Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время предпринимаются попытки оценить влияние вероятных изменении климата на связанные с ним природные процессы, в том числе на водность рек, гидрологический режим, сток наносов и, как следствие, тип русловых процессов и характеристики рек.
Потепление климата северного полушария в целом и европейского севера России в XX веке рассматривают как установленный факт. Однако идет оно неравномерно, с циклами относительных похолоданий и потеплений, природа которых недостаточно изучена и разнообразна.
В основу прогноза типа руслового процесса следует полагать закономерности, связывающие русловой процесс с определяющими его факторами (так называемые критериальные зависимости), которые пока являются основным средством прогнозирования русловых деформаций в условиях резкого нарушения водного режима.
Диссертационное исследование посвящено актуальной проблеме -прогнозированию русловых переформирований и установлению конкретных характеристик рек в условиях возможного потепления климата.
Объект исследования - левобережные притоки Средней и частично Верхней Волги, где сток пока не зарегулирован и определяющими гидрологический и русловой режимы и экологическое состояние рек являются естественные факторы.
Предмет исследования - русловой режим, морфометрические и гидроморфологические характеристики рек в современных условиях и вероятные их значения, соответствующие сценарным изменениям стока воды при потеплении климата.
Целью настоящей работы явилось - установление руслообразующих факторов, закономерностей руслового процесса и оценка руслового режима и гидроморфологических характеристик, определяющих экологическое состояние левобережных притоков Средней Волги в условиях потепления климата.
Для достижения поставленной цели производилось решение основных задач:
определить экологическую напряженность на реках, связанную с неблагоприятными проявлениями естественного и антропогенного изменений гидрологического режима рек в настоящее время;
провести анализ характера руслового процесса в естественных условиях и его связей с основными определяющими факторами;
осуществить оценку имеющихся сценарных результатов стока рек для условий потепления климата с точки зрения возможного влияния на русловые процессы;
охарактеризовать существующие критериальные зависимости, позволяющих определить изменение характера русловых процессов и деформаций в условиях изменяющегося климата;
установить гидроморфологические зависимости, свойственные определенным типам русловых процессов и требующиеся для прогноза характеристик русла и потока в меняющихся природных условиях;
составить фоновый прогноз общих русловых переформирований, объединяющий полученные частные результаты и отражающий реакцию рек при разных сценариях их стока. Тем самым определить схему деформаций необходимую для осуществления детальных расчетов по наиболее значимым участкам рек.
Основные положения, выносимые на защиту.
Экологическое состояние рек, в первую очередь, определяется природными
факторами - неблагоприятными (опасными) проявлениями
гидрологического и руслового режимов. Природные факторы,
определяющие экологическое состояние рек и формирование типов
русловых процессов, практически одни и те же (И.В. Денисова, О.А.
Шелухина, 2003). Изменение русел и пойм одновременно означает и
изменение экологического состояния рек. Результаты исследований
русловых процессов являются основополагающими для выяснения
экологического состояния рек и направленности изменения этого состояния
в случае нарушения динамического равновесия. Прогнозирование русловых
процессов одновременно содержит и элементы прогноза экологического
состояния рек.
"Наибольшее влияние на повышение экологической напряженности из антропогенных факторов оказывают: механические изменения поименно-русловых комплексов; уменьшение водности рек вследствие водозабора; усиление эрозии и заиление рек (особенно малых притоков) из-за сведения лесов, несоилюдения водоохранных зон и защитных полос, а местами и увеличения распашки склонов и пойменных массивов.
Критериальные зависимости, модифицированные применительно к решаемой проблеме и позволяющие оценить вероятность изменения характера (типа) русловых процессов по сценарным характеристикам годового стока воды.
Сводка морфометрических и гидроморфологических зависимостей свойственных участкам рек с определенным типом русел, которые дают возможность рассчитать конкретные значения характеристик рек, в том числе, определяющих их экологическое состояние.
