CC BY
107
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
83
УДК 551.435.13 (470.53)
Н.Н. Назаров, И.И. Рысин, Л.Н. Петухова
О РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В БАССЕЙНЕ КАМЫ
Представлен краткий очерк изученности руслоформирующих процессов в бассейне р. Камы, дана характеристика морфодинамических типов русел водотоков, проанализированы русловые процессоы на реках Пермского края и Удмуртии в связи с современными климатическими изменениями.
Ключевые слова: русловые процессы, морфодинамические типы русел, изменения климата, бассейн р. Камы. Изученность руслоформирующих процессов
Первой работой, в которой была представлена морфодинамическая характеристика русел наиболее крупных рек Камского бассейна, стало исследование Р.С. Чалова и А.В. Чернова [29], посвященное его районированию по факторам и формам проявления русловых процессов. Районирование по факторам, условиям развития и формам проявления русловых процессов (распространению морфодинамических типов русел, данных о направленности и интенсивности русловых деформаций) было выполнено путем последовательного наложения на единую картографическую основу серии схем с частными районированиями: по водному режиму рек, по геолого-геоморфологическим условиям развития русловых деформаций, по руслоформирующим расходам, по распространению горных, по-лугорных и равнинных рек. Кроме того, авторами была учтена схема совмещенного гидрологического и физико-географического районирования Пермской области, выполненного ранее А.М. Комлевым и Е.А. Черных [4]. Корректировка границ районов при их незначительном несовпадении проводилась на основе использования данных по местным орографическим или другим естественным рубежам, природным зонам и т. д.
Позднее были опубликованы более подробные данные о распространении морфодинамических типов русел в регионе; выявлены места их основного развития [30]. Как и в первом исследовании, объектами изучения стали крупные реки Прикамья и их основные притоки. Картосхемы распространения морфодинамических типов русел были подготовлены на основании результатов картографического анализа целого комплекса геолого-геоморфологических, гидрологических, гидрографических и некоторых других признаков, являющихся критериями отнесения речных русел к определенным классификационным группам.
С середины 1990-х гг. одновременно с мелкомасштабными исследованиями русловых процессов на реках Прикамья [1; 29] стали проводиться работы, направленные на получение детальной исходной информации о развитии русловых процессов в регионе. Их результаты послужили основой для осуществления морфодинамических обобщений о развитии горизонтальных деформаций на средних и сравнительно небольших реках региона [3; 10; 13; 17; 22].
Кроме традиционных картометрических исследований и вычислений составляющих морфодинамического анализа, работы включали в себя геоиндикационное дешифрирование аэрофотоснимков и визуальные обследования пойменно-русловых геосистем. Отличие и преимущество исследований данного вида - возможность получения совершенно иной информации о проявлениях русловых процессов, которую практически невозможно получить используя для картографирования морфодинамических типов русел только топографические карты. К такой информации можно отнести геосистемную дифференциацию днища речной долины на пойму (низкую, среднюю, высокую) и низкие надпойменные террасы. Отсутствие на топографических картах любого масштаба прямых «подсказок» по идентификации элементов речной долины делает затруднительным качественное определение русел рек по принадлежности к широкопойменным, адаптированным или врезанным типам русел. Характер растительности (или ее отсутствие), состав русловых или пойменных отложений на выпуклых берегах излучин позволяют практически безошибочно классифицировать русло реки.
В соответствии с признаками (критериями) дифференциации русел на морфодинамические типы [7; 26] для всех рек Пермского края и Удмуртии, имеющих длину более 10 км, были определены основные количественные характеристики геоморфологических условий и плановых деформаций
русла: уклон русла, относительный показатель развитости излучин (коэффициенты извилистости), ширина пояса меандрирования, коэффициент извилистости макроизлучин.
Особое место в этих исследованиях занял процесс выявления динамической устойчивости русла, который является основным показателем отнесения излучин к типу свободного, ограниченного развития или врезания. Для этого, используя дистанционные (дешифрирование аэрофотоснимков, аэровизуальные обследования) и полевые методы исследований, устанавливалось наличие горизонтальных смещений русла.
В качестве прямых признаков развития горизонтальных деформаций использовались результаты взаимоналожения разновременных аэрофотоматериалов или топокарт, фиксирующих местоположения зон размыва или аккумуляции. Как правило, для плановых сопоставлений отбирались материалы масштаба не мельче 1: 50 000 (обычно 1:10 000-1:25 000). При наличии аэрофотоматериалов лишь одного года залета геоиндикационное дешифрирование становилось основным приемом выявления направленности русловых деформаций. Преобладание горизонтальной русловой составляющей определялось по наличию специфического набора прибрежных геосистем (пески, галечники, отсутствие растительности), поскольку известно, что формирование подобных морфологических образований происходит из-за наращивания прибрежных отмелей в результате накопления аллювия и смещения русла в направлении противоположного (размываемого) берега. Напротив, активность и преобладание вертикального вреза русла довольно точно фиксировались по наличию четко выраженных бровок русла по обоим берегам реки вне зависимости от степени развитости излучин.
Изучению интенсивности развития горизонтальных русловых деформаций в Пермском Прикамье посвящено сравнительно немного исследований. Одно из самых ранних упоминаний об интенсивности речной эрозии в северо-восточной части региона встречается в работе Р.В. Крапивнера, И. Л. Зайонца и др. [1960, фондовые материалы ]. В ней, в частности, сообщается, что основное русло р. Камы в районе г. Боровска в 1913 г. проходило по излучине, то есть на 1,5 км восточнее его современного положения. Здесь же упоминается р. Колва, которая за 20 лет (1938-1958) у п. Покча смыла полосу берега шириной 20-30 м. Река Вишера около д. Березовая за 4 года смыла 15 м берега. Установлено также, что около 100 лет назад р. Вишера у д. Анниковская протекала в 3 км западнее своего современного положения.
