Сток наносов и русловые процессы на реках криолитозоны

Актуальность темы

Основные особенности стока наносов и русловых процессов зависят от физико-географических условий территорий, по которым протекают реки, определяющих региональный характер их проявления. В криолитозоне важным их фактором являются многолетнемёрзлые породы (ММП), повсеместное распространение которых создаёт специфические условия формирования стока воды с водосборов и развития русел рек, изменяя пространственные и временные масштабы эрозионных и русловых процессов. Закономерности функционирования бассейновых и русловых систем трансформируются на территории криолитозоны, где под влиянием мерзлоты изменяется характер воздействия тех или иных факторов как на речные бассейны, так и на русла рек. Однако качественная и количественная оценка масштабов этих изменений затруднена из-за недостаточности данных наблюдений за мерзлотно-обусловленными процессами, связанными с формированием и движением речных наносов, и формами их проявления, а также из-за отсутствия надёжных методов их исследования.

Речные системы криолитозоны в настоящее время являются наименее исследованными в России, и их изученность во многом не соответствует степени и перспективам экономического развития Российской Арктики. Востребованность теоретических разработок и их прикладных аспектов растёт по мере её хозяйственного освоения. Основные исследования, выполненные здесь во 2-ю половину XX века, были связаны с нуждами и потребностями отдельных отраслей промышленности. Тогда же были впервые получены сведения о специфике распространения мёрзлых грунтов в руслах рек. В то же время «поведению» рек в криолитозоне не уделялось должного внимания, хотя без понимания специфики русловых процессов и стока наносов не могут быть решены многие вопросы улучшения условий судоходства и регулирования русел рек для различных областей хозяйства. Учёт режима стока наносов и русловых деформаций на реках криолитозоны при решении прикладных задач связаны с 3 необходимостью выявления закономерностей их формирования и развития, разработкой методов прогнозирования распространения мёрзлых грунтов в руслах рек. Важным также является исследование связей характеристик стока наносов и русловых процессов на реках криолитозоны в связи с глобальными изменениями природной среды и климата.

Цель исследований — выявить основные закономерности формирования стока наносов, морфологии и динамики русел больших равнинных рек криолитозоны, условия промерзания речных отложений, определить возможности прогнозирования распространения многолетнемёрзлых пород в руслах рек и обосновать основные принципы их регулирования.

Для её достижения необходимо было решить следующие задачи:

1. Рассмотреть природные условия криолитозоны, в наибольшей степени определяющие специфику формирования стока наносов и русловых процессов.

2. Дать анализ современных представлений о функционировании эрозионно-русловых систем в криолитозоне и методах их исследований.

3. Выявить наиболее важные факторы и основные механизмы формирования стока наносов и их перемещения в эрозионно-русловых системах в пределах криолитозоны.

4. Установить закономерности формирования стока наносов на реках криолитозоны, его пространственной и временной изменчивости под влиянием основных факторов природной среды.

5. Выявить закономерности распространения многолетнемёрзлых грунтов в руслах больших равнинных рек криолитозоны, дать оценку их воздействия на развитие речных русел, определить условия их промерзанияна этой основе предложить методику прогнозирования положения кровли мёрзлых пород в руслах рек и основные принципы регулирования русловых процессов на судоходных реках криолитозоны.

6. Оценить совместное влияние стока взвешенных наносов и промерзания на процесс формирования русел рек криолитозоны на основании анализа данных сетевых и полевых наблюдений.

Объекты и состав исследований. Исследования охватили реки, водосборы которых полностью или большей частью расположены в пределах непрерывного распространения ММП, поскольку многолетняя мерзлота оказывает воздействие на водотоки только в этих условиях. Объектами исследования стали более 20 рек криолитозоны, среди которых как самые крупные реки территории (Анабар, Оленёк, Лена, Яна, Индигирка, Колыма), так и их притоки, относящиеся к средним рекам (Нера, Адыча, Омолон и др.), обеспеченные наиболее продолжительными рядами наблюдений за стоком взвешенных наносов на гидрологических постах. Использованная методика исследований предполагала построение графиков связи расходов воды и взвешенных наносов и их анализ для выявления вариабельности стока взвешенных наносов в различных временных масштабах. Разработка методики для расчёта характеристик стока взвешенных наносов и параметров уравнения связи расходов воды и взвешенных наносов для неизученных территорий криолитозоны выполнялась с использованием регрессионного анализа, в основу которого были положены региональные зависимости стока воды и взвешенных наносов от физико-географических условий территории. ГИС-технологии были использованы для визуализации полученных результатов, выявления пространственной изменчивости параметров связей, составления аналитических карт стока взвешенных наносов для расчётов с неизученных территорий.

