Сравнительный анализ русловых процессов на больших реках России и Китая

Актуальность темы

Исследованиям русловых процессов на конкретных реках в последние десятилетия уделяется все большее внимание, в том числе в России и Китае. Однако изученность больших и особенно крупнейших рек остается в этом отношении (в мировой литературе) недостаточной, хотя география исследований постепенно и неуклонно расширяется. В России, начиная с 60-х годов, опубликованы научные труды, в том числе монографии, посвященные русловым процессам на Оби (верхнее и среднее течение), Лене (среднее и нижнее течение), Амуре, Волге (в нижнем течении), а также крупные региональные сводки в виде карты «Русловые процессы на реках СССР» (1990) и книги «Русловой режим рек Северной Евразии «(1994). В Китае с 50-х годов ведутся широкомасштабные исследования русловых процессов на реках Хуанхэ и Янцзы — главных источников водных ресурсов страны, важной транспортной магистрали (Янцзы) и, в то же время, объектов повышенной опасности в связи с постоянной угрозой наводнений и размывов берегов. По каждой из этих рек в Китае опубликованы монографии, атлас русловых процессов (Хуанхэ), многочисленные статьи (труды Цянь Нина, Чжоу Вэньхао, Чжао Еаня и др.).

В то же время, несмотря на полученные достаточно обширные материалы по русловым процессам на некоторых (упомянутых выше) больших реках, другие остаются слабоизученными, сведения в литературе о них очень скудны или отсутствуют, хотя на них выполняются значительные объемы регуляционных мероприятий. Отсюда недостаточная эффективность последних, необходимость затрачивать дополнительные средства для достижения практической цели (например, для обеспечения надежной трассы судового хода). К таковым рекам относится, в частности, Северная Двина. Во-вторых, при изучении русловых процессов акцент делается на те формы их проявления, которые в данный момент с практической точки зрения являются наиболее важными, тогда как другие аспекты проблемы остаются малоизученными.

Таковы направленные вертикальные деформации, особенно на реках Россиино даже на реках Китая, где они носят катастрофический характер и являются главной причиной опасности наводнений, внимание сосредотачивается на их следствии (повышение уровней воды), а не на самом явлении. В-третьих, сравнительная «молодость» исследований русловых процессов на больших и крупнейших реках, развитие на них наиболее сложных морфодинамических типов русел, отличающихся специфическими особенностями переформирований, требуют постоянного совершенствования схем деформаций, уточнения выявленных закономерностей, внесения коррективов в прогнозные оценки и рекомендации по регулированию русел по мере накопления новых знаний и получения дополнительных материалов. В-четвертых, исследования русловых процессов на разных реках проводятся независимо друг от друга, отсутствует сопоставление полученных данных и выводов, что не позволяет при многофакторности русловых процессов объективно судить о причинах деформации, развитии тех или иных типов русел и, как следствие, переносить опыт регулирования русел с одной реки на другую. В определенной мере, этот недостаток устранен в России благодаря единому методологическому подходу при изучении русловых процессов на Лене и Оби (работы МГУ). В Китае реки Янцзы и Хуанхэ изучаются разными научно-исследовательскими институтами. В еще большей мере несопоставимость результатов исследований ощущается при сравнении российских и китайских рек, тем более что китайская научная литература недоступна (из-за языкового барьера) ученым России.

Для сравнительного анализа русловых процессов на больших и крупнейших реках выбраны три реки России — Северная Двина, Обь и Лена, отличающиеся по природным условиям формирования, антропогенной измененное&tradeи степени изученности, и две реки КитаяХуанхэ и Янцзы. Такое сопоставление необходимо для устранения перечисленных пробелов в изученности больших и крупнейших рек, обеспечит выявление новых закономерностей развития и уточнения условий формирования русел, расширит знания в области географического русловедения, может стать основой для взаимного использования полученных результатов при решении гидротехнических задач и достижений в регулировании русел рек России и Китая.

