CC BY
24Оценка влияния береговой растительности на движение водных потоков в руслах
О)
о
см
О!
о ш т
X
<
т о х
X
Белавкин Александр Владимирович,
аспирант кафедры гидротехнические сооружения института МВХС имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, moo_abh@mail.ru
Зборовская Марина Ильинична,
кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнические сооружения института МвХс имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, moo_abh@mail.ru
Зимнюков Владимир Анатольевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнические сооружения института МвХс имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, moo_abh@mail.ru
Рассмотрено влияние прирусловых лесов, которые непосредственно соприкасаются с водным потоком, на русловые процессы, абразию берегов, эрозию и заносы пойменных земель. Также приведено и изучено влияние прибрежной растительности на русловые процессы. Оценено влияние на характеристики речного стока ниже плотин при создании водохранилищ. Отображен важный фактор, определяющий развитие прирусловой растительности.
По очертанию русловых берегов в плане и степени их деформации выделены три типа берегов, которые по сочетанию перечисленных признаков представлены на примере берегов Центрально-Черноземной области (берега мелких рек, таких как Битюг, Тихая Сосна, Осередь (притоки Дона), а также берега Дона и его крупные притоки - Хопра, Воронежа, Вороны).
Показана роль прирусловых лесов, в том числе и прирусловых насаждений, как для защиты берегов от разрушения, так и их влияние на русловой поток в паводок. При изучении методов расчета гидравлических сопротивлений речных русел мы пришли к выводу, что, уточнение методик оценки влияния береговой растительности на движение водных потоков в руслах является сегодня сложной, но весьма важной и актуальной задачей.
Ключевые слова: береговая растительность, прирусловые леса, русловые процессы, гидравлическое сопротивление растительности, растительный покров
В последние десятилетия особенно остро обозначилась проблема изучения внутриречных процессов как следствия зарастания водных объектов высшими водными растениями в виде кустарников и деревьев.
Наиболее важным является изучение движения потоков в руслах с древесной растительностью.
Произрастая вдоль рек - на русловых откосах, прирусловой пойме, коренных берегах, -прирусловые леса непосредственно соприкасаются с водным потоком и оказывают существенное влияние на русловые процессы, абразию берегов, эрозию и заносы пойменных земель. Располагаясь на русловых откосах (меженных берегах), леса предотвращают размыв и разрушение речных берегов, прирусловой поймы, кольматируют твёрдый сток и тем самым защищают русло и водохранилища от заиления, а почвы поймы - от погребения песчаными отложениями. Оказывая влияние на гидравлические процессы руслового потока (особенно в паводок), прирусловые леса выполняют русло охранную (русло образующую) роль, улучшая условия судоходства, рыбного хозяйства и т. п. [18].
Кроме защиты берегов от разрушения, прирусловые леса оказывают существенное влияние на русловой поток в паводок [9-13]. Вследствие шероховатости облесённых берегов поток сильно замедляется у берегов, а стержневое фарватерное течение ускоряется, размывая дно и транспортируя наносы. С другой стороны, прирусловые леса защищают русла от заиления, то есть выполняют руслоохранную роль [14-16].
Согласно [17], прибрежная растительность оказывает значительное прямое влияние на русловые процессы. Прежде всего она во многом определяет формирование руслового рельефа, островов и поймы рек разного размера. Морфо-метрические характеристики и горизонтальные
деформации русел малых и средних рек существенным образом зависят от вида и плотности прибрежной растительности. Роль прибрежной растительности в формировании рельефа русла и поймы значительно возрастает в условиях регулирования стока рек водохранилищами.
При этом если размывы берегов существенно контролируются растительностью преимущественно на малых реках, то роль её в формировании руслового рельефа одинаково велика для рек всех размеров. Это связано с небольшими морфометрическими характеристиками и стоком малых рек. Р. Андерсон и др. [20] обнаружили, что, когда ширина русла приближается к 50 м (расход воды в бровках 300 м3/с), влияние растительности на ширину менее заметно. Уже на средних реках влияние растительности затушевывается другими факторами. Также играет роль соотношение глубины корневой системы и глубины русла. На малых реках глубина проникновения корней может составлять заметную часть глубины или даже превышать её, на крупных реках глубина корневой системы мала по сравнению с глубиной, и реки имеют большую относительную ширину.
Русловой рельеф (побочни, осередки) образуется в процессе транспорта рекой наносов. Размеры побочней и осередков, скорость их перемещения и условия стабилизации зависят от типа и устойчивости русла, гидрологического режима реки, величины стока и крупности рус-лообразующего аллювия [17].