Для детального руслового анализа использовались материалы по наиболее изученному участку большой равнинной реки криолитозоны — Лены в среднем течении (от п. Покровск (100 км выше г. Якутск) до устья р. Вилюй (600 км ниже г. Якутск)). Разработанная автором методика использована для выявления участков русла, где распространено сезонное и многолетнее промерзание речных отложений. Для анализа временной изменчивости исследуемого участка русла Лены был использован традиционный ретроспективный метод анализа, заключающийся в сопоставлении разновременных картографических материалов (в т.ч. промерно-съёмочных работ и космических снимков) на основе современных методов сопоставления данных. ГИС-анализ был при5 менён для выявления характеристик горизонтальных и вертикальных деформаций русла. Результаты математического моделирования некоторых участков реки были использованы для иллюстрации отдельных положений работы. Научная повнзна работы.

1. Впервые детально описан механизм формирования стока наносов с водосборов рек криолитозоны, выявлена роль климатических и гидрологических условий как факторов, определяющих временную изменчивость стока взвешенных наносов.

2. Разработана методика расчёта стока взвешенных наносов с неизученных территорий, основанная на использовании эмпирических зависимостей, связывающих параметры связи расходов воды и взвешенных наносов с обобщёнными физико-географическими характеристиками водосборов криолитозонысоставлены эмпирические карты мутности и модуля стока взвешенных наносов для исследованной территории.

3. Показан механизм формирования сезонномёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов в руслах рек криолитозоны, его связь с гидрометеорологическими условиями в различные фазы водного режима.

4. Разработана эмпирическая методика определения участков распространения мёрзлых грунтов в руслах больших рек криолитозоны с использованием гидрометеорологической информации, показана связь формирования мерзлотных условий с морфодинамическими типами русла.

5. Исследована связь сезонного и многолетнего промерзания с основными тенденциями формирования русла равнинной реки с песчаным аллювием (на примере средней Лены), возможность её учёта в прогнозах русловых процессов для обеспечения безопасности судоходства и рекомендациях по регулированию русел судоходных рек.

Основные защищаемые положения.

1. Мерзлотные условия являются важным региональным фактором формирования стока наносов в криолитозонеих влияние на сток взвешенных наносов по-разному проявляется в различных временных масштабах.

2. Динамика процессов промерзания-протаивания поверхности водосборов влияет на условия формирования и режим стока взвешенных наносов рек криолитозоны в течение года (его внутригодовое распределение). Температурный режим поверхности водосбора в зимний период определяет межгодовые вариации стока взвешенных наносов в последующий тёплый период года. Многолетние характеристики стока взвешенных наносов связаны с физико-географическими характеристиками водосборов.

3. Характерной особенностью русел равнинных рек криолитозоны с песчаным аллювием является наличие в их пределах многолетнемёрзлых грунтов, сформированных в результате повторяющегося сезонного промерзания форм руслового рельефа. Площадь распространения мёрзлых грунтов определяется гидрометеорологическими условиями, а также морфодинамическим типом русла.

4. Многолетнее промерзание русел рек криолитозоны имеет следствием увеличение стабильности русловых форм благодаря наличию в слагающих их толщах отложений ядра многолетнемёрзлого аллювия.

5. Учёт распространения многолетнемёрзлых грунтов в руслах больших равнинных рек криолитозоны необходим при разработке проектов улучшения судоходных условий, строительства переходов трубопроводов, ЛЭП, иных инженерных мероприятий. При разработке проектов дноуглубительных работ он позволяет снизить риск повреждения дноуглубительной техники, замедлить занесение судоходной прорези.

Практическая значимость работы. Методики и картографические материалы, полученные в результате исследований, могут использоваться для районирования территории криолитозоны по особенностям эрозионных процессов, в расчётах стока наносов с неизученных водосборов и гидротехнических расчётах.