В 1987 г. по результатам сравнительного дешифрирования аэрофотоснимков были опубликованы данные о скорости бокового смещения русел рек Прикамья, с указанием целого ряда геоморфологических характеристик в точках измерений [11]. Особенности русловой эрозии в регионе нашли также отражение и в картографических материалах [21]. Авторами исследования в масштабе 1:4000000 представлены условия формирования русел в регионе, выделены их типы, определены скорости русловых деформаций.
В последние годы в связи с усилением интереса к решению экологических проблем в пределах речных долин появился ряд публикаций, в которых приводилась характеристика динамических изменений местоположений берегов в пределах селитебных и производственных объектов на рр. Тулве, Качке, Каме [2; 6].
Один из последних трудов по берегоформирующим процессам на реках Пермского края - фундаментальная монография Н.Н. Назарова и С.С. Егоркиной [12] дает достаточно подробную информацию по данной теме: природные и антропогенные факторы и условия развития русловых деформаций в регионе, географический анализ распространения горизонтальных русловых деформаций на реках, их активность и интенсивность, лимитирующие и активизирующие факторы речной эрозии и т.п.
Гидрологическое деление территории на округа, осуществленное А. С. Шкляевым, учитывает соотношение тепла и влаги, элементов водного баланса, то есть тесно связанных между собой выпадающих атмосферных осадков, испарения влаги и стока вод.
Нижнечусовской округ - самый малый по площади среди географо-гидрологических округов Пермского края, включающий бассейн нижнего течения р. Чусовой (ныне - Чусовского залива Камского водохранилища) и верховий притоков р. Сылвы - рр. Барды, Шаквы и других. Здесь широко развит карст, поэтому многочисленны сухие русла. Гидрологические показатели - средние по региону.
Иньвенско-Обвинский округ расположен в правобережье р. Камы, в средней части Пермского Прикамья. Основная покатость с запада на восток, от увалов Верхнекамской возвышенности к долине Камы, занятой самыми широкими частями Камского водохранилища. Округ охватывает верхнюю часть бассейна р. Косы и полностью водосборы рр. Иньвы, Чермоза, Обвы, вытянутых в широтном
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2010. Вып. 1
направлении. Край типичных равнинных рек со всеми характерными их чертами. Густота речной сети близка к средней по региону -0,4-0,6 км/км2. Строение - древовидное. Уклоны невелики.
Реки имеют дружное, ярко выраженное, как правило, однопиковое и высокое половодье, сопровождающееся большими разливами.
Среднекамский округ находится на самом юго-западе края и вытянут вдоль р. Камы, которая зарегулирована здесь водами Воткинского водохранилища. Местные реки либо впадают в него (рр. Гайва, Мулянка, Ласьва, Очер, Тулва и др.), либо несут свои воды за пределы региона (рр. Сива, Буй, Пизь). Это типично равнинные водотоки. Уклоны их невелики. Густота речной сети близка к средней по Прикамью - 0,5-0,7 км/км2. Строение сети - древовидное. Водность рек невелика. Русла водотоков врезаны незначительно и вскрывают лишь самые верхние горизонты подземных вод. В маловодные годы иногда происходит пересыхание небольших рек.
Весеннее половодье выражено четко, оно невысоко и непродолжительно: длительность его приближается к периоду снеготаяния.
Нижнесылвинский округ находится тоже на юге региона к востоку от Среднекамского. Включает в себя почти весь бассейн р. Сылвы и верховья некоторых малых рек (рр. Быстрый Танып, Тюй, Атер, Сарс), несущих свои воды на юг - в р. Белую и ее приток р. Уфу. Широкое развитие здесь получили карстовые явления, что отразилось на режиме рек. Густота речной сети варьируется в больших пределах - от наименьших значений по области - 0-0,2 км/км2 (Уфимское плато) до средних и высоких - 0,4-1,0 км/км2 (на остальной части). Воды рр. Сылвы, Ирени, Шаквы, Барды, сливаясь вместе, при дружной многоводной весне вызывают резкий подъем уровней воды, что в отдельные годы приводит к затоплению с. Усть-Кишерть и отдельных микрорайонов г. Кунгура. Зимой реки иногда перемерзают, летом часто пересыхают или сильно мелеют.
Морфодинамические типы русел водотоков
Изучение рек Камского бассейна показало, что в пределах Уральского Прикамья располагается группа районов, характеризующаяся чередованием рек с врезанным и широкопойменным руслом. Районы с преобладанием широкопойменных русел приурочены, главным образом, к холмистым и низменным равнинам Предуралья. По преобладанию различных уклонов рек и крупности наносов с корректировкой по гидрологическим характеристикам выделяются: Средне-Североуральский (II), Косьвинско-Уфимский (III), Северо-Увальский (V), Камско-Печорский (VI), Камско-Вятский (VII), Закамский (VIII) и Икско-Бельский (IX) [29]. Каждый из выделенных районов характеризуется своим особым набором морфодинамических типов русел (рис. 1).
Исследуемые водотоки относятся к следующим районам: рр. Чусовая, Сылва - к Косьвинско-Уфимскому; рр. Обва, Нердва, а также все реки Удмуртии - к Камско-Вятскому; рр. Тулва, Буй, Быстрый Танып, Барда, Бабка и Пизь - к Закамскому району.
Косьвинско-Уфимский район занимает предгорья и осевую зону невысокого Среднего Урала. Он характеризуется меньшими уклонами рек (0,3-0,5 %о) и соответственно большей долей песчаногалечных и песчаных наносов. Здесь явно преобладают широкопойменные русла, хотя доля врезанных достаточно заметна (25 %); горные реки отсутствуют (это не относится к верховьям средних рек и их притокам). Высокие в сравнении с равнинными районами уклоны рек обусловливают среди широкопойменных значительную долю прямолинейных русел. Наиболее распространены на реках сег -ментные излучины.