Цели и задачи исследований. Основной целью исследований является выявление условий и закономерностей проявления русловых процессов на больших и крупнейших реках, отличающихся по водоносности, особенностям водного режима, геолого-геоморфологическому строению бассейнов, составу и стоку наносов, соотношению в нем взвешенной и влекомой составляющих. Реализация этой цели позволит устранить определенные пробелы в географии русловых процессов, выявить географические различия в развитии русловых деформаций, как вертикальных (направленных), так и горизонтальных, создаст условия для оптимизации регуляционных работ при наиболее сложных формах проявлений русловых процессов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) установлены различия в водном режиме и геолого-геоморфологическом строении бассейнов, определяющие неодинаковые условия развития речных русел;

2) дана оценка стока наносов, взвешенной и влекомой его составляющих, изменений по длине рек и влияния на него гидротехнических мероприятий;

3) определены руслоформирующие расходы воды и их соотношение с развитием русел рек разных морфодинамических типов;

4) выявлены направленность и темпы вертикальных русловых деформаций;

5) определены морфодинамические типы русла, их распространение по длине рек и условия формирования с помощью 0,1 — и 1рдиаграмм;

1 -6.

6) даны характеристики горизонтальных русловых деформаций на исследованных реках;

7) сформулированы основные принципы регулирования русел на основе имеющегося опыта и получения новых закономерностей русловых процессов.

Все задачи решались в сравнительном плане для рек России и Китая с выявлением сходных черт и принципиальных различий, обусловленных неодинаковыми характеристиками факторов русловых процессов.

Методика исследований. При сборе и обработке материалов применялся географический подход к изучению русловых процессов, разработанный Н. И. Маккавеевым и Р. С. Чаловым. Основой для выполнения работы послужили данные натурных исследований, выполненных на реках России экспедициями научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов, на реках Китая — научно-исследовательскими институтами водного хозяйства р. Хуанхэ и р. Янцзы, Хохайским университетом, а также литературные, картографические источники, материалы сетевых наблюдений Гидрометеослужб России и Китая. Автор принимал участие в работе экспедиции на нижней Лене, а также в рекогносцировочном обследовании русел Северной Двины, Хуанхэ и низовьев Янцзы (1997 г.).

Руслоформирующие расходы воды для исследованных рек рассчитаны по модифицированной методике Н. И. Маккавеева с использованием уточнений, связанных с определением временного интервала. Сток донных наносов определен по методике Н. И. Алексеевского. При типизации русел за основу была взята морфодинамическая классификация МГУ, которая дополнена по материалам, полученным для рек Китая. Направленность вертикальных русловых деформаций определялись по кривым связей расходов воды и уровней и по балансу наносов.

Научная новизна работы. В работе впервые даны сравнительная характеристика и анализ русловых процессов на больших и крупнейших реках Евразии, отличающихся по водоносности, величине стока наносов, другим природным и антропогенным факторам. В результате проведенных исследований:

1) установлены (с применением разных методов) направленность и темпы вертикальных русловых деформаций, их изменения по длине рек, преобладающее аккумулятивное развитие рек в их нижнем течении (за исключением случаев пересечения ими горных массивов);

2) определены различия в формах проявления, интенсивности и пространственно-временной изменчивости вертикальных деформаций, обусловленные величинами стока наносов и другими факторами русловых процессов;

3) выявлены условия формирования русел рек разных морфоди-намических типов с помощью <27-диаграмм, /р-диаграмм (уклон-мутность потока) и определения руслоформирующих расходов воды, соответствующих развитию того или иного типа русла;

4) показано, что при большом стоке наносов снижается вероятность образования разветвленных русел из-за быстрого обмеления проток и рукавов и интенсивного блуждания динамической оси потока, приводящей к размыву формирующихся островов;

5) дополнена морфодинамическая классификация речных русел МГУ новыми их типами и разновидностями, которые распространены на реках Китая;

6) установлена в первом приближении связь изменений типов русла по длине рек с устойчивостью русла, составом руслообразующих наносов и влиянием коренных берегов;

7) показаны различия в изменении русловых процессов на Оби и реках Китая, обусловленные влиянием водохранилищ ГЭС с разным режимом их эксплуатации.

