Введение к работе
Актуальность исследования. Между потоком и руслом существует непрерывно или периодически возникает обмен минеральными частицами. При их поступлении в поток, перемещении во взвешенпом или влекомом состоянии, повторном возвращении в состав речных отложений они неоднократно изменяют свой статус, что отражает специфику взаимодействий в эрозионно-аккумулятивной системе (ЭАС). Для описания общего цикла перемещения частиц в системе поток - русло удобно пользоваться термином "массообмен". Он характеризует взаимодействие между элементами эрозионно-аккумулятивных систем, вследствие которого изменяются объемы подстилающих пород, речных отложений, характеристики стока наносов в различных масштабах времени. Процессы массообмена имеют специфические формы проявления в различных ЭАС. Они заметно видоизменяются при переходе от одной природной зоны к другой, в долинах рек разных порядков, на участках водотоков с различным морфодинамическим типом русла. Многие особенности этого процесса изучены явно недостаточно, что затрудняет решение разнообразных прикладных задач (прогнозирование русловых деформаций, строительство различных сооружений в пределах речных долин, проектирование трасс судовых ходов, эксплуатация русловых и пойменных карьеров и т.п.).
Цель исследования состоит в изучении пространственно-временных закономерностей массообмена в различных звеньях речной сети и обосновании количественных методов их учета при решении прикладных задач. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- выделить пространственные и временные масштабы процесса,
охарактеризовать формы проявления массообмена в системе поток - речные
отложения;
. - обосновать региональные зависимости характеристик массообмена от определяющих факторов;
изучить особенности исторических, многолетних и внутригодовых процессов взаимодействия потоков и речных отложений;
разработать методы расчета характеристик массообмена в различных эрозионно-аккумулятивных системах;
провести имитационное моделирование процессов взаимодействия в системе поток - русло и на этой основе получить представление о закономерностях массообмена в широком диапазоне изменения определяющих факторов (физико-географических условий, размера реки,
морфодинамического типа русла, типа вігутригодового распределения стока, гранулометрического состава взвешенных наносов и русловых отложений);
исследовать специфику массообмена на устьевых участках рек при различном стоке наносов;
оценить характер изменения массообмена на участках разработки русловых карьеров; создать методы оптимизации изъятия песчано-гравийной смеси для предупреждения негативных процессов в зонах эксплуатации карьеров.
Методика исследований и фактический материал. Работа базировалась на обобщении собственных и опубликованных данных о специфике массообмена в системе поток - русловые отложения и применении методов географо-гидрологического анализа изменчивости характеристик процесса в зависимости от определяющих факторов. Широко использовались физические подходы к его описанию в различных эрозионно-аккумулятивных системах, методы математического моделирования динамики минеральных частиц в системе поток - русло. В качестве основного способа выявления реакции характеристик массообмена на изменение физико-географических, гидрологических и гидродинамических факторов избран метод имитационного моделирования процесса. Автор разработал новые методы и активно использовал существующие методические средства изучения процесса, разработанные Н.И.Алексеевским, Н.Б.Барышниковым, К.М.Берковичем, В.Н.Гончаровым, В.К.Дебольским, А.В.Караушевым, Н.Е.Кондратьевым, И.А.Кузьминым, Ц.Е.Мирцхулавой, В.Н.Михайловым, А.Е.Михиновым, Н.А.Ржашщиным, К.И.Россинским, А.Ю.Сидорчуком, Б.Ф.Снищенко, Р.С.Чаловым и др.
Материалами для исследования служили справочные и полевые данные по рекам России и сопредельных стран. Часть исходной информации заимствована из литературных источников. В работе нашли отражение архивные материалы Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, института Севкавгипроводхоза и географического факультета МГУ. Некоторые данные получены автором в дельте Волги и на р.Оке.
Предметом защиты являются закономерности пространственно-временной изменчивости характеристик массообмена в различных физико-географических, гидрологических, гидродинамических условиях и в отличающихся по размеру эрозионно-аккумулятивных системах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Впервые дано целостное представление о массообмене в различных
эрозионно-аккумулятивных системах.
Обоснованы положения о пространственно-временной изменчивости процессов обмена минеральными частицами в системе поток - речные отложения.
Изучена специфика массообмена в условиях изменения размера эрозионно-аккумулятивных систем и вариации определяющих факторов.
Разработаны новые методы количественной оценки направлешюсти и интенсивности массообмена.
Выполнены прогностические расчеты интенсивности и направленности массообмена на устьевом участке р.Терек и по длине рук.Бахтемир (дельта Волги) при различных сценариях изменения уровня Каспийского моря.
. - Разработан метод определения оптимальных характеристик русловых карьеров для минимизации негативных последствий их эксплуатации.
Практическая значимость исследования связана с возможностью использования выявленных закономерностей массообмена и разработанных расчетных методик при анализе реакции системы поток - речные отложения на естестветше или антропогенные изменения определяющих факторов. Они создают основу для количественного прогноза условий безопасного существования промышленных и социальных объектов на пойменных территориях, разработки рекомендаций по улучшению условий судоходства, эксплуатации русловых карьеров и других прикладных задач, связанных с русловыми процессами. Научные разработки автора использованы при оптимизации добычи нерудных строительных материалов на р.Чулым (Енисейское БУВП), обосновании положений федеральной целевой программы "Каспий", исследованиях руслового режима на устьевом участке р.Терек (Западно-Каспийское БВО) и по длине рук.Бахтемир (ин-т "Астрахангипроводхоз"). Методика определения характеристик массообмена в многолегних масштабах времени привлечена для оценки динамики радионуклидов в зоне расположения предприятия "Радон".
Апробация работы. Некоторые результаты исследований доложены на X Межвузовском координационном совещании по проблемам русловых, эрозионных и устьевых процессов в г. Вологде в 1995 г, научной конференции "Взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы" (Москва, 1996), научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 1996).
Публикации. Результаты исследований положены в основу четырех публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заюгючения и приложеіпгії. Общий объем работы: 136 страниц
4 машинописного текста, 47 рисунков, 24 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.
Автор выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ докторам географических наук В.М.Евстигнееву, В.Н.Михайлову, Р.С.Чалову, В.Н.Коротаеву, кандидатам географических наук К.М.Бсрковичу, В.А.Скорнякову за полезные советы и замечания.