Камско-Вятский район отличается большой площадью и приурочен к холмистым лесам и лугам северо-восточного Заволжья. Район характеризуется заметной пересеченностью рельефа, сложенного на двух третях территории мощными толщами песков и суглинков. Преобладают сегментные излучины (46 %) и относительно прямолинейные участки русел (26 %). Относительно высока здесь встречаемость синусоидальных и прорванных излучин. Уклоны на реках средние для бассейна (0,2-0,35 %о), наносы, большей частью, песчаные.
Закамский район характеризуется равнинным рельефом и распространением преимущественно глинисто-суглинистых пород. Поэтому при средних для равнинных рек уклонах (0,15-0,35 %о) в руслах рек преобладают илистые или илисто-песчаные наносы, а наиболее распространенным типом русла здесь являются типичные для тяжелых грунтов синусоидальные (пальцевидные) излучины.
86_____________
2010. Вып. 1
Рис. 1. Распределение русел с различными морфодинамическими типами по районам, выделенным в бассейне р. Камы по факторам, условиям развития и формам проявления русловых процессов (по Чалову, Чернову [29] с уточнениями авторов):
1 - IX - районы: I - Южно-Уральский, II- Средне-Североуральский, III - Косьвинско-Уфимский, IV - Верхне-бельский, V - Северо-Увальский, VI - Камско-Печорский, VII - Камско-Вятский, VIII - Закамский, IX - Икско-Бельский. Морфодинамические типы русел: 1 - горных и полугорных рек, равнинных рек - врезанные русла;
2 - относительно прямолинейные неразветвленные; 3 - излучины; 4 - разветвления, широкопойменные русла; 5 - относительно прямолинейные неразветвленные; 6 - вынужденные и адаптированные излучины; 7 - сегментные крутые излучины; 8 - синусоидальные (вытянутые, пальцеобразные) излучины; 9 - пологие сегментные и прорванные излучины; 10 - разветвления региона, изменены хозяйственной деятельностью: низовья рр. Яйвы, Косьвы, Чусовой, Сылвы, ставшие заливами Камского водохранилища
Для рек Пермского Прикамья в качестве основных определены восемь морфодинамических типов русел [13] (табл.). Врезанные русла как равнинных, так и горных рек имеют прямолинейные, устойчивые в плане очертания. Сформировались они, как правило, вдоль тектонических трещин и разломов. В отдельных случаях такие русла образуют не менее устойчивые врезанные излучины. Пойма отсутствует или встречается небольшими фрагментами; берега в основном коренные - скальные и неразмываемые. В местах перегибов продольного профиля часто образуются русловые разветвления, в пределах которых переформирования низких галечных островов протекают весьма активно, но са-
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2010. Вып. 1
мо русло является малоподвижным. Врезанные русла сосредоточены, главным образом, в речных системах Урала и Предуралья: горные и полугорные представлены верхними звеньями, равнинные -средними и нижними звеньями - реками 3-го и больших порядков в бассейнах рр. Вишеры, Чусовой, Яйвы, Косьвы, Сылвы и др.
Широкопойменные русла распространены преимущественно в равнинных районах, сложенных с поверхности мощным слоем рыхлых четвертичных отложений; отдельные широкопойменные участки встречаются на реках, протекающих в межгорных котловинах. У всех этих рек отношение ширины поймы к ширине русла составляет от 3:1 до 40:1 и более; долины рек выполнены легкоразмы-ваемым аллювием. Относительно прямолинейные неразветвленные русла отличаются сравнительной устойчивостью в плане - размывы берегов происходят на отдельных локальных участках русла, меняя очертания берега, не изменяя общей конфигурации русла. Часто один из берегов таких русел является высоким, неразмываемым, сложенным коренными скальными или глинистыми породами. Подобный тип русла распространен на реках, расчленяющих склоны денудационных и денудационноаккумулятивных возвышенностей: Северных Увалов, Верхнекамской возвышенности, Уфимского плато, собственно Урала, где продольные уклоны русел достигают наибольших для равнинных рек значений (0,5-1 %о). Например, в бассейне р. Быстрый Танып относительно прямолинейные русла составляют 31 %.
Вынужденные излучины наиболее типичны для котловин и предгорных участков, где размаху горизонтальных блужданий русла препятствуют коренные борта котловин или ящикообразных долин. Эти излучины, как правило, малоподвижны, иногда испытывают продольные перемещения.
Распространение русел рек с различными морфодинамическими типами в Пермском Прикамье
(по Н.Н. Назарову, А.В. Чернову [13])
Морфодинамический тип русла В процентах от общей длины русла в регионе Районы преобладающего распространения
А. ВРЕЗАННЫЕ
1. Относительно прямолинейные 9 Горы и предгорья
2. Врезанные излучины 8
3. Разветвления врезанного русла 2
Б. ШИРОКОПОЙМЕННЫЕ
4. Относительно прямолинейные 26 Северные Увалы (бассейн Весляны)
5. Излучины вынужденные 5 Предгорья Урала
6. Излучины свободные сегментные 40 Равнинная часть бассейна Средней Камы
7. Излучины свободные пологие и прорванные 7 Там же
8. Разветвления 3 Котловины и Предгорья Урала
(Средняя Кама до затопления)
Свободные излучины - сегментные, синусоидальные, петлеобразные, пальцевидные, а также прорванные - наиболее распространенный тип широкопойменных русел. На них отмечаются наиболее интенсивные горизонтальные деформации - вогнутые берега излучин размываются со скоростью от первых десятков сантиметров до 10 м/год, что обеспечивает блуждание русел по дну долины. Свободные излучины преобладают в руслах большинства рек центральной равнинной части Прикамья (р.р. Нердва, Сива, Обва), на юге региона (р. Буй, нижняя часть рр. Быстрый Танып, Ирень). Отмечено, что в суглинистых и глинистых долинообразующих породах формируются преимущественно пальцевидные и синусоидальные излучины с невысокой скоростью размыва берегов (до 0,5—1,0 м/год, что типично для таких рек, как Велва, Чермоз и др.), тогда как в супесчаных грунтах преобладают сегментные излучины со скоростями размыва берегов в 2-5 раз большими.
