Географические особенности формирования русел рек восточной части Русской равнины: Морфология и динамика

Актуальность. Среди экзогенных процессов, формирующих рельеф суши, важное значение играют поверхностные водные потоки, особенно реки, создающие флювиальную морфоскульптуру, расчленяющие материки сетью долин и перемещающие огромное количество твердого материала.

В информации о переформированиях русел и пойм рек (русловых процессов) нуждаются практически все отрасли хозяйства страны, так или иначе, связанные с использованием рек и водных ресурсов.

Для рационального использования и охраны водных ресурсов необходимы исследования характеристик русел и русловых деформаций. Результаты этих исследований являются составной частью гидрологического обоснования проектов водохозяйственных мероприятий и гидротехнических сооружений. ] [едоучет их приводит к неоправданным материальным затратам и ухудшению экологической обстановки.

Учение о русловом процессе благодаря работам многих ученых и специалистов интенсивно развивается. К настоящему времени исследованиями, главным образом, русловиков МГУ и ГГИ, установлено, что закономерности руслового процесса специфичны в различных природных условиях. Однако, далеко не все географические закономерности распространения русел и руслоформируюгцей деятельности рек раскрыты полностью. В частности это относится к зональным закономерностям русловых процессов. Хотя сравнительно давно в гидрологии известен географо-гидрологический метод В. Г. Глушкова, основанный на идеях зональности В. В. Докучаева и учении о ландшафтах Р1.С.Берга. Посредством этого метода на основе пространственных обобщений В. Г. Глушков, а в последствии Н. И. Маккавеев установили неразрывную связь русла реки с ее бассейном и окружающим ландшафтом в целом (геология, рельеф, почвы, климат, растительность). В связи с этим русловые процессы следует рассматривать как составную часть развития географической среды, а ее зональные и азональные геолого-геоморфолога ческие факторы определяют общий фон развития речных русел.

Закон зональности — провинциальности природы в целом и природных компонентов универсален и по-прежнему является отправным пунктом для создания новых теоретических положений и практических рекомендаций в географической науке. Свидетельством является зонально-провинциальный характер проявления русловых процессов, отражающийся в гидролого-морфологических типах русел. Следовательно, типы русел и русловые процессы должны быть, в определенной мере, также зональны подобно остальным географическим процессам и элементам ландшафтной оболочки. Таким образом, выявление зонально-провинциальных особенностей русловых процессов рек (в том числе: особенностей морфологии долин, стока воды и наносов, закономерностей распространения морфологически однородных участков, величин деформаций, характеристик русел и потока) имеет важное теоретическое и практическое значение.

Объектом исследования являются реки восточной части Русской равнины, где наиболее ярко проявляется система широтных зон, отражающая смену основных типов структуры физико-географического процесса с севера на юг и где пока не так сильно влияние хозяйственной деятельности, искажающей природные процессы, хотя хозяйственная деятельность и антропогенные нагрузки в определенной степени тоже различаются по природным зонам, определяясь их спецификой. В качестве конкретных объектов исследования были выбраны следующие реки, протекающие в пределах одной зоны: Уса (лесотундра), Ижма (северная тайга), Юг, Вычегда (средняя тайга), Ветлуга, Вятка, верхняя Кама (южная тайга), Белая, Самара (лесостепь), Большой Иргиз, среднее течение Урала (степь), Илек (полупустыня), Эмба (пустыня).

Под восточной частью Русской равнины понимается территория, ограниченная на западе 44 меридианом, а на востоке Уральскими горами. Сюда входят следующие районы: северо-восточная моренная равнина, высокое и низкое Заволжье, Прикаспийская низменность, а также частично среднее Поволжье и Приволжская возвышенность.

Предмет исследования — процессы формирования и географические особенности долин, пойм и русел рек: в различных природных зонахморфометрические и гидрологические характеристики.

Цель работы — выявление зональных особенностей морфологии, динамики и условий формирования русел рек восточной части Русской равнины.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

— Рассмотреть историю формирования долин рек восточной части Русской равнины с акцентом на выявление их зональных особенностей.

— Определить руслоформирующие расходы рек, с использованием понятий удельной мощности и удельной работы потока, и районировать восточную часть Русской равнины по условиям прохождения этих расходов.

— Проанализировать имеющиеся результаты о зональных особенностях стока взвешенных наносов и донных отложений рек рассматриваемой территории.

— Дать оценку методов исследования динамики русел и пойм рек, подготовить сводку исходных данных для их реализации.

