Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие вопросы организации потоков вещества на поверхности суши 11
1.1. Планетарная организация потоков вещества 11
1.2. Структурные особенности потоков вещества на поверхности суши 16
1.3. Системы водотоков на водосборах рек 29
Выводы 35
Глава 2. Структура временных потоков на склонах 37
2.1 Процессы формирования склонового стока 37
2.2 Изменение объема воды на склонах 47
2.3 Характеристики склонов и их географическая изменчивость 50
2.4. Эрозионная работа эфемерных потоков 65
2.5. Структура временных потоков на склонах 69
2.6. Моделирование структуры временных потоков на склонах 73
Выводы 81
Глава 3. Водные потоки в овражно-балочной сети 83
3.1 Место оврагов и балок в эрозионно-аккумулятивных системах водосбора 83
3.2. Потоки вещества в овражно-балочной сети 96
3.3. Структура овражно-балочной сети 104
Выводы 111
Глава 4. Структура русловых систем 112
4.1. Особенности формирования и трансформации стока в речной сети 112
4.2. Влияние гидрографических характеристик на сток 124
4.3. Структура речных систем 130
4.4. Масштабные эффекты изменения гидрологических характеристик по длине рек 138
Выводы 148
Глава 5. Структура водно-эрозионных систем речных бассейнов 149
5.1 Методологические принципы выделения элементов водно-эрозионной сети 149
5.2. Закономерности изменения стока воды в водно-эрозионной сети изученных территорий 156
5.3. Формализация структуры водно-эрозионной сети изученных территорий на основе концепции «условных порядков» 171
Выводы 181
Заключение 183
Литература 187
- Структурные особенности потоков вещества на поверхности суши
- Место оврагов и балок в эрозионно-аккумулятивных системах водосбора
- Структура речных систем
- Закономерности изменения стока воды в водно-эрозионной сети изученных территорий
Введение к работе
Актуальность исследования. Талые и дождевые воды на поверхности водосборов формируют вещественные потоки, которые испытывают сложные пространственные изменения вследствие эрозионно-аккумулятивных процессов и постепенного увеличения их размера под влиянием конвергенции (сходимости) водных потоков. При этом образуется и эволюционирует сложная иерархически соподчиненная (каскадная) система «транспортных» сетей. Ей соответствует древовидная структура временных и постоянных водотоков - водно-эрозионная сеть речных бассейнов. Изучение структурных особенностей этой сети, подобия и отличий систем организации временных и постоянных водотоков в разных природных условиях, закономерностей изменения их гидрографических характеристик - хорошо известная и пока не решенная научная проблема геоморфологии и гидрологии, теории функционирования эрозионно-аккумулятивных систем.
Наиболее детально изучены закономерности строения русловых систем и соподчинения рек разного размера (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 2004, 1996; Гарцман, 1968, 1973; Карасев, 1984; Кичигин, 2003; Корытный, 2001; Косицкий, 1999, 2002; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Перевозщиков, 1998; Ржаницын, 1960, 1985; Рош, 1971; Симонов, Кружалин, 1992, 1998; Симонов, Симонова, 2003; Хортон, 1948; Чалов, 1979; Strahler, 1952). В гораздо меньшей степени исследованы особенности структуры овражно-балочных водосборов (Бондарев, 1996, 1997, 2010; Бондарев и др., 2000; Бутаков и др., 1997; Голосов, 2006; Еременко, Панин, 2010; Зорина, 2000, 2006; Ковалев, 2011; Маккавеев, 1955; Маккавеев, Чалов, 1984; Назаров, 2000; Рысин, 1998; Foster, 2005). Еще меньше работ, в которых рассматриваются проблемы структурной организации временных потоков воды на склонах речных бассейнов (Бефани, 1958; Бронгулеев, 2011; Будник, 2007; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002; Маккавеев, 1955; Погорелов, Думит, 2009; Willgoose, Rodriguez-Iturbe, 1991). В рамках этих исследований разработаны способы определения структурного положения отдельных водотоков в их общей иерархии, определения различий этих водотоков по порядку, устанавливающему структурное положение и размер конкретного водотока относительно других элементов водно-эрозионной сети. Выявленные
закономерности структурной организации систем водотоков (рек, водотоков в овражно-балочной сети, микроручейков на склонах) характеризуют конкретные звенья водно-эрозионной сети территории. В этой связи научное обоснование способов сопряжения всех элементов каскадной структуры временных и постоянных водотоков на единой физической основе является актуальной научной и практической задачей.
Цель диссертационной работы - научное обоснование методов сопряжения временных и постоянных водотоков в каскадной водно-эрозионной сети речных бассейнов и исследование закономерностей изменения стока воды на склонах, в овражно-балочной и речной сети водосборов в различных природных условиях.
Объект исследования - временные и постоянные водотоки речных бассейнов и их системы. Предмет исследования - закономерности структурной организации водотоков в каждом звене водно-эрозионной сети территории и их сопряжения в разных природных условиях.
Для достижения цели диссертационного исследования потребовалось решить следующие задачи:
выполнить анализ форм организации вещественных потоков на поверхности
суши;
изучить особенности формирования и эволюции элементов микроручейковой
сети на склонах;
разработать математическую модель для исследования механизма
формирования микроручейковой сети на склонах;
провести анализ результатов исследований структуры овражно-балочной сети с
учетом ее формирования и эволюции;
изучить технологии формализации соподчиненных элементов речной сети и
оценить их эффективность;
создать (на общей физической основе) метод определения «размера» каждого
элемента водно-эрозионной сети речных бассейнов и их сопряжения;
оценить эффективность созданной методики для изучения структурной
организации временных и постоянных водотоков в разных природных
условиях.
