Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидролого-географическая сравнительная характеристика устьевых областей рек Волги и Дуная ... 11
1.1. Устьевая область Волги 11
1.2. Устьевая область Дуная 16
1.3. Основные гидролого-морфологические особенности устьевых областей Волги и Дуная 20
1.4. Хозяйственная освоенность дельт 24
Глава 2. Гидрологические условия на верхней и нижней границах дельт Волги и Дуная 26
2.1. Сток воды и наносов рек Волги и Дуная 26
2.2. Уровни Каспийского и Черного морей 36
Глава 3. Особенности водного режима устьевых областей Волги и Дуная 51
3.1. Перераспределение стока воды по рукавам дельт Волги и Дуная 52
3.2. Распластывание волны половодья в дельтах Волги и Дуная 88
3.3. Процессы взаимодействия русловых потоков и поймы в дельтах Волги и Дуная 90
3.4. Распространение подпора в дельты рек Волги и Дуная со стороны Каспийского и Черного морей 108
3.5. Распространение сгонно-нагонных колебаний уровня моря в устья рек Волги и Дуная 132
Глава 4. Возможные естественные и антропогенные изменения водного режима устьевых областей волги и Дуная в Будущем 155
4.1. Возможные изменения водного режима дельты Волги 155
4.2. Возможные изменения водного режима дельты Дуная 179
Заключение 183
Список литературы 198
Приложения
- Основные гидролого-морфологические особенности устьевых областей Волги и Дуная
- Уровни Каспийского и Черного морей
- Процессы взаимодействия русловых потоков и поймы в дельтах Волги и Дуная
- Возможные изменения водного режима дельты Дуная
Введение к работе
Актуальность исследований. Дельты рек являются уникальными физико-географическими объектами. Для них характерны сложная внутренняя структура, особый режим уровней и расходов воды и стока наносов, особенности развития гидрографической сети и ландшафта. Устьевые дельтовые комплексы и их ресурсы испытывают значительную и всестороннюю антропогенную нагрузку. Это - интенсивное сельскохозяйственное, рыбохозяйственное и воднотранспортное освоение, урбанизация, проведение различных водохозяй= ственных мероприятий. И в то же время дельты рек играют существенную роль в поддержании экологического равновесия на прилегающих к ним обширных территориях речного бассейна и акватории приемного водоема.
В связи с проектированием, строительством и эксплуатацией различных гидротехнических сооружений в устьях рек все более важное значений приобретает прогноз естественных и антропогенных изменений природных комплексов устьев рек. При этом основным вопросом исследований является изучение изменений водного и, как следствие, руслового режима дельт рек.
В качестве объектов исследования выбраны дельты Волги и Дуная, как крупные неприливные устья рек, весьма сильно освоенные в хозяйственном отношении. Кроме того, по этим дельтам имеются многочисленные гидрометрические материалы, необходимые для исследований.
Изучение воздействия колебаний уровня Каспийского моря на водный режим дельты Волги представляет большой интерес как с научной точки зрения (например, в связи с необходимостью прогноза влияния ожидаемого повышения уровня Мирового океана на устья рек; при этом устья рек, впадающих в Каспий, могут рассматриваться как аналоги), так и с практической. Это связано с освоением водных и земельных ресурсов дельты, с проблемой предсказаний наводнений в дельте Волги и разработкой мер борьбы с ними, а также с созданием глубоководного судового хода Волга - Каспийское море.
