Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика мелководного устьевого взморья р. Волги 8
1.1. Определение границ и районирование 8
1.2. Изученность 12
1.3. Геологическое строение и рельеф 16
1.4. Донные грунты 24
1.5. Высшая водная растительность и зарастаемость 29
1.6. Каналы (характеристика, схема расположения) 42
1.7. Использование космических съемок 45
ГЛАВА 2. Режим мелководного устьевого взморья Р.Волги 53
2.1. Колебание уровней воды 53
2.1.1. Многолетние колебания 53
2.1.2. Сезонные колебания 56
2.1.3.Сгонно-нагонные колебания 59
2.2. Уклоны водной поверхности 65
2.3. Скорости течений 70
2.3.1. Стоковые течения 70
2.3.2.Течения основных каналов и бороздин 75
2.3.3.Течения в период ледостава 78
2.3.4.Течения при нагонах и сгонах 79
2.3.5. Периодические течения, вызываемые бризами 81
2.4. Пространственное расположение стоковых течений. Методика составления карт стоковых течений по космическим снимкам 82
2.5. Сток воды 93
2.5.1. Распределение стока воды по районам 93
2.5.2.Расчеты стока с использованием космической фотосъемки 103
2.6. Сток наносов 105
ГЛАВА 3. Формирование гидрографической сети мелководного устьевого взморья Р. Волги 108
3.1. Динамика морского края дельты.. 108
3.2. Активный рост дельты в местах выхода проток 114
3.3. Формирование гидрографической сети в местах основных стоковых струй. Прогноз развития гидрографической сети в пределах мелководного взморья ... 124
3.4. Морской устьевой бар 128
ГЛАВА 4. Использование мелководного устьевого взморья р. Волги в народном хозяйстве и возможные пути контроля и улучшения его гидрологического режима 135
4.1. Значение региона для рыбного хозяйства 135
4.2. Предложения по трассированию каналов 136
4.3. Регулирование зарастаемости 147
Заключение 148
Литература
- Геологическое строение и рельеф
- Уклоны водной поверхности
- Формирование гидрографической сети в местах основных стоковых струй. Прогноз развития гидрографической сети в пределах мелководного взморья
- Предложения по трассированию каналов
Введение к работе
Актуальность исследования. Устьевая область р. Волги изучена намного лучше, чем устья других рек России. Наиболее крупные работы выполнены Б.А. Аполловым, С.С. Байдиным, В.В. Валединским, Г.Ф. Красножоном, Ф.Н. Линбергом, В.Н. Михайловым, В.Ф. Полонским, М.М. Роговым, И.В. Самойловым, Н.А. Скриптуновым и др. В последние десятилетия активное участие в изучении устья р. Волги принимали сотрудники ИВП РАН, ГОИНа, географического факультета МГУ. Ими достигнуты серьезные результаты в области гидрологии и гидрохимии устьевой области р. Волги.
Несмотря на это, недостаточно внимания уделялось мелководному устьевому взморью (МУВ) р. Волги (отмелой зоне устьевого взморья). Оно занимает площадь около 9 тыс. км и имеет огромное значение для рыбного хозяйства Каспийского моря. Обширное мелководное хорошо прогреваемое и сильно заросшее высшей водной растительностью пресноводное взморье, аккумулирующее большую часть твердого стока р. Волги, является основной кормовой базой мальков промысловых рыб Северного Каспия [56]. Природные условия этого региона и примыкающей мелководной части Северного Каспия являются определяющими для прохода и нереста многих ценных пород рыб, развития икры и нагула молоди. Географическое положение мелководного взморья р. Волги на стыке одного из важнейших в стране речного пути с морским определяет и большое транспортное значение данного региона.
В настоящее время имеется ряд работ, посвященных исследованию естественных условий устьевого взморья р. Волги, но большинство из них не в состоянии удовлетворить современные научные и практические запросы, тем более что до последнего времени динамика мелководного устьевого взморья изучена чрезвычайно слабо. Исключением являются пересекающие взморье рыбоходные и судоходные каналы, при этом большая часть его площади остается мало исследованной.
Слабая изученность мелководного устьевого взморья связана с его труднодоступностью из-за малых глубин (1 - 2 м) и зарослей макрофитов. Дефицит информации заметно обострился в последние 10-15 лет, когда произошло резкое сокращение объема гидрометеорологических исследований в устье р. Волги. Значительная часть материалов и выводов, полученных ранее, устарела и не может быть использована для характеристики современных условий. Постепенное накопление натурных данных, данных космических съемок, появление новых технологий обработки космических снимков позволяет получить новые научные и прикладные результаты.
Цель исследования заключается в определении пространственно-временных
закономерностей гидролого-морфологических процессов на мелководном устьевом взморье
р. Волги на основе компьютерной обработки материалов космических фотосъемок.
Для этого потребовалось решить ряд частных задач:
^л 1. Изучить существующие методы дешифрирования и возможности компьютерной
л обработки графических данных применительно к материалам космических фотосъемок.
