Содержание к диссертации
Введение
1 Основные закономерности в строении речного русла 7
1.1 Речное русло, как элемент саморегулирующейся системы 7
1.2 Основные закономерности в строении речного русла 11
1.3 Количественные критерии типизации русловых форм 23
1.4 Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах 28
1.5 Постановка задачи 34
1.6 Методика определения регулярных русловых форм 39
2 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля рек, находящихся в состоянии, близком к естественному, на примере Северных рек 44
2.1 Физико-географическое описание бассейнов рек. Выделение морфологически однородных участков 44
2.1.1 Северная Двина 45
2.1.2 Вычегда 50
2.1.3 Пинега 54
2.2 Характеристики русловых форм 60
2.2.1 Северная Двина 60
2.2.2 Вычегда 64
2.2.3 Пинега 66
2.3 Основные закономерности спектральных характеристик продольных профилей Северных рек 71
3 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля реки, находящейся под интенсивным антропогенным воздействием, на примере р. Оки 73
3.1 Физико-географическое описание 74
3.1.1 Особенности морфологического строения 74
3.1.2 Гидрологический режим 78
3.2 Сведения о хозяйственном использовании реки 81
3.3 Русловой процесс 84
3.4 Влияние русловых карьеров на формирование продольного профиля. 88
3.5 Исследование спектральных характеристик продольного профиля 91
3.5.1 Участки под пассивным антропогенным воздействием 92
3.5.2 Участки под активным антропогенным воздействием 94
Заключение 98
Список литературы 100
Приложение А - Продольные профили 105
Приложение Б - Характерные расходы воды 121
- Основные закономерности в строении речного русла
- Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах
- Характеристики русловых форм
- Особенности морфологического строения
Введение к работе
Актуальность темы
Интенсивное антропогенное воздействие на речные системы в целом и реки, в частности, часто приводит к нарушению механизма их саморегулирования, что может даже привести к отмиранию малых и средних рек. Гидротехническое строительство, нарушая режим рек, в той или иной степени, требует больших капитальных вложений. Величина последних в значительной степени зависит от качества проектирования гидротехнических сооружений, в частности, от того насколько научно обоснованны принятые проектные решения. При этом одной из важнейших проблем является сохранение экологической безопасности системы.
Наибольшие сложности при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий возникают из-за недостаточного учета характерных особенностей русловых процессов на расчетном речном участке. Вместе с тем, в последние годы резко сократились объемы финансирования и сроки, отведенные на натурные изыскания. Современная экономическая обстановка настоятельно диктует необходимость совершенствования методов оценки и прогноза русловых процессов на основе регулярно обновляемых данных планово-высотных съемок и других материалов, таких как лоцманские карты. Последние регулярно обновляются, что позволяет использовать их для составления прогноза русловых деформаций.
На основе выше изложенного, основной задачей диссертации является разработка методики определения типа и размеров русловых образований, и мониторинга их изменчивости на основе информации, приведенной на лоцманских и других картах.
Математической основой методики предлагается использовать метод, основанный на анализе нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля русел рек и показателя Харста.
Следует отметить, что необходимая для реализации этой методики информация о состоянии водного требует незначительных материальных и трудовых затрат и может быть использована как на различных стадиях проектирования и строительства гидротехнических сооружений, так и при разработке долгосрочного прогноза русловых процессов. Цели и задачи исследования
Основная цель работы состоит в разработке методики объективной оценки размеров русловых образований и мониторинга изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло». В соответствии с этой целью в работе решены следующие основные задачи:
выбраны объекты исследования;
обоснован метод анализа отметок дна на продольном профиле русла реки;
разработан метод выделения регулярных русловых образований;
апробирован разработанный метод на примере русел Северных рек и р. Оки;
разработаны критерии оценки изменчивости морфологического строения речных русел на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста;
увязаны полученные критерии с особенностями строения морфологически-однородных участков и характером антропогенного воздействия на эти участки. Методика исследований и исходный материал
Для решения поставленных задач были использованы данные, полученные с лоцманских и других карт, а именно, значения отметок дна на продольном профиле судового хода рек Северная Двина, Вычегда, Пинега и Ока за длительный период наблюдений. При анализе полученных результатов использованы также сведения о водном режиме исследуемых рек и физико-географических характеристиках их бассейнов.