На протяжении многих столетий, а особенно в XX в., дельта Дуная активно используется человеком в различных областях экономики (сельское и рыбное хозяйство, водный транспорт и др.). Антропогенное воздействие на этот природный комплекс достаточно велико. Поэтому весьма важно рассмотреть особенности гидрологического и руслового режима дельты как в естественных условиях, так и под влиянием антропогенных факторов, особенно в связи с проблемой освоения дельты и выбора нового судового хода Дунай -Черное море в украинской части дельты и т.д.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью исследования важных в научном и практическом отношении гидрологических процессов в дельтах рек и влияния на них естественных и антропогенных факторов. Исследования водного режима крупных неприливных дельт, проведенные в России и за рубежом, показали, что, с одной стороны, основные закономерности гидрологических процессов едины, но, с другой стороны, имеется довольно много существенных региональных особенностей. Подробного анализа причин различий в водном режиме крупных неприливных дельт до настоящего времени не проводилось. В том числе и для дельт Волги и Дуная, в целом достаточно хорошо изученных (работы Б.А. Аполлова, В.В. Валединского, С.С. Байдина, Ф.Н. Линберга, И.В. Самойлова, М.М. Рогова, Н.А. Скриптунова, B.C. Рыбака, И.А. Шикломанова, В.Ф. Полонского, О.В. Горелиц, Л.Г. Синен-ко, В.Н. Коротаева, В.В. Иванова, Н.И. Алексеевского, И.Г. Петреску, В.Н. Михайлова, В.Н. Морозова и др.). Между тем, детальное сравнение гидрологического режима этих дельт и объяснение причин их различий могло бы не только способствовать более глубокому анализу особенностей их гидрологического режима, но и лучшему пониманию гидрологических процессов в неприливных дельтах вообще. Результаты исследования водного режима дельт Волги и Дуная должны также способствовать разработке научных основ рационального использования и охраны их природных ресурсов. Актуальность работы обусловлена также необходимостью совершенствования методов про-
гноза на многолетнюю перспективу изменений водного режима устьев рек под влиянием естественных и антропогенных факторов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы явился сравнительный анализ водного режима дельт Волги и Дуная, выявление причин его различий и уточнение на этой основе закономерностей водного режима крупных неприливных дельт. Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
Оценить различия, во-первых, во внешних факторах, влияющих на режим дельт Волги и Дуная, и, прежде всего - стока воды и наносов рек и колебаний уровня Каспийского и Черного морей; во-вторых, в морфологическом строении этих дельт и прилегающих участков взморьев; в-третьих, во влиянии местных антропогенных факторов на водный режим дельт.
Выявить различия и объяснить их причины в следующих пяти основных процессах, характерных для дельт Волги и Дуная, а именно: а) перераспределении стока воды по рукавам; б) распластывании волны половодья от вершины дельты к ее морскому краю; в) взаимодействии руслового потока и дельтовой поймы; г) распространении в дельту подпора от поднимающегося уровня моря; д) проникновении в дельту сгонно-нагонных колебаний уровня моря.
Разработать некоторые методические приемы по оценке: а) трансформации паводочных петель в дельте; б) стоково-подпорных изменений уровней воды в дельте; в) нагонных повышений уровня воды в дельте.
Оценить возможные изменения водного режима дельт Волги и Дуная в ближайшем будущем.
На основе выявленных закономерностей сделать практические рекомендации по рациональному использованию рассматриваемых дельт.
Фактический материал и методика исследований. В основу работы положены данные стационарных и полевых исследований Астраханского центра по гидрометеорологии, Дунайской гидрометеорологической обсерватории (Измаил, Украина), географического факультета МГУ, Астраханского ком-
плексного проектно-изыскательского отдела института «Союзморниипроект» в устьевых областях Волги и Дуная. Автор диссертации благодарит перечисленные выше организации за сотрудничество в совместных исследованиях и любезно предоставленные фактические материалы.
Автор работы принимала участие в экспедиции, проведенной географическим факультетом МГУ совместно с Астраханским комплексным проектно-изыскательским отделом института «Союзморниипроект» в дельте Волги в 2000 г. и проводила на месте сбор материалов для исследований по теме диссертации.