Особо следует отметить, что в научной литературе, написанной на русском языке, впервые дается оценка и характеристика русловых процессов на реках Китая, а также обзор китайской научной литературы по русловым процессам. Это позволяет существенно расширить представления в области географии русловых процессов, выявить новые закономерности их региональной изменчивости. С другой стороны, в работе впервые с единых методологических и методических позиций и подходов (главным образом, на основе русской научной школы русловых процессов Н.И.Маккавеева) рассмотрена руслоформи-рующая деятельность больших рек России и Китая.

Практическое значение. Выполненное исследование обеспечивает возможность обмена опытом и взаимного использования приемов и методов регулирования русел специалистами России и Китая с учетом специфики русловых процессов на больших и крупнейших реках обоих стран. Кроме того, отдельные частные результаты исследований должны учитываться при проектировании конкретных гидротехнических работ. В частности, выявление темпов аккумуляции наносов в нижнем течении Хуанхэ и их изменения по длине реки позволяет определить величину ежегодного наращивания противопаводковых дамб. Выделение морфодинамических типов русла на Северной Двине и выполненный анализ результатов его выправления для создания устойчивой трассы судового хода необходим, с одной стороны, для обоснования проектирования судовых ходов, а, с другой, позволяет оценить последствия прекращения этого вида воздействия на реку.

Апробация. Основные результаты исследований доложены на 13-м пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (сентябрь 1998 г.) и двух опубликованных статьяхдве статьи находятся в печати.

Автор считает своим долгом поблагодарить своего научного руководителя — профессора Р. С. Чалова, завкафедрой гидрологии суши МГУ профессора Н. И. Алексеевского, сотрудников научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им.

Н.И.Маккавеева кандидатов географических наук А. МЛлабяна, Н. Н. Виноградову, В. В. Иванова, Р. В. Лодину, С. Н. Рулеву, В. В. Суркова, а также С. Н. Ковалева, Н. В. Анисимову, Л. Н. Никитину, Б. В. Белого, О. М. Кирика, сотрудника кафедры гидрологии суши С.И.Гарри-сона за разностороннюю помощь и консультации в процессе работы над диссертацией. Автор искренне признателен профессорам Чжао Баню, Цзэн Цинхуа и Ли Цунсяню за предоставленные материалы по р. Хуанхэ и организацию экспедиционной поездки по Хуанхэ, позволившей получить дополнительные материалы для работы, а также и сотрудникам Хохайского университета, предоставивших данные натурных исследований и содействующих их выполнению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

I I.

1. Особенности русловых процессов на реках России и Китая I определяются различиями в их водном, режиме, геолого (геоморфологическом строении бассейнов, величине стока и крупности наносов. Реки России характеризуются высоким весенним половодьем и постепенным увеличением роли летних дождевых паводков с запада на восток, реки Китая — летним паводочным периодом, обусловленным выпадением муссонных дождей, сток Хуанхэ в нижнем течении убывает в 1,3 раза вследствие безвозвратного водопотребления, а в зимнюю межень вообще прекращается.

2. Геолого-геоморфологическое строение бассейнов Оби, Лены и Хуанхэ на исследованных участках определяет свободные условия развития русловых деформаций и формирование широкопойменных руселна Северной Двине и Янцзы имеются участки врезанного русла, где благодаря распространению скальных и полускальных горных пород складываются ограниченные условия для русловых деформаций.

3. Русла рек России, несмотря на проведение дноуглубительных и выправительных работ, карьерной добычи стройматериалов и местных инженерных мероприятий в целом сохраняется в естественном состоянии. На Оби, а также на реках Китая определенное влияние на развитие русла оказывают водохранилищами ГЭС. Наибольшее техногенное воздействие испытывают русла Хуанхэ и Янцзы, на всем протяжении которых построены противопаводковые дамбы и берегозащитные сооружения. Антропогенные факторы русловых процессов на китайских реках являются по значимости такими же, как природные.