Исследования выполнены с помощью методов спектрального и R/S анализа. Параметры спектрального анализа и условия примененных методов статистики устанавливались опытным путем на основе анализа процессов, происходящих в руслах рек.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается положительными результатами оценки методики, выполненной на основе независимой натурной информации. Научная новизна работы
В процессе решения поставленных задач впервые получены следующие научные результаты:
разработана методика оценки регулярности русловых образований, основанная на статистическом анализе данных, приведенных на лоцманских картах;
показано на статистически значимом уровне на основе данных натурных наблюдений наличие регулярных русловых образований, прослеживаемых по продольному профилю речного русла. Разработана методика определения их характерных размеров;
доказано, что изменение состояния речного русла в естественном состоянии и под антропогенной нагрузкой может быть охарактеризовано флук-туациями частот на спектрах отметок дна продольного профиля реки. Анализ характера изменений этих характеристик позволяет установить состояние факторов руслового процесса участка реки;
предложены объективные критерии оценки состояния руслового процесса при антропогенном воздействии.
Практическая значимость результатов исследований
Результаты исследований могут быть использованы:
при экологической экспертизе состояния участков рек;
при разработке стратегии водохозяйственного использования речных систем;
при оценке результатов антропогенного воздействия на речное русло;
при прогнозе возможных изменений руслового процесса в результате глобальных изменений климата.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии и итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (1996, 2005 гг.), на совещаниях Межвузовского научно-координационного Совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им М.В. Ломоносова (1996, 2005 гг.), на научно-технической конференции "Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах" (2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 60 источников, и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 103 страницах, не считая приложений, включает 29 рисунков и 10 таблиц.
Основные закономерности в строении речного русла
К.И. Российский и И.А. Кузьмин [3] отмечали: "Непосредственной причиной деформаций речного русла является нарушение баланса наносов: на некоторый участок русла их поступает больше или меньше, чем удаляется; в первом случае русло повышается, во втором размывается. Нарушение баланса может распространяться на поперечные сечения реки в целом. В этом случае нарушается продольный баланс наносов и изменяется продольный профиль русла. Наблюдаются также случаи нарушения поперечного баланса наносов. При этом происходят изменения поперечного профиля, перераспределение глубин по ширине русла и перемещение его в плане".
На равнинных реках деформации имеют периодический характер, за многолетние же периоды поступление и удаление наносов в пределах каждого участка русла практически уравновешиваются. В горной местности режим русла приобретает отпечаток неуравновешенности. Характер и интенсивность периодических деформаций, а также тесно связанные с ними формы русла зависят от скорости течения, то есть от уклона речного потока, и от подвижности грунтов, слагающих дно и берега реки.
Впервые взаимосвязь между русловыми деформациями и расходом наносов была установлена В.М. Лохтиным [4]: "Всякая река, где бы и как бы она ни протекала, служа путем для стока воды из области бассейна в море, в то же время выполняет работу по влечению наносов". И далее: "Наносы поступают в реку не вследствие размыва берегов, которые будто бы достаточно укрепить, чтобы, согласно довольно распространенному мнению, их было бы в речном русле меньше; они собираются вместе с водой, стекающей со всей площади бассейна, и большее или меньшее их количество есть неизбежный факт, независимый от состояния собственного русла".
Сам механизм транспорта наносов описывался Лохтиным так: "Имея в своем падении единственную силу для удаления постоянно поступающих в русло засорений (наносов) и ощущая в этой силе недостаток по сравнению с сопротивлением наносов, река как бы экономит её, сосредотачивая большую её часть то тут, то там, смотря по тому, где она в данный момент всего больше нужна. При высоких уровнях уклон концентрируется на плёсах, чтобы, очистив их от наносов, перейти на спаде воды на перекаты и приступить к сносу отложений, которые временно были оставлены здесь высокими водами за недостатком сил. Таким образом, как те, так и другие отдельные участки русла, плёсы и перекаты являются здесь неизбежными и необходимыми орудиями в общем деле влечения наносов".
Таким образом, деформации речных русел и пойм являются непосредственным следствием транспортирования рекой наносов. Транспорт наносов невозможен без речных морфологических преобразований. Изменения морфологического строения речного русла и речной поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды, называют русловым процессом. Его движущей силой является поток, транспорт наносов следует рассматривать как содержание руслового процесса, а морфологические преобразования как его внешнее выражение.