Материалы и исходные данные. Информационной основой диссертации стали данные из справочников «Гидрологическая изученность», «Основные гидрологические характеристики». Это позволило определить структурное положение рек разного размера в русловой сети центральной части ЕТР (бассейн оз. Ильмень, pp. Москва и Клязьма), Западного Тянь-Шаня (бассейны pp. Чирчик и Ахангаран), Южного Зауралья (верховья р. Тобол). Для изучения структуры водотоков в овражно-балочной сети, изучения соотношений между площадью их водосборов и характерными расходами воды использованы результаты наблюдений на Валдайской и Подмосковной водно-балансовых станциях, а также материалы экспедиционных исследований сотрудников Лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева (географический факультет МГУ). Для обоснования параметров модели формирования микроручейковой сети автором выполнены полевые работы в Калужской области (водосбор р. Протва, д. Сатино), на склонах долины р. Ока (Озернинский район Московской области), в долине р. Раменка (г. Москва), в районе г. Весьегонск (Рыбинское водохранилище).
Теоретическую основу исследования составили научные представления отечественных и зарубежных ученых в области формирования стока на склонах (Бефани, 1958; Голосов, 2006; Караушев, 1972; Ларионов, 1993; Литвин, 2002), в овражно-балочной (Бондарев, 2010; Бондарев и др., 2000; Зорина, 2006; Рысин, 1998; Foster, 2005) и речной сети водосборов (Алексеевский, 1998; Алексеевский и др., 2004; Гарцман, 1973; Динамическая геоморфология, 1992; Карасев, 1984; Корытный, 2001; Косицкий, 1999; Курдюмов, 1977; Маккавеев, 1955; Нежиховский, 1971; Ржаницын, 1960; Хортон, 1948; Чалов, 1979; Strahler, 1952). Ключевое значение имела концепция «условных порядков», разработанная в работах (Алексеевский и др., 1996; Алексеевский, Соколова, 1999). В работе использованы методы:
гидролого-географических обобщений, позволивших выявить зональные закономерности формирования факторов и структурных характеристик водно-эрозионных систем; математического моделирования структуры микроручейковой сети на склонах;
статистического анализа зависимостей между порядками водотоков, площадями их водосборов и характерными расходами воды, результатов математического моделирования;
экспериментальных исследований процесса водной эрозии на склонах для определения условий формирования систем временных водотоков при небольшой размывающей способности временных водных потоков; натурных исследований микрорельефа склонов и формирования поверхностного стока в верхних звеньях водно-эрозионной сети водосборов. На защиту выносятся:
представления о формировании на поверхности речных бассейнов сети сопряженных временных и постоянных вещественных потоков - каскадной системы, состоящей из множества иерархически соподчиненных систем водотоков;
закономерности формирования структуры микроручейков (временных нерусловых потоков воды) при изменении состояния и микрорельефа склонов; выводы о зависимости структуры временных русловых потоков в овражно-балочной сети от ландшафтных условий территории, этапа эволюции и площади водосбора овражно-балочных форм;
результаты анализа эффективности подходов к формализации структуры речной сети;
методология сопряжения временных нерусловых, временных русловых и постоянных русловых потоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов; оценки эффективности использования концепции условных порядков при проведении процедуры сопряжения элементов водно-эрозионной сети речных бассейнов в различных природных условиях.
Научная новизна исследования. В работе впервые рассмотрены особенности структуры всей водно-эрозионной сети водосборной территории, а не только ее отдельных звеньев: систем нерусловых временных потоков на склонах, временных и (или) постоянных русловых потоков в овражно-балочной сети, рек разного размера. Для каждого из этих звеньев проведен критический анализ подходов к формализации их структуры и установлены пределы применения этих подходов. Разработана математическая модель формирования микроручейковой сети на
склонах, позволяющая оценить главные закономерности формирования сети эфемерных потоков в зависимости от уклона, длины и микрорельефа поверхности склонов. Научно обоснована и реализована оригинальная методика сопряжения временных и постоянных водотоков, образующих водно-эрозионную сеть водосборов. Доказано, что она в одинаковой мере эффективна для формализации структуры водотоков в условиях равнинных и горных территорий, речных бассейнов, находящихся в разных климатических зонах.
Практическая значимость исследования определена возможностью использования полученных научных и методических результатов для изучения и количественной оценки процессов формирования и трансформации вещественных потоков от приводораздельных участков речных бассейнов до впадения рек в приемные водоемы. Созданная в работе технология сопряжения всех типов водотоков в водно-эрозионной сети речных бассейнов создает предпосылки для изучения физики процессов транспорта разных видов вещества в конкретных звеньях эрозионно-аккумулятивной системы водосборов. Она полезна для изучения масштабных эффектов изменения гидрографических, осредненных гидрологических и морфодинамических характеристик временных и постоянных водных потоков в зависимости от их места в структурной организации водно-эрозионной сети территории. Практическое и методическое значение имеет созданная в работе математическая модель формирования структуры микроручейков на склонах, а также технология определения условных порядков временных и постоянных водотоков с учетом региональных условий формирования характерных расходов воды.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования докладывались на XXIV (Барнаул, 2009) и XXV (Астрахань, 2010) межвузовских координационных совещаниях по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ; на Всероссийской конференции «VI Щукинские чтения: Геоморфологические процессы и их прикладные аспекты» (Москва, 2010), на научном семинаре кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ (Москва, 2011). Часть научных результатов диссертанта использована в научных отчетах по гранту РФФИ «№ 09-05-00339 «Генетический анализ пространственно-временной изменчивости гидрологических ограничений для природопользования», а
также по гранту президента России для ведущих научных школ Роснауки (НШ-4964.2008.5) «Генезис изменений режима водных объектов и закономерностей гидрологических процессов».