Согласно [17,18,19], морфология речного русла и её изменение во времени и пространстве определяются комплексом природных условий и процессов, при этом ведущая роль отводится расходу воды, уклону, расходу наносов и их крупности. Кроме того, большое значение придается изменению базиса эрозии. Горизонтальные деформации русла зависят от строения и противоэрозионных свойств грунтов, слагающих берега.
На важность учета растительности в русловых процессах указывал Э. Лейн [18], причисливший её к факторам, определяющим морфологию русла. Растительность может оказывать заметное влияние на русловые процессы вследствие изменения гидравлических сопротивлений, устойчивости берегов, зарастания отмелей, формирования лесных заломов и аккумуляции у вогнутых берегов излучин [19].
Создание водохранилищ оказывает влияние на характеристики речного стока ниже плотин [17]. Основные изменения заключаются в уменьшении величины и повторяемости максимальных расходов воды и в увеличении минимального стока. Вследствие осаждения наносов в водохранилище ниже плотины обычно развивается глубинная эрозия. Для развития пионер-
ной растительности необходимы определенные гидрологические условия: отсутствие высоких паводков и половодий, повышенная водность межени. Снижение подвижности форм руслового рельефа, обусловленное уменьшением максимальных расходов воды, — важный фактор, определяющий развитие прирусловой растительности. В свою очередь развитие прибрежной растительности влияет на характер трансформации плановой формы русла, характерными чертами которой в разветвленном русле являются отмирание рукавов вследствие быстрого развития молодой поймы и усиление меандри-рования главных рукавов.
Согласно [8], берегозащитная роль леса состоит прежде всего в укреплении почвогрунта корневой системой, которая армирует откосы и задерживает процесс размыва. По данным В.И. Турманиной [21], для размыва корней липы необходима величина усилия, равная 130т, для отрыва корневой системы 20-летних дубов требуется усилие 4-5т, средневозрастных - от 70 до 350т. Кроме того, своей надземной частью (стволы, побеги, ветви) деревья и особенно кустарники оказывают существенное волноломное воздействие, снижая до минимума эрозионную силу потока.
Наилучшим образом защитную роль выполняют кустарники.
Рисунок 1. Ива белая (Salix alba) — типовой вид рода Ива. Группа деревьев на берегу водоёма.
Кустарниковые заросли ив по бечевнику или откосу берега полностью исключают абразию [14]. Участки берега, русловой откос которых сплош покрыт кустарниковыми ивами, в плане резко выступает в сторону русла. Мощность годичных отложений в густых зарослях кустарниковых ив при уклоне откоса 30-45° иногда достигает 30 см. Кроме того, кустарниковые ивы сравнительно хорошо переносят повреждения льдом, длительное затопление и засыпание песком.
По очертанию русловых берегов в плане и степени их деформации выделяют [8] три типа
х
X
о го А с.
X
го m
о
ю 3
м о
О)
о
CS
со
Ol
о ш m
X
3
<
m О X X
берегов: I - вогнутый размываемый берег (рисунок 2);
II - выпуклый, намываемый; III - прямолинейный, а в зависимости от характера вертикального профи ля руслового потока и его геоморфологических особенностей - следующие их варианты: а - обрывистый (отвесный); б - пологий, в - ступенчатый. Типы берегов ЦЧО [8] по сочетанию перечисленных признаков представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Типы речных берегов в плане (А) и в разрезе для крупных (Б) и средних (В) рек ЦЧО [8].
1а - вогнутый размываемый обрывистый берег; сложен чаще всего тяжелыми суглинками или подстилается ими в нижней части откоса; бечевник, как правило, отсутствует или нечетко выражен;
1б - вогнутый размываемый пологий берег; характерен для устойчивых суглинистых берегов, закреплённых древесно-кустарниковой растительностью и размещающихся в верхней части излучины;
1в - вогнутый размываемый ступенчатый берег; сложен чередующимися супесчаными и суглинистыми слоями; в силу различной противоэрозион-ной устойчивости слоев профиль берегов терра-совидный, часто формируется бечевник;
IIа - выпуклый намываемый обрывистый берег; сложен суглинками и защищен древесно-кустарниковой растительностью;
IIб - выпуклый намываемый пологий берег; чаще всего сложен супесями и легкими пылева-тыми суглинками; пляж выражен хорошо;
IIIа - прямолинейный обрывистый; IIIб - прямолинейный пологий; Шв - прямолинейный ступенчатый берега; могут быть сложены суглинками, супесями или их слоями.
