Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общие вопросы формирования и изменения стока наносов 9
1.1 Речные наносы 9
1.2 Генетические факторы изменения стока наносов 18
Глава 2 Изученность стока взвешенных наносов рек Камчатского края и методы его изучения 27
2.1 Изученность стока наносов рек Камчатского края 27
2.2 Методы измерения характеристик стока взвешенных наносов 41
2.3 Изучение гранулометрического состава наносов 45
2.4 Расчеты характеристик стока наносов 48
Глава 3 Гидрологические условия формирования и изменения стока наносов рек Камчатского края 59
3.1 Речная сеть региона 59
3.2 Водный режим рек 66
3.3 Антропогенные изменения гидрологического режима рек 79
Глава 4 Формирование стока наносов рек Камчатского края 83
4.1 Рельеф 83
4.2 Цитологические особенности 95
4.3 Климатические факторы 103
4.4 Почвенно-ботанические факторы 111
Глава 5 Временные закономерности изменения стока наносов 125
5.1 Суточные колебания стока наносов 125
5.2 Сезонные изменения стока взвешенных наносов 150
5.3 Многолетняя изменчивость внутригодового распределения стока наносов 163
5.4 Многолетние изменения стока взвешенных наносов 170
Глава 6 Пространственные закономерности изменения стока наносов 183
Заключение 204
Литература 206
- Речные наносы
- Рельеф
- Суточные колебания стока наносов
- Пространственные закономерности изменения стока наносов
Введение к работе
Актуальность исследования определена природными особенностями и степенью изученности пространственных и временных закономерностей изменения мутности, расходов и модулей стока наносов на территории Камчатского края. Камчатский край - природный регион, для которого характерно сочетание традиционных и необычных факторов формирования стока взвешенных наносов рек, отличающихся по характеристикам водного режима и источникам поступления в реки минеральных частиц. Разнообразие факторов, определяющих специфику эрозионных процессов на водосборах и особенности транспорта продуктов разрушения горных пород по русловой сети, дополняется отсутствием существенного техногенного изменения мутности поверхностных вод. Исключение составляют немногочисленные водотоки Камчатского края, находящиеся в зонах производства горных работ. Специфика региона заключается в наличии на его территории многочисленных активных и потухших вулканов. Наличие на их склонах рыхлых вулканогенных отложений создает особые условия поступления минеральных частиц в поверхностные воды. Природные и антропогенные факторы изменения мутности определяют малоизученные для условий Камчатского края закономерности многолетних, внутригодовых и кратковременных флуктуации содержания в воде минеральных частиц. Их выявление важно для понимания механизмов русловых переформирований, способных ограничивать природопользование на освоенных участках рек, представлять опасность для социальных и производственных объектов в руслах рек и на их берегах. Информация о речных наносах необходима при определении экологических ограничений для некоторых видов хозяйственной деятельности. Реки региона являются местом нереста многих видов ценных лососевидных промысловых рыб (чавыча, кижуч, кета, нерка, горбуша и др.), развитие популяций которых лимитировано мутностью воды [Лешков, 1985]. Неконтролируемое
техногенное увеличение мутности способно негативно изменить экологические условия воспроизводства этих видов рыб.
Камчатский край - слабо изученный регион Российской Федерации в отношении стока речных наносов. Последние и наиболее полные обобщения данных по средним многолетним значениям мутности речных вод и модулю стока взвешенных наносов региона относятся к концу 1970-х годов [Ресурсы..., 1973; Сток наносов..., 1977] и не учитывают современных гидрометеорологических условий поверхностного смыва и транспорта минеральных частиц в речной сети территории. Закономерности межгодовой и внутригодовой изменчивости характеристик стока взвешенных наносов ранее в регионе практически не изучались.
Целью работы является изучение пространственно-временных закономерностей формирования и изменения стока взвешенных наносов на территории Камчатского края. Достижение данной цели потребовало решения комплекса взаимосвязанных задач:
выделения основных факторов формирования смыва почв и стока взвешенных наносов рек Камчатского края;
количественной оценки влияния ландшафтных условий на интенсивность смыва почв и разрушение горных пород;
районирования территории по условиям формирования стока взвешенных наносов;
исследования внутрисуточной и синоптической изменчивости мутности воды в русловой сети на склонах камчатских вулканов;
анализа сезонных колебаний мутности воды и расходов взвешенных наносов рек Камчатского края;
изучения многолетней изменчивости стока наносов рек региона;
характеристики пространственного распределения средней многолетней мутности воды и модуля стока взвешенных наносов;
оценки влияния вулканов на пространственно-временную изменчивость характеристик стока взвешенных наносов;
оценки влияния антропогенных факторов на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.