Публикации. Итоги исследований изложены в 8-ми научных работах, из них 3 статьи в журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией и 5 работ в сборниках материалов конференций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 197 страницах, включает 83 рисунка, 30 таблиц и список литературы из 138 источников.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ за помощь в подготовке диссертационного исследования. Особая признательность диссертанта д.г.н. Г.А. Ларионову, Л.Ф. Литвину, проф. Р.С. Чалову, к.г.н., доц. A.M. Алабяну, П.В. Ефремову, В.А. Жуку, Н.Л. Фроловой, С.Н. Ковалеву, А.Г. Косицкому, О.М. Пахомовой, инж. М.И.Гуровой, асп. Д.П. Нестеренко, оказавшим поддержку и давшим ценные советы по разным аспектам проведения научного исследования, помогавшим в организации и проведении полевых исследований. Автор также глубоко признателен сотрудникам кафедры гидрологии суши Национального университета Узбекистана и Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института: проф. Г.Е. Глазырину, Г.Н. Трофимову, Ф.Х. Хикматову, к.г.н. М.Г. Глазыриной за содействие в определении темы исследования и в разработке отдельных разделов работы. Автор благодарит проф. A.M. Гареева (Башкирский госуниверситет), В.А. Земцова (Томский госуниверситет), сотрудников Валдайской ВБС А.В. Кокорева и А.Ю. Виноградова и Подмосковной ВБС - И. Н. Гапонова - за предоставленные фактические данные по условиям формирования стока воды в разных климатических зонах.
Структурные особенности потоков вещества на поверхности суши
С поверхности суши в Мировой океан непрерывно поступает вода в жидком и твердом фазовом состоянии. Вода, содержащиеся в ней вещества и тепло, направляются в конкретные части Мирового океана. Территории, вещественные потоки с которых поступают в водные объекты, называются бассейнами. Если они поступают в Мировой океан или в его моря, то они считаются водосборами внешнего стока. На поверхности суши есть крупные области, сток с которых не поступает в Мировой океан (области внутреннего стока). Поэтому поверхность суши делится на систему водосборов внешнего и внутреннего стока. На долю областей внешнего стока приходится 80% площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) - 20% (Михайлов и др., 2008).
Границами между смежными водосборами являются поверхностные (орографические) и подземные водоразделы. Часто принимается, что они совпадают. Главный водораздел земного шара делит вею сушу на два склона. С одной части гигантского водосбора сток воды поступает в Атлантический и Северный Ледовитый океан. На другой его части формируется сток воды, поступающий в Тихий и Индийский океан. Главный водораздел проходит по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки и ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана относится 15% всей площади суши, Атлантического - 34, Тихого - 17, Индийского - 14% (Догановский, Малинин, 2004; Михайлов и др., 2008; Эдельштейн, 2005).
Совокупность водотоков и водоемов в пределах какой-либо территории образует гидрографичеекую сеть. Часть гидрографической сети, представленная водотоками (реками, ручьями, каналами), называется русловой сетью, а состоящая только из рек - речной сетью. Густота речной сети отражает ландшафтные условия конкретной территории (Нежиховский, 1971). Системы водосборов, долин и рек - основные структурные элементы организации потоков вещества в пределах малых и огромных территорий (Курдюмов, 1977). Очертания русловой сети данного водосбора связаны с его геолого-геоморфологическими особенностями и с упорядоченностью водных и иных вещественных потоков в пределах речного бассейна.
Этим системы русловых сетей отличаются от систем долинной организации территорий (рис. 1.3) (Динамическая геоморфология, 1992). Рисунок взаимного расположения долин имеет древовидный, параллельный, решетчатый, перистый, радиально-концентрический, центробежный или лепестковый характер. За исключением древовидной системы организации долин все остальные типы систем характеризуют организацию водных потоков в пределах некоторой территории, а не речных бассейнов. Рисунок расположения этих систем в пределах данной территории в основном обусловлен особенностями рельефа, трещиноватостью горных пород (Динамическая геоморфология, 1992). Например, параллельный тип долинной сети возникает в областях складчатости в условиях регрессии водоемов, наличии круто наклоненных склонов, сложенных различными породами; решетчатый - в зонах распространения кристаллических пород. Перистый тип долинной сети свойственен территориям, в пределах которых долины формируются в условиях совпадения осей их простирания с осью прогибов. Радиальный тип свойственен районам расположения вулканов центрального типа, межгорных впадин, сводовых поднятий, тектонических котловин (Динамическая геоморфология, 1992; Рычагов, 2006).
Для бассейнов отдельных рек, являющихся структурной частью крупных территорий, областей внутреннего и внешнего стока, речная сеть в основном имеет древовидный характер (Алексеевский и др., 2004). Лишь в редких случаях рисунок речной сети является стволовым, т.е. он включает лишь один водоток (рис. 1.4). Такой рисунок сети характерен для небольших по длине рек, вытекающих из озер.