Берега мелких рек ЦЧО, таких как Битюг, Тихая Сосна, Осередь (притоки Дона), более низкие по сравнению с берегами Дона и его крупных притоков - Хопра, Воронежа, Вороны, наиболее часто представлены типами !а, !б, На, Мб, Ша, Шб. В прямой зависимости от этих типов берегов находится рельеф прирусловой поймы.
Разрушительные процессы наблюдаются при подмывании при подмывании высоких крутых берегов, где корневая система деревьев находится намного выше меженного уровня реки рисунок 2, тип речного берега !а). Для выпуклых берегов Мб типа (рисунок 2) отмечается иная роль прирусловых насаждений: в паводок здесь преобладают процессы кольматажа, а в меженный период прирусловые насаждения закрепляют песчаные наносы от дефляции, в паводок предотвращают их смыв в русло, а также оказывают определенное влияние на русловые процессы. Молодые посадки ив по Г. С. Башкирову [14], снижают скорость течения реки вдоль берега в 3-5 раз и защищают на некотором участке ниже расположенные участки берегов.
Таким образом, для эффективного выполнения берегозащитной роли прирусловые насаждения на бечевниках, пляжах и меженных русловых откосах и в зоне скалывания берегов должны состоять преимущественно из кустарников (ивы). На низких берегах эффективную берегозащитную роль играют, кроме кустарников, такие древесные породы, как ветла, ольха, тополя.
Кроме защиты берегов от разрушения, прирусловые леса оказывают существенное влияние на русловой поток в паводок [9,10,11,12,13]. Вследствие шероховатости облесенных берегов поток сильно замедляется у берегов, а стержневое фарватерное течение ускоряется, размывая дно и транспортируя наносы. С другой стороны, прирусловые леса защищают русла от заиления, то есть выполняют руслоохранную роль [13,14,16].
Защитная роль пойменных прирусловых насаждений в предотвращении эрозионных процессов сводится к уменьшению скорости паводкового потока, протекающего по пойме. Древесная и кустарниковая растительность резко увеличивают коэффициент шероховатости поймы. По данным Б. В. Полякова [23], коэффициент шероховатости по Базену в русле Дона составляет 1-1,5, а в покрытой лесом пойме - 4-5,5. Скорость течения Дона в русле - 1,31-1,75 м/с, а в облесенной пойме - 0,05-0,15 м/с, то есть в 10-26 раз меньше, что ниже критической величины размывающей скорости. На смежных не
облесённых участках Дона отмечались размывы даже задернелой поверхности.
Определение гидравлических сопротивлений является одним из самых сложных и малоизученных вопросов внутренней задачи движения воды. Для зарастающих водотоков и водоёмов эта задача усложняется ещё и взаимным приспособлением потока и растительности.
Особенно остро вопрос о гидравлических сопротивлениях, вызванных растительностью, поставлен в последние десятилетия в связи с интенсивным освоением и зарастанием многих рек м водоёмов[23, с.163].
Полное гидравлическое сопротивление растительности складывается из сопротивления сил трения (касательные напряжения) и сопротивления сил давления (нормальные напряжения) [Kutija, Hong, 1996].На современном уровне знаний о гидравлических сопротивлениях их учёт выполняется посредством введения в расчётные зависимости эмпирических коэффициентов шероховатости n или гидравлического трения А, между которыми существует связь.
Весьма важное значение для точности гидравлических расчётов коэффициента шероховатости и связанных с этим показателем расчётов, красноречиво подчёркивает пример, приведённый Б. В. Поляковым ещё в 1934 г.: при проектировании обвалования реки Терек были даны три варианта сооружений стоимостью 27, 33 и 44 млн. рублей исключительно из-за разницы в выборе коэффициента шероховатости поймы.
На практике для определения коэффициента шероховатости растительного покрова используются различные таблицы (Срибный, 1960; Чоу,1969; Cowan, 1956). которые вошли во все нормативные документы. В последние годы разработан ряд эмпирических формул, связывающих коэффициент шероховатости с параметрами, характеризующими состояние растительного покрова (Головатюк, 1985; Соколов, 1980; Pasche, Rouve, 1985). Более перспективным в разработке формул для определения коэффициента шероховатости является теоретическое направление (Petryk, 1975; Ничепоренко, 1986; Беновицкий, 1988).