Механизм деформаций речного русла и поймы включает два противоположных процесса: - размыв грунтов в русле и на пойме, включая ранее намытые отложения; - отложение и местная аккумуляция наносов. Если поступления наносов в реки превышает их транспортирующую способность, то они отлагаются ниже по течению реки на большем или меньшем расстоянии от места размыва, в основном на перекатах и других выпуклых формах рельефа.
Главной формой переноса основной массы подвижных частиц - донных наносов - в руслах рек является их смещение в виде структурных грядовых образований различной конфигурации и размера. Гряда в продольном разрезе имеет с лобовой стороны по течению пологий выпуклый лобовой откос, плавно сопрягающийся с гребнем гряды, а с тыловой стороны - крутой тыловой склон, переходящий в подвалье гряды вогнутой формы. Подвалье вышележащей гряды сопрягается с лобовым откосом нижележащей.
Гряды, как было отмечено выше, перемещаются посредством размыва их выпуклого лобового склона и осаждения размытого материала на тыловом, крутом склоне; в итоге происходит общее смещение гряды вниз по течению.
Русловые и пойменные деформации в естественных условиях обычно не сопровождаются изменениями морфологических характеристик реки в их ос-редненной статистической оценке. Это свидетельствует о том, что эти деформации обратимы. Однако наряду с этими обратимыми следует признать существование и медленно протекающих и трудно обнаруживаемых в естественных условиях однонаправленных необратимых деформаций. В них выражается многовековое развитие реки или её приспособление к текущим изменениям природной среды.
Реки в их естественном виде практически по всей своей длине находятся в состоянии динамического равновесия - состоянии, при котором деформации русла и поймы вполне отвечают расходу наносов. Исключение составляют самые периферийные звенья речной сети, где происходит эрозия, и дельтовые участки, для которых характерна необратимая аккумуляция. В условиях динамического равновесия деформации каждого отдельно взятого морфологического элемента не сопровождаются изменением общих морфологических характеристик реки в целом. Такие деформации обратимы, и их можно рассматривать как организованную форму транспорта наносов.
Реки, искусственно выведенные из состояния динамического равновесия, стремятся восстановить это равновесие, приспособляя свой русловый процесс к новым условиям. Такая перестройка реки должна быть отнесена к условно обратимым русловым деформациям.
Н.Е. Кондратьев [5] выделил два принципиально различных вида русловых деформаций: "медленно развивающийся необратимый вековой процесс развития реки и быстротекущие чётко выраженные преобразования, обладающие свойством обратимости. Обратимые деформации неразрывно связаны с транспортом наносов. Они так же немыслимы без транспорта наносов, как и транспорт наносов немыслим без них. Последним положением уточняется и самое понятие наносов, под которыми понимаются лишь те частицы, движущиеся в потоке, которые в той или иной степени участвуют в русловых или пойменных деформациях. Транспорт наносов и может трактоваться как внутреннее содержание обратимых русловых деформаций".
По форме перемещения отдельной твёрдой частицы наносы делятся на более крупные донные наносы, перекатываемые или перебрасываемые потоком, в своём движении обычно не выходящие за пределы придонного слоя, и мелкие взвешенные наносы, переносимые потоком во взвешенном состоянии на большие расстояния. Различная форма движения отдельно взятой частицы донных и взвешенных наносов приводит к различной роли этих наносов в русловом процессе. Крупные фракции преобладают в собственно русловых отложениях, где обычно они формируют гряды, перемещающиеся путем размыва их верхового склона и осаждением размытого материала на низовом склоне. Области размыва и области отложения могут образовывать и иные более сложные сочетания, но наличие такого разграничения характерно для донных наносов. На поверхности пойм крупные фракции обнаруживаются лишь отдельными небольшими скоплениями там, где в половодье возникают значительные местные скорости течения. В массе же донные наносы оказываются погребенными под толщей наилка, отложений мелких фракций, занесенных сюда в паводок во взвешенном состоянии. Этот наилок следует рассматривать как одну из форм аккумуляции взвешенных наносов, которые со временем вновь придут в движение, в результате подмыва пойменного уступа при плановых перемещениях русла.
Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах
Основная идея типизации русел равнинных рек состоит в выделении участка водотока, обладающего сходными по геометрическим формам и размеру элементами рельефа. Наличие в пределах выделенного участка нескольких однотипных элементов ведет к появлению циклической составляющей изменении его морфометрических характеристик.