, 2. Создать электронный атлас фотокарт мелководного устьевого взморья р. Волги,
включающий 43 фото карты за период с 1975 по 1997 гг., выполненные в едином масштабе
О 1:200 000, пространственно совмещенные и имеющие наземное разрешение 20 м.
^"> 3. Разработать методику составления карт стоковых течений мелководного
устьевого взморья р. Волги по космическим фотоснимкам.
4. Составить карты основных элементов природных комплексов мелководного
. устьевого взморья р. Волги, необходимые для оценки современного гидрологического
состояния и прогноза изменений в будущем:
карты надводной растительности за разные годы;
(а
карты стоковых течении в половодье и межень при различных уровнях стояния Каспийского моря.
5. - Уточнить внешние границы и существующее гидрографическое районирование
мелководного устьевого взморья р. Волги на основе изучения переноса водных масс и
наносов.
6. Изучить процессы, влияющие на формирование мелководного устьевого взморья
р. Волги, в том числе:
колебания уровней воды различного характера;
закономерности зарастания высшей водной растительностью на всех участках мелководного взморья с учетом сезонной и многолетней динамики; закономерности распространения стоковых течений при различных гидрометеорологических условиях.
7. ) Разработать компьютерную программу расчета площадей мелководного устьевого
взморья р. Волги, занятых надводной растительностью и стоковыми течениями. Получить
количественные характеристики в границах выделенных районов.
Методика исследований и фактический материал. Основная идея исследования заключалась в применении современных методов компьютерной обработки графических данных к изучению материалов космических съемок. Пространственные распределения водных объектов, изменение гидрографической сети мелководного устьевого взморья, миграция морского края дельты, развитие дельты в местах выхода проток изучались на
основе современных компьютерных технологий, что обеспечило получение главных научных результатов. Нами разработаны и использованы методика создания карт стоковых течений мелководного устьевого взморья р. Волги по космическим фотоснимкам и методика расчета площадей распространения надводной растительности и стоковых течений на мелководном устьевом взморье р. Волги по космическим фотоснимкам.
В работе использованы материалы космических съемок за период с 1975 по 1997 гг., выполненные камерой КФА-1000 с космических аппаратов серии "Ресурс-Ф1М", а также данные натурных исследований устьевого взморья р. Волги экспедициями ИВП РАН и ГУ ГОИН.
Предметом защиты являются научные, методологические и прикладные результаты изучения динамики мелководного устьевого взморья р. Волги под влиянием природных и антропогенных факторов за период с 1975 по 1997 гг. на основе использования материалов космических съемок:
Новые данные по распространению стоковых течений и надводной растительности на мелководном устьевом взморье р. Волги, закономерности зарастания надводной растительностью при повышении уровня Каспийского моря от -29,0 до -26,7 м БС, оценка стока воды и наносов по районам, данные по динамике морского края дельты.
Гидрографическое районирование мелководного устьевого взморья р. Волги, уточненное по составленным картам стоковых течений. Уточнение внешних границ региона.
Компьютерная методика составления карт стоковых течений мелководного устьевого взморья р. Волги по космическим фотоснимкам и расчета площадей распространения стоковых течений и надводной растительности.
А. Фоновый прогноз будущей русловой сети в пределах мелководного устьевого взморья р. Волги при уровне Каспийского моря ниже -26,7 м БС и предложения по трассированию рыбоходных каналов в целях уменьшения их заносимости и увеличения пропускной способности.
Научная новизна работы.
Уточнены внешние границы и гидрографическое районирование мелководного устьевого взморья р. Волги по составленным картам стоковых течений. Южная морская граница установлена впервые по зоне схождения речных стоковых струй и морских вдольбереговых течений.
Впервые создан электронный атлас стоковых струй мелководного устьевого взморья р. Волги за период с 1975 по 1997 гг. Число струй в атласе превышает 300. Минимальная ширина струи 20 м. Каждая струя представлена в виде отдельного объекта
данных и имеет точные координаты на местности.
/ 1[ Впервые составлены карты стоковых течении мелководного устьевого взморья р. Волги в масштабе 1:200 000 при различных уровнях стояния Каспийского моря:
в половодье при уровне моря от -29,0 до -28,2 м БС
v^. - в половодье при уровне моря от -28,2 до -26,7 м БС
/Съ - в межень при уровне моря от -28,2 до -26,7 м БС
(^ - все течения за период с 1975 по 1997 гг.
Определены закономерности изменения площадей распространения надводной растительности на мелководном взморье р. Волги при повышении уровня Каспийского моря от-29,0 до-26,7 мБС. і
Разработана компьютерная' методика составления карт стоковых течений мелководного устьевого взморья р. Волги по космическим фотоснимкам.
Практическая значимость исследования связана с возможностью использования его результатов для трассирования судоходных и рыбоходных каналов на мелководном устьевом взморье р. Волги, планирования прокосов высшей водной растительности и других мелиоративных мероприятий, оценки запасов и путей транспортировки тростника к местам использования или переработки.