Объекты, состав и методика исследований. В качестве объектов изучения рассматривались постоянные и временные водотоки на территории Камчатского края, включающего полуостров Камчатку и бассейны рек, впадающих в Пенжинскую губу (от м. Тайгонос на западе до Рекиннинской губы на востоке), а также в Берингово море (от устья р. Анапка на юго-западе до м. Пятнистый на северо-востоке). В работе использованы данные стационарных наблюдений за стоком взвешенных наносов на 56 водотоках и в 63 створах постов УГМС по Камчатскому краю за период с 1940 по 2010 гг. Для изучения сезонных, синоптических и менее продолжительных флуктуации мутности под влиянием природных факторов и антропогенных нагрузок автором выполнены (2008-2012 гг.) экспедиционные работы в долинах водотоков, находящихся в зоне развития активного вулканизма, а также в районе открытой разработки месторождений россыпной платины (Корякское нагорье).
Обработка рядов гидрологических данных произведена с использованием стандартных статистических методов. Цифровая модель рельефа Камчатского края создана на основе данных радарной топографической съемки с разрешением 90 м и спутниковых снимков с разрешением 30 м. Выявление географо-гидрологических закономерностей многолетних колебаний мутности и модуля стока взвешенных наносов осуществлено с использованием стандартных методов гидрологических расчетов. Для выделения эрозионных и гидрологических районов оказался полезен потенциал методов ландшафтной гидрологии. Методы создания карт средней многолетней мутности и модуля стока взвешенных наносов реализованы в программной среде ArcGis 9.3. Кроме того, привлекались методы гидрологического районирования, гидрологической
аналогии и генетического анализа данных стационарных наблюдений за стоком взвешенных наносов.
Научная новизна работы:
впервые для рек Камчатского края произведена количественная оценка влияния рельефа, литологии горных пород, вулканизма, климатических факторов, почвенно-ботанических условий, стока воды на величину и изменчивость стока взвешенных наносов. На территории края выделено 26 эрозионных районов, относительно однородных по водно-эрозионным условиям, и 11 районов с примерно одинаковыми условиями формирования стока взвешенных наносов;
на основе теоретической концепции Уишмеера-Смита и современных гидрометеорологических данных произведена оценка потенциального смыва с поверхности водосборов рек Камчатского края;
определена величина трансформации продуктов разрушения горных пород в сток взвешенных наносов (коэффициента доставки наносов) для всех пунктов мониторинга на реках Камчатского края. Установлен убывающий характер зависимости коэффициента доставки наносов от площади водосбора р. Камчатка;
для рек Камчатского края выявлены современные закономерности пространственного распределения характеристик стока взвешенных наносов, их внутрисуточной, синоптической, сезонной и многолетней изменчивости;
на примере районов разработки россыпных месторождений платины в Корякин произведена оценка воздействия хозяйственной деятельности на изменение мутности речных вод и гранулометрического состава взвешенных наносов.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования научных результатов исследования для оптимизации структуры гидрологического и геоэкологического мониторинга окружающей среды,
определения направленности и интенсивности русловых процессов на освоенных участках речных долин, оценки влияния природных факторов и хозяйственной деятельности (горных работ) на условия воспроизводства рыбных ресурсов региона.
Результаты диссертационного исследования использованы при
выполнении проектов «Мониторинг воздействия геологоразведочных работ и
разработки россыпной платины на условия воспроизводства и состояние
рыбных запасов в бассейне р. Вывенки» (2008, 2011 гг.), «Рыбохозяйственный
мониторинг бассейна р. Фальшивой» (2008 г.), выполненных Федеральным
агентством по рыболовству Российской Федерации и КамчатНИРО - ВНИРО.
Результаты районирования Камчатского края по природным факторам
формирования стока наносов вошли в научный отчет географического
факультета МГУ по проекту ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» (соглашение № 8342 с Минобрнауки РФ)
«Мониторинг водных объектов и прогнозирование гидрологических
процессов» (2012-2013 гг.). Они также нашли отражение в научных отчетах по
инициативным проектам РФФИ: «Генетический анализ пространственно-
временной изменчивости гидрологических ограничений для
природопользования на территории России» (проект № 09-05-00339-а),
«Закономерности изменения гидрологического состояния и режима рек при их
слиянии и делении на рукава» (проект № 12-05-00069-а), «Вулкано-
гляциальные процессы на действующих вулканах: особенности речного стока и
связанная с ним вулканическая опасность (Камчатка, Россия)» (проект № 12-05-
09282-моб_з), а также гранта МК-2857.2012.5 («Природные и техногенные
закономерности изменения стока наносов по длине речных систем», 2012 г.).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на VII Гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2013); конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, 2013); XIX симпозиуме по проблемам изучения бассейнов северных
морей (Аляска, США, 2013); семинаре по гидрологическому моделированию (Кобленц, Германия, 2012); XXVII пленарном совещании Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Ижевск, 2012); III Международной конференции по вопросам вулкано-гляциального взаимодействия на Земле и других планетах (Анкоридж, США, 2012); VII научном семинаре молодых ученых высших учебных заведений (Волгоград, 2012); семинарах вулканологических школ (Аляска, США, 2012; Камчатка, 2011); IX и VIII Генеральных ассамблеях европейского географического общества (Вена, Австрия, 2012, 2011); XI Международной научной конференции «Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей» (Петропавловск-Камчатский, 2011); семинаре летней школы Итало-Российского института (Палермо, Сицилия, 2011); VII международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (Петропавловск-Камчатский, 2011); XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011» (Москва, МГУ, 2011); XIV Съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2010); Международном гляциологическом симпозиуме (Казань, 2010).