Методической основой работы являлись обработка гидрометрических данных по отдельным гидрологическим постам и гидрометрическим створам устьевых областей Волги и Дуная. По этим данным строились кривые связи уровней и расходов воды Н =/{QX а также кривые многолетних изменений характеристик водного режима дельт. С помощью графиков связи расходов воды в рукавах с расходом воды в вершине дельты рассчитывалось перераспределение стока между рукавами. В многолетних изменениях уровней воды в дельте Волги выделялись составляющие, связанные отдельно с изменчивостью стока воды реки и уровня моря. Для этого строились кривые многолетних изменений уровня воды и продольные профили водной поверхности в дельте при различных фиксированных расходах воды Волги. Для дельты Дуная были построены кривые связи расходов воды в рукавах дельты с расходом воды в ее вершине Qi = AQn)> а также гидролого-морфометрические зависимости вида В = kQjx для отдельных створов и всей системы водотоков при фиксированных расходах воды в вершине дельты и т.д. По построенным графикам и кривым проводился анализ изменения характеристик водного режима дельт Волги и Дуная и причин, их вызывающих, а также выделялись естественные и антропогенные составляющие изменений водного режима, устанавливались тенденции в развитии гидрографической сети дельт и т.д.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследование водного режима дельт проведено путем детального сравнения условий, факторов
%
и процессов в двух существенно различных крупных объектах - устьевых областях рек Волги и Дуная. Новизна работы определяется следующими основными результатами, которые составляют предмет защиты:
1. Выявлены и оценены различия во внешних факторах (сток воды и наносов рек, уровни моря), морфологических особенностях дельт и взморьев, антропогенном влиянии, что определяет и различия в гидрологическом режиме дельт Волги и Дуная.
Выявлены сходства и различия в гидрологических условиях на верхней границе дельт. Установлено, что для дельт Волги и Дуная в многолетних из-менениях расхода воды реки характерно преобладание естественных климатических факторов, уменьшение стока наносов, связанное с отложением наносов в крупных водохранилищах. В то же время выявлены существенные различия в сезонном распределении стока воды в вершинах дельт Волги и Дуная, связанные с зарегулированием рек. В дельте Волги степень влияние зарегулирования реки сказалось сильнее, чем в дельте Дуная.
Выявлены существенные различия в гидрологических условиях на нижней границе дельт. Крупномасштабные и интенсивные изменения уровня Каспийского моря в XX в. не идут ни в какое сравнение с плавным эвстатическим повышением уровня Черного моря.
Определено, каким образом на водный режим дельт оказывает влияние характер устьевого взморья. Для дельт Волги и Дуная он существенно различен. Устьевое взморье Волги чрезвычайно обширное и отмелое по сравнению с нешироким и приглубым взморьем Дуная. В результате в дельте Волги наблюдается относительно слабое и замедленное влияние на водный режим дельты колебаний уровня моря, особенно при его отметках ниже -27 м БС, когда разрывается гидравлическая связь между дельтой и морем. На взморье Дуная такого не наблюдается. Вследствие приглубости взморья, даже незначительные изменения уровня Черного моря оказывают заметное влияние на водный режим дельты Дуная.
?
Установлено, что уклоны поверхности дельтовых равнин и водной поверхности в рукавах дельты Волги немного превышают уклоны в дельте Дуная. Это связано в первую очередь с историческим развитием дельт и сильной раздробленностью русловой сети дельты Волги по сравнению с дельтой Дуная. Следствием этого является более существенное распространение подпора от повышающегося уровня моря и сгонно-нагонных явлений в дельте Дуная по сравнению с дельтой Волги.
Выявлены и объяснены сходства, различия и закономерности комплекса гидрологических процессов в дельтах Волги и Дуная. Установлено, что в дельте Волги по сравнению с дельтой Дуная малые водотоки отмирают в большем количестве и быстрее, характер распластывания волны половодья после зарегулирования стока реки изменился сильнее, взаимодействие водотоков и поймы происходит активнее.
Разработана методика анализа пространственно-временной изменчивости паводочных петель; с ее помощью объяснено формирование и «вырождение» таких петель вдоль придельтового участка и дельты Волги. Объяснено отсутствие паводочных петель в дельте Дуная.
Разработаны метод разложения многолетних колебаний уровней воды в дельтах на подпорную и стоковую составляющие и метод расчета распространения нагонов и сгонов в дельту. С помощью этих методов выявлено, что в дельте Дуная по сравнению с дельтой Волги подпор от поднимающегося уровня моря и сгонно-нагонные колебания уровня распространяются при малых расходах воды рек на большее расстояние. Анализ распространения нагонов и сгонов сделан для устья Дуная впервые.