При древовидной структуре в речной сети представлена главная река и некоторое число притоков. В зависимости от соотношения площади водосборов право- ( пр) и левобережных (/%) притоков возникают варианты симметричных и асимметричных рисунков русловой сети. Если Fпp Fn, то русловая сеть является симметричной (рис. 1.4 б-д). В противоположном случае русловая сеть асимметрична. Наличие притоков на всем протяжении главной реки, в верхнем, среднем или нижнем ее течении является признаком подобия рисунков речной сети (Алексеевский и др., 2004). При непрерывном и последовательном расположении притоков в пределах всего или части водосбора рисунок речной сети считается равномерным (рис. 1.4 б, е, к). Если основные притоки реки сосредоточены в ее верховьях, то русловую сеть называют неравномерной привершинной (рис. 1.4 в, ж, л). Он присущ транзитным рекам, значительная часть водосбора которых расположена в зоне полупустынного или пустынного климата, а сток формируется в горах. При преимущественном расположении притоков в среднем или нижнем течении возникают неравномерные Ф-образные (рис. 1.4 г, з, м) и корневые (рис. 1.4 д, и, н) сети (Косицкий, 2002).
Соотношение главной реки и более мелких элементов речной сети устанавливает гидрографический порядок. Он равен 1 для водотока, непосредственно впадающего в главную реку (Иванов, Неговская, 1970; Михайлов и др., 2008). Любая река, впадающая в главную реку, независимо от ее размера, считается рекой 1 порядка. Первый порядок по отношению к Волге имеют, например, pp. Нуженка, Ока и Кама, площади водосборов которых соотносятся примерно в пропорции 1: 20000: 42000. Приток реки первого порядка является рекой второго порядка и т.д. В результате самый малый элемент речной сети имеет максимальный порядок.
По абсолютным размерам элементы речной сети делятся на малые, средние и большие реки. В качестве характеристики размера рек обычно принимается площадь их водосбора (ГОСТ 17.1.1.02-77; Чеботарев, 1964), хотя одного признака обычно бывает недостаточно для решения вопроса о размере реки (Нежиховекий, 1971). Малыми реками считаются естественные водотоки, площадь водосбора которых 50 F 2 000 км2. Нижняя граница площади бассейна (50 км ) разделяет малые реки и ручьи. Она достаточно условна (Михайлов и др., 2008). Неоднозначна и верхняя граница площадей водосборов, соответствующая малым рекам. В разных природных условиях она колеблется от 2 000 до 10 000 км (Малые реки..., 1997). Площадь средних рек находится в пределах от 2 000 до 50 000 км , а площадь больших рек превышает 50 000 км . При этом в число больших рек попадают водотоки с площадью 50 000, 1 000 000 кмл и более. Поэтому целесообразно различать крупные (50 000 Г 1 000 000 км ) и крупнейшие реки (Г 1 000 000 км ).
Многие особенности формирования вещественных потоков зависят от формы бассейнов рек (Аполлов и др., 1974). Для сравнения подобия и отличий бассейнов рек используется коэффициент развития водораздельной линии (показатель компактности Гравелиуса). Он равен отношению периметра бассейна к периметру круга, равновеликого ему по площади. Форму водосбора характеризует и так называемый «эквивалентный прямоугольник» (Рош, 1971). Этот параметр дает возможность сравнивать бассейны с точки зрения влияния их формы на сток. В одинаковых климатических, орографических, почвенно-ботанических условиях в бассейне данной реки и в бассейне прямоугольной формы формируется одинаковый расход воды, если они подобны по величине показателя компактности Гравелиуса.
Место оврагов и балок в эрозионно-аккумулятивных системах водосбора
Овражно-балочная сеть - одно из трех звеньев единой водно-эрозионной системы водосборов. Она сопрягается с системами временных водотоков на склонах и русловой сетью и характеризуется наличием множества переходных форм от систем организации временных нерусловых к системам временных и русловых потоков (Маккавеев, 1955). Это затрудняет однозначное выделение начальных морфологических форм, уже соответствующих овражно-балочной сети и ее элементов, и еще относящихся к оврагам и балкам.
Первая классификация соподчиненных овражно-балочных форм рельефа местности предложена В. В. Докучаевым (Рысин, 1998). Для характеристики их эволюционного развития, возможного каскадного перехода первичных овражно-балочных форм в более сложные формы А. С. Козьменко и Д. Л. Арманд разработали теоретические схемы их трансформации в ряду «ложбина-лощина-балка-долина» и «промоина-овраг» (Бондарев, 1997). Несколько более подробная классификация овражно-балочных форм рельефа обоснована в работе (Бутаков и др., 1996). Эти морфологические образования разделены на две группы по возрасту: плейстоценовые (ложбины, лощины, балки и суходолы и их морфологические разновидности) и голоценовые (рытвины, промоины, овраги, логи и логовины). По мнению И. И. Рысина (1998), всю совокупность овражно-балочных форм следует разделять на современные (формируемые и активно трансформируемые стекающими водными потоками) и реликтовые или древние (не изменяемые современными водными потоками). К современным формам относятся овраги, размоины, вымоины и промоины, а к реликтовым -ложбины, лощины, балки, суходолы. Совокупность флювиальных форм первой группы называют овражной, а совокупность форм второй группы - суходольной сетью (Ржаницын, 1960).