Результаты исследований опубликованы в 4 научных статьях (две из них - в научных журналах из перечня ВАК России) и 14 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 215 страниц, включая 144 рисунка и 43 таблицы. Список литературы содержит 146 наименований, в том числе 15 - на иностранных языках.
Речные наносы
Наносы - минеральные частицы разного генезиса, содержащиеся в речных водах. Перемещение наносов осуществляется во взвешенном и влекомом состоянии, является сложным процессом, объединяющим циклы поступления, транспорта и аккумуляции минеральных частиц по длине рек. Эти процессы могут наблюдаться одновременно или разделены некоторыми интервалами времени [Алексеевский, 1998; Дедков, Мозжерин, 1984; Караушев, 1977; Сток наносов..., 1977].
Взвешенные частицы устойчиво перемещаются в толще потока. Влекомые наносы перемещаются путем скольжения, перекатывания по дну и сальтации частиц. Сальтация -скачкообразное их движение, при котором они периодически находятся во взвешенном или во влекомом состоянии. Разделение наносов на взвешенные и влекомые носит условный характер, поскольку в различных частях потока, а также в разные фазы водного режима одни и те же частицы могут перемещаться во взвешенном или влекомом состоянии [Гончаров, 1962; Караушев, 1977; Российский, Дебольский, 1980].
Перемещение минеральных частиц, находящихся в составе речных отложений, начинается при превышении скоростью потока размывающей и неразмывающей скорости потока. Неразмывающая скорость - скорость, при которой частицы еще находятся в состоянии покоя, а при малейшем ее превышении они начинают перемещаться по поверхности дна. При некоторых больших скоростях потока начинается массовое перемещение твердых частиц на дне потока. Эта скорость называется размывающей скоростью [Карасев, 1975; Мирцхулава, 1988]. Между средней, неразмывающей и размывающей скоростями для несвязных грунтов существуют вполне определенные соотношения Vp = lf4-17HI (1.1) vH vcp vp, где vH - неразмывающая скорость потока, vcp - средняя скорость потока, vp - размывающая скорость потока.
Определение размывающей и неразмывающей скоростей потока основано на эмпирических формулах, учитывающих размер и форму частиц в активном слое русла, их плотность, характер взаимодействия частиц, глубину потока, уклон русла, шероховатость. Формула, обобщающая вид зависимостей для расчета неразмывающей скорости для несвязных грунтов [Гончаров, 1962; Шамов, 1959], имеет вид где h - глубина потока; d - средний диаметр частиц, мм; к, п, т- эмпирические коэффициенты.
Зависимость Ц.Е. Мирцхулавы [Мирцхулава, 1988] для расчета неразмывающей скорости универсальна, поскольку позволяет оценивать противоэрозионную устойчивость как связных, так и несвязных грунтов путем введения коэффициентов, учитывающих тип грунта, его прочность и неоднородность, пульсационный характер изменения скоростей потока. Их наличие является одновременно и недостатком метода, особенно существенным в условиях дефицита натурной информации.
В русловых отложениях обычно представлены фракции валунов, гальки, гравия и песка, т.е. крупные фракции минеральных частиц. Во взвеси преобладают их тонкие фракции (пыль, ил, глина). Совокупность минеральных частиц, представленных в отложениях и во взвеси, характеризует гранулометрический состав взвешенных наносов и русловых отложений. В зависимости от типа рек (горные, полугорные, равнинные), гидрологических и гидравлических условий он соответствует большему или меньшему диаметру взвешенных наносов и русловых отложений (рисунок 1.1).
Средний диаметр частиц вычисляется по формуле ср 100 где di - средний диаметр фракции, мм; Pt - процентное содержание фракции в пробе.
Речные наносы включают русловые (руслообразующие) и транзитные частицы [Гончаров, 1962]. Руслообразующие частицы более крупные, они перемещаются по поверхности дна, образуют подвижные гряды, в небольшом процентном отношении могут находиться в основном в придонной области потока. Транзитные частицы - это минеральные частицы более тонкого фракционного состава.