Русловые образования, находящиеся на одном уровне иерархии (макро-, мезо-, или микроформы), как правило, характеризуются сходной формой и геометрическими размерами. Можно ожидать, что последовательность однотипных элементов в русле может привести к ясно выраженным периодическим изменениям геометрических характеристик русла.
Методы спектрального анализа позволяют выявить периодичность в изменении морфометрических характеристик по длине выделенного участка. Достоинства этих методов определяют два обстоятельства: - спектральный анализ позволяет выявить все возможные периоды русловых образований на исследуемом участке. Размеры русловых образований, доступных для анализа лежат в диапазоне от двойного шага измерений анализируемой характеристики до половины длины участка. Т.е. на участке длиной в 1 км при измерении глубины через десять метров можно обоснованно выявлять русловые образования с линейными размерами (длиной) от 20 м до 500 м; - применение объективных критериев, позволяющих статистически оценить достоверность выделения того или иного периода. Это позволяет отфильтровывать периоды действительно характерные для данного участка и исключать слабые флуктуации, связанные с особенностями способа измерений или локальными элементами рельефа руслового дна.
В основе спектрального анализа лежит разделение исходного ряда на составляющие, имеющие синусоидальные колебания на разных частотах. Существует несколько вариантов математического аппарата для реализации этого разделения. Один из способов - применение линейной множественной регрессии. В этом случае - зависимая переменная - анализируемая последовательность, а независимые переменные, или регрессоры - значения синусов всех искомых (дискретных) частот. Такая модель линейной множественной регрессии может быть записана как: х, = ао+Ц{акхcosi\i)+bk хsin(V)), (8) где X(— анализируемая последовательность; я0- константа; ак - коэффициент регрессии при косинусах; Ьь - коэффициент регрессии при синусах; Хк - круговая частота, равная 27rk/q; 7г= 3.1416. Вычислительная задача аппроксимации данных набором функций синусов и косинусов разных длин может быть решена с помощью множественной линейной регрессии. Заметим, что коэффициенты а/с при косинусах и коэффициенты Ьк при синусах - это коэффициенты регрессии, показывающие степень вклада соответствующих слагаемых в дисперсию анализируемого ряда. Всего существует q различных синусов и косинусов. Ясно, что число слагаемых в уравнении (8) не может быть больше длины анализируемого ряда. Таким образом, для точного описания ряда, представленного п членами следует использовать nil + 1 косинусов и тг/2 — 1 синусов. Другими словами, различных синусоидальных волн будет столько же, сколько данных, и ряд полностью воспроизводится по основным функциям. Если количество данных в ряде нечетное, то последнее наблюдение обычно опускается. Для определения синусоидальной функции нужно иметь, по крайней мере, две точки: высокого и низкого пика.
В итоге, спектральный анализ определяет корреляцию функций синусов и косинусов различной частоты с наблюдаемыми данными. Если найденная корреляция (коэффициент при определенном синусе или косинусе) велика, то можно заключить, что существует строгая периодичность на соответствующей частоте в данных. Функции синусов и косинусов независимы (или ортогональны); поэтому можно просуммировать квадраты коэффициентов для каждой частоты, чтобы вычислить периодограмму. Более часто, значения периодограммы вычисляются как: Pk={a2k+b2k)xN/2, (9) где Pk - значения периодограммы на частоте Хк; N- длина ряда. Значения периодограммы можно интерпретировать как дисперсию данных на соответствующей частоте. Для наглядности полученных результатов значения периодограммы изображаются в зависимости от частот или периодов.
Хотя аппарат спектрального анализа является вполне строгим с математической точки зрения, его практические приложения могут оказаться не столь очевидными. На практике часто оказывается, что вследствие погрешностей измерении и, главным образом, наличия индивидуальных черт у элементов дна, имеющих общую частоту, значимые частоты распределяются на нескольких смежных. Так, могут быть выявлены значимые периоды для двух близких частот, хотя в действительности присутствует только одна — лежащая как раз между этими частотами. Опыт применения аппарата спектрального анализа при исследовании рядов, имеющих различную физическую природу, позволил сформулировать несколько практических приемов, позволяющих отчасти решить проблему рассеяния: - добавлением констант во временной ряд можно увеличить частоты; - применяя сглаживание ряда перед анализом, можно уменьшить рассеяние. Применяя сглаживание периодограммы, можно идентифицировать основные частотные области, или спектральные плотности, которые существенно влияют на циклическое поведение ряда.