В качестве характеристик распространения овражно-балочных форм используются понятия «плотность» и «густота» овражной сети. Плотность овражной сети определяется как число овражно-балочных форм на единицу площади, густота - как суммарная длина этих форм, также приведенная к единице площади. Оба этих показателя (и, следовательно, интенсивность оврагообразования) зависят от совокупности различных физико-географических факторов (Рысин, 1998). Большие значения коэффициентов корреляции характерны для связи между густотой овражной сети и распаханностью склонов, максимальными расходами талого и дождевого стока 1%-ной обеспеченности, характеристиками рельефа склонов и почвогрунтов (табл.3.1).
В разных природных зонах количество эрозионных форм, формирующих овражную и суходольную сети, изменяется в широких пределах. Общей закономерностью является преобладание элементов суходольной сети в отношении количества эрозионных форм и ее протяженности. В центре ЕТР (рис.3.1) площадь, на которой формируется временный сток в суходольной сети, превышает 80% всей водосборной площади, а суммарный объем врезания - 95% соответствующих характеристик овражно-балочных систем. Наоборот, объем выноса продуктов размыва из овражной сети абсолютно преобладает над стоком продуктов эрозии в пределах водосборов суходольной сети.
Структуру реликтовых и современных овражно-балочных форм характеризует рис. 3.2. Эта структура учитывает возможность существования одинаковых форм рельефа в составе элементов овражно-балочной сети, отличающихся по возрасту. Элементы сети суходольной представляют собой древние врезы, морфометрические характеристики которых не соответствуют величине современного поверхностного стока. Однако объем стока воды в этих элементах - функция их площади и зональной величины слоя осадков и испарения. Элементы овражной сети не только вмещают водные потоки, но и активно ими изменяются. Это означает, что транспортирующая способность временных или постоянных потоков в овражной сети превышает фактический расход наносов, в первую очередь, зависящий от величины расходов воды. Такое соотношение между характеристиками соответствует преобладанию размыва горных пород в зонах формирования оврагов (Алексеевский, 1998; Зорина, 2006). Их гидрологические и морфометрические характеристики определены зональным режимом увлажнения и площадью водосборов. Если между транспортирующей способностью временных или постоянных потоков в овражной сети и фактическими расходами наносов складывается противоположное соотношение, то овраги заполняются отложениями и превращаются в балки (Экология..., 2002).
К элементам суходольной (реликтовой) сети (рис. 3.7) относятся ложбины, лощины, балки и суходолы (Рысин, 1998; Бондарев, 1997; Зорина, 2006). С учетом неопределенности критериев выделения этих форм рельефа их число сокращается за счет исключения суходолов (Бондарев, 1997).
Ложбинами называются вытянутые понижения с пологими задернованными склонами. Глубина прогиба земной поверхности достигает первых метров, ширина - от нескольких до десятков метров, площадью водосбора - около 0,5 га. Ложбины часто имеют симметричный поперечный профиль. Они представляют собой области концентрации стока, конвергенции склоновых потоков, что подготавливает возможность формирования оврагов и балок. Это связывающее звено между склонами водосборов и овражно-балочной сетью (Еременко, Панин, 2010; Маккавеев, 1955; Foster, 2005).
Лощины - пониженные участки земной поверхности с большей глубиной прогиба (до 10-15 м). Это линейные формы рельефа с плавными перегибами продольного профиля в верхней части и слабо вогнутым днищем, с симметричным или слабо асимметричным поперечным профилем. Площадь их водосбора колеблется от 10-15 га до 10-15 км2 (Чеботарев, 1964).
Более крупными древними линейными эрозионными формами рельефа являются балки. Балки отличает симметричный или слабо ассиметричный поперечный профиль, наличие четко выраженного в рельефе водосбора, а также продольный профиль выпукло-вогнутой формы. Глубина балок зависит от высоты местных базисов эрозии. Например, в условиях Удмуртии она колеблется от 5 до 60 м (Рысин, 1998).
Суходолы - самые крупные древние эрозионные формы рельефа с симметричным или слабо асимметричным поперечным профилем. В таких крупных депрессиях местности могут располагаться даже бассейны рек. Они могут не включаться в состав суходольной сети (Бондарев, 1997).
К элементам овражной сети относятся размоина, вымоина, промоина (рытвина) и овраг (рис. 3.8). Иногда в их состав включают лишь размоины, промоины и овраги (Бондарев, 1997). Размоины - первоначально возникающие линейные эрозионные формы глубиной до 0,5 м, шириной - до 1,5-2,0 м. Их формирование на пашне имеет сезонный характер, поскольку при повторной вспашке земли они обычно уничтожаются. Вымоины - эрозионные формы, образующиеся в днищах балок, логов, лощин. Они обладают эрозионным уступом (высота от 0,15 до 1,5 м) и длиной от первых метров до 10 м и более. Промоины - линейные эрозионные формы с глубиной до 1,5-2,0 м, шириной 1,0-3,0 м. Продольный профиль промоин повторяет профиль склона; промоины имеют вертикальные или крутосклонные незадернованные стенки. Овраги -основные линейные эрозионные формы рельефа, занятые временными и (или) постоянными водотоками. Глубина оврагов достигает 4,0 м и больше. Для оврагов характерны крутые незадернованные или частично задернованные склоны (до 45-60 ), несовпадение продольного профиля склона и эрозионной формы (Рысин, 1998; Зорина, 2006). Различают овраги первичные (формируемые непосредственно на склоне), и донные - образующиеся в уже существующих элементах овражно-балочной сети (Рысин, 1998).