В основном они перемещаются во взвешенном состоянии, могут переходить в состав речных отложений в зонах уменьшения скорости водного потока. Влекомые наносы полностью сформированы русловыми фракциями. В составе взвешенных наносов могут быть представлены транзитные и русловые частицы [Дедков, Мозжерин, 1984; Караушев, 1977; Российский, Дебольский, 1980; Kresser, 1964]. Соотношение бассейновых и русловых частиц в составе наносов может изменяться под влиянием природных факторов и хозяйственной деятельности в бассейнах рек [Дедков, Мозжерин, 1984; Мозжерин, 2012 а, б; Гусаров, Мозжерин, 2012]. Для рек с галечным и галечно-валунным руслом характерно отсутствие во взвеси русловых фракций (рисунок 1.2, а). Периодическое появление в потоке русловых фракций типично для рек, русло которых сложено песчаным и песчано-галечным материалом (рисунок 1.2, б). В руслах водотоков с песчано-илистым и илистым руслом происходит непрерывный обмен частицами между потоком и русловыми отложениями (рисунок 1.2, в). Pa.% mi
При изучении взвешенных наносов используется ряд специальных характеристик: мутности воды 5, расхода R, стока WR И модуля стока наносов MR. В зависимости от цели исследований они рассчитываются для любого временного промежутка (часы, сутки, недели, месяцы, сезоны, года и т.д.). В зависимости от природных условий, размера реки характеристики стока взвешенных наносов могут изменяться в широких пределах (таблица 1.1). В частности, содержание минеральных частиц (мутность воды) в р. Камчатке близко по величине к мутности воды в pp. Амур, Колыма и почти в два раза больше мутности ленских вод. Изменение величины мутности соответствует пространственным и временным закономерностям поступления в реки продуктов эрозии и их перевода в состав русловых и пойменных отложений.
Актуальная мутность воды характеризует содержание минеральных частиц в конкретной точке водного потока в данный момент времени. Осреднение мутности в поперечном сечении потока дает среднюю мутность речных вод в этом створе за период измерений. Средняя мутность где Q - расход воды, t - период осреднения. В зависимости от периода осреднения различают среднюю суточную, декадную, месячную, годовую и многолетнюю величину мутности воды. В данном створе реки величина мутности испытывает изменчивость в разных масштабах времени (рисунок 1.3).
Мутность воды, осредненная за длительные интервалы времени, изменяется под влиянием зональных и азональных природных факторов [Сток наносов..., 1977]. В частности, она зависит от литологии горных пород, слагающих поверхность водосборов [Дедков, Мозжерин, 1984]. Средняя многолетняя мутность воды для рек России изменяется от 2 до 2980 г/м3. Для рек мира верхний предел ее изменения достигает 60 кг/м3 (р. Хайхэ, КНР) [Чалов, 2007].
Взаимосвязь мутности воды и гранулометрического состава взвешенных наносов проявляется в зависимости где осі - доля фракции / в гранулометрическом составе наносов, Si - частная мутность, сформированная частицами /-той фракции, т.е. 5; = —-. Аналогичная зависимость может быть использована при определении частных расходов взвешенных наносов [Алексеевский, 1998, 2006; Караушев, 1977].
Расход взвешенных наносов характеризует интенсивность перемещения взвешенных частиц через поперечное сечение потока в единицу времени. Величина расхода взвешенных наносов где Q - расход воды, t - интервал времени осреднения мутности и расхода воды. Средняя годовая и многолетняя величина R, зависит от ландшафтных условий, площади и уклона водосбора, порядка реки, ее водоносности.
Рельеф
Камчатка - обширная горная страна, рельеф которой определяют высокие хребты, вулканические горы, обширные межгорные впадины, предгорные равнины и приморские низменности. Основные элементы рельефа полуострова вытянуты в северо-северо-восточном направлении, вдоль его продольной оси. Для материковой части Камчатского края характерно более сложное распределение горных хребтов и межгорных впадин. Основное количество потухших вулканов сосредоточено в центральной и северной частях Срединного хребта. Действующие вулканы расположены вдоль восточного побережья Камчатки (за исключением единственного действующего вулкана западного побережья - Ичинского) (рисунок 4.1).
Для основной части территории Камчатского края характерны значительные уклоны территории (рисунок 4.2). Крутизна склонов изменяется от 0 до 400%. В горных и полугорных районах Камчатского края происходит активная эрозия и вынос продуктов смыва на равнины с меньшими градиентами изменения высоты. На равнинных территориях преобладает аккумуляция части речных наносов.
Относительная однородность орографических факторов в пределах региона характерна для 11 орографических районов (рисунок 4.3, таблица 4.1).
Срединный хребет - крупнейшее горно-вулканическое образование региона. Оно занимает площадь 75300 км", протягивается с севера на юг примерно на 900 км, ширина района в среднем равна 83 км. Это главный водораздел речных систем Охотского моря, Берингова моря и Тихого океана, являющийся вторым по площади орографическим районом на территории Камчатского края (занимает около 16% территории). Средняя высота горного массива составляют 1200-1400 м. Средняя густота речной сети на территории района равна 1.0 (0.6) км/км2. Эрозионный индекс рельефа для района составляет 180 единиц. Высочайшая вершина хребта - вулкан Ичинский (3621 м) (рисунок 4.1). Горные вершины Хувхойтун, Алией, Острая имеют высоты, равные соответственно 2618, 2581 и 2549 м. Восточный склон хребта (средний уклон 200%о) круто обрывается к Центральной Камчатской равнине. Западный склон хребта - пологий (100%о), он плавно сопрягается с поверхностью Западной Камчатской равнины.