Практическая значимость работы заключается в расширении информационно-методической базы водохозяйственной и природоохранной деятельности в устьевых областях рек. Часть результатов работы может быть использована при проектировании и эксплуатации различных гидротехнических сооружений и систем, связанных с созданием новых и реконструкцией старых судоходных трасс и каналов в дельтах и на устьевых взморьях, при прогнозе
изменения уровня воды в портовых зонах устьев рек, связанных с колебаниями уровня моря, а также при проектировании защитных сооружений от затоплений дельт, вызываемых нагонами.
Апробация работы и внедрение ее результатов в практику. Работа выполнялась в рамках нескольких проектов РФФИ: "Формирование и режим речных дельт: основы гидролого-морфологической теории, методы картографирования и математического моделирования, региональные особенности" (99-05-64780, 1999-2001 гг.) (автор диссертации за успешное выполнение ряда задач этого проекта получила от РФФИ специальный «молодежный» грант), «Исследовать влияние крупномасштабных изменений уровня моря на гидрологические процессы в низовьях рек и разработать научные основы их прогноза» (01-05-64058, 2001-2003 гг.), "Устья рек как эффективные индикаторы глобальных и региональных естественных и антропогенных изменений природной среды" (02-05-64034, 2002-2004 гг.).
Ряд результатов, полученных в диссертации, использован при выполнении трех тем, связанных с научным обоснованием мер по улучшению судоходных условий в дельте Волги (по договорам с Астраханским комплексным проектно-изыскательским отделом института «Союзморниипроект»): "Оценка влияния строительства Кировского канала на распределение стока и режим уровней воды в системе водотоков рукава Кизань и в узле разветвления Старая Волга - Бахтемир" (2000 г.), «Исследовать уровенный режим в районе порта Оля при возможном повышении уровня Каспийского моря» (2001 г.) и «Уровенный режим в районе порта Оля при реальных сценариях изменения уровня Каспийского моря» (2002 г.).
Дунайской ГМО (Измаил, Украина) переданы для использования в оперативных целях результаты расчета распределения стока по рукавам дельты Дуная, изменения гидролого-морфометрических характеристик водотоков, величины и дальности распространения нагонов в дельту.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на Международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов-97» и «Ломоносов-98»
(МГУ); V Международной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (ИВН РАН, 1999 г.); на XIV, XV, XVI и XVII Пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Уфа, 1999 г.; Волгоград, 2000 г.; Санкт-Петербург, 2001 г.; Краснодар, 2002 г. соответственно); на семинарах молодых ученых ВУЗов (Вологда, 2000 г.) и на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ (май 2002 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 16 работ, из них 6 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 205 страниц, включая 42 рисунка и 51 таблицу; имеет 17 страниц приложений. Список литературы включает 99 наименований.
Основные гидролого-морфологические особенности устьевых областей Волги и Дуная
Гидролого-морфологические особенности устьевой области Волги, существенно отличают этот объект от других устьев рек мира. Они были детально исследованы специалистами ГОИНа, МГУ, Астраханского заповедника [4,5,9,10,11,13, 30,34,38,41,46,53,54,55,59,60,61,65,76,78 и др.].