Разработанная в рамках методики компьютерная программа для расчета площадей, занятых надводной растительностью и стоковыми течениями, позволяет уменьшить затраты труда и времени при численной обработке космических снимков.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на четырех конференциях. На конференции молодых ученых Института водных проблем РАН в 2003 году работа отмечена премией. Результаты исследований частично использованы при разработке ФЦНТП Мировой Океан 6.8. По теме диссертации опубликованы две статьи и тезисы на двух конференциях, еще две статьи находятся в печати.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение и четыре приложения. Она изложена на 215 страницах машинописного текста (в т.ч. 72 рисунка, 48 таблиц). Список литературы насчитывает 64 наименования.
Благодарности. Автор диссертации благодарен чл.-корр. РАН Ю.С. Долотову, д.г.н. Г.Н. Панину, д.т.н. М.В. Болгову и д.б.н. Е.М. Гусеву за ценные советы и рекомендации. Глубочайшую признательность автор выражает д.г.н. Г.Ф. Красножону за научное руководство, конструктивную критику и неизменную поддержку на протяжении всей работы.
Геологическое строение и рельеф
Гидрологические условия мелководного устьевого взморья р. Волги тесно связаны с его геологическим строением и геоморфологическими особенностями. К примеру, на формирование или ветвление новых протоков и подводных бороздин оказывают влияние многие факторы, в том числе геологическое строение дна, глубина залегания трудно размываемых пород и закономерности аккумуляции наносов в разное время.
На месте современного мелководного устьевого взморья р. Волги за исторический период сформировались особые геоморфологические условия, которые при определенных высотных отметках уровня Каспийского моря определяют судьбу всей устьевой области р. Волги. За период своего развития местоположение прадельт р. Волги и морского края дельты смещалось на десятки и сотни километров, что было вызвано значительными колебаниями стока р. Волги и уровня Каспийского моря. В результате этого сформировалось несколько реликтовых дельтовых террас на высотных отметках от -21,0 до -34,0 мБС [48]. Эти прадельтовые террасы периодически затапливались и обсыхали, а их рельеф сглаживался.
В современный период две из этих реликтовых дельтовых террас затоплены морем. Первая, придельтовая терраса, на которой располагается мелководное устьевое взморье, имеет высотные отметки от-27,0 до -30,0 м БС. По данным бурения, проведенным в разное время, начиная с 1929 г., в основе этой террасы залегают древние хвалынские отложения [49, 5, 47]. Их перекрывают более молодые грунты (слоем от 0,5 до 1 - 3 м) как речного, так и морского происхождения, часто не связанные с современными процессами осадкообразования. Мощность современных отложений определяется амплитудой колебания древнего рельефа. Вторая подводная терраса, "дербентская платформа", прилегающая с юга к первой, имеет высотные отметки от -30,0 до -34,0 м БС, относительно ровный рельеф дна и ширину от 35 до 60 км. С юга она заканчивается свалом глубин (изогипсы -34,0 до -40 -43 м БС) Северного Каспия. Этот свал глубин является переходной зоной от подводной "дербентской" террасы к более глубокой части Каспийского моря.
Первые исследования геологического строения района Волго-Каспийского канала были проведены М.Ф. Розеном в 1926 - 1927 гг. [49]. По результатам этих работ выяснилось, что в этом районе во многих местах залегают коренные породы, слагающие подводные бугры Бэра. Глубина залегания этих пород колеблется в пределах 0,1-4,8 м, а межбугровые подводные котловины заполнены песчано-илистыми отложениями.
В 1938 - 1939 гг. в результате геологических изысканий Центроморпроекта выяснилось, что дно к западу от канала сложено преимущественно песками аллювиального происхождения, и только в некоторых местах прослеживаются линзы суглинка. Местами заиленность очень велика, например, у Лагани мощность слоя илистого грунта («баткака») бывает выше 1 м. В районе Лаганского канала обнаружен выход на поверхность дна коренной породы, где вскрыт слой глины мощностью до 5 м. Местами тяжелый суглинок залегает под слоем современного осадка в 2,5 м [56].
К востоку от Волго-Каспийского канала под слоем песка в 20 - 30 см лежит песчанистый ил с большим количеством растительных остатков. У о. Зюйдева в 1954 г. Е.Ф. Белевич обнаружила бурением хвалынские и хазарские отложения. Хвалынские породы залегают на глубине 1,5 м и на протяжении 12 м по вертикали представлены крупнозернистыми осадками - песком, глинистым песком, супесью. Ниже располагаются плотные тяжелые суглинки, иногда с песчаными прослоями.
По данным В.К. Щедрова (1937) в районе Каменской ямы наиболее распространен суглинок. В самой Каменской яме наблюдаются средние и тяжелые суглинки с небольшими прослойками супесей и легких суглинков. Иногда тяжелые суглинки залегают близ поверхности дна под небольшим слоем песка или супеси, а кое-где суглинки выходят прямо на поверхность дна. Такое «близкое залегание плотных коренных пород Пахомова [43] объясняет большими скоростями течений в Каменской яме, вследствие чего песчаные частицы не аккумулируются здесь, а уносятся дальше в море.