Южная часть Срединного хребта - более приподнятый горный массив. Осевая часть хребта характеризуется высокогорным рельефом альпийского типа со скалистыми гребнями и грядами высотой 1600-1800 м над уровнем моря. Она сильно расчленена густой русловой сетью (густота речной сети составляет 0.6-0.7 км/км""). Центральную часть хребта характеризуют следы мощного проявления вулканизма, определяющие покровный характер рельефа (рисунок 4.4). Здесь много ледников. Наибольшие площади современного оледенения характерны для горного массива Острая - Хувхойтун. Северная часть хребта имеет складчато-глыбовое строение, здесь преобладает сглаженный среднегорный рельеф с высотами 1500-1700 м. Уклоны склонов изменяются от 3 до 90%с.
Восточный хребет простирается на 500 км в северо-восточном направлении почти параллельно Срединному хребту. Он занимает площадь 17700 км2. Средняя высота хребта составляет 1200-1400 м. Это молодое складчатое поднятие горстово-глыбового типа, расчлененное (глубина до 1500 м) густой речной сетью (1.1 (0.7) км/км ). Этот орографический район образован горной системой Ганальскис Востряки, хребтами Валагинский, Тумрок, Кумроч (наивысшая точка - г. Шиш (2412 м)), Маимлянскими горами. Ганальские Востряки, а также осевые части хребтов Валагинского и Тумрок отличает высокогорный альпийский тип рельефа (расчлененность 1500 м, уклон 10-70%с). В других частях района преобладает среднегорный рельеф (рисунок 4.5), характеризующийся развитием складчатости, осложненной разрывами и мелкими сбросами (700 м и 5-40%о). Он граничит с Центральной Камчатской равниной, к которой обрывается крутым сбросовым уступом (расчлененность 1100 м, уклон 40-7Woo). Восточный склон хребта занят предгорьями (расчлененность 1000 м, уклон 5-20%о), находящимися под лавовыми покровами Восточного вулканического района. Эрозионный индекс рельефа данного района равен 90.
Центральная Камчатская равнина - узкий грабен, вытянувшийся вдоль оси полуострова, ограниченный с запада Срединным, а с востока - Восточным хребтами. Площадь района занимает 27700 км (6% Камчатского края). Длина и ширина района соответственно равны 500 и 30 км. Средняя высота местности 200 400 м, уклон - 10%. Расчлененность местности достигает 700 м. Эрозионный индекс рельефа для данного рельефа равен 47. Густота речной сети составляет 0.6 (0.7) км/км . В пределах района расположены бассейны рек Быстрая и Камчатка, текущих в противоположные стороны и отделенные друг от друга водоразделом Ганальской тундры. Рельеф равнины имеет преимущественно аккумулятивный характер. Он образован в процессе формирования аллювиальных конусов выноса в устьях притоков главных рек. В районе Северной группы вулканов их формирование продолжается и в настоящее время за счет выноса минеральных частиц водными потоками, стекающими со склонов действующих вулканов (рисунок 4.6).
Восточный вулканический район - горная страна с высотами от 1 до 4750 м, занимающая площадь 40600 км2, где преобладающими строениями являются нагорья-плато с возвышающимися вулканическими постройками разнообразного строения. Средняя высота района составляет 1600-1800 м, уклон - 50%. Густота речной сети на территории района составляет 1.0 (0.7) км/км . Широкие и хорошо разработанные долины рек приурочены к тектоническим разломам, а узкие каньонообразные ущелья (рисунок 4.7) прорезают поверхность района во всех направлениях. На территории района сосредоточены практически все действующие вулканы Камчатки, наиболее активными из которых являются Шивелуч, Ключевской, Безымянный, Плоский Толбачик, Карымский, Авачинский, Корякский, Горелый, Мутновский (рисунок 4.8). На вершинах и склонах вулканов расположены обширные области современного оледенения, крупнейшие из которых приурочены к Ключевской группе вулканов (рисунок 4.9). Эрозионный индекс рельефа для данной территории является максимальным на территории Камчатского края и составляет 837.
Суточные колебания стока наносов
Суточные колебания характеристик стока наносов (мутности воды S, расхода R и модуля стока наносов MR) зависят от погодных условий (температуры воздуха, влияющей на интенсивность таяния снежного покрова, величины и интенсивности выпадения осадков), а также от гидравлических условий взаимодействия потока и русла. Изучение колебаний характеристик стока взвешенных наносов в данном временном масштабе основано преимущественно на материалах, полученных в период проведения экспедиционных работ на реках Камчатского края (см. таблицы 2.1, 5.1).
Главной особенностью изменений мутности в синоптических масштабах времени и в локальных створах рек является их неоднозначная зависимость от изменений расходов воды. Она обусловлена разными причинами: погодными условиями, определяющими режим выпадения осадков и процессов снеготаяния, а также фильтрацией стока в рыхлые вулканические отложения.