Таким образом, уточнение методик оценки влияния береговой растительности на движение водных потоков в руслах является сегодня сложной, но весьма важной и актуальной задачей.
Литература
1. Давыдов, А.В. Лес как фактор водного режима рек в равнинных условиях Европейской части СССР. - «Лесное хозяйство», 1941, №1, с.17.
2. Козменко, А. С. Принципы выдела мелиоративных лесов в равнинных районах европейской части СССР. - В кн.: Итоги работы ВНИИ
агролесомелиорации за 1944-45 гг. М.-Л., 1947г., с.51- 72.
3. Рахманов, В.В. Водоохранная роль лесов. М., 1962г.
4. Ткаченко, М.Е. Общее лесоводство. Изд.2. М.-Л., 1965, с. 192.
5. Троицкий, В.А. Размещение лесов на территории водоохранной зоны - «Лесной хозяйство», 1939г., №10, с.4-14.
6. Харитонов, Г.А. Мелиоративно-биологическая характеристика водоохранно-почвозащитных лесов и принципы хозяйства в них. Курск, 1937.
7. Харитонов, Г.А. Водорегулирующая и про-тивоэрозионная роль леса в условиях лесостепи. М., 1963.
8. Шаталов, В.Г. Прирусловые леса ЦЧО. Изд-во ВГУ, Воронеж, 1975, с.120.
9. Денисов, А.К. Защитно-водоохранная роль прирусловых лесов. М., 1963г.
10. Лесовская, Л.В. Влияние леса на перемещение русла реки Десны и значение этого влияния для лесокультурных работ в пойме.-«Лесоводство и агролесомелиорация», вып. 20, Киев, 1970, с.120-125.
11. Лесовская, Л.В. Защитное действие прирусловых лесонасаждений при размыве пойменных земель. - «Лесоводство и агролесомелиорация», вып. 34, Киев, 1973, с.102-1М§ккавеев, Н.И. Русло реки и эрозия в её бассейне. М., 1955г.
13. Башкиров, Г.С. Берегоукрепляющие лесонасаждения. М., 1951г.
14. Башкиров, Г.С. Защитная роль прибрежных лесопосадок. - «Природа», 1958г., №2, с. 55-58.
15. Могилко Н.В. Метод углубления и выправления речных русел облесением берегов. -«Речной транспорт», 1955, №10, с.22-27.
16. Злотина, Л.В., Беркович, К.М. «О влиянии прибрежной растительности на русловые процессы» (МГУ) в журнале «География и природные ресурсы», 2012, № 1, с. 31-37.
17. Lane E. W. A study of the shape of channels formed by natural streams flowing in erodible material // Missouri River Division Sediment. — 1957. — Ser. 9. — 106 р.
18. Hickin E. J. Vegetation and river channel dynamics // Canad. Geogr. — 1984. — XXVIII.2. — P. 111-126.
19. Anderson R. J., Bledsoe B. P., Hession W. C. Width of Streams and Rivers in Response to Vegetation, Bank Material, and Other Factors // Journal of the Amer. Water Resources Association (JAWRA). — 2004. — 40(5). — P. 1159-1172.
20. Турманина В.И. Величина армирующей роли корней деревьев. - «Вестник Московского университета, серия V - География», 1963, №4, с. 78 - 80.
х х О го А С.
X
го m
о
ю 3
M
о
to
О)
о
сч
fO OI
21. Природоприближенное восстановление и эксплуатация водных объектов./ Под ред. И. С. Румянцева. - М.: МГУП, 2001 г. - 287 с.
22. Бреховских, В.Ф. Биота в процессах мас-сопереноса в водных объектах / В.Ф. Бреховских, В.Д. Казмирук, Г. Н. Вишневская; Ин-т вод. проблем РАН. - М.: наука, 2008. - 315с.
23. Поляков, Б. В. Значения коэффициентов шероховатости русел и пойм равнинных рек. -«Метеорология и гидрология», 1936, №12, с.25-31.
Assessment of the impact of coastal vegetation on the
movement of water flows in the channels Belavkin A.V., Zimnyukov V.A., Zborovskaya M.I.