— Произвести выбор репрезентативных (зональных) рек.

— Выполнить анализ распределения типов речных русел и пойм по территории, морфологических и гидрологических характеристик по природным зонам.

— Проверить наличие зональных особенностей деформаций русел и пойм в разных природных зонах Русской равнины.

Научная новизна.

— Уточнены представления об условиях формирования долин рек в разных геоморфологических районах, их зональных и азональных особенностях.

— Выполнено районирование восточной части Русской равнины по характеристикам руслоформирующих расходов, определенных с использованием понятий удельной мощности и удельной работы потока.

— Подтверждены (на основе данных по рекам рассматриваемой территории) известные выводы о зональности характеристик стока наносов и донных отложений.

— Произведена оценка методов исследования динамики русел и пойм рек применительно к решению поставленных задач.

— Впервые для заключения о зональности условий формирования, распределения типов речных русел морфометрических и гидрологических характеристик использованы данные по репрезентативным (зональным) рекам.

— Получены зависимости связывающие параметры речных русел с широтой местности (а следовательно и с природными зонами), которые более четко выражены при использовании данных по репрезентативным рекам.

— Установлена зональность в распределении величин деформаций русел и пойм рек.

Теоретическое и практическое значение.

Изучение закономерностей развития и рельефа речных русел имеет большое теоретическое и практическое значение. Разработки, выполненные при подготовке диссертации, подтверждают связь типов русел и пойм (русловых процессов) с характером бассейна реки. Зональные факторы географической среды вместе с азональными геолого-геоморфологическими факторами определяют общий фон развития речных русел и пойм, а с учетом локальных (местных) условий и всей речной долины со всеми ее индивидуальными особенностями.

Выявление зональных особенностей русловых процессов (в том числе: особенностей морфологии долин, стока воды и наносов, типов русел и пойм, распределения по территории морфологически однородных участков рек, величин деформаций, характеристик русел и потока) расширяет существующие представления об определяющих факторах и закономерностях формирования речных русел разного типа, что является вкладом в развитие русловедения и, как следствие, геоморфологии и эволюционной географии.

Выявленные и уточненные представления о закономерностях формирования рек с разными типами русловых процессов в различных природных зонах (прежде всего репрезентативных рек) и полученные эмпирические зависимости позволяют вплотную подойти к разработке методики прогноза типов речных русел (схем деформаций) и их количественных характеристик. Разработка такой методики, позволяющей более точно прогнозировать особенности проявления русловых процессов на реках в различных природных зонах, представляется особенно важной при проектировании крупных водохозяйственных и водоохранных мероприятий, гидротехнических сооружений и при обосновании комплекса мероприятий по улучшению условий судоходства на реках (в том числе при разработке схем регулирования речных русел).

Наличие зональных особенностей русловых процессов и сведений об изменении стока воды и наносов (в различных сценариях глобальных изменений климата) дают возможность прогнозировать дальнейшую эволюцию русел.

Материалы исследования могут быть также использованы в учебном процессе при подготовке специалистов в области эрозионных и русловых процессов, гидрологии, флювиальной геоморфологии, водного хозяйства и мелиорации.

Методология исследований и основные материалы.

Основой работы является гидролого-морфологический подход к исследованию русловых процессов, развиваемый в ГГИ. В основе этого подхода лежат представления о дискретности и структурности руслового процесса, типизация русловых процессов. В качестве основных определяющих факторов приняты сток воды, наносов и ограничивающие условия (общее падение дна речной долины, местные базисы эрозии, выход неразмываемых горных пород, наличие базального слоя). Интенсивное развитие гидротехнического строительства вызвало необходимость учета воздействия различных сооружений на русловые процессы, которые подразделяются на активные и пассивные. Вместо гидродинамической задачи определения твердого расхода по заданным граничным условиям, при этом подходе, ставится и решается морфологическая задача — определение формы русла и вида руслового процесса в зависимости от заданных характеристик жидкого и твердого стока.

В процессе исследований, по конкретным главам диссертации, в качестве основных носящих методологический характер использованы следующие результаты научных исследований:

— гляциальная и антигляциальная концепции формирования долин рек Русской равнины в четвертичный период;

— дифференцированный подход к русловым процессам на реках, находящимся в различных природных и антропогенных условиях руслоформирования (географическое направление исследований русловых процессов МГУ);

— методика определения руслоформирующих расходов воды с использованием понятий удельной мощности и удельной работы совершаемой потоком (В.И.Антроповский);

— распределение средней мутности и модуля стока наносов рек Европейской территории СССР (К.И.Лисицина и Н.Н.Бобровицкая);

— изменчивость крупности донных отложений рек ETC (Г.А.Петухова);

— методы исследования динамики русел и пойм с естественным режимом стока воды и наносов (разработанные большим числом ученых разных школ и направлений);

— распределение типов речных русел и пойм, морфометрических и гидравлических характеристик, величин русловых и пойменных деформаций по территории (прежде всего: С. И. Пиньковский и другие исследователи ГГИ, МГУ).