Отдельные формы овражной сети и их структура подвержены временной изменчивости. В развитии оврагов выделяются 4 стадии (Зорина, 2006): зарождения, наиболее интенсивного роста, медленного развития и стабилизации. Зарождение оврага на крутом участке склонового водосбора проявляется в нарушении целостности дернины, образовании воронок размыва, их соединении, формировании промоины и постепенной концентрации склонового потока в едином русле. Начало роста оврага четко датируется моментом превращения промоины в линейную эрозионную форму рельефа с типичными для оврага размерами и продольным профилем. Наиболее интенсивный рост оврага (его длины и глубины вреза) происходит вблизи бровки склона. Продольный профиль тальвега в средней и устьевой части при этом имеет вогнутую форму. После первых 10 % времени развития оврагов скорость развития эрозионной формы уменьшается приблизительно в 15 раз (рис. 3.5). В первые 1-3 % общего времени развития оврага Т0 глубина оврага достигает 70 % от своего предельно большого значения, длина овражной сети -20 %, а объем оврага при этом составляет всего 6% от его предельно большой величины. Устойчивые характеристики оврагов достигаются примерно через 50% То (Эрозионные процессы, 1984). Завершение стадии интенсивного роста оврага происходит при выносе из оврага грунта, составляющего 60-80 % его объема. При этом уменъшается средний уклон продолъного профиля оврага и происходит его выполаживание. Затем постепенно достигается приведение продольного профиля оврага к выработанному профилю, для каждого поперечного створа которого существует равенство стока наносов и транспортирующей способности временного или постоянного водного потока.
Структура речных систем
Речная система - это совокупность рек данной территории. Она возникает под влиянием эндогенных и экзогенных процессов и изменяется во времени (Морфоструктурный анализ..., 1979). Изменения в топографии водосборов и в структуре русловой сети под воздействием эндогенных процессов обусловлены тектоническими движениями и изменениями климата (Chase, 1992). Речная система территории находится в тесном соподчинении е ее рельефом, характеризует в основном каскадное соподчинение водосбора главной реки и ее притоков. Она возникает и трансформируется под влиянием литологических особенностей территории и климатических факторов. При благоприятных литологических условиях речная сеть возникает лишь в том случае, если количество осадков превышает в умеренной зоне 250 мм, в субтропиках - 500, в тропиках - 700-1000 мм (Работа водных..., 1987). При доминировании на водосборах трудноразмываемых пород русловые системы не возникают или упрощены даже в зоне достаточно влажного климата.
Длительная эволюция речной сети может быть связана с флювиальными процессами (Willgoose et al, 1991). Речная сеть в этом случае рассматривается в качестве самоподобного фрактала (Meakin et al, 1991), характеристики которого зависят от первичной инициации речной структуры и ее последующего усложнения в соответствии с теорией фракталов (Мандельброт, 2002). Она предполагает подобие отдельных фрагментов речной сети по все ее структуре.
Параметры речных систем делятся на фоновые и структурные (Караеев, Худяков, 1984). Фоновые характеристики, выраженные в относительных величинах, не зависят от размеров водотоков. К их числу относятся густота речной сети, средний многолетний модуль стока, коэффициент пропускной способности русла и т.п. Структурные показатели определяются размерами речных потоков и относящихся к ним форм рельефа. К показателям этого типа относятся длины рек, площади водосборов, средние многолетние расходы воды, площади поперечного сечения, глубина и ширина русла, количество водотоков различных порядков, входящих в систему данного порядка. Между фоновыми и структурными характеристиками речных сетей существует тесная связь.
Речные сети отличает большая или меньшая сложность, а также тип рисунка сети (Алексеевский и др., 2004). Системы соподчиненных водотоков отличает закономерное изменение гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик по их длине (Алексеевский и др., 2004; Ржаницын, 1960, 1985). Увеличение площади водосбора главной реки за счет поеледовательно впадающих притоков соответствует древовидному характеру рисунка речной сети (разд.1.2). Одновременно увеличивается число рек в этой сети, ее протяженность, длина главной реки, ее уклон. Ниже впадения притоков объединенный поток способен осуществлять транзит наносов при меньшем уклоне по сравнению с уклонами сливающихся рек (Маккавеев, 1955; Работа водных..., 1987).
Тип рисунка сети и ее сложность характеризует ориентированный (направленный) граф (Карасев, Худяков, 1984; Корытный, 2001). При представлении речной сети графом определяется комплекс характеристик (порядок «дерева» графа, число элементов, образующих граф определенного порядка и Т.П.). Изменение этих характеристик при увеличении порядка графа на каждую единицу характеризует фрактальная размерность. Величина фрактальной размерности остается практически неизменной для конкретной территории. Для структуры речной сети ряда водосборов северного склона хребта Каратепе (Тянь-Шань), например, фрактальная размерность D сети равна 1,61 (Глазырина, Муракаев, 2001).