Исследование роли снеготаяния и выпадения жидких осадков проведено в верхнем течении р. Сухая Елизовская (склоны Авачинского вулкана) (см. таблицы 2.1, 5.1) В этих условиях формируется синхронный характер изменения мутности и расхода воды (рисунок 5.1). Он обусловлен слабой противоэрозионной способностью рыхлых вулканогенных пород (см. таблицы 1.3, 4.4), большими уклонами русла (25-60%о). В результате возникает возможность существенной синхронизации изменений мутности и расходов воды. Максимум расхода и мутности воды приходится на 12:00-18:00 часов. В это время достигает максимальных значений температура воздуха и, следовательно, интенсивность снеготаяния. Максимум мутности воды несколько опережает суточный максимум расхода воды, что связано с особенностями движениями паводка и закономерным последовательным достижением максимальных значений уклонов, мутности воды, скорости течения и расхода воды, транспортирующей способности потока на подъеме волны паводка [Михайлов, 1998; Чалов, 2007]. На спаде паводка ситуация приобретает противоположный характер, что приводит к неоднозначности связи мутности и расхода воды (рисунок 5.2).
Эта закономерность нарушается при близком расположении участка исследований от источника питания (при отсутствии внутрируслового источника поступления наносов). Изучение колебаний мутности воды руч. Бильченок, расположенного в непосредственной близости от одноименного ледника (глава 4), показало, что существует асинхронность изменений мутности и расходов (уровней) воды (рисунок 5.3). На такой длине ручья интенсивность поступления наносов из русловых отложений меньше интенсивности увеличения расходов воды, что приводит к разбавлению, снижению содержания минеральных частиц в водном потоке.
Подобные колебания расхода и мутности воды характерны для рек с высокой долей талых вод в питании (порядка 35-40%), при наличии на водосборе андезитов, андезито-базальтов и туфов, имеющих рыхлое, пористое строение. Это обусловливает специфические условия фильтрации водного стока и, следовательно, колебаний мутности воды. Они характерны, в частности, для р. Паужетка (площадь водосбора в створе измерений равна 128 км2, относительная длина - 0.79).
Для небольших водотоков в районах активного вулканизма экстремальное уменьшение мутности воды вследствие прекращения стока наблюдается в ночные часы. В среднем течении ручья б/н 1 (см. таблицу 2.1), находящегося на северо-западном склоне Ключевского вулкана, сток к утру может отсутствовать вследствие прекращения питания ручья талыми водами и их фильтрации в рыхлые русловые отложения. Появление стока и его дальнейшее увеличение сопровождаются синхронным возрастанием мутности, обусловленным быстрым переводом части русловых отложений во взвешенное состояние.
Быстрые (внутрисуточные) колебания мутности воды горных рек на склонах вулканов определены сложными и малоизученными процессами изменения массообмена между потоком и русловыми отложениями вследствие внутрисуточного изменения транспортирующей способности потока и водообмена между русловыми и подрусловыми водами. Синхронные измерения на разных участках р. Сухая Елизовская в конце июля 2010 г. показали, что в ночные часы постоянный сток отсутствует уже в самом верхнем течении лахаровои долины вследствие прекращения таяния и фильтрации воды в подрусловые отложения. В светлую часть суток сток воды восстанавливался по мере увеличения водоотдачи тающих снежников и ледников. При дневной температуре порядка 30С максимум водоотдачи наблюдается около 18 часов. В это же время в верхнем течении реки формируются максимальные расходы воды. Синхронные изменения испытывала и мутность воды. Большое значение для изменения этих характеристик имеет движение волн талых вод. При отсутствии осадков эти волны перемещаются по лахаровои долине со скоростью около 0.5 км/ч [Куксина, Чалов, 2012]. В рядом расположенных реках с галечно-валунным руслом она значительно больше - порядка 2 км/ч. Такие различия связаны с последовательными процессами перевода поверхностного стока в подрусловые воды, повышения уровня подземных вод, а затем увеличения отметок водной поверхности в русле водотока. В результате режим уровней и мутности воды в лахаровых долинах приобретает пульсационный характер. Каждые 15-20 минут по длине реки проходит волна кратковременного (до 5 мин.) увеличения расхода воды (до 2 раз). Локальные внутрисуточные увеличения расходов воды вызывают многократно большее возрастание мутности воды.
Общая закономерность соответственного изменения расхода и мутности воды на различных участках продольного профиля рек вулканических территорий (глава 3) может быть описана с учетом изменений названных характеристик с ростом площади водосбора (по длине водотока). При увеличении расхода воды по длине реки (— 0) участок реки относится к области питания и приурочен к горному руслу в продольном профиле (прямая положительная волна перемещения [Грушевский, 1982]). Изменения мутности воды находятся в зависимости от характера взаимодействия потока и русла: при синхронном колебании величина — 0, при асинхронном - — 0. Изменение во времени определяется рассматриваемым временным dQ ds промежутком - примерно до полуночи — (J, — 0, в ночные часы и до утра знак производной меняется на противоположный. При относительном равенстве расходов воды (— « 0) осуществляется транзит вещества, здесь происходит размыв рыхлых вулканогенных ds толщ и максимальное насыщение потока наносами (— 0). Временные колебания dx характеристик подобны им в области питания водотока. Снижение расхода по длине реки (прямая отрицательная волна перемещения [Грушевский, 1982]) свидетельствует о потерях стока воды на участке (— 0) вследствие инфильтрации в толщу русловых отложений.
Мутность потока достигает максимальных значений на границе области транзита и инфильтрации, а затем происходит ее постепенное уменьшение (— 0).