Данные о связи промерзания русел с процессами их переформирований могут быть использованы при моделировании русловых процессов, выполняющемся для решения конкретных задач, прогнозе изменений отметок дна 7 русла и размывов берегов. Такие прогнозы русловых деформаций необходимы при проектировании и эксплуатации сооружений, пересекающих реки либо расположенных на их берегах — переходов нефтеи газопроводов, линий электропередач, мостовых переходов и ледовых переправ. Учёт основных тенденций руслоформирования с учётом влияния мерзлотных условий необходим при планировании берегозащитных мероприятий. Регулирование русел для улучшения условий судоходства в наибольшей мере на участках рек значительной протяжённости опирается на сведения о темпах и направленности русловых процессов. Эта информация необходима как при разработке генеральных схем развития водных путей и проектов коренного улучшения судоходных условий, так и при выполнении эксплуатационных работ по поддержанию гарантированных габаритов пути и обеспечения безопасности судоходства. Во всех случаях необходимы прогнозные оценки распространения и динамики мёрзлых грунтов в руслах рек.

Учёт мерзлотных условий необходим также при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений, для которых актуальны вопросы трансформации русел в нижних бьефах и занесения водохранилищ наносами.

Результаты исследований могут войти в учебные курсы при подготовке специалистов-гидрологов («Русловые процессы» и «Водно-технические изыскания»), геоморфологов и криолитологов.

Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ № 06−05−64 293, программы «Университеты России», программ поддержки ведущих научных школ России (проект № 00−15−98 512, грант Президента РФ НШ-1443.2003.5, проект НШ-4884−2006.5), их результаты использованы при подготовке отчётов по хоздоговорным работам с Ленским государственным бассейновым управлением водных путей и судоходства, ЗАО «Якутагропромпроект», ООО «НПО Мостовик».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 10-м Международном симпозиуме по речной седиментации (Москва, 2007) — на 8-й Международной конференции по проблемам воздействия льда 8 на корабли и инженерные сооружения 1СЕТЕСН'06 (Банфф, Канада, 2006) — на 3-м научном совещании SEDIFLUX «Sediment fluxes, transfer rates through the cold environments in Europe» (Дарэм, Великобритания, 2005) — на 2-м научном совещании SEDIBUD (под эгидой Международной ассоциации геоморфологов) «Sediment fluxes, sediment budgets in changing high-latitude, high-altitude cold environments» (Абиско, Швеция, 2007) — на XX пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ульяновск, 2005) — на тематическом совещании «Русловые процессы и водные пути» Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Санкт-Петербург, 2007) — на научных семинарах молодых учёных ВУЗов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Пермь, 2002; Брянск, 2004; Волгоград, 2006) — на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002» и «Ломоносов-2003" — на семинарах кафедры гидрологии суши и научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева МГУ.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 1 — в реферируемом издании, рекомендованном ВАК для публикаций («Вестник МГУ») — 3 статьи находятся в печати, из них 1 — в реферируемом издании, рекомендованном ВАК для публикаций («Геоморфология»).

Объём и структура. Работа состоит из 5 глав, введения и заключения (160 страниц) и списка литературы (170 названий), содержит 70 рисунков и 30 таблиц, 3 приложения.

Автор искренне благодарен заведующему кафедрой гидрологии суши, доктору географических наук, профессору Н. И. Алексеевскому за ценные советы, заведующему кафедрой криолитологии и гляциологии, доктору географических наук, профессору В. Н. Конищеву за консультации в области мерзлотоведения, сотрудникам НИЛаборатории эрозии почв и русловых процессов.

В.Н. Голосову, Н. Н. Виноградовой, В. В. Иванову, В. Р. Беляеву, кафедры гид9 рологии суши Д. В. Магрицкому, кафедры геоморфологии и палеогеографии А. В. Панину за консультации и обсуждение результатов исследованй, ст.н.с. НИЛаборатории эрозии почв и русловых процессов А. А. Зайцеву и О.М. Ки-рику за руководство полевыми работами на объектах исследования (Лена, Колыма), сотрудникам Ленского ЛГБУВПиС Л. Е. Федосеенко, О. П. Федосенко, Е. В. Кочневу за комментарии относительно практического применения результатов исследований, сотрудникам, аспирантам, студентам Географического факультета МГУ, работникам Якутского и Колымского районов водных путей, принимавшим участие в полевых работах.

Выводы к Гласе 5.

1. Совместный анализ планов русла в изобатах, планов деформаций и схем распространения мёрзлых грунтов позволяет выявить связь основных тенденций руслоформирования с положением кровли мерзлоты в русле, воздействием мёрзлых грунтов на гидравлическую структуру потока.