Исходным материалом для работы явились: литературные источники, гидрографические описания, лоцманские и топографические карты масштаба 1:100 000, планы перекатов, материалы аэрофотосъемки, «Ресурсы поверхностных вод СССР», гидрологические ежегодники.

Камеральное изучение и сопоставление топографических и лоцманских карт, планов и специальных съемок русел (1912;1916 гг., 1927;1933 гг., 1950 г., 1965 г., 1978;1982 гг., 1996;2000 гг.) через определенные промежутки времени, от 20 до 80 лет соответственно, позволило получить данные о морфологическом строении русел, их динамике, условиях переформирования в различных природных зонах. При обработке натурных данных использованы методы: сравнительно-морфологический (сравнительно-географический), гидролого-морфологической аналогии, гидроморфологических зависимостей (корреляционных связей). Эти методы обычно не требуют знания составляющих баланса наносов, выяснения механизма переформирований и позволяют получить конечный результат, минуя рассмотрение промежуточных этапов переформирования русел.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Плейстоценовая история проявляется в зональности морфологического строения долин рек (степени их разработанности, литологии отложений на дне), что создает разную степень влияния ограничивающих условий на развитие русловых процессов рек восточной части Русской равнины.

2. Современные активные руслообразующие факторы (сток воды и наносов) отражают современную зональность при развитии типов русловых процессов в разработанных унаследованных долин рек восточной части Русской равнины.

3. Выполненное районирование восточной части Русской равнины по условиям прохождения руслоформирующих расходов воды на реках, определенных с использованием методики основанной на понятиях удельной мощности и удельной работы потока.

4. Географические особенности современного распространения типов русел и пойм, распределения интенсивности деформаций и отдельных морфометрических характеристик являются следствием взаимодействия зональных особенностей морфологии долин и рельефа (провинциальность) и современных зональных активных руслообразующих факторов.

5. Результаты построения широтных зависимостей, отражающих зональность условий формирования, морфологии и динамики русел рек с использованием данных по репрезентативным (зональным) рекам.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Общий объем диссертации — 161 страница, в том числе 28 рисунков, 13 таблиц.

Список литературы

включает 135 наименований.

Данные выводы подкрепляются графиком связи интенсивности деформаций с широтой.

Связь плановых деформаций (скорости размыва берегов) с широтой представлена на рис. 5.6.

Выявлена четкая тенденция возрастания средней и максимальной скорости размыва берегов с севера (от тундры) на юг к полупустыням. В тоже время для русел северной покатости (Вычегда, Юг, Печора) характерно увеличение скорости размыва берегов с удалением от главного водораздела к северу, но с резким уменьшением в тундре-лесотундре (Уса). Низкие скорости размыва на реке Усе связаны с тем, что для анализа был выбран участок реки fbc. 5.3. Схема плановых деформаций русла реки Вятки в районе г. Кирова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении представлены основные выводы по выявлению зональных особенностей условий формирования, морфологии и динамики русел рек. Базой для исследования явились представления Н. И. Маккавеева, который сформулировал географические основы теории русловых процессов, согласно которой русловые процессы отражают развитие географической среды и зональны. Каждое русло тесно связано с бассейном реки и является не только гидрологическим, но и геоморфологическим фактором влияния в окружающем ландшафте. Поэтому познание русловых процессов невозможно без анализа истории каждого конкретного объекта, без учета первичного рельефа и тех изменений руслообразующих условий и русловых форм, которые испытала в разные этапы река.

1. Морфология русла определяется современной природной зональностью и влиянием палеозональности запечетленной в рельефе долины (степень разработанности) и бассейна. Соответственно на Русской равнине выделяется три зоны долинообразования с подзонами, в каждой из которых долин характеризуются вполне определенными морфологическими особенностями и строением русел на их дне. Это подтверждается зависимостями В0 = ср (град.с.ш.) (рис. 1.4).