Район мелководного устьевого взморья р. Волги между Каменской ямой и Белинским каналом представляет собой пространство, покрытое в основном пылеватым, реже илистым песком. На протяжении 1 - 12 км от берега на незначительной глубине обнаружены коренные породы в виде суглинков. Южнее вскрыты плотные темно-серые отложения, которые, по мнению Гудкова [17], представляют собой породы древней дельты р. Волги.
Подробные геологические исследования в районе Белинского канала проводились Союзморпроектом в 1940 и 1954 гг. По данным 1940 г., по всему профилю вдоль Белинского канала на протяжении 40 км от Белинского маяка на глубине до 8 м обнаружены песчано-илистые осадки - пески, супеси и мелкие суглинки. В 1954 г. на юго-восток от Белинского маяка до свала глубин Каспморпроектом была заложена 21 скважина. На основании этих исследований был составлен геолого-литологический профиль дна этого района. Весь профиль характеризуется залеганием на небольшой глубине трудноразмываемых пород (глин и суглинков) хвалынского возраста. Над ними располагаются более легкие или размытые и уже переотложенные хвалынские отложения.
В 1954 г. в районе Карайского канала Каспморпроектом и Рыбпортом были заложены 24 скважины. Там были обнаружены бугровые породы с цоколем из тяжелых суглинков и глин, выходящих почти на поверхность дна в 4 км южнее Карайского маяка. Сверху тяжелый суглинок был покрыт супесью и легким суглинком. По утверждению Гудкова [17], в районе мелководного устьевого взморья к востоку от Карайского канала близко залегают древние породы. В восточной части дельты, по сравнению с другими ее районами, отмечено наиболее высокое положение хвалынских глин [21].
Современное мелководное устьевое взморье расположено на одной из волжских прадельт, поверхность которой частично размыта и перекрыта слоем современных отложений. Это обусловило в целом сглаженный рельеф с остаточными аккумулятивными и эрозионными формами. Максимальный перепад высот (с учетом каналов и островов) не превышает 3 - 4 м. В подводной части рельеф еще более сглаженный, с перепадом высот до 1,5 м. Дно мелководного взморья «пузырится» низкими холмиками, которые образуются в куртинах рогоза и тростника. Отмечаются конусовидные микрокочки 12-15 см высоты, мелкие овальные понижения в дне (1,5 на 2,5 м) и другие микро рельефные образования.
Основными элементами естественного рельефа мелководного устьевого взморья являются: речной и морской устьевые бары, морские и придельтовые острова, отмели (осередки), придельтовые и подводные косы, ямы, култуки, бороздины и каналы [54]. Положительные формы рельефа имеют различное происхождение и, обычно, сгруппированы в крупные массивы, вытянутые вдоль стоковых течений. В зависимости от многолетних и сезонных изменений уровня воды острова могут превращаться в отмели. Большинство островов заросло высшей водной растительностью. Низменность островов и заросли растительности не позволяют однозначно определять их границы.
Острова и надводные косы сложены волжским аллювием и вытянуты в сторону моря по направлению стокового течения. Они очень низки и в период половодья и при сильных нагонах затапливаются водой. Наиболее крупными надводными придельтовыми косами являются Бабинская, Блиновская, Джамбайская, Мартышкина, Морская и Сомовья, которые при уровне выше -27,0 м БС также частично затапливаются.
Уклоны водной поверхности
Из-за неравномерного распределения стока р. Волги вдоль морского края дельты профиль водной поверхности мелководного устьевого взморья параллельно МКД может представлять собой волнистую линию. При этом отметки уровенной поверхности воды на участках с сосредоточенным стоком могут быть несколько выше отметок соседних участков с незначительным стоком. Выравниванию отметок водной поверхности очень часто препятствуют косы и острова взморья, вытянутые вдоль стоковых течений. Таким образом, вблизи морского края дельты могут иметься незначительные уклоны водной поверхности поперек стоковых струй, от участков с относительно большим речным стоком, к соседним участкам с менее значительным стоком. Наличие таких областей может способствовать поперечному обмену, который по данным космических фотосъемок наблюдается в проливах между островами и косами, разделяющими различные участки взморья, только при сильных ветрах определенных направлений, особенно в межень.