2. Детальные исследования деформаций русла р. Лены на Павловском перекате (средняя Лена) показали, что наибольший размыв приурочен к зонам с высокими скоростями течения (более 1,4 м/с) и глубинами от 2 до 4 м, охваченным промерзанием подо льдом или не промерзающим вовсе. Эти зоны в основном приурочены к нижней плёсовой лощине и верхнему склону верхнего побочня. Гребень переката играет в половодье роль водослива с широким порогом, ещё больше усиливая эрозию в подвалье переката. Аккумуляция наносов в подвалье перекатной гряды является в основном результатом смещения гребня вниз по течению.

3. Различия в площадях распространения мерзлоты в русле средней Лены определяются морфодинамическим типом отдельных его участков. В годы с минимальными зимними уровнями и максимальной толщиной льда доля промерзающей части разветвлённого русла составляет более 85%, тогда как извилистого и относительно прямолинейного — не более 55%. В формировании мерзлоты в пределах разветвлённых и извилистых русел основную роль (более 70%) играет падение уровня, в то время как для прямолинейных русел ведущим фактором является толщина льда (особенно в годы с толщиной льда выше среднемно-голетней).

4. Русло Лены, являясь в целом слабоустойчивым, обнаруживает черты, характерные для устойчивых русел, что в наиболыпеё степени связано с наличием в его пределах мерзлоты. Стабильность отмелей с многолетнемёрзлым ядром приводит к гипертрофированному развитию побочнейобразующиеся вследствие этого «извилины»" динамической оси потока гидравлически невыгодны (отношение HL > 1.5), однако их спрямлению препятствует повсеместное промерзание мелководий и небольших проток.

5. Анализ влияния мёрзлых грунтов на русловые переформирования крупных рек криолитозоны приводит к необходимости учёта мерзлотных условий при разработке проектов улучшения судоходных условий, строительства переходов трубопроводов, ЛЭП, иных инженерных мероприятий. При разработке проектов дноуглубительных работ следует учитывать наличие мёрзлых ядер и мощность сезонного промерзания. Дноуглубление на участках, подверженных промерзанию, наиболее безопасно в течение летне-осенней межени, в период максимального протаивания. Места отвалов грунта также следует выбирать с учётом мерзлотных условий, по возможности располагая их на участках, благоприятных для будущего промерзания извлечённого материала, их дальнейшего воздействия на русловые переформирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе рассмотрены основные закономерности формирования стока наносов, морфологии и динамики русел больших равнинных рек криолитозоны, условия промерзания речных отложений, определены возможности прогнозирования распространения многолетнемёрзлых пород в руслах рек.

1. Изменчивость мерзлотных условий территории криолитозоны определяется её дифференциацией по климатическим условиям и свойствам рельефа. Исследование её географических закономерностей позволило выделить в пределах криолитозоны 6 субрегионов по условиям формирования стока взвешенных наносов, что определяется характеристиками рельефа, климатическими условиями и типом водного режима.

2. Влияние мерзлотных условий на сток взвешенных наносов по-разному проявляется в различных временных масштабах. В отдельные фазы водного режима изменчивость определяется ограничением эрозии на водосборах криолитозоны в период формирования талого стока. Для большинства рек криолитозоны в период половодья и паводков наблюдаются положительная связь s = s (Q). Это проявляется в превышении мутности на подъёме половодья над мутностью в период спада, причём максимум мутности наблюдается в среднем на 3−5 дней раньше максимума расхода водыэто связано с истощением источников поступления наносов на водосборах и в руслах рек-. Для рек с дальневосточным типом водного режима характерны отрицательные связи s = s (Q), как в период половодья, так и во время паводков. Расходы взвешенных наносов при паводках превышают таковые в период половодья (при одинаковом расходе воды) только на реках с дальневосточным типом водного режимана реках с восточно-сибирским типом водного режима это возможно только в тех случаях, если паводочные расходы превышают максимально наблюдённые в половодье. Связанные с мерзлотными условиями гистерезисные явления (неравенство расходов взвешенных наносов в различные фазы водного режима при Q — const) характерны для всех рек криолитозоны.

