Масштабные эффекты изменения речного стока в различных природных условиях

Актуальность исследования. Масштабные эффекты изменения гидрографических, морфометрических, морфодинамических характеристик рек, стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, тепла по длине рек имеют важное научное и практическое значение. Они увязывают интенсивность этйх изменений и размер (порядок) водотока в произвольном створе речной сети. В условиях сокращения числа пунктов гидрологических наблюдений использование масштабных эффектов один из важных факторов создания новых методов расчета характеристик потока и русла. Весьма эффективными могут стать подходы, учитывающие идеи индикационной гидрологии и закономерности изменения осредненных параметров системы руслового потока при последовательном увеличении порядка рек. Определение водно-ресурсного потенциала территории относительно просто (и с достаточной точностью) можно осуществлять на основе региональных связей между водоносностью рек и их порядками (размерами). На произвольном участке рек данные о средних многолетних расходах воды и уклонах рек, зависящие от их размера, являются важнейшей информацией для оценки гидроэнергетического потенциала водных потоков. Сведения о гидрографических, гидрологических и морфометрических характеристиках водотоков исключительно важны для реализации начальных этапов различных проектов в области природопользования и гидроэкологии.

Методы и закономерности индикационной гидрологии позволяют получить представление о величине разнообразных характеристик системы «поток — русло» в верхнем, среднем и нижнем течении рек, а 5 также оценить меру их пространственных изменений. Учет этих изменений является условием получения надежных корреляционных связей между гидрологическими характеристиками и определяющими их факторами, свободных от масштабных искажений.

Цель работы — закономерности изменения гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик рек при увеличении их размера в различных природных условиях. Для их выявления потребовалось: оценить подобие водосборных территорий по условиям формирования стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, стока теплавыявить меридиональную и широтную изменчивость характеристик речного стока в разных природных зонахизучить особенности влияния процессов сосредоточения поверхностных вод в русловой сети на масштабные изменения речного стокатипизировать рисунки речной сетиизучить существующие методы и выбрать оптимальную схему определения размера (порядка) водотоков, определить меру влияния порядка рек на средние многолетние характеристики стока, гидрографические и морфодинамические характеристики рек Россииоценить эффекты изменения характеристик стока при последовательном увеличении размера реквыявить основные факторы масштабных эффектов в различных гидрографических и климатических условиях, определить потенциал и эффективность методов индикационной гидрологии при решении водохозяйственных и экологических задач. 6.

Методика исследования и фактический материал. Исследования выполнены на основе гидролого-географических обобщений осредненных данных наблюдений на гидрологических постах рек России и мирастатистической обработки этих материалов, анализа корреляционных связей между гидрографическими, гидрологическими, морфодинамическими характеристиками рек и их размером (площадью бассейна, порядком). Оценка подобия водосборных территорий по условиям формирования стока воды произведена на основе материалов наблюдений, полученных в рамках Международной гидрологической программы. Типизация рисунков речной сети осуществлена на основе сведений, размещенных в справочнике «Гидрологическая изученность» [Ресурсы., 1966]. Анализ изменения средних многолетних и характерных расходов воды, наносов, растворенных веществ, тепла, гидрографических характеристик рек в зависимости от их размера выполнен на основе справочников Водного кадастра. Масштабные эффекты изменения стока биологических субстанций изучены с привлечением опубликованных данных экспедиционных исследований [Добровольская, 2002, Ежегодник состояния., 1990;1992]. Значительная часть использованных материалов получена автором при проведении натурных исследований в 1995 — 2002 гг.

Предметом защиты являются: закономерности изменения средних многолетних расходов воды при увеличении размера рек в разных природных зонахтипизация рисунков речной сетирегиональные зависимости гидрографических, морфодинамических характеристик и характеристик стока (средних многолетних и характерных расходов воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, тепла) от порядка рекмасштабные эффекты изменения указанных характеристик по длине рек в различных физико-географических 7 условияхрезультаты использования методов индикационной гидрологии при решении водохозяйственных задач.

Научная новизна работы. В диссертации выявлена пространственная неоднородность территории России в отношении величины гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик рек при равенстве площади их водосборов. Разработана оригинальная классификация рисунков систем водотоков, дана характеристика их влияния на продольное изменение характеристик системы «поток-русло». Выявлено подобие речных потоков по зависимости характеристик стока от размера (порядка) рек. Впервые установлена мера масштабных изменений этих характеристик для большинства крупных речных систем Российской Федерации при увеличении порядка реки на единицу.

Практическая значимость исследований связана с разработкой методов решения ряда водохозяйственных и гидроэкологических задач. На основе этих методов можно оценить водные ресурсы неизученных территорий, определить средние, характерные расходы воды в произвольном створе речной сети, если известны ландшафтная зона и порядок реки. Они весьма эффективны при оценке регионального фона и выделении антропогенной составляющей стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций. В диссертации приведены результаты применения методов индикационной гидрологии для оценки гидрологической безопасности переходов трубопроводов через реки в зоне расположения Балтийской трубопроводной системы и нефтепровода «Россия — Китай». Учет масштабных эффектов изменения стока в бассейне Уфы оказался эффективным при определении степени разбавления загрязняющих веществ на участке их потенциального поступления в реку ниже Павловского водохранилища. При изучении 8 состояния рек в черте г. Зеленограда фоновая информация о меженных расходах воды, полученная с учетом масштабных изменений стока, стала основой для выявления его антропогенных составляющих.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования вошли в итоговые отчеты по проектам РФФИ № 97−05−65 094 «Закономерности изменения потоков вещества и энергии по длине речных систем" — 00−05−64 120 «Закономерности трансформации состояния экосистем малых рек в различных природных условиях». Они докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов МГУ («Ломоносов — 97» (апрель 1997 г.), «Ломоносов — 98» (апрель 1998 г.), «Ломоносов — 99» (апрель 1999 г.)), на XII (Пермь, октябрь 1997 г.), XIV (Уфа, октябрь 1999 г.) и XVII (Краснодар, октябрь 2002 г.) Межвузовском координационном совещании по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов, на конференции «Процессы и экологическая обстановка в бассейнах малых рек» (Ижевск, апрель 1999 г.), на конференции «Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы» (г.Тольятти, апрель 2001 г).