В восточной части мелководного устьевого взморья р. Волги возникновению течений с составляющей вдоль МКД при наличии ветров восточных направлений может способствовать наличие незначительных уклонов водной поверхности в юго-восточном направлении. Существенное влияние на режим таких поперечных течений оказывает высшая водная растительность, способствуя уменьшению скоростей течения и подпорному повышению уровня воды. Особенно ярко подобные течения были выражены в 50-е годы в районе Иголкинской бороздины. Речной сток, приходящийся на Обжоровский участок МКД и на район Иголкинского банка, примерно одинаков. Но первый сильно зарастает растительностью, в то время как второй очищается от нее искусственным путем. На первом участке уровень вследствие добавочного гидравлического сопротивления за счет растительности выше, чем на втором, поэтому существует устойчивое течение из первого участка во второй через пролив между о. Песчаная Коса и о. Маленьким, а также южнее о. Маленького [56]. Наличием местных уклонов водной поверхности взморья отчасти можно объяснить схождение некоторых стоковых струй в один поток.
Характер уклонов водной поверхности мелководного устьевого взморья р. Волги изменяется при сгонно-нагонных колебаниях. При нагонах вследствие подпора речных вод морскими водами уклоны водной поверхности уменьшаются, особенно вблизи морского края дельты. Во время больших нагонов уклоны воды на взморье могут падать до нуля, а иногда, в нижней части взморья, принимать даже отрицательные значения. Так, например, 7 октября 1954 г. нагонный ветер ВЮВ 6-11 м/с на участке 12-я Огневка - Стационар Белинского канала создал обратный уклон воды, равный -0,07%о; в то же время на участке Белинский маяк - 12-я Огневка уклон был равен +0,027%о.
При сгонах происходит увеличение уклонов водной поверхности, особенно в нижней части мелководного устьевого взморья. Например, на трассе Белинского канала сгонный западный ветер (10 - 12 м/с) 14 августа 1954 г. вблизи морского края дельты (Белинский маяк - 12-я Огневка) почти не изменил уклона, а в нижней части (12-я Огневка - Стационар № 3) он вызвал уклон 0,020%о, в то время как до сгона средний уклон был равен 0,008%о. Наличие речного стока приводит к тому, что сгонная волна при приближении к МКД уменьшается значительно быстрее, чем нагонная.
В то же время в западной части взморья, на профиле Лагань - д/к "Донбасс", сгонно-нагонные явления происходят так же, как у обычного мелководного берега без речного стока, т.е. при сгоне наблюдается уклон воды к берегу, а при нагоне - от берега.
Уклоны водной поверхности в сезонной динамике, измеренные на полигонах ИВП РАН в 1982 - 1983 гг., представлены на рис. 2.3 и рис. 2.4. Ранее упоминалось, что верхний полигон в 1982 г. был сдвинут относительно полигона в 1983 г. на запад примерно на 350 - 400 м. Вероятно, этим можно объяснить несколько большие уклоны на последнем, если учесть преобладающее направление стоковых течений на этом участке и близость ограничивающих поток тростниковых зарослей. Из рис. 2.3 следует, что различия в уклонах были невелики, причем чаще несколько большие уклоны фиксировались в МКП, примыкавшем к протоке с востока. Вообще же уклоны для верхних полигонов в разные годы оказались неожиданно высокими, не отмечавшимися до этого для дельты р. Волги. Связано это, по-видимому, с тем, что участок верхних полигонов находится между тростниковыми массивами, с запада тяготеющими к островам Вшивым, а с востока - к Зюдостинским, стесняющими поток.
Сроки наступления максимальных значений уклонов несколько опережали сроки установления максимального уровня воды, что хорошо видно из рис. 2.3. Уклоны на среднем полигоне были невелики (рис. 2.4) и характерны для нижней зоны дельты, временной ход кривых J(f) и H(t) более плавный.
Для нижнего полигона временная зависимость и уклонов, и уровней характеризовалась значительной изменчивостью (рис. 2.4); при ветровых нагонах уклоны водной поверхности могли сменить знак на обратный в течение нескольких часов; за период наблюдений зарегистрированные значения уклонов колебались от -3,2 до +9,6 см/км.
Связь J(H) для всех полигонов имеет сложный петлеобразный характер (рис. 2.6). Наиболее проста эта связь для среднего полигона, в ноябре месяце петля близка к замыканию. Для верхних полигонов характер зависимости более сложный, точки испытывают большее рассеяние, что, по-видимому, связано с более сложной морфометрией окрестностей полигонов: наличием проток, малопроницаемых тростниковых "островов", ильменеобразных малопроточных заливов в тростниковых крепях, обуславливающих процессы водообмена между различными частями участка с различной временной задержкой. Для верхнего и среднего полигонов ветвь петли, соответствующая фазе подъема уровня воды, идет выше ветви, соответствующей спаду, чего и следовало ожидать, поскольку передний фронт волны попуска для Волгоградской ГЭС круче заднего. Для нижнего полигона построить хотя бы приблизительную зависимость J(H) не удается.
