей
из указанных групп. Река Меша и нижнее течение рек Кама и Вятка с притоками принадлежат к первой группе. Поскольку изменения климата происходят постепенно и речные бассейны, как правило, успевают адаптироваться к ним, можно предположить, что и указанные соотношения изменятся не сильно.
17. С увеличением модулей годового стока воды в условиях потепления климата увеличивается крупность донных отложений наносов в реках, что установлено по соответствующим связям, построенным для выделенных гидрологических районов.
18. Как известно, саморегулирующиеся речные системы способны путем внутренней перестройки продолжать выполнение своих функций при некоторых (ограниченных) изменениях внешних условий, в которых они развиваются. Учитывая, что изменения климата вследствие антропогенного воздействия происходят постепенно, рассматриваемая система, как правило, успевает адаптироваться к ним. Примерно такое же положение с антропогенным воздействием и на бассейн отдельной реки. Для предотвращения и сведения до минимума неблагоприятных последствий деформаций русел рассматриваемых рек и прохождения половодий, сопровождающихся заторами льда рекомендуется [1]:
— при проектировании сооружений выбирать оптимальные места размещения, выполнять основные требования к их конструкции, разрабатывать меры защиты и соблюдать требования экологической безопасности;
— составлять детальные прогнозы русловых деформаций на участках рек, где находятся промышленные и социальные объекты, по мере необходимости производить берегоукрепительные работы;
— для контроля фактического экологического состояния рек территории необходимо проводить гидроморфологический мониторинг, включающий наблюдения за рекой, ее долиной, поймой и руслом. Разработка и реализация программы наблюдений мониторинга позволит получать данные о состоянии рек на текущий момент, а также разрабатывать пути стабилизации экологической обстановки.
Выпуск 2
Список литературы
1. Денисова И. В., Шелухина О. А. Природные и антропогенные факторы экологической напряженности на реках // География и смежные науки. Герценовские чтения. — СПб., 2003. —
С. 10-13.
2. Антроповский В. И. Гидролого-морфологические закономерности и фоновые прогнозы переформирования русел рек. — СПб.: Кристмас+, 2006. — 216 с.
3. Глушков В. Г. Морфология речного русла // Тр. I Всерос. гидрологического съезда. — Л., 1925. — С. 286-290.
4. Маккавеев Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд-во АН СССР, 1955. —
347 с.
5. Антроповский В. И., Шелухина О. А. Морфология и деформация реки Волги (в верхнем и среднем течении) и ее левобережных притоков // Вестник ф-та географии. — СПб., 2005. — Вып. 5. — С. 42-53.
6. Георгиевский В. Ю. Изменение стока рек России и водного баланса Каспийского моря под влиянием хозяйственной деятельности и глобального потепления: автореф. дис. ... д-ра географ. наук. — СПб.: ГГИ, 2005. — 39 с.
7. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 311 с.
8. Попов И. В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. — Л.: Гидрометеоиздат, 1969. — 364 с.
9. Чалов Р. С., Штанкова Н. Н. Сток наносов, руслоформирующие расходы воды и морфодинамические типы русел рек бассейна Камы // Вопросы физической географии и геоэкологии Урала: межвуз. сб. науч. тр. / Пермский университет. — Пермь, 2000. — С. 99-116.
УДК 556.536 В. П. Зимичев,
канд. географ. наук. ст. науч. сотр., Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
(Санкт-Петербург)
ОЦЕНКА РЕЖИМА ТВЕРДОГО СТОКА НА МАЛОИЗУЧЕННЫХ РЕЧНЫХ БАССЕЙНАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТАЙМЫРА THE ASSESSMENT OF SEDIMENT FLOW REGIMES ON INSUFFICIENTLY KNOWN RIVER BASINS OF THE CENTRAL TAIMYR
CM
Дается характеристика гидрологических и седиментационных процессов в наиболее типичных речных и озерно-речных системах Центрального Таймыра, входящих в водосборный бассейн р. Нижней Таймыры. Приводится количественная оценка перераспределения взвешенных наносов в рассматриваемой русловой системе.
The assessment of hydrological and sediment processes in the most typical river and lake systems of the Central Taimyr affiliation in the river basin of the Nizhnyaya Taimyra River is proposed. The quantitative assessment on the suspended sediment redistribution in this river system is presented.
Ключевые слова: твердый сток, расход воды, горные реки, взвешенные наносы.
Key words: flow of solid matter, water discharge, mountain rivers, suspended sediments.