Так как частотные величины вычисляются как N/i, можно просто добавить в ряд константы (например, нули), и таким образом получить увеличение частот. Фактически, если добавить в исходный ряд десять нулей, результаты не изменятся; т.е. наибольшие пики периодограммы будут находиться по-прежнему на тех же частотах. Кроме того, добавление констант во временной ряд также часто желательно для увеличения вычислительной эффективности.
Косинус-сглаживание - общепринятый способ предварительной обработки исходного ряда, предшествующий спектральному анализу. Оно ведет к уменьшению рассеяния в периодограмме.
Характеристики русловых форм
В соответствии с поставленной задачей были проанализированы продольные профили рек Северная Двина, Вычегда и Пинега. Выполнены расчеты нормированной спектральной плотности отметок дна для расчетных участков. Анализ графиков этой характеристики представлен ниже.
График нормированной спектральной плотности, приведенный на рисунке 12, дает спектральную характеристику расчетного участка №1 для Северной Двины выполненный по измерениям 1975 и 1985 годов.
График нормированной спектральной плотности, приведенный на рисунке 13, дает спектральную характеристику расчетного участка №2 для Северной Двины выполненный по измерениям 1975 и 1985 годов. Расчет выполнялся при числе членов ряда 2130, и окне Тьюки 96. Четко прослеживается один статистически значимый пик на частоте 0.02 для 1975 и 1985 годов. Эта частота соответствует русловому образованию длиной 5 км. Максимальное значение нормированной спектральной плотности для 1975 года составляет 41.5, а для 1985 - 39.8. Отмечается пик на частоте 0.084 с нормированной спектральной плотностью 2.2, что соответствует русловому образованию длиной 1.2 км. Этот пик является статистически значимым только для 1975 года.
Расчет выполнялся при числе членов ряда 3030, и окне Тьюки 138. Для 1975 и 1985 годов наблюдается пик на частоте 0.02, что соответствует русловому образованию длиной 5 км. Нормированная спектральная плотность для этого пика составляет 31.4 и 37.6 для этих годов соответственно. Наблюдается еще один пик на частоте 0.05, что соответствует русловому образованию длиной 2 км. Нормированная спектральная плотность для этой частоты равна 8.5. Однако этот пик является статистически значимым только для 1975 года.
Анализ данных о характеристиках нормированной спектральной плотности для расчетного участка №1 р. Вычегды, приведенных на рисунке 15, позволяет выделить статистически значимые пики. Для 1977 и 1990 годов наблюдается пик на частоте 0.021 и 0.024 соответственно, что соответствует русловым образованиям длиной 4.8 км и 4.2 км. Нормированная спектральная плотность для этих пиков составляет 20.3 и 22.9 для этих годов соответственно. Наблюдается еще два пика на частотах 0.044 и 0.088, что соответствует русловым образованиям длиной 2.3 км и 1.1 км соответственно. Нормированная спектральная плотность для этих частот равна 14.8 и 3.4. Однако эти пики являются статистически значимым только для 1990 года. Расчет выполнялся при числе членов ряда 2540, и окне Тьюки 94.
Анализ данных о характеристиках нормированной спектральной плотности для расчетного участка №2 р. Вычегды, приведенных на рисунке 16, позволяет определить статистически значимые пики. Для 1977 и 1990 годов наблюдается только один статистически значимый пик на частотах 0.028 и 0.026 соответственно, что соответствует русловому образованию длиной 3.6 км и 3.8 км.
Нормированная спектральная плотность для этих пиков составляет 13 и 14.3 для этих годов соответственно. Расчет выполнялся при числе членов ряда 538, и окне Тьюки 36. Анализ данных о характеристиках нормированной спектральной плотности для расчетного участка №3 р. Вычегды, приведенных на рисунке 17, позволяет определить статистически значимые пики. Для 1977 и 1990 лет наблюдается практически идентичная картина: один статистически значимый пик на частоте 0.03, что соответствует русловому образованию длиной 3.3 км.
В целом, для Вычегды можно отметить увеличение значений частот от устья к истоку. Это связано с уменьшением длин русловых образований от устья к истоку. Во времени наблюдаются незначительные изменения в области высоких частот. Необходимо отметить расчетный участок №1. Для этого участка четко прослеживается удвоение длины руслового образования в 1990 года. Результаты расчетов по р. Вычегде приведены в таблице 7.