Широкопойменные разветвленные русла встречаются в Прикамье в основном в котловинах (рр. Вишера, Улс) и на отдельных предгорных участках (рр. Косьва, Яйва, Чусовая, Усьва, Язьва и др.). До зарегулирования стока такой была на отдельных отрезках средняя и нижняя Кама. Для равнинных рек наиболее широко данный морфологический тип русла представлен в пределах среднего и нижнего течений р. Тулвы. Основные переформирования в руслах данного типа происходят с остро-
вами; береговые массивы остаются устойчивыми, однако опасность их локального, но быстрого размыва постоянно сохраняется.
Исследуемые водотоки в основном относятся к 6-му (излучины свободные сегментные) и 7-му (излучины свободные пологие и прорванные) типам группы широкопойменных русел рек.
На территории Удмуртской Республики организация системы наблюдений за русловыми процессами была начата в 1999 г. В основе создания наблюдательной сети лежало стремление наиболее полно охватить различные ландшафты республики, а также проследить развитие боковой эрозии на участках, где она наиболее активна и создает опасность для хозяйственной деятельности. В ходе исследований на территории республики было выделено 55 ключевых участков (рис. 2), охватывающих реки разного порядка, расположенных в различных физико-географических условиях.
Полевые работы на изучаемых реках проводятся ежегодно в летний период. Главная задача этих исследований - изучение скоростей бокового смещения русел и определение отдельных морфометрических характеристик. Для этого на активно размываемых участках рек (чаще на высокой пойме) было заложено около 300 реперов и марок, на 29 участках проводится ежегодная теодолитная (с 2002 г. применяется электронный тахеометр) съемка.
Для выбора ключевых участков в камеральный этап проводилось изучение морфометрических и морфологических характеристик речной сети Удмуртии. Были проанализированы топографические карты масштаба 1:25000 и 1:50000, на отдельные районы использовались аэрофототопопланшеты масштаба 1:10000 разных лет съемки.
В соответствии с морфодинамической классификацией Р.С. Чалова [27] все реки республики были разбиты на отдельные участки с разными типами русел. Участки русел по степени меандриро-вания были разделены на 7 типов: от относительно прямолинейных (Кш„<1,1) до чрезвычайно извилистых (Кша>2,0).
В бассейнах изучаемых рек встречается 5 типов меандрирующих русел: а) сегментные пологие (1,15<//Ь>1,40), б) сегментные развитые (1,40<//Ь>1,0), в) крутые сегментные (1,70<//Ь>2,00), г) петлеобразные (//Ь>2,00), д) прорванные (//£=1,50-2,00), где //Ь - отношение длины к шагу излучины [28]. Для верхних и нижних участков рек характерно относительно прямолинейное неразветвленное русло; его доля составляет от 16% в бассейне р. Сивы до 28% в бассейне р. Иж от длины рек. Наиболее типичной формой проявления русловых процессов на реках Удмуртии является меандрирование, соответственно излучины - наиболее распространенная форма русла. Доля их в среднем по республике составляет 78%.
В результате анализа данных, полученных для малых и средних рек республики, выявлены следующие особенности: преобладают на исследуемой территории сегментные излучины, доля которых составляет 62%, и прямолинейные русла - 22%; встречаются также петлеобразные (7%) и прорванные излучины (8%) [15; 17; 31].
Среди сегментных излучин значительная доля приходится на пологие: в среднем 43% среди всех типов излучин и около 53% среди всех сегментных. Далее по распространенности следуют сегментные развитые (соответственно 25% и 31%) и сегментные крутые (13% и 16%).
Доля петлеобразных, синусоидальных и прорванных излучин составляет 15% от всей длины рек республики. Петлеобразные и синусоидальные излучины составляют в среднем 7% длины русел. Наибольшее их количество встречается в бассейнах Чепцы, Кильмези, Валы - 11-15%. Среди других рек со значительной протяженностью этого типа русла можно отметить Лозу, Иту, Лекму в бассейне Чепцы, Лумпун, Уть в бассейне Кильмези и Иж. Доля прорванных излучин составляет 8% от длины всех рек. Наиболее широко данный тип русла представлен на р. Чепце (10% от длины всех рек бассейна и 24% от длины самой реки), р. Сиве (12% и 60% соответственно), р. Кильмези (18% и 50%) и их притоках.
Неширокое распространение на территории республики имеют адаптированные излучины (около 1%). В тех местах, где русло реки подходит или расположено возле коренного берега, эти излучины представляют одиночные формы русла. Небольшие по протяженности участки с данным типом излучин встречаются в бассейне рр. Чепцы, Лозы, Иты, в верховьях Вятки и Камы.
Прямолинейные русла чаще всего встречаются в верхнем течении рек или являются результатом спрямления излучин. Вторая разновидность прямолинейного русла встречается среди прорванных излучин Чепцы, Лозы, Иты, Ижа и других средних и крупных рек республики.