Значительные площади дельты на расстоянии 25 - 30 км от морского края могут иметь значения уклонов, достигающие 15 -20 см/км, а локальные значения могут достигать еще больших значений - до 80 см/км [60]. Участки дельты с относительно высокими значениями уклонов возникают, по всей видимости, при стеснении распластанного потока массивами высшей водной растительности, прежде всего тростниками. В 10-15кмот морского края дельты значения уклонов в чистых зарослях ежеголовника в среднем составляют около 4 см/км, а на самом краю около 2 см/км. В этом районе, представляющем собой, собственно, уже буферную зону дельты, временная зависимость уклонов (и уровней) характеризуется значительной изменчивостью из-за подверженности водной поверхности воздействию ветровых нагонов. Связь "уклоны - уровни" для всех участков имеет сложной петлеобразный характер, причем ветвь петли, соответствующая фазе подъема уровня воды, идет выше ветви, соответствующей спаду уровня.
Формирование гидрографической сети в местах основных стоковых струй. Прогноз развития гидрографической сети в пределах мелководного взморья
Комплекс любых мелиоративных мероприятий в пределах мелководного устьевого взморья р. Волги должен быть увязан со схемой районирования, картами стоковых течений, высшей водной растительности и прогнозом развития будущей гидрографической сети.
Для устьевых областей с песчаными наносами, отвлекаясь от фактора времени, мы всегда в конечную фазу развития будем иметь сформировавшееся мелководное устьевое взморье с более или менее четко выраженным морским баром в конце. Именно в пределах мелководного взморья закладываются основы будущей гидрографической сети. На водоемах со стабильным уровнем этот процесс проходит быстрее. На водоемах с переменным уровнем, как на Каспийском море, этот процесс замедлен, и на мелководном взморье р. Волги можно наблюдать как древние, так и молодые участки. Оно сформировано в течение длительного периода времени и включает морфологические образования различного происхождения (речного, морского, смешанного).
Мелководное взморье р. Волги быстрее дельты реагирует на изменения уровня Каспийского моря. При повышении уровня моря начинается сглаживание эрозионных форм подводного рельефа и деградация водной растительности, увеличиваются глубины и проточность межканаловых участков. При понижении уровня моря глубины на мелководном взморье уменьшаются, ускоряется его зарастание, во многих районах по прокосам и вне их оформляются водотоки с низкими и узкими, часто прерывистыми берегами, увеличивается эрозия дна, увеличиваются размеры островов, а между ними образуются обширные, но чрезвычайно мелкие временные и постоянные озеровидные водоемы. При постоянном уровне моря обычно продолжается расселение водной растительности, линейная эрозия и плоскостной размыв донных отложений, образование прибанчинных островков и межостровных ериков.
В настоящее время в некоторой степени разработаны методы оценки направления развития отдельных рукавов на основе сравнения их гидроморфологических характеристик с осредненными гидроморфологическими характеристиками, типичными для сравнительно устойчивых русел в пределах дельт. На основе такого сравнения, а также анализа графиков изменения ширины, глубины русла, площади живого сечения, расходов воды, среднего размера донных отложений во времени, устанавливают тенденции развития рукавов в пределах дельт (т.е. говорят об аккумуляции и отмирании, размыве и активизации). Так для дельты р. Волги выделены активизирующиеся системы рукавов (Бахтемира, Кизани) и
отмирающие (Бузана, Болды, Ст. Волги). В результате все сводится к способности системы рукава пропускать тот или иной расход воды (и наносов).
Обычно эту способность анализируют только в пределах дельты, но пропускная способность на участке продолжения системы рукава на мелководном устьевом взморье может оказать решающее влияние. Ярким примером могут служить процессы удлинения рукавов и изменения в связи с этим их пропускной способности. Для устья р. Волги все сказанное имеет огромное значение, так как ширина мелководного устьевого взморья от морского края дельты до морского устьевого бара в некоторых районах достигает 70 км.
Возникает вопрос, можно ли, опираясь на карты течений, высшей водной растительности и другие материалы, получить общий (фоновый) прогноз расположения будущих рукавов в пределах мелководного устьевого взморья р. Волги. Анализ материалов космических съемок и данных полевых исследований по зарастанию мелководного взморья, изменению глубин и положению основных стоковых течений показал возможности составления обобщенного фонового прогноза будущего расположения гидрографической сети в пределах заносящегося наносами мелководного взморья при стабильном уровне моря либо при его понижении.
Анализ составленных карт распространения надводной растительности в разные годы и карт стоковых течений при различных уровнях стояния Каспийского моря совместно с данными натурных исследований позволил выделить следующие особенности исследуемого региона: 1) стабильное положение мест впадения рукавов в районе морского края дельты; 2) однородные глубины (1 - 2,5 м) и уклоны дна (И10"4) на всей площади мелководного взморья, мало меняющиеся при колебании уровня моря ниже отметки -26,4 м БС; 3) интенсивное зарастание мелководного взморья при сравнительно стабильном положении основных участков распространения высшей водной растительности; 4) наличие обратной связи в расположении стоковых струй и зарослей высшей водной растительности: чем больше биомасса растительности, тем меньше скорость течений и вероятность нахождения в этих местах сильных стоковых струй.