3. Межгодовая изменчивость стока взвешенных наносов зависит от изменчивости климатических характеристик криолитозоны в зимний период. Предложенный гидротермический показатель ГТз, основанный на сопоставлении сумм осадков и отрицательных температур зимнего периода, отражает влияние синоптической изменчивости на мерзлотные условия криолитозоны. Для рек с восточно-сибирским типом водного режима на графиках R=f (Q) выделены две ветви, характеризующие годы со значениями ГТз > 1 и ГТз < причём в годы с ГТз > 1 (тёплые, мягкие зимы) расходы наносов больше, чем в годы с ГТ3 < 1 (суровые зимы). Полученные связи R с суммами положительных температур для рек с дальневосточным типом водного режима показывают, что ГТз разделяет поле точек связи R=f (Q) на две ветви, причём Rrr3> i > Rm<

4. Впервые получена связь между параметрами связи R = f (Q) для территории криолитозоны, имеющая региональный характер. Основные ветви графика связи соответствуют районированию криолитозоны России по характеристикам рельефа и климата. Определяющими формирование стока взвешенных наносов основными физико-географическими характеристиками водосборов криолитозоны являются средняя высота водосбора Я, слой осадков Р и температура воздуха Т. На основании выявленных закономерностей составлены карты модуля стока взвешенных наносов и средней мутности рек, предложена методика расчёта стока взвешенных наносов с водосборов неизученных рек криолитозоны. Данная методика заключается в определении параметров уравнения R = А (У" по картам или эмпирическим уравнениям связи m =f (H, Р, Т) и, А = f (m) — норма стока неизученной реки может быть определена одним из ряда принятых в гидрологии методов.

5. Транспорт влекомых наносов рек криолитозоны определяется мерзлотными условиями в пределах их русел. При этом гидрологические условия (колебания уровня в осенне-зимний период, толщина ледяного покрова) являются основным фактором промерзания русел рек криолитозоны с песчаным аллювием. Мерзлота в русле реки формируется вследствие трёх причин: 1) обсыхания в летне-осеннюю межень прирусловых отмелей- 2) зимнего падения уровня во.

159 ды АНзп, равного разности между значениями уровня на день начала ледостава Нл и минимальным зимним уровнем #min- 3) контакта с дном ледяного покрова мощностью кл вследствие перемерзания отдельных участков реки. Разработана методика определения распространения мёрзлых грунтов в руслах рек, использующая сведения об уровенном и ледовом режиме реки для составления схем положения областей промерзания в руслах крупных рек криолитозоны. Проверка разработанной эмпирической модели на независимом материале (результатах буровых работ) показала, что модель имеет в целом хорошую точность, воспроизводя основные закономерности распространения мёрзлых грунтов на исследованном участке русла р. Лены.

6. Использование разработанной методики определения распространения мерзлоты в руслах рек для совместного анализа мерзлотных условий и русловых деформаций выявило основные закономерности воздействия мерзлоты на русловые деформации. Наличие многолетнемёрзлых ядер в толщах отмелей средней Лены оказывает в целом стабилизирующее воздействие на русло реки. Следствием закрепления положения отмелей в русле является высокая извилистость динамической оси потока, аномальная для такой большой реки, как Лена. Поток вынужден в межень огибать отмели, являющиеся слаборазмывае-мыми (из-за мерзлого ядра) границами потока. Извилины меженного потока, сформированные обширными стабильными аллювиальными массивами, не соответствуют характеристикам гидравлической выгодности.

7. Специфика русловых переформирований, связанная с наличием сезонного и многолетнего промерзания в руслах крупных рек криолитозоны, зачастую оказывают влияние на судоходные условия. Процессы стабилизации крупных русловых форм, связанные с наличием в их толщах мёрзлых ядер, приводят к гипертрофированному развитию побочней, увеличению радиуса закругления судового хода, уменьшению глубин на перекатах, что является негативными последствиями для судоходства. В отдельных случаях они являются причиной изменения положения оси судового хода, нередко требующего значительных объёмов дноуглубительных работ.

8. Основные закономерности формирования мёрзлых грунтов в руслах рек криолитозоны могут быть использованы в проектах улучшения судоходных условий. При трассировании судоходных прорезей следует учитывать сезонную динамику протаивания мерзлоты в русле. Дноуглубление на промерзающих в зимний период участках возможно только в период летне-осенней межени, когда наблюдается их максимальное протаивание. При выборе расположения отвалов извлекаемого грунта необходимо учитывать их промерзание и последующую стабилизацию их положения в русле. Отвалы грунтов, расположенные у боковых кромок прорези, можно использовать для стеснения потока, что будет препятствовать заносимости прорези. Для воздействия на русловые переформирования можно также использовать регулирование температурного режима отдельных участков русла (их искусственное промораживание и протаивание).