О результатах исследования русловых процессов в бассейне Камы БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
_____________89
2010. Вып. 1
Рис. 2. Карта-схема расположения ключевых участков по изучению морфодинамики русел рек Удмуртии:
▼ - места расположения реперов и марок;
▲ - места тахеометрической съемки
Традиционным методом исследования меандрирующего русла является построение эмпирических зависимостей между параметрами излучин, а также между ними и количественными показателями, характеризующими условия формирования русла. В качестве факторов, влияющих на русловые процессы, обычно используют различные показатели водности (руслоформирующие, среднегодовые, расходы воды в половодье), площадь водосбора, уклоны долины и водной поверхности [5; 7; 8; 9]. В некоторых случаях можно использовать в качестве показателя водности такой параметр, как длина реки. Это связано с тесной зависимостью этого показателя от площади водосбора, который в свою очередь связан с расходами воды [28].
На реках Удмуртии были выделены относительно однородные по водности участки, границами которых служили места впадения наиболее крупных притоков. Общее количество выделенных участков на реках составило 245. Для каждого участка определялись модальные значения параметров излучин (шаг Ь, радиус кривизны г, стрела прогиба к, длина /, а также осредненные относительные //Ь, г/к, характеризующие степень развитости и форму излучины) и показатели водности. Расчеты были проведены для 3827 отдельных излучин. В связи с недостаточной гидрологической изученностью рек Удмуртии (имеется лишь 9 гидропостов на изучаемых реках) для выявления эмпирических зависимостей использовались в основном показатели длины реки, площади водосбора и порядка реки.
Значения радиуса и шага излучин увеличиваются вниз по течению рек вместе с увеличением показателей водности. Для каждой конкретной реки связь прослеживается очень четко, характеризуется высоким коэффициентом корреляции - 0,8-0,9.
Значения длины излучины и стрелы прогиба изменяются несколько иначе. Четкая линейная связь наблюдается далеко не на всех реках: значения параметров могут уменьшаться на отдельных участках рек, после чего вновь происходит их увеличение. Причина таких колебаний чаще всего заключается в изменении преобладающей вниз по течению формы излучин или в смене морфодинамического типа русла.
♦ 1 ♦ 2
Порядок водотока
♦ 1 ♦ 2
а
ю 400 -S ■_
О 300CL С
ТО 200-
Ф
CL 100т
О
0-100 J
2 4 6 8 10 12 14
♦ 1 ♦ 2
У
>
(U
X
d
♦ 1 ♦ 2
Порядок водотока
Рис. 3. Изменение параметров свободных излучин на реках различных порядков: 1 - реки до 9-го порядка; 2 - реки с порядком 9 и выше
600
500
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2010. Вып. 1
Н.А. Ржаницын предложил использовать связь гидролого-морфологических характеристик с порядком рек, зависящим непосредственно от структуры речной сети [19]. Существует несколько схем определения порядков водотоков - Р. Хортона, А.С. Стралера - В.П. Философова, Н.А. Ржаницына, А. Шайдегера и др. Для рек Удмуртии расчет их порядков выполнялся по схеме А. Шайдеггера:
Ы^2(Р)+ 1,
где Р - число притоков первого порядка (притоком 1-го порядка считается поток длиной менее 10 км).
Характер зависимости для малых, средних и больших рек несколько различен, и уравнения связи отличаются. По О.М. Пахомовой, для рек, имеющих порядок ниже 14-го, зависимость имеет степенной характер, выше 14-го - линейный [14].
Большинство рек Удмуртии относится к категории малых и имеет порядок ниже 14-го. Но и в этой группе довольно ярко видно различие в характере связи основных параметров свободных излучин с порядковой структурой речной сети. На графиках изменения параметров излучин на участках рек с разным порядком (рис. 3) четко различаются правая и левая половины. Точка перегиба приходится на 9-й порядок, который является пограничным между малыми и средними реками. Уравнения связи и для малых и для средних рек имеют линейный характер, но несколько отличаются величинами коэффициентов.
Характер зависимости изменяется и по мере нарастания площади водосбора (рис. 4). Пограничное значение площади водосбора между ними - около 2000 км2 .
▲ 1 • 2
F, км
Рис. 4. Зависимость характерных значений шага свободных излучин (Ь,м) р. Иж от площади водосбора (Г, км2): 1 - для рек до 9-го порядка; 2 - для рек с порядком 9 и выше
Развитие излучин до определенных пределов сопровождается активизацией русловых деформаций и увеличением скоростей смещения. Наибольшие скорости смещения характерны для широкопойменных русел. Скорости и масштабы развития горизонтальных русловых деформаций можно характеризовать интенсивностью и активностью.
Под интенсивностью горизонтальных русловых деформаций понимается отношение суммарной протяженности участков береговых размывов ко всей длине оцениваемого отрезка русла.
Наибольшая доля размываемых берегов характерна для рек южной части республики - левобережья Вятки и правобережья Камы. Показатель интенсивности здесь составляет в среднем 30-60%. Для р. Сивы на территории Удмуртии на всем протяжении характерны высокие подмываемые берега, величина интенсивности превышает 70%. Большой показатель доли размываемых берегов характерен для рек бассейна р. Чепцы, в особенности ее левобережья: на рр. Лоза, Ита, Убыть, Лекма, Сада для 40% длины берегов характерны размывы. С увеличением порядка реки доля размываемых берегов также увеличивается. Наоборот, малые реки или верховья больших и средних рек, находящиеся в залесенной местности, характеризуются минимальными значениями интенсивности. Для залесенного бассейна р. Кильмезь величина интенсивности в среднем составляет лишь 12%, а для верховьев рр. Вятки и Камы этот показатель еще меньше - 3-4% [20; 22].
Активность горизонтальных русловых деформаций характеризуется скоростью плановых смещений русла.
Анализ полученных за десять лет (2000-2009) полевых данных свидетельствует о большом диапазоне скоростей бокового размыва [16]. При этом имеются существенные различия по рекам, отличающимся размерами (порядком, водоносностью и т.д.). По данным стационарных наблюдений наибольшие скорости размыва характерны для рек с порядком выше 9-го. Максимальные значения размыва, наблюдаемые здесь, достигают 10-15 м и более, среднегодовые скорости размыва колеблются в интервале 1,2-3,0 м/год (на р. Вятке среднегодовые скорости размыва превышают 3-5 м/год, максимальные из зафиксированных значений составляют 15-25 м/год). Интенсивно проявляется боковая эрозия на р. Чепце: среднегодовые скорости размыва здесь составляют обычно 1,1-1,8 м/год.