Другой вариант формализации структуры речной сети заключается в учете взаимного расположения элементов сети. Например, так устанавливается соподчинение разных звеньев водно-эрозионной сети (склоновые нерусловые потоки, временные русловые потоки и постоянные водотоки) (Маккавеев, 1955). Качественной характеристики соподчиненных систем водотоков часто недостаточно для описания структуры речной сети. Более эффективны технологии анализа элементов направленного графа с присвоением каждой реке некоторого численного значения кода (порядка), зависящего от ее расположения в иерархии сопряженных потоков. Этот подход к формализации рек впервые использовал Р. Хортон (1948). В дальнейшем идеи Р. Хортона развивались его многочисленными последователями (рис. 4.10). Главная идея этого подхода заключается в выделении элементарного водотока - реки первого порядка, относительно которого определяются все остальные порядки водотоков. В качестве рек первого порядка принимаются водотоки, которые представляют собой первые (входные) звенья направленного графа или верхние звенья речной сети. Очевидно, что в зависимости от способа задания начального элемента речной сети величина N будет изменяться в большей или меньшей степени. В любом случае их величина N 1
Р. Хортон (Хортон, 1948) считал, что река первого порядка - первый водоток, не имеющий притоков. Порядок водотока увеличивается только в результате слияния двух водотоков одного и того же порядка. Главная река при этом не изменяет своего порядка от истока до устья, что является главным недостатком этой методики определения порядков рек. А. Штралер (Strahler, 1952) отказался от этого представления, распространив главную идею Р.Хортона и на изменение порядка главной реки. Порядки рек по Штралеру (Ышт 1) обладают двумя основными свойствами. В системе таких рек представлено не менее двух водотоков с порядками NmT = 1- Они могут также иметь несколько притоков, порядок которых меньше NUir. Если в главную реку с порядком NlUT = J не впадает ни одного притока аналогичного размера, ее порядок сохраняется независимо от числа притоков с величиной NmT J-1- Этот недостаток в некоторой степени исправлен в системе кодирования рек Н.А. Ржаницина (Ржаницын, 1960). Автор системы предложил изменять порядок водотока Np не только при слиянии рек одинакового порядка, но и в том случае, если в реку с порядком Np = Э впадают две реки сNp = Э-1.
Следует отметить, что в качестве элемента первого порядка классики теории структурной организации русловых систем обычно принимали долины (бассейны) с порядком, равным единице, а не реки с А = 1.
Очевидно, что это не одинаковые природные объекты. Однако использование картографических материалов подталкивало к использованию такой гипотезы. Для выделения начальных элементов речной сети было удобно использовать топографические карты, хорошо передающие структуру русловой и овражно-балочной сети. Неразветвленные элементы овражно балочной сети обычно и принимались для определения объекта «река первого порядка» (Ржаницын, 1960 и др.). В этом смысле более объективно выделение начальных кирпичиков речной сети по некоторой характерной длине водотоков, информация по которым приведена в справочниках Государственного водного кадастра. Е.А Черных, например, использовала для этого характерную длину рек 10-15 км (Черных, 1971). В этом случае порядок реки в произвольном створе речной сети можно оценить методом последовательных приближений, используя неравенство (Алексеевский, 1998; Алексеевский, Гайкович, 1987)
Из Проведенного анализа следует, что практически все схемы кодирования элементов речной сети ставят в однозначное соответствие порядок реки в некотором створе с числом водотоков первого порядка, находящихся в бассейне главной реки выше этого створа (табл. 4.4). Такое соответствие оправдано при симметричном рисунке речной сети (разд.1.2). Ситуация усложняется при применении некоторых схем кодирования к несимметричному варианту соподчинения водотоков в русловой сети территории (рис.4.12). Например, при примерно одинаковом числе рек первого порядка и использовании схемы кодирования элементов сети Хортона-Штралера для симметричного рисунка сети порядок реки равен 4, а для асимметричного рисунка - 2. Поэтому в практике использования индикационных методов более эффективно использование метода определения порядков рек, рекомендованного Р. Шриве и А. Шайдеггером.
Закономерности изменения стока воды в водно-эрозионной сети изученных территорий
Для изучения соответствий между площадью водосбора, расходами воды и условными порядками элементов водно-эрозионной сети территории проведен анализ соответствующей информации для бассейнов рек, находящихся в разных природных условиях и относящихся к разным геоморфологическим типам. Реки в бассейне оз. Валдай и р. Ока являются равнинными и формируют сток в зоне смешанных и лиственных лесов. Притоки р. Тобол дренируют степные и лесостепные территории Зауралья. Полуторные и горные реки Ахангаран и Чирчик располагаются в пределах Западного Тянь-Шаня (рис. 5.4).
Сведения о реках каждого района исследований, их гидрографических и гидрологических характеристиках, получены по справочникам Государственного водного кадастра СССР. Количество изученных водотоков и степень их изученности характеризует табл. 5.2. Для решения задач исследования использованы данные по 596 водотокам разного размера, 83 гидрологическим постам, находящимся в центре ЕТР, 211 рекам (30 постам), расположенным в семиаридных горных и предгорных районах Западного Тянь-Шаня, а также по 155 рекам в бассейне верхнего Тобола (20 постам). Эта информация позволила определить, в частности, порядки рек по Р. Шриве ЛЦ (Shreve, 1967) (глава 4), оценить соответствие площади водосбора и величины Nm, а также выявить функциональные связи между этими характеристиками и характерными расходами воды. Для условий центра ЕТР такую возможность создают многолетние детальные наблюдения за стоком с малых водосборов Подмосковной и Валдайской водно-балансовых станций.
Анализ данных о водотоках в бассейне оз. Ильмень и р. Ока (рис.5.5) показал, что эти бассейны отличает отноеительное подобие их ландшафтных условий, свойственных центру Русекой равнины. Они формируют водно-эрозионные структуры в зоне достаточного увлажнения. В этих етруктурах предетавлены водотоки, достаточно равномерно распределенные по длине (рис.5.6). В составе водотоков доминируют малые реки с длиной от 11 до 15 км.
