Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа

Актуальность темы

.

Интенсивное антропогенное воздействие на речные системы в целом и реки, в частности, часто приводит к нарушению механизма их саморегулирования, что может даже привести к отмиранию малых и средних рек. Гидротехническое строительство, нарушая режим рек, в той или иной степени, требует больших капитальных вложений. Величина последних в значительной степени зависит от качества проектирования гидротехнических сооружений, в частности, от того насколько научно обоснованны принятые проектные решения. При этом одной из важнейших проблем является сохранение экологической безопасности системы.

Наибольшие сложности при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий возникают из-за недостаточного учета характерных особенностей русловых процессов на расчетном речном участке. Вместе с тем, в последние годы резко сократились объемы финансирования и сроки, отведенные на натурные изыскания. Современная экономическая обстановка настоятельно диктует необходимость совершенствования методов оценки и прогноза русловых процессов на основе регулярно обновляемых данных планово-высотных съемок и других материалов, таких как лоцманские карты. Последние регулярно обновляются, что позволяет использовать их для составления прогноза русловых деформаций.

На основе выше изложенного, основной задачей диссертации является разработка методики определения типа и размеров русловых образований, и мониторинга их изменчивости на основе информации, приведенной на лоцманских и других картах.

Математической основой методики предлагается использовать метод, основанный на анализе нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля русел рек и показателя Харста.

Следует отметить, что необходимая для реализации этой методики информация о состоянии водного требует незначительных материальных и трудовых затрат и может быть использована как на различных стадиях проектирования и строительства гидротехнических сооружений, так и при разработке долгосрочного прогноза русловых процессов. Цели и задачи исследования.

Основная цель работы состоит в разработке методики объективной оценки размеров русловых образований и мониторинга изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло». В соответствии с этой целью в работе решены следующие основные задачи:

— выбраны объекты исследования;

— обоснован метод анализа отметок дна на продольном профиле русла реки;

— разработан метод выделения регулярных русловых образований;

— апробирован разработанный метод на примере русел Северных рек и р. Оки;

— разработаны критерии оценки изменчивости морфологического строения речных русел на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харстаувязаны полученные критерии с особенностями строения морфологически-однородных участков и характером антропогенного воздействия на эти участки.

Методика исследований и исходный материал.

Для решения поставленных задач были использованы данные, полученные с лоцманских и других карт, а именно, значения отметок дна на продольном профиле судового хода рек Северная Двина, Вычегда, Пинега и Ока за длительный период наблюдений. При анализе полученных результатов использованы также сведения о водном режиме исследуемых рек и физико-географических характеристиках их бассейнов.

Исследования выполнены с помощью методов спектрального и R/S анализа. Параметры спектрального анализа и условия примененных методов статистики устанавливались опытным путем на основе анализа процессов, происходящих в руслах рек.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается положительными результатами оценки методики, выполненной на основе независимой натурной информации. Научная новизна работы.

В процессе решения поставленных задач впервые получены следующие научные результаты:

— разработана методика оценки регулярности русловых образований, основанная на статистическом анализе данных, приведенных на лоцманских картах;

— показано на статистически значимом уровне на основе данных натурных наблюдений наличие регулярных русловых образований, прослеживаемых по продольному профилю речного русла. Разработана методика определения их характерных размеров;

— доказано, что изменение состояния речного русла в естественном состоянии и под антропогенной нагрузкой может быть охарактеризовано флук-туациями частот на спектрах отметок дна продольного профиля реки. Анализ характера изменений этих характеристик позволяет установить состояние факторов руслового процесса участка реки;

— предложены объективные критерии оценки состояния руслового процесса при антропогенном воздействии.

Практическая значимость результатов исследований.

Результаты исследований могут быть использованы:

— при экологической экспертизе состояния участков рек;

— при разработке стратегии водохозяйственного использования речных систем;

— при оценке результатов антропогенного воздействия на речное русло;

— при прогнозе возможных изменений руслового процесса в результате глобальных изменений климата.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии и итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (1996, 2005 гг.), на совещаниях Межвузовского научно-координационного Совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им М. В. Ломоносова (1996, 2005 гг.), на научно-технической конференции «Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах» (2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 60 источников, и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 103 страницах, не считая приложений, включает 29 рисунков и 10 таблиц.

Заключение

.

В результате проделанных исследований впервые разработана методика объективной оценки характерных размеров русловых образований, основанная на применении спектрального анализа. Эта методика позволяет производить мониторинг изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло».

Применение разработанной методики для анализа продольных профилей ряда русел Северных рек и р. Оки позволило сделать следующие выводы:

— установлены критерии оценки изменчивости морфологического строения речного русла на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста. Полученные критерии обоснованы особенностями строения речных участков;

— доказано на натурных данных наличие устойчивых регулярных русловых образований на статистически значимом уровне;

— показано, что для участков рек, имеющих местный базис эрозии (каменистые перекаты, выходы скальных пород), характерная длина регулярных образований равна расстоянию между соседними местными базисами эрозии;

— обнаружена недисперсность длины преобладающих русловых образований, проявляющая в сохранении постоянной частоты на разновременных спектрограммах, для участков рек, где наблюдается динамическое равновесие факторов руслового процесса;

— выявлено закономерное уменьшение характерных размеров статистически значимых регулярных русловых образований от устья к истоку для всех участков, исследованных рек;

— подтверждена на большом натурном материале гипотеза Н. С. Знаменской об удвоении длин русловых образований;

— установлен характер изменения предложенных критериев оценки при изменении антропогенной нагрузки на примере р. Оки. Доказано, что разработайная методика может использоваться для мониторинга изменения состояния речного русла.