Выше было показано, что сток проходит мелководное взморье (длина пути до 70 км) резко очерченными струйными течениями, которые в половодье практически не перемешиваются друг с другом и почти не изменяют своей ширины. Это свидетельствует о квазиламинарном характере стоковых течений, несмотря на значительные числа Re. Впервые это явление было обнаружено по космическим фотоснимкам еще в 1975 г. и проверено экспериментально в начале 80-х годов [16]. Незначительность поперечного перемешивания указывает на однотипное распределение уклонов воды на мелководном взморье. Это
позволяет считать, что главными факторами в эволюции этого региона являются глубина воды, наличие или отсутствие струйных течений и зарастание высшей водной растительностью. Следовательно, прогноз развития будущей русловой сети в пределах мелководного взморья может быть получен на основе анализа тенденций зарастания и знания мест распространения стоковых струй.
Анализ составленных карт распространения надводной растительности за различные годы позволил установить тенденции зарастания и выделить места, через которые сток практически не идет. Анализ созданных карт стоковых течений дал дополнительную информацию как о зонах отсутствия течений, так и о зонах преобладающего их распространения. Сопоставление местоположения основных струй в различные годы позволили найти и выделить наиболее активные места стока и места с минимальным стоком, а также выделить различные по условиям водообмена районы.
Для условий постоянного уровня моря или его понижения положение основных будущих рукавов должно совпадать с положением основных стоковых струй, намеченных с учетом возможного дальнейшего зарастания мелководного взморья. Современные особенности развития уже сформировавшейся в дельте гидрографической сети указывают на ее чрезвычайную устойчивость, частично объясняющуюся малым твердым стоком. Эта особенность позволяет нам при прогнозировании будущую гидрографическую сеть "подстраивать" к современной, а также предполагать, что подводное продолжение речных рукавов на мелководном взморье, ограниченное интенсивно развивающейся водной растительностью, будет также устойчивым. На рис. 3.10 приведена карта-схема расположения основных элементов будущей гидрографической сети в пределах мелководного устьевого взморья р. Волги для уровня стояния Каспийского моря не выше -26,7 м БС, построенная на основе высказанных положений. Естественно, что эта сеть в действительности будет более густой, за счет большого числа проток между основными рукавами. Такой прогноз может быть откорректирован по данным наземных наблюдений за динамикой глубин в этом регионе.
Мы полагаем, что прогнозирование будущего положения гидрографической сети в пределах мелководного взморья р. Волги на основе анализа динамики высшей водной растительности и стоковых течений является в настоящее время наиболее перспективной методикой, так как она позволяет постоянно улучшать прогноз на основе материалов последующих лет, и не отрицает возможность использования обычных гидрологических методов. Уточнение прогноза может проводиться не чаще одного раза в 5 -10 лет.
Предложения по трассированию каналов
Мелководное устьевое взморье (МУВ) р. Волги имеет огромное значение для рыбного хозяйства Каспийского моря. Обширное мелководное хорошо прогреваемое и сильно заросшее высшей водной растительностью пресноводное взморье, аккумулирующее большую часть твердого стока р. Волги, является основной кормовой базой мальков промысловых рыб Северного Каспия [56]. Природные условия этой области и примыкающей мелководной части Северного Каспия являются определяющими для прохода и нереста многих ценных пород рыб, развития икры и нагула молоди. Географическое положение мелководного взморья р. Волги на стыке одного из важнейших в стране речного пути с морским определяет и большое транспортное значение данного района.
Водные массы мелководного устьевого взморья р. Волги различаются по содержанию взвесей, кислородному режиму и химическому составу. Эти различия зависят от геоморфологических, гидрометеорологических и других факторов. К водным массам различных типов приурочены разные биоценозы. Типизация водных масс и районирование взморья имеют существенное практическое значение, хотя их осуществление методически сложно. Дистанционные методы позволяют облегчить эти задачи.
Различные породы рыб предпочитают разные по мутности воды. На мелководном устьевом взморье р. Волги при наиболее часто встречающихся гидрометеорологических условиях и современных уровнях моря можно выделить три типа вод: мутные, осветленные и промежуточные - с содержанием взвесей выше 20, до 5 и 5 - 20 мг/л соответственно [30].
Мутные воды приурочены к основным каналам, банкам, рукавам и участкам без высшей водной растительности со скоростями течений выше 30 см/с в половодье; общая площадь их меняется от 1 422 в межень до 3 328 км2 в половодье (табл. 2.26). Эти воды, как правило, имеют благоприятный кислородный режим (80 - 110% насыщения), но в различные периоды года отличаются по ряду химических показателей. Ценные породы рыб (осетровые, судак, сазан и др.) предпочитают мутные воды.
Зоны осветленных вод (площадь от 5 768 в половодье до 7 674 км2 в межень) возникают, главным образом в култучной зоне, при прохождении мутных вод сквозь тростниковые заросли, а также на участках, заросших погруженной и плавающей растительностью. Состав осветленных вод, в которых обитают в основном частиковые породы рыб, изменяется также в зависимости от типа водной растительности, образующей биотоп. Наиболее распространены на мелководном устьевом взморье р. Волги тростниковые заросли и биотопы с преобладанием ежеголовника, чилима и рдеста. Эти воды отличаются большим диапазоном содержания кислорода.