4. Неодинаковые природные условия в бассейнах рек определяют различия в интенсивности водно-эрозионных процессов стоке наносов. Реки таежной зоны России характеризуются малой мутностью воды (средне годовое значение — 0,04 — 0,046 кг/м3) и сравнительно небольшим стоком взвешенных наносов, величина которого определяется водоносностью рек (норма стока воды и среднемноголетний сток взвешенных наносов в 7−8 раз больше на Лене, }юм Северной Двине). На Оби (степная зона), при норме стока воды, близкой к Северной Двине, сток взвешенных наносов на порядок величины больше, достигая мак.

I (.

I — симума при пересечении рекой сложенного лессовидными суглинками Предалтайского степног о плато.

5. Хуанхэ относится к рекам с наибольшим стоком взвешенных наносов: ее мутность в нижнем течении колеблется в пределах 24,8−35,8 кг/м3, среднемноголетний сток наносов достигает 1736 млн.т. Это связаг, но с пересечением рекой в среднем течении Лессового плато, где происходит катастрофический смыв почв. Промежуточное положение занимает Янцзы, у которой сток взвешенных наносов формируется в Сычуан-ский котловине, где распространены мощные красноцветные тощи.

6. Для рек Китая характерно соответствие средней крупности взвешенных и руслообразующих наносов, что обусловливает постоянный массообмен между потоком и руслом. На реках России крупность взвешенных наносов больше, чем руслообразующих на Хуанхэ, и в 4−10 раз меньше собственных. Это определяет замедленный массообмен и резкую дифференциацию на них транспорта взвешенных и влекомых наносов.

7. Крупность руслообразующих наносов уменьшается по длине рек, если они выходят из гор на равнину, по мере уменьшения уклоновв других условиях она колеблется в зависимости от строения долин, впадения притоков и т. д. В нижних бьефах ГЭС, вследствие дноуглубительных работ и стеснения русла дамбами происходит укрупнение руслообразующих наносов. Однако очень мелком составе (реки Китая) это не приводит к изменению их гранулометрический категории.

8. Сток влекомых наносов для больших рек России и Китая зависит, главным образом, от порядка реки, продолжительности половодья, состава русловых отложений, направленности массообмена в системе «поток-русло» и вертикальных русловых деформаций. Доля стока влекомых наносов изменяется в широких пределах: от 0,1−0,3% на.

Хуанхэ (реке с большим стоком взвешенных наносов и малой круп-1 ностыо русловых отложений) до 35−43% на Северной Двине и Лене. На.

I I.

Оби пересечение рекой сложенного лессовидными отложениями Пре-1 далтайского плато сопровождается снижением доли стока влекомых наносов.

9. Руслоформирующие расходы проходят на Северной Двине, Лене, Хуанхэ и в низовьях Янцзы при уровнях затопления поймы (верхний) и в ее бровках (средний), на Оби и на остальном протяжении Янцзы — до выхода воды на пойму. По этому показателю Хуанхэ и Янцзы (в низовьях) образуют одну зону, в которую входят Амур, реки Монголии и Средней Азии, для которой характерен летний многоводный период. Янцзы за пределами Великой Китайской равнины по условиям прохождения <2 $ входит в следующую к югу зону.

10. Реки России в большинстве своем имеют слабоустойчивое и относительно устойчивое русло. Лишь на верхней Оби есть участки не.

I I устойчивого русла. Хуанхэ отличается от всех рек самыми низкими значениями показателей устойчивости, что позволяет выделить дополнительную градацию абсолютно неустойчивых русел (Л<0,5). Русло Янцзы является относительно устойчивым и устойчивым. Отмечено увеличение устойчивости русла в нижних бьефах ГЭС и на участках рек, наиболее стесненных дамбами (реки Китая).