Публикации. Итоги исследований изложены в 4 статьях, 2 из которых подготовлены в соавторстве, и 7 тезисах (1 с соавторами).

Структура работы. Работа состоит из Введения, 5 глав и Заключения. В первой главе рассмотрены общие закономерности формирования геостока. Здесь же выполнен анализ зависимости среднего многолетнего расхода воды от размера рек в разных природных зонах. Во второй главе обоснованы признаки подобия и отличий рисунков речной сети, осуществлена типизация структуры водотоков, рассмотрены методы выделения элементов этой структуры в зависимости от их размера (порядка). Третья глава посвящена 9 выявлению зависимости гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик от порядка рек в разных физико-географических районах России. В четвертой главе приведены результаты исследования масштабных эффектов изменения различных характеристик системы «поток-русло». В пятой главе рассмотрен опыт практического применения методов индикационной гидрологии к решению некоторых водохозяйственных и гидроэкологических задач.

Автор благодарит коллектив кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ за помощь в работе над диссертацией. Особую признательность автор выражает профессорам кафедры В. М. Евстигнееву, Г. П. Кумсиашвили, А. В. Христофорову, Р. С. Чалову, доцентам А. М. Алабяну, П. В. Ефремову, В. А. Жуку, М. Б. Заславской, Н. Л. Фроловой, к.б.н. А. В. Гончарову, инженеру К. Ф. Ретеюм, Н. В. Шенберг, С. И. Гаррисону. Автор признателен сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н. И. Маккавеева д.г.н. А. Ю. Сидорчуку, к.г.н. А. В. Чернову, В. В. Иванову, инженеру Б. В. Белому за плодотворную совместную работу в период проведения полевых работ.

Заключение

.

Речной сток (геосток) включает различные составляющие, величина которых в основном зависит от пространственно-временной изменчивости стока воды. В различных природных условиях одинаковая площадь водосбора поставляет в реки разное количество воды, наносов, растворенных веществ и т. п., поскольку изменяется модуль стока воды, а также мутность, минерализация, концентрация биологических субстанций, температура воды.

В одинаковых природных условиях продольная изменчивость характеристик речного стока зависит от условий сосредоточения поверхностного стока в русловой сети территории, типа рисунка речной сети. Все речные сети подразделяются на два типа: стволовые (одиночный водоток без притоков) и древовидные (система из главной реки и притоков). Древовидные речные сети являются симметричными или асимметричными. Асимметрия сети водотоков может прослеживаться по правому или левому берегу главной реки. В зависимости от равномерности впадения притоков выделяется равномерный, привершинный, Ф-образный и корневой тип рисунка речной сети. Равномерность впадения притоков — важный фактор подобия изменений характеристик геостока по длине речных систем.

В произвольном створе этих систем (независимо от природных условий и типа рисунка речной сети) средние гидрографические, гидрологические и морфодинамические характеристики зависят от размера (порядка) реки N. Методы определения N различны, но дают скоррелированные оценки размера рек. В.

145 гидрологических приложениях целесообразно использовать методику А. Шайдеггера для определения порядка реки {Ыш). Она ставит в соответствие величину Ыщ и число притоков длиной менее 10 км в бассейне реки. В лесной зоне к малым рекам относятся водотоки с Ыщ < 6. Средними и крупными являются реки, для которых соответственно 6 < Иш < 16 и 16.

4. В различных физико-географических условиях длина, площадь бассейна, уклоны водной поверхности, средние и характерные расходы воды, взвешенных и влекомых наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, ширина русла, поймы, объем русловых отложений, скорость размыва берегов, гидроэнергетический потенциал, расход тепла являются экспоненциальной функцией порядка рек и региональных параметров этой функции. Величина параметров зависит от географического положения речного бассейна, климатических условий, характера подстилающей поверхности, густоты речной сети.

Меру изменения гидрографических, морфодинамических характеристик учитывает коэффициент их масштабных изменений. При последовательном увеличении порядка реки на единицу площадь бассейна, средний многолетний расход воды и растворенных веществ увеличивается в 2 раза. Длина реки, ширина русла, средний максимальный расход воды, расход взвешенных наносов (при небольших модулях стока воды), расход влекомых наносов — возрастают в п < 2 раз. Средний минимальный расход воды, расход взвешенных наносов (при.

146 большом модуле стока воды), биологических субстанций, тепла — возрастают в т> 2 раз.

6. Выявленные закономерности изменения характеристик геостока по длине речных систем создают предпосылки для разработки методов решения разнообразных прикладных задач. В частности, они позволяют оценить возобновляемые водные ресурсы территории, русловые запасы воды, значения характеристик геостока. Для неизученных рек и начальных стадий разработки проектов в области природопользования эти методы часто оказываются единственно возможными по совокупности требований (информационных, временных, финансовых). Они весьма эффективны для выявления антропогенных составляющих стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций и тепла. Фоновые их значения пропорциональны величине порядка рек. Отклонения фактических данных от фоновых характеристик дают представление о степени антропогенного воздействия на потоки вещества в русловой сети территорий.