Для малых рек 6-9-го порядка средние скорости отступания берегов составляют 0,4-0,7 м/год, максимальные - 2-3 м. В этой группе следует выделить такие реки, как Кильмезь, Вала, Ува, Нылга, Иж, Кырыкмас.
Для самых малых рек с порядком ниже 6-го значения средних скоростей размыва ниже - 0,1-0,3 м/год, хотя в отдельных точках зафиксировано смещение берега на 1 м и более. Аналогичные результаты получены и при сопоставлении разновременных аэрофотоснимков и фототопопланов.
Активность деформаций различается на участках с разным морфодинамическим типом русла. По данным полевых исследований установлено, что наибольшие скорости размыва берегов характерны для петлеобразных излучин, преобладающих на крупных реках или в низовьях средних рек -
1,2-3,0 м/год. Среди сегментных излучин наиболее интенсивно боковая эрозия проявляется на крутых излучинах. Значение коэффициента корреляции между показателем коэффициента развитости 1/Ь и среднегодовой скоростью размыва Сср составляет 0,637, связь описывается уравнением
ССр. =0, 304 1/Ь - 0,199.
В качестве показателя активности развития свободных излучин можно использовать также скорости изменения их параметров. За счет размывов берегов в вершинах и на крыльях излучин происходит их смещение и искривление; наблюдается удлинение, изменение параметров (г, Ь), увеличение степени развитости 1/Ь, а также трансформация самой формы излучины или ее спрямление. При сопоставлении разновременных топографических карт был проведен анализ изменения параметров свободных излучин рек бассейна Чепцы. За 53 года (с 1934 по 1987 г.) на многих участках рек произошли довольно существенные изменения основных параметров излучин - г, Ь, И, I. Анализ интенсивности трансформации параметров свободных излучин показал, что наиболее интенсивные изменения происходят на начальных стадиях развития излучин. У сегментных излучин очень часто можно наблюдать переход из одной стадии в другую. Для петлеобразных излучин характерным процессом является трансформация их в прорванные с образованием стариц.
Летом 2000 г. на реках были зафиксированы высокие скорости размыва берегов; средняя по республике скорость бокового размыва составила 0,54 м/год. В дальнейшем - до 2004 г. - практически на всех ключевых участках наблюдалась тенденция снижения активности русловых деформаций. Особенно низкие скорости размыва были зафиксированы в 2004 г: даже на реках с порядком выше 9-го (за исключением р. Вятки) среднегодовые скорости размыва не превышали 0,3 м/год; на многих малых реках берега оставались практически стабильными. Ситуация изменилась в 2005 г: скорости бокового смещения русел резко возросли. На р. Вятке наблюдаются рекордные за 5 лет деформации -образуется новое оползневое тело шириной более 25 м, а размывы берегов достигают в отдельных точках 15 м. На ключевых участках Яр и Дизьмино (р. Чепца) максимальные размывы составили 7,1 и 4, 7 м/год соответственно. В последующие годы интенсивность размыва берегов на большинстве рек несколько снижается. Такой неравномерный характер развития боковых деформаций в большинстве случаев обусловлен влиянием гидролого-климатических условий.
Климатические изменения и русловые процессы
Бытующие сегодня среди геоморфологов и русловедов представления о скоростях и направленности развития излучин и речных русел в целом, как правило, основываются на анализе картографических материалов и данных дистанционных исследований. Необходимую информацию обычно по-
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2010. Вып. 1
лучают путем сравнения разновременных местоположений русел в плане и установления «стартовых» и «финальных» признаков развивающихся излучин (серий излучин). Как правило, по времени реперные года удалены друг от друга на многие десятки и сотни лет. В зависимости от размеров и морфологических особенностей элементов русел, а также климатических особенностей рассматриваемого отрезка времени продолжительность «жизни» излучин, по мнению некоторых исследователей, может составлять от нескольких лет до нескольких столетий. В этой связи следует заметить, что поскольку период развития морфоэлементов русла неизбежно проецируется не на один, а, как правило, на несколько природных ритмов самой различной климато-геоморфологической выраженности и направленности, не совсем понятным становится смысл самого понятия «жизнь излучины».
Существует мнение, что периоды и циклы развития свободных излучин проявляются в их стадийном (последовательном) развитии - от появления первичного изгиба до спрямления. Не отвергая подобной последовательности изменений речных русел в плане, следует заметить, что данная модель эволюционирования излучин не является единственной, регламентирующей ход их развития. В настоящее время в Прикамье имеется довольно много примеров, когда русла рек продолжительное время «держат паузу». В одних случаях хорошо развитые излучины или значительные по протяженности участки водотока остаются стабильными (не деформирующимися) в течение длительного периода; в других, напротив, образуются довольно протяженные (десятки километров) участки прямолинейного русла, не восприимчивые к образованию излучин, хотя при этом на пойме широко распространены молодые старицы-озера.
Объяснение причин подобного развития русловых процессов в свое время было сделано
Н.И. Маккавеевым [7]. Им установлены три вида соотношений между существующим радиусом изгиба русла реки (гс) и радиусом кривизны, соответствующим текущим гидравлическим характеристикам потока (г): 1) г = гс; 2) г > гс; 3) г < гс.