В руслах таких рек участки с прозрачными и мутными водами могут чередоваться по их длине. Это явление связано с задержкой взвеси в подземных горизонтах при фильтрации воды. Ниже по течению наблюдаются выходы на поверхность более прозрачных вод. Наличие подобной особенности характерно для pp. Сухая Халактырская и Сухая Елизовская.
Изменение расходов воды и мутности нередко связано с русловыми переформированиями. Осередковая многорукавность рек, дренирующих склоны активных вулканов, отличается крайне высокой временной изменчивостью структуры сети. Такие участки рек являются наиболее динамичными [Алексеевский, Чалов, 2009] (рисунок 5.6, таблица 5.1) - относительные изменения расходов и мутности воды достигают нескольких порядков величин по сравнению с участками неразветвленного русла (таблица 5.1).
Пространственные закономерности изменения стока наносов
Пространственные закономерности изменения стока взвешенных наносов находятся в зависимости от совокупности зональных и азональных ландшафтных факторов (глава 3,4).
Зональность факторов формирования стока наносов (глава 4) создает предпосылки для картирования средней многолетней мутности воды и модуля стока взвешенных наносов для рек Камчатского края. Она искажается под влиянием азональных факторов - рельефа, особенностей литологического строения территории, хозяйственной деятельности. При картировании стока наносов используется районирование - выделение характерных зон с заданными пределами изменения величины параметров стока взвешенных наносов [Сток наносов..., 1977]. Эти параметры (характеристики) определялись в соответствии с методами, рассмотренными в главе 2.
Для подготовки тематических карт мутности воды и модуля стока взвешенных наносов на территорию Камчатского края использованы данные по 63 постам УГМС с продолжительностью рядов от 8 до 75 лет (с учетом восстановленных значений по методике, описанной в главе 2). Ряды являются репрезентативными, что позволило отказаться от приведения рядов к одному (более длительному) периоду вследствие сложности подбора рек-аналогов (глава 2).
Распределение постов по площади изученных водосборов приведено в таблице 6.1. Примерно половина постов (46 %) приходится на реки с площадью водосбора менее 500 км2, остальная часть (54%) пунктов наблюдений находится на более крупных реках.
Карта изменения модуля стока взвешенных наносов (рисунок 6.2) содержит 13 районов (вместо двух). Число выделенных зон не совпадает по количеству с зонами мутности, что связано с генерализацией некоторых районов. В целом пространственная изменчивость величины MR характеризует диапазон от 5-10 т/км2 до 500 т/км" и больше.
Мутность рек западных районов Камчатки существенно меньше по сравнению с реками восточных регионов. Это объясняется тем, что на востоке региона находятся наиболее крупные массивы действующих вулканов, являющихся постоянным источником поступления минеральных частиц в реки. Наиболее интенсивные пеплопады, характерные для данной части Камчатки, влияют на формирование почвенного и растительного покрова, определяют интенсивность склоновой эрозии.
Районы с минимальной мутностью воды рек (10 г/м" и меньше) расположены в юго-западной части полуострова, в центральной части Срединного хребта и на перешейке между полуостровной и материковой частями Камчатского края. Они приурочены к областям, сложенным породами, имеющими довольно высокую устойчивость к размыву. Поэтому, несмотря на высокие значения эрозионного потенциала дождей (глава 4), мутность речной воды в этом районе не достигает больших значений. Этому благоприятствует низкая эродируемость почв и повышенная их защищенность растительным покровом от размыва (глава 4).
Большая мутность (11-50 г/м) характерна для западных и юго-восточных районов полуострова, а также для материковой части региона (рисунок 6.1). Почвенный покров материковой области характеризуются относительно высокими значениями коэффициента эродируемости (глава 4), хотя подстилающие породы имеют высокую и среднюю устойчивость к размыву. Эрозионный потенциал дождей здесь достигает минимальных значений на территории Камчатского края. Высокие значения эрозионного индекса осадков (глава 4, таблицы 4.5, 4.6) в юго-восточных областях компенсируются достаточной устойчивостью горных пород и почвенного покрова к размыву и высокими противоэрозионными свойствами растительного покрова (глава 4). Мутность речных вод в западных районах региона формируются в условиях распространения горных пород средней и высокой устойчивости, почв средней эродируемости и среднего эрозионного потенциала осадков.
Существенное увеличение мутности рек характерно для восточных районов полуострова, зоны расположения вулканов (рисунок 6.1). Содержание взвешенных частиц в воде убывает по мере удаления речных бассейнов от наиболее активных вулканов. Поэтому зона максимальной мутности речных вод совпадает с территорией расположения вулканов Ключевской группы. В непосредственной близости от вулканов мутность речных вод многократно превышает значения 1-10 кг/м , а для отдельных рек достигает значений более 200 кг/м3. Такое содержание в воде минеральных частиц обусловлено максимальным для региона показателем эродируемости почв, полным отсутствием растительности вблизи действующих вулканов и высокими индексами эрозионного потенциала дождей (глава 4). Режим стока взвешенных наносов для местных рек находится в зависимости от режима извержений вулканов (рисунок 6.3). Наибольший сток взвешенных наносов р. Камчатка (пункты пгт.Козыревск и уроч. Большие Щеки) формировался в годы после крупных извержений вулканов. Сравнение лет с максимальными значениями стока взвешенных наносов и извержениями вулканов (показаны на рисунке 6.3 треугольниками) - Безымянного (1955-1956 гг.), Шивелуча (1964 г.), Толбачика (1975-1976 гг.), Ключевского (1994 г.) [Горшков, Богоявленская, 1965; Токарев, 1967; Большое трещинное...., 1984; Озеров и др., 1996], обнаруживает синхронность данных событий. На р. Толбачик максимальные значения мутности воды и расхода взвешенных наносов наблюдались после Большого трещинного Толбачинского извержения.