RGAU-ICHA named after KA Timiryazev
The influence of the near-forest forests, which are in direct contact with the water flow, on the channel processes, coastal erosion, erosion and drifts of floodplain lands is considered. The influence of riparian vegetation on channel processes is also given and studied. The impact on the characteristics of the river flow below the dams when creating reservoirs is estimated. Displayed an important factor in determining the development of riverbed vegetation. According to the outline of the channel banks, in terms of the plan and degree of their deformation, three types of banks are distinguished, which by the combination of the listed features are presented on the example of the banks of the Central Chernozem region (banks of small rivers such as Bityug, Sikhaya Sosna, Ohered (Don tributaries), and Don banks and its major tributaries - Khopra, Voronezh, Vorona). The role of the riverine forests, including the riverine plantations, both to protect the coast from destruction and their impact on the channel flow to the flood is shown. When studying methods for calculating the hydraulic resistance of river channels, we came to the conclusion that clarifying the methodologies for assessing the influence of coastal vegetation on the movement of water flows in the channels is today a difficult, but very important and urgent task. Keywords: coastal vegetation, near-forest forests, channel processes, hydraulic resistance of vegetation, vegetation cover
References
1. Davydov, A.V. Forest as a factor in the water regime of rivers
in the lowland conditions of the European part of the USSR. - "Forestry", 1941, No. 1, p.17.
2. Kozmenko, A.S. Principles of reclamation of reclamation forests in lowland areas of the European part of the USSR. -In the book: Results of the All-Union Research Institute of Agroforestry for 1944-45. M.-L., 1947, pp.51- 72.
3. Rakhmanov, V.V. Water conservation role of forests. M.,
1962.
4. Tkachenko, M.E. General forestry. Ed.2. M.-L., 1965, p. 192.
5. Troitsky, V.A. Forest placement on the territory of the water
protection zone - "Forestry", 1939, No. 10, pp.4-14.
6. Kharitonov, G.A. Ameliorative and biological characteristics of
water conservation and soil-protective forests and the principles of management in them. Kursk, 1937.
7. Kharitonov, G.A. Water-regulating and anti-erosion role of the
forest in a steppe. M., 1963.
8. Shatalov, V.G. Near-river forests CCHO. Publishing house of
VSU, Voronezh, 1975, p.120.
9. Denisov, A.K. The protective and water conservation role of
near-forest forests. M., 1963
10. Lesovskaya, L.V. The influence of the forest on the movement of the river channel of the Desna and the significance of this influence for the silvicultural work in the floodplain. 20, Kiev, 1970, pp. 120-125.
11. Lesovskaya, L.V. The protective effect of the near-trunk forest plantations during the erosion of floodplain lands. -"Forestry and agroforestry", no. 34, Kiev, 1973, pp. 103-105.
12. Maccabees, N.I. Riverbed and erosion in its basin. M., 1955
13. Bashkirov, G.S. Shore protection forest stands. M., 1951.
14. Bashkirov, G.S. Protective role of coastal forest plantations. -"Nature", 1958, No. 2, p. 55-58.
15. Mogilko N.V. The method of deepening and straightening river channels afforestation banks. - "River transport", 1955, No. 10, pp. 22-27.
16. Zlotina, L.V., Berkovich, K.M. "On the Impact of Coastal Vegetation on Channel Processes" (Moscow State University) in the journal Geography and Natural Resources, 2012, No. 1, p. 31-37.
17. Lane E. W. A flowering pattern of the channels formed by natural streams flowing in erodible material // Missouri River Division Division Sediment. - 1957. - Ser. 9. - 106 p.
18. 2. Hickin E. J. Vegetation and river channel dynamics // Canad. Geogr. - 1984. - XXVIII.2. - P. 111-126.
19. Anderson, R.J., Bledsoe, B.P., H.W.C., W.C. Water Resources Association (JAWRA). - 2004. - 40 (5). - P. 1159-1172.
20. Turmanina V.I. The magnitude of the reinforcing role of tree roots. - "Moscow University Bulletin, Series V - Geography",
1963, No. 4, p. 78 - 80.
21. Natural Approximate Restoration and Operation of Water Objects. / Ed. I. S. Rumyantseva. - M .: MGUP, 2001 - 287 p.
22. Brekhovskikh, V.F. Biota in mass transfer processes in water bodies / V.F. Brekhovskikh, V.D. Kazmiruk, G.N. Vishnevskaya; Inst. Waters. problems RAS. - M .: science, 2008. - 315a
23. Polyakov, B.V. Values of coefficients of roughness of channels and floodplains of lowland rivers. - "Meteorology and Hydrology", 1936, No. 12, pp. 25-31.
О Ш
m x
3
<
m о x
X