Наблюдения за развитием русел рек Прикамья, начатые еще в 1980-х гг. прошлого века [10], показали: наряду с реками, активно формирующими пойменно-русловые системы путем подмыва вогнутого и наращивания выпуклого берегов (г < гс , но при небольшой разнице), имеются реки, у которых наблюдается высокая степень стабильности очертаний излучин (г = гс). Динамическая ось потока в их вершинах, особенно если эти реки не несут большого количества наносов, располагается в средних частях русел, где и наблюдаются максимальные глубины. В верхней половине таких излучин тальвег русла несколько смещен в сторону выпуклого, а в нижней части - в сторону вогнутого берега. Отчетливых следов размыва вогнутого и наращивания выпуклого берега обычно не заметно, а их склоны часто не просто задернованы, но покрыты густой кустарниковой растительностью.
Одним из ведущих факторов регулирования гидравлических характеристик потока во времени является величина расхода воды, которая зависит от водности рассматриваемого периода. Сегодня для бассейна р. Камы уже установленным фактом считается продолжающееся с конца Х1Х в. увеличение годового стока у большинства рек. Его увеличение в 1981-2004 гг. по сравнению с периодом 1930-1980 гг. составило около 25 % [18]. При этом наибольший прирост величин стока приходится на самые последние годы. По данным пермских гидрологов, на таких реках региона, как Обва, Сылва, Ирень, Бабка, Тюй, Быстрый Танып, величина положительных изменений минимального летнего стока в последнее время стала весьма существенной (25,5-112,6 %), а увеличение минимального зимнего стока составило 17,1-68,3 % [23].
Тенденция увеличения среднегодовых расходов отчетливо проявляется на рр. Чепца, Вала и Лумпун (рис. 5-7). Аналогичная картина наблюдается также на рр. Лоза, Нылга, Позимь и других реках Удмуртии. Более существенный рост среднегодовых расходов отмечается с 1978-79 гг. Наряду со среднегодовыми расходами, на большинстве рек отмечается соответственно и возрастание половодного стока.
В начале нового столетия в Прикамье в результате возрастания годового стока было зафиксировано увеличение скорости плановых смещений русла р. Чепцы с 1,02 м/год (1934-1987) до 1,95 м/год (2001-2005) [22]. Анализ морфологических изменений свободных и адаптированных излучин на ряде рек бассейна Сылвы (Бабка, Ирень, Шаква) показал, что на аэрофотоматериалах 2006-2008 гг. по сравнению с ситуацией 1980-х гг. отсутствуют некоторые из ранее существовавших излучин более низкого порядка. Кроме того, установлено, что упрощение конфигурации русел происходило одновременно с активизацией их плановых смещений, выразившейся в тенденции постепенной трансформации сегментных и синусоидальных излучин в петлеобразные с поперечно-продольным пере-
мещением. Кроме этого факта, свидетельствующего о постепенной смене характера и активности русловых процессов на реках Камского бассейна, необходимо отметить множество других примеров эрозионного «омоложения» пологих берегов до этого стабильных излучин. Для ряда рек, характеризующихся развитием петлеобразных и сложных (пальцеобразных, ■«'-образных) излучин, последние годы были отмечены участившимися случаями спрямления излучин, происходившими в результате прорыва шейки. Массовые проявления этого процесса были зафиксированы на рр. Буй, Быстрый Та-нып, Обва, Велва, Чепца, Кильмезь, Вала, Сепыч, Сива и др.
Таким образом, с высокой долей уверенности можно утверждать, что в конце прошлого - начале нового столетия для русловых процессов Прикамья реализовалась известная закономерность - количество переросло в качество. Достигнув критической величины в результате увеличения годового стока, уровень обеспеченности руслоформирующих расходов (<2ф) на некоторых реках достиг таких значений, при которых излучины, сохранявшие к этому моменту пассивность уже в течение длительного времени, вновь включились в процесс активного формирования пойменно-русловых геосистем. На других реках, где развитие излучин (главным образом сегментных) происходило с активностью, обеспечиваемой текущими гидравлическими характеристиками потока, произошло значительное увеличение скорости их горизонтальных деформаций.
70
60
£ 50
о
ю 40
g 30
х
и
го
0L 20
y = 0,1267x + 33,077
t.
m U M
Щ- r
j >1
i
10 0
^ ЛЬ** <ЛЬ Л!?5 ^ о# -К? ^
Годы
Рис.5. Изменение среднегодовых расходов (1) с линией тренда (2) р.Чепцы (с.Полом) за 1936 - 2007 гг.
£
О
X
о
QL
Годы
Рис. 6. Изменение среднегодовых расходов (1) с линией тренда (2) р. Валы (с. Вавож) за 1953 - 2007 гг. PDF created with pdfFactory Pro trial version www. pdffactory. com
О результатах исследования русловых процессов в бассейне Камы БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
_____________95
2010. Вып. 1
ч:
о
х
о
го
ci-
Годы
Рис. 7. Изменение среднегодовых расходов (1) с линией тренда (2) р. Лумпун (д. Шмыки) за 1936 -2007 гг.
В качестве общего вывода, подтверждающего сложный (циклический) характер развития русловых процессов в сезонном и многолетнем разрезах в связи с неравномерностью стока [25], можно заключить, что в условиях изменяющегося климата высокой становится вероятность смены общей направленности развития русловых процессов. В зависимости от характера, скорости и взаимонало-жения вековых (длиннопериодических), внутривековых (среднепериодических) или текущих (короткопериодических) гидрометеорологических циклов изменения морфологии и морфометрии излучин могут пойти различными путями: а) снизить скорость или вообще приостановить горизонтальные деформации, б) увеличить скорость плановых деформаций за счет поперечного и/или продольного перемещения, в) начать процесс спрямления русла и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бутаков Г.П., Назаров Н.Н., Чалов Р. С., Чернов А.В. Условия формирования русел и русловые деформации на реках бассейна р. Камы // Эрозионные и русловые процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. Вып. 3. С. 138-148.