При прочих равных условиях средний многолетний расход взвешенных наносов является функцией размера рек [Алексеевский и др., 2004; Закономерности..., 2012]. Увеличение площади водосбора, длины рек или их порядка сопровождается возрастанием стока наносов. Например, по длине р. Камчатка (размещение постов в бассейне показано на рисунке 6.4) средний многолетний расход взвешенных наносов /?0 возрастает с 0.13 до 80.1 кг/с при увеличении расстояния от истока L с 54 до 697 км (рисунок 6.5). При этом коэффициенты доставки для створов измерений изменяются в пределах от 15.0 до 0.38% при движении от истока реки к ее устью, что соответствует изменению потенциального смыва частиц на территории от минимальных (198 т/км") до максимальных значений (12600 т/км ).
Распределение модуля стока взвешенных наносов MR по территории Камчатского края в целом соответствует распределению средней многолетней мутности воды. Минимальные его значения характерны для материковой части региона и районов западного побережья полуострова Камчатка, что соответствует распространению на территории довольно устойчивых к размыву почвогрунтов (глава 4). Диапазон изменения значений находится в пределах 1.5-9.5 т/км2. Максимальные значения MR свойственны областям развития активного вулканизма (рисунок 6.2), где распространены наиболее легко эродируемые породы и почвы, эрозионных индекс осадков достигает высоких значений, а защитные свойства растительности минимальны (глава 4). Модули стока взвешенных наносов MR для этих областей составляют более 500 т/км", а на отдельных участках достигают значений в тысячи и десятки тысяч тонн с км2. Согласно более ранним оценкам [Сток наносов..., 1977; Дедков, Мозжерин, 1984], модуль стока взвешенных наносов MR с данных территорий не превышал 100 т/км .
Величина модуля стока взвешенных наносов определена совместным влиянием комплекса факторов, определяющих пространственное изменение стока наносов и условий их транспорта в речной сети. Это позволяет исследовать характеристики стока взвешенных наносов неизученных рек в зависимости от сочетания этих факторов [Сток наносов..., 1977]. Опыт проведения подобных исследований накоплен при изучении пространственной изменчивости стока наносов для рек Европейской территории СССР и Сибири, Средней Азии [Лисицына, Александрова, 1972; Лисицына, 1974; Ткачева, 1974], а также для территории Украины [Горецкая, 1974].
В данной работе основой для выделения районов с разным стоком наносов стали особенности рельефа региона, обусловливающие преобладание эрозии в горных областях и аккумуляции продуктов смыва на равнинных территориях. Интенсивность этих процессов изменяется при переходе от крутых склонов горных хребтов и вулканических гор до пологих межгорных впадин, предгорных равнин и приморских низменностей. При одинаковых орографических условиях отличия в интенсивности эрозии и аккумуляции связаны с распределением суммы атмосферных осадков, количество которых зависит от высоты местности, удаленности речных бассейнов от морских побережий. Эти отличия обусловливают существование подрайонов территории, отличающихся по характеристикам стока наносов от их фоновых районных значений. Они также связаны с литологическими и почвенно-ботаническими отличиями участков водосборов. Дробление территории на все более мелкие территориальные единицы ограничено числом постов, характеризующих конкретную территорию. При относительно небольшой плотности наблюдательной сети важным основанием для выделения районов с примерно одинаковыми значениями модуля стока считалась их однородность по условиям формирования стока воды и наносов.
Выделенные 26 эрозионных районов (рисунок 4.28) отличает редкая наблюдательная сеть. Для территории Камчатского края имеются данные по 63 постам с наблюдениями за стоком наносов. Они неравномерно распределены по территории Камчатского края. Более половины пунктов наблюдений расположено в бассейне р. Камчатка. Это потребовало проведения генерализации условий формирования стока наносов и сокращения числа районов, в которых модуль стока наносов зависит от некоторого комплекса гидрологических и ландшафтных факторов. С учетом этого анализа установлено, что существующая плотность постов УГМС Камчатского края позволяет выделить меньшее число районов (по сравнению с их числом, которое обосновано в ходе анализа ландшафтных факторов изменения стока наносов (глава 3, 4)). Их оказалось достаточно для обоснования 11 линейных регрессионных зависимостей районного типа, позволяющих рассчитывать значения модуля стока взвешенных наносов от различных факторов, характерных для этих районов.