11. В нижнем течении рек происходит аккумуляция наносов — направленные вертикальные деформации положительного знака, что связано с уменьшением уклонов и устьевым удлинением рек. При большом стоке наносов (реки Китая) она носит катастрофический характер — до 7−9 см в год, вследствие чего меженное русло располагается выше окружающей местности и существует постоянная угроза наводнений. Стеснение реки дамбами, предотвращая последние и увеличивая транспортирующую способность потока, активизирует процессы аккумуляции из-за сосредоточения стока наносов в узкой полосе между дамбами. При пересечении реками горных массивов аккумуляция сменяется врезанием (Янцзы) или врезание проявляется до устьевой области (Лена в низовьях). При малом стоке наносов темпы аккумуляции невелики, а граница участков с разной направленностью вертикальных деI формаций мигрирует по длине реки в зависимости от вековых изменений водности (Обь).

12. При создании водохранилищ в нижнем бьефе аккумуляция наносов сменяется врезаниемпри малом стоке наносов (Обь) это длительный направленный процесс, при большом сток-е наносов (реки Китая) кратковременныйпри определенных видах регулирования стока (на Хуанхэ) врезание наблюдается только на приплотинном участке, тогда как ниже по течению сохраняется процессы аккумуляция. Выше водохранилищ происходит регрессивная аккумуляция наносов.

13. На всех исследованных реках выделены морфодинамические типы русел по классификации МГУ, уточненной для рек Китая. На Хуанхэ специфическими разновидностями русел являются прямолиI нейные блуждающие и меандрирующие блуждающие, на Янцзыасимметричные одиночные разветвления с заваленной излучиной одного из рукавов («голова утки»). На больших реках России доминируют сложные формы разветвленийна реках Китая с большим стоком наносов рукава быстро мелеют и отмирают, вследствие чего разветвленное русло не формируется или не является доминирующим.

14. Применение метода <2/-Диаграмм для выявления условий развития русел разных типов показало, что наибольшей мощности потока соответствуют разветвленные русла (кроме Янцзы) и блуждающие разновидности русла р.Хуанхэ. При наименьшей мощности потока формируется меандрирующее русло, а также асимметричные разветвления с заваленной излучиной развивающегося рукава (Янцзы). В поле диаграммы «уклон-мутность потока» максимуму I и минимуму р соответствуют разветвленные русла рек России, минимуму I и максимуму р остальные типы русла. При одних и тех же уклонах и мощности потока увеличение стока наносов приводит к смене разветвленного русла не-разветвленным, а затем блу"сдающим. !

15. Условия формирования типов русла коррелируют с русло-].

I I формирующими расходами |воды. Разветвление русла р. Лены обус-| ловлено прохождением обоих пиков ()ф. На Северной Двине формирование разветвлений связано только с верхним пиком (2ф. На Оби ниже устья Томи особенности прохождения 0, ф соответствуют развитию ме-андрирующего, а у г. Новосибирска — прямолинейного русла. Условия формирования блуждающих типов русла на Хуанхэ и, других — на Янцзы также связаны с (2ф.

16. Для русел каждого типа описаны основные схемы переформирований, установлены связи их интенсивности с устойчивостью русла, величиной руслоформирующих расходов, развитием и смещением крупных грядовых форм. Установлена зависимость ширины пояса блуждания русла неустойчивой реки (Хуанхэ) от величины числа Лох-тина. В блуждающем прямолинейном русле деформации связаны с миграцией динамической оси потока, огибающей побочни, определяемой обратной зависимостью степени развитости ее излучин от текущего расхода воды. Главной причиной резких изменений положения меженного русла в пределах пояса блуждания (до нескольких километров в год при ширине русла 700−800 м) является ее спрямление в многоводную фазу режима.

17. Основные принципы регулирования русел рек зависят от их хозяйственного использования и форм учета русловых процессов. На больших реках России преимущественно требуется выполнение дноуглубительных и выправительных работ, связанных с созданием нормальных условий судоходства и мероприятий по обеспечению безопасности инженерных сооружений. На реках Китая главным является возведение противопаводковых дамб, предохранение их от размыва и своевременное наращивание в высоту в зависимости от темпов аккумуляции на реке.