2. Девятков А.В., Морозова Г.В., Девяткова Т.П. Оценка гидроморфологических условий участка нижнего бъефа Воткинской ГЭС в связи с его хозяйственным использованием // Г еография и регион. IV. Г идрология и охрана водных ресурсов. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002. С. 101-107.
3. Егоркина С.С., Назаров Н.Н. Г оризонтальные деформации русла и экологический риск // Самоорганизация и динамика геоморфосистем. Томск: Изд-во Инст. оптики атмосферы СО РАН, 2003. С. 344-346.
4. Комлев А.М., Черных Е.А. Реки Пермской области. Пермь: Перм. кн. изд-во, 1984. 214 с.
5. Кондратьев Н.Е., Ляпин А.Н., Попов И.В., Пиньковский С.И., Федоров Н.Н., Якунин И.И. Русловой процесс. Л.: Гидрометеоиздат. 1959. 372 с.
6. Ларченко О.В. Системообразующая роль водного фактора в развитии и функционировании природноантропогенных комплексов (на примере Усть-Качкинской рекреационной зоны): автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2004. 20 с.
7. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 347 с.
8. Маккавеев Н.И. Сток и русловые процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1971. 116 с.
9. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1986. 264 с.
10. Назаров Н.Н. Современный экзогенный морфогенез ландшафтов таежного Предуралья и Урала: автореф. дис. .д-ра геогр. наук. СПб., 1996. 56 с.
11. Назаров Н. Н. Экзогенные геологические процессы Пермского Урала и Предуралья // Физикогеографические основы развития и размещения производительных сил Нечерноземного Урала. Пермь,
1987. С. 91-103.
12. Назаров Н.Н., Егоркина С.С. Реки Пермского края: Горизонтальные русловые деформации. Пермь: ИПК «Звезда», 2004. 155 с.
13. Назаров Н.Н., Чернов А.В. Особенности проявления и оценка интенсивности горизонтальных русловых деформаций на реках Пермского Прикамья // Геоморфология. 1997. № 2. С. 55-60.
14. Пахомова О.М. Горизонтальные русловые деформации и их связь с порядковой структурой речной сети // Геоморфология. 2002. №3. С. 105-111.
15. Петухова Л.Н. Развитие русловых процессов в условиях различных ландшафтов Удмуртии // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Науки о Земле. 2003.С. 123-134.
16. Петухова Л.Н. Размывы берегов рек Удмуртии: анализ полевых данных // Всерос. науч.-практ. конф., по-свящ. 90-летию профессора С.И.Широбокова и 45-летию кафедры географии. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 2009. С. 49 - 52.
17. Петухова Л.Н., Рысин И.И. О факторах развития горизонтальных русловых деформаций на реках Удмуртии // Вестн. Удм. ун-та. 2005. № 11. С. 153 - 168.
18. Прогноз климатической ресурсообеспеченности Восточно-Европейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: МАКС Пресс, 2008. - 292 с.
19. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 264 с.
20. Рысин И.И., Петухова Л.Н. Результаты многолетних исследований русловых деформаций на малых и средних реках Удмуртии // Маккавеевские чтения - 2008 / науч. ред. Р.С. Чалов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2009. С.109 - 117.
21. Русловые процессы на реках СССР. Масштаб 1:4000000 / ГУГК СССР. М., 1990. 4 л.
22. Рысин И.И., Петухова Л.Н. Русловые процессы на реках Удмуртии. Ижевск: Ассоциация «Научная книга», 2006. 176 с.
23. Федотов С. А. Влияние хозяйственной деятельности на водный режим рек Пермской области: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2000. 24 с.
24. Чагин Г.Н. Этнокультурная история Среднего Урала в конце XVII - первой половине XIX века. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 1995. 363 с.
25. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Т.1: Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления и условия формирования речных русел. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 608 с.
26. Чалов Р.С. Типы русловых процессов и принципы морфодинамической классификации речных русел // Геоморфология. 1996. № 1. С. 25-36.
27. Чалов Р.С., Алабян А.М., Иванов В.В., Лодина Р.В., Панин А.В. Морфодинамика русел равнинных рек. М.: ГЕОС, 1998. 288 с.
28. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. 371 с.
29. Чалов Р.С., Чернов А.В. Районирование Камского бассейна по факторам и формам проявления русловых процессов на средних и крупных реках//Вопросы физической географии и геоэкологии Урала. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 1996. С. 10 - 20.
30. Чалов Р.С., Штанкова Н.Н. Сток наносов, руслоформирующие расходы воды и морфодинамические типы русел рек бассейна Камы // Вопросы физической географии и геоэкологии Урала. Пермь, 2000. С. 99-116.
31. Rysin I., Petukhova L. Monitoring of channel processes on the interfluve between the Kama and the Vyatka rivers // Sediment Transfer through the Fluvial System (Proceedings of the International Symposium held at Moscow, August 2004). IAHS Publication 288. 2004. P. 261-268.
Поступила в редакцию 25.02.10
N.N. Nazarov, doctor of geography, professor
I.I. Rysin, doctor of geography, professor
L.N. Petukhova, candidate of geography, associate professor
The results channel forming processes in the Kama river basin
A brief information about channel forming processes in the Kama river basin is given in the paper. The discription of morphodynamic channel types and the analysis of channel processes in the rivers of Perm and Udmurtia regions is given in connection with current climatic modifications.
Keywords: channel forming processes, morphodynamic channel types, climatic modifications, the Kama river basin.
Назаров Николай Николаевич, доктор географических наук, профессор Пермский государственный университет 614990, Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected]
Рысин Иван Иванович, доктор географических наук, профессор Петухова Лариса Николаевна, кандидат географических наук, доцент ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»
426034, Россия, г.Ижевск, ул. Университетская, 1 E-mail: rysin@uni. udm. ru
