Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы экономические интересы России все более сосредоточиваются в криолитозоне, которая представляет собой перспективный, но труднодоступный и относительно малоизученный регион. Для обеспечения судоходства, проектирования гидротехнических сооружений, транспортного и хозяйственного освоения криолитозоны важно иметь адекватные представления о поведении рек, чтобы обеспечить безопасность и функциональность инженерных сооружений и соблюдение экологических норм. К сожалению, наши познания по части гидрологии криолитозоны и русловых процессов северных рек весьма скромны и не соответствуют наблюдаемой в природе сложности явлений, поскольку гидрология криолитозоны только формируется в качестве самостоятельного раздела гидрологии суши. Таким образом, актуальность проблемы обусловлена недостаточной изученностью руслового процесса рек криолитовоны и необходимостью познания его закономерностей для решения научных и практических задач.
Цель и задачи исследования. Основная цель - исследовать закономерности и вьшвить наличие особенностей руслового процесса рек криолитозоны в специфических условиях полуострова Ямал, обосновать необходимость и способы учета криогенных факторов руслового процесса при изучении явления и решении практических проблем.
В задачи исследования входило:
установить критериальные условия существования рек Ямала;
исследовать морфологию русел в плане;
изучить строение поперечных сечений речных русел;
определить скорости плановых деформаций русел и установить их связь с определяющими факторами руслового процесса;
выяснить роль криогенных факторов в развитии русел;
разработать рекомендации для прогнозирования плановых русловых деформаций в практических целях.
Методика исследований. Поскольку объектом изучения является русловой процесс рек, протекающих в особых условиях, для выполнения работы были использованы методики русловых и мерзлотных исследований. В русловых исследованиях автор руководствовался положениями гидроморфологической теории руслового процесса. В качестве исходного фактического материала по морфологии русел использовались топографические карты масштаба 1:25000 и аэрофотоснимки масштаба 1:10000. Для определения плановых деформаций использовалось дешиф-
рирование и совмещение аэрофотоснимков. В период летних палевых работ осуществлялись замеры деформаций в натуре геодезическими методами. Мерзлотные исследования, направленные на оценку роли криогенных факторов в русловом процессе, состояли в наблюдениях за температурами грунта, воды йвоздуха. Также осуществлялись натурные эксперименты по изучению закономерностей таяния льда в движущейся воде, режимные наблюдения процессов вскрытия рек, развития деформаций и протаивания берегов в различные фазы гидрологического режима. Отдельные задачи решались расчетными гидравлическими и тешюфизическими методами с привлечением теории подобии.
Научная новизна работы. Впервые выполнено статистическое обобщение обширного фактического материала по морфометрии русел свободно меандрирующих рек криолитозоны. Показано, что криогенные факторы не влияют на морфологию русел, обоснована допустимость применения традиционных методов прогноза деформаций в условиях криолитозоны Шала. Выполнено исследование явления плановой асимметрии излучин. Получены новые сведения о строении поперечных сечений меандрирующих русел. Предложена статистически обоснованная зависимость для определения скорости плановых деформаций. Сформулирован новый подход к расчету распределения деформаций на излучинах. Показано, что в случае Ямала мерзлое состояние грунтов и длительность периода открытого русла не ограничивают плановых деформаций, скорость которых снижена за счет влияния снега и пылеватос-ти отложений. Выполнена оценка влияния криогенных процессов и явлений на русловой процесс, предложена новая форма энергетического показателя сопротивляемости грунтов размыву, обосновано применение формул для расчетов таяния природных льдосодержащих объектов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Выявленные закономерности развития свободно меандрирующих русел в условиях криолитозоны Ямала.
-
Роль криогенных факторов в развитии русел рек Ямала.
-
Статистический метод расчета плановых деформаций.
-
Расчетные формулы для определения показателя плановой асимметрии излучин и показателя сопротивляемости грунтов размыву.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы в тех областях хозяйственной деятельности на Ямале, которые нуждаются в прогнозе плановых деформаций речных русел. С учетом ближайших перспектив развития Ямала, это, прежде всего, строительство газопроводов и путей сообщения. Не исключает-
ся также возможность применения результатов исследования и для других сфер водохозяйственной и водопользовательской деятельности, например, водоснабжение, водный транспорт, строительство и т.п.
Поскольку диссертация основана на результатах работ, выполнявшихся по договорам с Ленгипротрансом (ЛГТ), ее положения были использованы при прогнозировании русловых деформаций на нескольких мостовых переходах (через pp. Щучья, Ензоръяха, Еркатаяха, Юрибей и др.) строящейся на Ямале железной дороги Лабытнанги (Обская) -Бованенково - Харасавэй.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на десяти научных конференциях и симпозиумах различного уровня, среди которых: расширенные заседания Научного Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1989, 1990), 3-я Всесоюзная конференция "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989), Конференция молодых специалистов "Эрозионно-аккумулятивные процессы и народное хозяйство" (Москва, 1990), Конференция молодых ученых м специалистов "Вопросы гидрологии суши" (Ленинград, 1990), расширенное заседание Научного Совета по строительству на вечно-мерзлых грунтах и в условиях сурового климата АН РСФСР (Санкт-Петербург, 1991), 6-я Международная конференция по мерзлотоведению "Permafrost" (Пекин, 1993), Международный Симпозиум-Встреча стран Востока и Запада, Севера и Юга для обсуждения состояния знаний в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснования проектирования на реках (Санкт-Петербург, 1994).
Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь научных работ, три находятся в печати, подготовлены пять научно-технических отчетов. Четыре работы переведены на иностранные языки, три из них опубликованы за рубежом.
Место выполнения работы. Диссертация основана на результатах исследований автора, выполнявшихся в 1987-90 гг. на кафедре "Гидравлика и гидрология" Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС, в то время ЛИИЖГ), и в период с 1991 по 1992 гг. - в отделе русловых процессов Государственного гидрологического института (ОРП ГГИ). Выражаю признательность сотрудникам этих научных коллективов: Ф.Э. Арэ, Г.К. Шацилло и Ю.Н. Яркову -принимавшим постоянное участие в совместных работах и обсуждении их результатов, оказывавшим помощь в организации экспериментов и в обработке материалов исследований, без чего было бы невозможным появление настоящей работы; а также - М.М.Гендельману и З.Д. Копа-
лиани, общение с которыми способствовало формированию моих научных взглядов, и А.Б.Швидченко, предоставившему программное обеспечение для расчетов.
Личный вклад автора в работу. В ходе исследований автор принимал непосредственное участие в определении целей и постановке задач, разработке планов и рабочих программ, в проведении полевых работ и обработке их материалов,, в написании ряда научных отчетов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Первая глава посвящена физико-географической характеристике района исследования, главным образом - специфическим мерзлотным условиям протекания рек. Во второй главе изложены результаты выполненных ранее исследований руслового процесса рек криолитозоны. В третьей главе приводятся известные к настоящему времени сведения о механизме развития свободно меандрирующих рек. Четвертая глава содержит результаты исследования закономерностей руслового процесса рек Ямала в сравнении с реками немерзлотной зоны, а также - различных аспектов влияния криогенных факторов на русловой процесс. В пятой же главе рассмотрены некоторые общие проблемы свободного меандрирования, не связанные с наличием криогенных факторов.
Объем диссертации составляет 144 страницы основного текста, 36 иллюстраций и 12 таблиц. Результаты вспомогательных исследований, а также таблицы и иллюстрации большого размера, вынесены в приложения. В списке использованной литературы - 272 наименования.