2. Результаты определения руслоформирующих расходов в 38 гидростворах рек восточной части Русской равнины по методике, базирующейся на понятии удельной мощности потока, в целом не противоречат выводам Н. И. Маккавеева (1955 г.) и Р. С. Чалова (1979 г.) о величине, количестве, приуроченности этих расходов к конкретным речным формам рельефа и распределении по территории. Однако ряд особенностей позволил составить несколько отличную схему районирования по условиям прохождения руслоформирующих расходов (рис. 2.2.). Распределение рек с разными особенностями прохождения руслоформирующих расходов подчиняется географической зональности.

3. Сток наносов, как активный фактор руслоформирования подчиняется закону географической зональности, обнаруживая связь с интенсивностью процессов выветривания. Зональные особенности стока взвешенных наносов подтверждаются зависимостью среднегодовой мутности рек от широты местности р = ср (град.с.ш.) (рис. 2.4.).

4. Гранулометрический состав донных отложений отражает ландшафтно-геологические и гидрологические условия. Зависимость (рис. 2.6) средней крупности донных отложений рек от широты dso = Ф (град.с.ш.) выражает в количественном виде закономерность об уменьшении крупности донных отложений с севера на юг и о зональности гранулометрического состава четвертичных отложений.

5. Формирование морфологического типа речного русла обусловлено комплексом природных факторов, среди которых ведущую роль играет гидрологический режим и геолого-геоморфологическое строение долины и русел рек. Геолого-геоморфологическое строение проявляется в свободных или ограниченных условиях развития русловых процессов, а гидрологический режим — в характере прохождения руслоформирующих расходов. В областях ограниченного развития русловых процессов ведущими являются геолого-геоморфологические факторы, в областях свободного развитиягидрологические факторы. Различия в величине, количестве и обеспеченности руслоформирующих расходов, стоке взвешенных наносов приводят к возникновению определенного типа русла. Таким образом, тип русла определяется не только современными природными процессами, но и историей геоморфологического развития самого русла и долины.

6. Из рассмотрения карты типов речных русел и распространения их по длине репрезентативных (зональных) рек восточную часть Русской равнины можно разделить на три пояса (рис. 4.1). В северном поясе хотя и преобладает свободное меандрирование, но значительно распространены ограниченное меандрирование, русловая и пойменная многорукавность, ленточно-грядовый, побочневый типы русловых процессов. В среднем поясе преобладает свободное и незавершенное меандрирование. Развиты русловая многорукавность, ограниченное меандрирование, ленточно-грядовый и побочневый типы. В южном поясе преимущественно наблюдаются реки с пойменной многорукавностью и незавершенным меандрированием и также свободным меандрированием.

7. Согласно составленной схеме районирования восточной части Русской равнины по интенсивности деформаций рек (рис. 5.7) рассматриваемая территория делится на две половины:

— северная покатость и главный водораздел с пониженной интенсивностью деформаций;

— южная покатость с повышенной интенсивностью деформаций.

8. На основе зависимостей широтного изменения коэффициента устойчивости русел Лохтина по репрезентативным рекам (рис. 5.2.) и произведенного районирования восточной части Русской равнины по степени устойчивости речных русел (рис. 5.1.) можно заключить о постепенном увеличении коэффициента Л с юга на север.

9. Анализ графиков (зависимостей) широтного изменения ряда морфометрических и гидрологических характеристик, несмотря на имеющийся разброс точек, подтверждает наличие зональных закономерностей. То есть русла рек подчиняются закону зональности — провинциальности природных компонентов и комплексов.

10. Проведенное единым комплексом методов исследование средних рек востока Русской равнины показало, что русловые процессы являются составной частью развития географической оболочки. Изменение зональных факторов русловых процессов (климата, стока воды и наносов, почвенно-растительного покрова) и геолого-геоморфологических факторов (размеры и характер долин, степень унаследованности, особенности рельефа бассейна) по геоморфологическим районам создает зонально-провинциальные различия в условиях формирования, морфологии и динамике русел рек. Последнее необходимо учитывать при составлении фоновых прогнозов русловых.

In о j j переформирований и эволюции русел на отдаленную перспективу, в частности, в связи с ожидаемым потеплением климата и возможным смещением границ природных зон.

11. Теоретическое значение работы заключается в том, что восполнена недостаточная изученность специфики географических закономерностей руслового процесса, распространения и руслоформирующей деятельности рек в различных природных условиях.

Практическая значимость состоит в возможности использования полученных результатов и, прежде всего, зависимостей, схем районирования в качестве информационной базы при изучении других рек, находящихся в сходных географических условиях.