На графике нормированной спектральной плотности, приведенном на рисунке 18, показана спектральная характеристика расчетного участка №1 р. Пи-неги. Расчет выполнялся при числе членов ряда 1166, и окне Тьюки 64. Для 1971 и 1985 годов прослеживается статистически значимый пик на частоте 0.025, что соответствует русловому образованию длиной 4 км. Нормированная спектральная плотность для этой частоты равна 17 и 18.7 для этих лет соответственно. Так же наблюдается пик на частоте 0.066 с нормированной плотно стью 8, что соответствует русловому образованию длиной 1.5 км. Однако этот пик статистически значим только для 1971 года.
Нормированная спектральная плотность отметок дна для расчетного участка №1 р. Пинеги Анализ данных о характеристиках нормированной спектральной плотности для расчетного участка №2 р. Пинеги, приведенных на рисунке 19, позволяет определить статистически значимые пики. Наблюдается несколько статистически значимых пиков. Один на частоте 0.026, что соответствует русловому образованию длиной 3.8 км. Нормированная спектральная плотность для этой частоты равна 23.7, 19.6 и 14.1 для 1971, 1982 и 1983 годов соответственно. Для 1971 и 1982 лет наблюдается статистически значимый пик на частоте 0.057 с нормированной спектральной плотностью 6.9 и 9.8 соответственно для этих лет. Этой частоте соответствует русловое образование длиной 1.8 км.
Особенности морфологического строения
Для изучения влияния антропогенного воздействия в качестве объектов исследования был выбран участок верхнего течения р. Оки (рисунок 22). — карьерные участки русла; 2 - естественные участки русла Рисунок 22 - Схема верхнего течения Оки Рассматриваемый участок является частью Верхней Оки, расположен между устьями р. Нары у г. Серпухова и р. Москвы у г. Коломны. Длина участка по руслу реки составляет 120 км (с 855 по 975 км от устья реки по лоцманской карте 1990 г). Долина реки на данном участке ориентирована в основном с запада на восток, и лишь ниже г. Озеры приобретает северо-восточную ориентацию.
Правобережье представляет собой лесостепную, волнистую, рассеченными оврагами и долинами гидрографической сети равнину северной периферии Среднерусской возвышенности с отметками преимущественно от 160 до 200 м БС. Равнина сложена с поверхности в основном суглинками, а ниже р. Осетра -супесями, в значительной мере распахана. Залесенность составляет около 20%, лесные массивы разрознены и представлены в основном лиственными породами деревьев, нередко вторичного происхождения после вырубки коренного леса.
Левобережье представлено южной периферией пологого Окского склона Московской возвышенной гряды с отметками от 140 до 180 м БС. Характеризуется, в отличие от правобережья, более плавным рельефом и значительной (более 50%) залесенностью с преобладанием смешанных (сосна, береза) и лиственных (береза, осина) лесных массивов. Безлесные участки в основном тяготеют к населенным пунктам и значительно распаханы. Почвы левобережья подзолистые, по механическому составу преимущественно глинистые и суглинистые. Понижения рельефа местами переувлажнены и слегка заболочены, при этом заболоченность территории в целом весьма мала.
Плановые очертания речной долины на большем протяжении участка слабоизвилистые, плавные. Изгибы долины наиболее выражены в начале участка у г. Серпухова, в середине участка у г. Каширы, далее в районе г. Озеры и в конце участка перед городом Коломной.
Глубина вреза долины составляет в среднем около 60 м, а ее ширина изменяется по участку в пределах от 3 до 5 км. Поперечный профиль имеет близкую к трапецеидальной корытообразную форму.
Дно долины, шириной от 1.5 до 2 км, занято речной, заполняемой в половодье поймой с врезанным в нее руслом реки. Русло, переходящее плавными излучинами попеременно от одного склона долины к другому, расчленяет полосу поймы на крупные массивы, расположенные относительно русла в шах матном порядке по длине реки. Пойменные массивы имеют в плане вытянутую и сужающуюся в обе стороны по длине реки форму, при этом их длина составляет в основном от 6 до 8 км, а ширина в средней части - преимущественно от 1 до 2 км.