На формирование кислородного режима култучной зоны весной и в начале лета заметное влияние оказывает уровень вод. При очень высоком половодье большие массы воды выходят из берегов и фильтруются сквозь заросли высшей водной растительности, в частности тростника и камыша. При этом вследствие замедления скорости течения происходят выпадение взвесей и осветление воды, сопровождаемое увеличением температуры и расхода кислорода на окисление органического вещества в воде и донных отложениях, в результате чего фильтрующаяся вода теряет большую часть содержащегося в ней кислорода и становится непригодной для обитания гидробионтов. И хотя в конечном итоге в мелководную зону Северного Каспия поступает вода с достаточно высоким содержанием кислорода, чередование «благополучных» и «неблагополучных» по кислородному режиму участков в култучной зоне представляет серьезную проблему для рыбного хозяйства [30]. Карты распространения высшей водной растительности и стоковых течений позволяют планировать различные мелиоративные мероприятия с целью уменьшения отрицательного влияния дефицита кислорода и создания режима, благоприятного для повышения биологической продуктивности района.
Существующие каналы на мелководном устьевом взморье р. Волги во многом утратили свое назначение. Причинами этого называют интенсивное развитие высшей водной растительности, дробление водотоков в нижней части дельты, неправильная трассировка, в связи с чем основные каналы мелеют и их глубины не соответствуют требуемым рыбным хозяйством.
Так, например, при трассировке Тишковский канал был изначально неправильно ориентирован по отношению к направлению основных струй. При пересечении канала водами мелководного устьевого взморья происходит торможение руслового потока вторгающимися в него массами воды, имеющими значительно меньшие скорости течения. Это приводит к существенному уменьшению пропускной способности русла. Дополнительное увеличение сопротивления движению руслового потока происходит также в результате возникновения на границе двух потоков вихревых образований (Барышников, 1984).
Неправильная ориентация Тишковского канала привела еще к одному влиянию, отрицательно сказавшемуся на видовом составе рыбных запасов в канале. В половодье, независимо от водности года, Тишковский канал, начиная с 13 км, не получает подсвежки паводковой воды, так как после развилки с протокой Полдневой вода постепенно отжимается в протоки и ерики за левую бровку канала так называемой "черной" водой, поступающей между 8 и 13 км. К 13 км вся вода в половодье отжимается за левую бровку и в канал поступает лишь бедная кислородом "черная вода". Поэтому в канале создаются неблагоприятные условия для воспроизводства рыб ценных осетровых пород. На этом примере хорошо видно, как важно учитывать закономерности развития гидрографической сети при проведении водохозяйственных мероприятий.
В результате анализа карт надводной растительности и стоковых течений, созданных в рамках настоящей работы по космическим снимкам за период с 1975 по 1997 гг., нами были даны рекомендации по пространственному расположению каналов на мелководном устьевом взморье р.Волги (рис. 4.1 - рис. 4.8) [29]. Оценка существующих каналов производилась с точки зрения правильности их трассирования по отношению к стоковым струям и участкам, заросшим надводной растительностью, обеспечивающей наименьшее сопротивление, наибольшую пропускную способность и наименьшую аккумуляцию наносов. Красным цветом на рисунках обозначены участки канала, расположенные неправильно по отношению к стоковым струям, проходящим в данном районе. Желтым цветом отмечены трассы каналов, рекомендуемые с учетом анализа карт расположения надводной растительности и карт стоковых течений на мелководном взморье.
При анализе карт стоковых течений нами было обнаружены две самостоятельных группы стоковых течений, не имеющих в основе магистрального канала. Эти группы расположены в Никитинском (III) (рис. 4.4) и Васильевском (VIII) (рис. 4.7) районах мелководного устьевого взморья. В каждом из указанных районов расположен вспомогательный подводящий канал, который, по всей видимости, не справляется со стоком, приходящимся на данный район взморья, вследствие чего вода выходит из канала и идет по мелководному устьевому взморью в сторону морского устьевого бара. Поэтому, как в Никитинском (III), так и в Васильевском (VIII) районах нами предложены новые магистральные каналы. При наличии таких каналов поддержание существующих подводящих каналов Никитинского и Васильевского становится нецелесообразным.
В Гандуринском (II) районе мелководного устьевого взморья р. Волги, помимо расположенного с востока подводящего Никитинского канала, существует другой подводящий канал Горный. Средний угол пересечения канала и струй составляет по полученным нами данным 39,8, в то время как максимальный угол достигает 47,2 (табл. 4.1). При таком взаимном положении канала и струй имеет место интенсивное заиление канала наносами, переносимыми струйными течениями. Нами предложено другое расположение канала, при котором углы пересечения канала со стоковыми течениями будут существенно меньше (рис. 4.3).