Ландшафтные условия верхнего течения р. Тобол (до впадения р. Аят) соответствуют Южному Зауралью (рис.5.9). Рельеф этого региона грядовый и увалисто-волнистый (Гареев, Хабибуллин, 2010). Лесостепные ландшафты преобладают на севере, а степные - на юге территории. Высокий коэффициент ее озерности определяет высокую степень естественной зарегулированности стока. На величину стока рек влияет высокая степень сельскохозяйственной освоенности и распаханности территории.
Под влиянием перечисленных и других факторов формируется относительно более редкая русловая сеть (по сравнению с условиями центра ЕТР). Тем не менее, закономерности распределения рек по их длине (рис.5.10) практически совпадают. В условиях засушливого климата сохраняется левосторонняя асимметрия распределения числа рек по их длине, преобладание рек с длиной в диапазоне от 11 до 15 км. Зависимость длин водотоков от площади их водосборов описывается нелинейным уравнением типа (5.1) с эмпирическими параметрами А = 1,17 и = 0,56 (рис.5.11).
Зависимость среднего многолетнего раехода воды от площади водосбора в условиях недостаточного увлажнения представлена на рис. 5.12. Она описывается практически линейным уравнением Q0 = 0,277 9. С порядком рек по Шриве эта характеристика возрастает по линейному закону: Qo = 3,01 + 6,4Лґшр. Следовательно нелинейная завиеимость характерна и для соответственного изменения площади водоебора при возрастании Nmp. Модуль стока рек мал (вследствие заеушливости климата) и слабо зависит от площади водосборов. Их величина относительно мала и вследствие недостаточного вреза речных долин, препятетвующего дренированию подземных водоносных горизонтов, что характерно для так называемых «подвешенных» водосборов (Евстигнеев, 1990), которые распространены в этой части Западной Сибири (Земцов, 2004)
В условиях высотной поясности, свойственной горным и предгорным территориям, существует определенная специфика формирования стока и структуры водно-эрозионной сети. Она изучена на примере бассейнов двух правых притоков Сырдарьи; pp. Ахангаран (Ангрен) (236 км) и Чирчик (155 км). Бассейны обеих рек на юге и востоке ограничены Чаткальским и Кураминским хребтами Западного Тянь-Шаня, на севере - Таласским Алатау, с запада бассейны открыты - их границей служит р. Сырдарья (рис.5.13). Высота водосборов не превышает 4500 м (Шульц, 1965). В бассейне р. Чирчик на долю высот более 4000 м приходится не более 0,4 %, в бассейне р. Ахангаран - не более 0,2 % их водосборной площади.
Горный рельеф обусловливает повышенное число небольших водотоков («саев»), слияние которых дает начало более крупных рек (рис. 5.14). Тем не менее, общая асимметричность кривой распределения и максимум числа рек, приходящийся на водотоки длиной 11-15 км, сохраняется и в условиях горного рельефа. Крупнейшая река района - Чирчик, принимает только два крупных притока: pp. Угам и Аксаката. Река Ангрен по своей длине значительно уступает р. Чирчик. Она испытывает значительное антропогенное воздействие, связанное с разбором ее стока на орошение.
Зависимости между средним многолетним стоком, площадью водосбора и порядками рек для рек региона отражают закономерное соответствие гидрологических характеристик. Зависимости Q0 = J{F) и Nlup = f{F) описываются линейными уравнениями с высокой степенью достоверности (рис.5.15). В первом случае Q0 = 1 87 + 0,019F, а во втором - NUip = 0,03 + 0,0092F. Наличие таких соотношений указывает на существование детерминированных соотношений между площадью водосборов, гидрологическими характеристиками водотоков и их порядками.
Средние модули стока воды изученных рек довольно велики (около 15,2л/(с-км2)). В верховьях р. Чирчик они возрастают до 20,7 л/(с-км2) (Шульц, 1965). По нашим расчетам величина модулей стока воды может достигать 32 л/(с-кмо). Изменение площади водосборной территории не приводит к закономерному увеличению или уменьшению модуля стока воды. Возможно, что это связано с гидрометрическим недоучетом части стока, происходящего в форме подрусловых потоков.
Высотное или зональное изменение условий формирования стока характеризуют изменение водоотдачи с каждой единицы площади водосбора (рис.5.16). Оно пропорционально угловому коэффициенту в уравнении типа (5.2) или показателю степени нелинейного уравнения. При одинаковой площади водосборной территории (F=4000 км2) в условиях водосборов Западного Тянь-Шаня формируется расход воды 84 м3/с, центра ЕТР - 32 м3/с, а в Южном Зауралье - всего около 5 м /с, т.е. меньше соответственно более чем в 30 и 10 раз. Наибольшая достоверность связей между переменными характерна для рек горных и предгорных районов Западного Тянь-Шаня. Она понижена для рек лесостепной и степной зон в верховьях р. Тобол. Степень достоверности корреляционных соотношений возрастает с увеличением модулей стока воды (при одинаковой площади водосборов модуль стока больше в горных и предгорных районах). Это косвенно указывает на возрастающую значимость площади водосбора, выступающей в качестве критерия структурно-гидрологического подобия водотоков, при переходе от равнинных к горным территориям.