Пойма сложена толщей галечно-гравийного песчаного речного аллювия на известняках и мергелях. Мощность аллювиальных отложений в нижней части участка достигает 20 м и более. Песчаные отложения покрыты супесями и суглинками (пойменная фация аллювия, сформированная седиментацией речных взвешенных наносов в условиях затопления поймы в половодья). Поверхность поймы относительно ровная, за исключением вогнутых форм, образующих систему продольных старичных озер. Пойма в значительной мере мелиорирована и широко используется под пахотное земледелие. Не занятые пашнями участки покрыты естественно луговой и частично кустарниковой растительностью.
Преобладающие отметки поверхности поймы снижаются по длине реки примерно от 115 м БС в начале участка у г. Серпухова до 111 м БС у г. Каширы и до 106 м БС в конце участка у г. Коломны, при этом средний ее уклон на участке составляет около 0.08 %о.
Русло практически на всем протяжении рассматриваемого участка реки однорукавное, слабо и умеренно извилистое, переходит в пределах поймы плавными излучинами последовательно от одного склона долины к другому и в целом следует плавным очертаниям долины, только с несколько большей извилистостью [42, 43, 44 - 47]. На участке имеются лишь три русловых прибрежных острова длиной от 1.1 до 1.2 км и шириной от 0.2 до 0.3 км. Коэффициент извилистости русла (отношение длины русла к длине участка реки по средней линии дна долины, в данном случае поймы) равен 1.08. Длина излучин русла изменяется от 2 до 15 км и в большинстве случаев составляет 7 км, а степень их развитости (отношение длины к шагу) изменяется от 1.03 до 1.3 и в подавляющем большинстве не превышает 1.2. Наиболее выраженные излучины расположены в районе г. Озеры. Ширина русла на уровне бровок пойменных берегов варьируется в пределах от 250 до 550 мив основном составляет 350 м. Глубина в зоне фарватера от уровня бровок пойменных берегов составляет в среднем по участку около 11 м. Высота берегов над меженным уровнем воды изменяется преимущественно от 5 до 8 м, местами уменьшается примерно до 3 м, а в ряде случаев достигает 12 м. Береговые склоны на значительном протяжении русла относительно пологие, в основном покрыты травяной и кустарниковой растительностью. На участке прижима русла к склону долины крутые, приобретают форму уступа с обнажением коренных пород.
В целом характер плановых очертаний и берегов русла является внешним признаком довольно высокой степени его устойчивости в плане, т.е. весьма ограниченной возможностью развития излучин. Ограничивающим фактором в условиях сравнительно неширокой поймы являются склоны речной долины, сложенные трудно размываемыми плотными породами.
Типичными для рассматриваемого участка реки формами руслового рельефа являются крупные побочневые аккумулятивные образования. Эти формы примыкают, как правило, к выпуклому в плане берегу излучин русла и значительно реже приурочены к относительно прямым участкам берегов. По длине реки они расположены в шахматном порядке относительно фарватера русла.
Длина названных русловых мезоформ составляет в основном не более 3 км, а в нескольких случаях (из 30 представленных форм на всем участке [42]), достигает примерно 4 км и только в одном случае 6 км. Ширина достигает половины ширины русла и более. Высокие прибрежные, обсыхающие в межень участки мезоформ, как правило, закреплены кустарником. Низовая (по течению реки) часть ряда мезоформ имеет очертания косы, отделенной от берега затоном.
К зонам подводного сопряжения соседних, по длине реки, мезоформ, расположенных у противоположных берегов русла и образующих так называемую морфологическую пару, а так же к участкам русла с одиночными широкими ме-зоформами приурочены перекаты. При меженных уровнях воды, глубины в зо не фарватера на перекатах находятся в диапазоне от 1.3 до 2.5 м, преимущественно около 2 м, а максимальные глубины на участках между перекатами в основном более 5 м и местами достигают 15 м (ниже г. Каширы и ниже устья р. Осетра) [42].
Русловой аллювий представлен разнозернистыми песками, зачастую с гравием и реже с галькой. Во многих местах грунты в русле глинистые и илистые (мелко- и крупноалевритные илы). На участках прижима русла к склону речной долины у прижимного берега нередко встречаются скопления камней -материала разрушения известняков и доломитов, слагающих склон. Каменистые донные грунты имеются на участках значительного искусственного углубления русла (в русловых карьерах).
Естественная морфология русла в значительной мере нарушена многолетней добычей в русле песка и гравия - нерудных строительных материалов, а также дноуглубительными работами на перекатных участках для обеспечения судоходных глубин.