Результаты оценки возможного влияния сценарных характеристик стока на
русловые процессы:
а) типы речных русел (русловых процессов) оказываются относительно
устойчивыми и для абсолютного большинства рассматриваемых рек
сохраняются;
б) ожидаемое изменение морфометрических и гидравлических характеристик
рек, а в отдельных случаях и типа речных русел (схемы деформаций), что
необходимо учитывать при перспективном планировании определенных
отраслей хозяйства и природоохранных мероприятий.
Научная новизна исследования заключается в уточнении распределения
типов исследуемых речных русел и обобщении величин плановых и
вертикальных деформаций рассматриваемых рек; получении нового
критериального графика, учитывающего средние годовые расходы воды;
модификации ряда существующих морфометрических и
гидроморфологических зависимостей (посредством использования средних годовых расходов воды), что позволяет применять их для определения конкретных значений характеристик рек при различных сценарных характеристиках стока воды. Впервые получены значения морфометрических и гидроморфологических характеристик, определяющих пропускную способность (габариты русел), морфологию и экологическое состояние рек в новых климатических условиях.
Теоретическое значение. Изучение закономерностей развития рельефа речных русел имеет большое теоретическое значение. Получение качественных закономерностей, определяющих направление процессов формирования речных русел и эмпирических количественных зависимостей для прогноза режима русел обеспечивают возможность расчета эффективности проектируемых гидротехнических сооружений и мероприятий.
Практическая значимость. Полученные результаты могут использоваться при планировании хозяйственной деятельности и осуществлении природоохранных мероприятий. Они необходимы для составления детальных прогнозов русловых переформирований рек на ближайшие десятилетия и разработки рекомендаций и схем мероприятий по снижению негативных последствий влияния наиболее мощных видов хозяйственной деятельности.
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.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием и анализом обширного картографического материала и данных наблюдений на сети Госкомгидромета, а также наличием апробированных закономерностей русловых процессов и накопленным к данному времени опытом составления фоновых прогнозов русловых переформирований. В ряде случаев достоверность подтверждается и увязкой результатов с данными, полученными другими исследователями.
Методика исследования и исходные материалы.
Составление фоновых прогнозов русловых переформирований при изменении одного или нескольких основных руслообразующих факторов (сток воды, наносов и ограничивающие условия) производится сравнительно недавно.
В качестве основного инструмента при этом используются критериальные зависимости (характеризующие условия перехода руслового процесса из
одного типа в другой) и гидроморфологические зависимости, свойственные каждому типу в отдельности.
В данной работе критериальные характеристики (зависимости) применяются для известных сценариев изменения климата и режима стока рек. Гидроморфологические зависимости, свойственные каждому из основных типов русловых процессов в отдельности и требующиеся для прогноза параметров русел и потока в меняющихся природных условиях с целью учета специфических особенностей решения поставленных задач и наличия исходных данных подверглись модификации.
При анализе русловых переформирований в данной работе нашли применение следующие методы: сравнительно-морфологический (сравнительно-географический), гидролого-морфологической аналогии, гидроморфологических зависимостей (корреляционных связей).
Исходными материалами для работы явились литературные источники, гидрографические описания, лоцманские и топографические карты, планы перекатов, материалы аэрофотосъемки, «Ресурсы поверхностных вод СССР», гидрологические ежегодники. Камеральное изучение и сопоставление (совмещение) топографических и лоцманских карт, планов и специальных съемок русел через определенные промежутки времени позволило получить данные о морфологическом строении русел, их динамике и условиях переформирования.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах, в том числе в журнале «Известия Русского географического общества» (2008). Результаты работы докладывались и обсуждались на Герценовских чтениях в Санкт-Петербурге (2003 и 2005 г.г.), на объединенном семинаре преподавателей кафедры физической географии и природопользования и геологии и геоэкологии РГПУ им. А.И. Герцена (2008 г.), а также на XXII пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ, проходившем в Новочеркасской государственной мелиоративной академии 2-4 октября 2007 г. (доклад «Об оценке влияния возможного изменения климата на русловые процессы рек»). Основные результаты исследования включены в отчет для РФФИ (грант № 06-05-64997).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 22 рисунка и 15 таблиц. Список литературы включает 176 наименований, в том числе 24 иностранных авторов.