Отличие гидрологических процессов во многом определяется особенностями дельт Волги и Дуная как географических и гидрографических объектов (табл. 1.4): 1) в дельте Волги значительно более развитая русловая сеть, чем в дельте Дуная. В отдельные периоды развития дельты Волги число водотоков возрастало до 1000 и более. Это предопределяет большую рассредоточенность стока. 2) на устьевом взморье Волги (в отличие от устья Дуная) имеется обширная отмелая зона глубиной менее 2-3 м. Эта "буферная" зона - плоская и слабо наклоненная к морю платформа, при уровнях моря ниже -27,5 ... -28,0 м БС разрывает непосредственную гидравлическую связь дельты и моря. В пределах этой зоны гасятся как многолетние и сезонные колебания речного стока, так и многолетние, сезонные и сгонно-нагонные колебания уровня моря. Это предопределяет меньшее воздействие морских факторов на дельту Волги; 3) уклоны поверхности дельтовой равнины Волги больше, чем Дуная. Это - результат исторического развития дельты [16,31,83]; 4) в дельте Дуная в большей мере обвалованы рукава, что значительно уменьшает заливание дельты; 5) в дельте Волги большую роль играет искусственное углубление устьев рукавов (каналы). Она усугублена снижением уровня моря в 30-70-х годах XX в.; 6) несмотря на малое количество наносов (см. гл. 2), гидрографическая сеть дельты Волги более динамична, чем в дельте Дуная; 7) обе дельты в сильной степени преобразованы человеком. Поверхность дельты Волги и ее русловая сеть, а также отмелая зона взморья в сильной степени преобразованы человеком. В первую очередь - это зарегулирование стока Волги. За весь период наблюдений за стоком Волги (начиная с 1881 г.) можно выделить несколько характерных периодов: 1881- 1955 гг. - период условно естественного режима стока (в нем два подпериода: подпериод собственно естественного ненарушенного стока - 1881-1940 гг. и подпериод слабонарушенного стока - 1941— 1955 гг., когда были введены в строй водохранилища на Верхней Волге), период заполнения крупных водохранилищ Волжско-Камского каскада -1956-1960 гг. и период зарегулированного режима стока - с 1961 г. по настоящее время. В дельте ниже истока Бузана в главном магистральном рукаве построен так называемый Волжский вододелитель с целью поддержания в маловодные годы на пике половодья продолжительную (до 15 сут) подачу воды в восточ-ную часть дельты с расходом не менее 9000 м7с, достаточной для обеспечения рыбного хозяйства, а также для обводнения сельскохозяйственных угодий. Работа вододелителя вызывает некоторые изменения в перераспределении стока в рукавах дельты, а, следовательно, в режиме уровней воды [22,69,76,83]. В дельте весьма развито судоходство, особенно в ее западной части. Основным магистральным судоходным направлением является Волга-Бахтемир-Волго-Каспийский канал. Судоходные (ВКК, Белинский) и рыбоходные каналы на устьевом взморье сосредотачивают сток, поступающий из устьев рукавов, особенно при низком стоянии уровня Каспийского моря. В дельте обвалованы русла рукавов и острова для сельскохозяйственного использования и защиты от наводнений. Наиболее обвалована западная часть дельты. Общая площадь обвалования составляет 103,6 тыс. га [83]. Однако большая часть дельты Волги не обвалована, поэтому для нее характерно довольно значительное заливание в период половодья. Сложная гидрографическая сеть и сопутствующая ей богатая растительность придают ландшафту дельты Волги большое своеобразие и превращают дельту в оазис на фоне сопредельных однообразных плоских солончаковых полупустынь и пустынь, практически лишенных водных объектов и растительности [68,83]. Природные богатства устьевой области Волги широко используются в народном хозяйстве, в частности, для рыбного и сельского хозяйства, водного транспорта, целлюлозной промышленности и др. [7,40,83,86]. Дельта Дуная также в сильной степени преобразована человеком. За весь период наблюдений в стоке Дуная также можно выделить три периода: период естественного стока - 1840-1960 гг., период сооружения каскада водохранилищ на Дунае и его притоках - 1961-1970 гг. и период зарегулированного стока- с 1971 г. по настоящее время [16,40,42,49]. Для дельты Дуная характерно значительное обвалование рукавов и островов. Так к 1971 г. в румынской части дельты было обваловано 430 тыс. га, а в украинской - 30 тыс. га. Зарегулированы также левобережные придельтовые озера, лагуна Сасык [40].
Для улучшения условий судоходства в Румынии был спрямлен и углублен Сулинский рукав, превращенный в настоящее время фактически в канал. Были осуществлены попытки сооружения судоходного канала в рук. Прорва (Килийская дельта), но это направление оказалось неперспективным, рукав стал быстро заноситься и в настоящее время является отмирающим.
Дельта Дуная - это также уникальный природный объект. Она расположена в благоприятных климатических условиях, обладает своеобразным ландшафтом и богатыми природными ресурсами - земельными, водными, биологическими. В связи с этим природные богатства дельты Дуная широко используются в экономике Украины и Румынии. Антропогенный фактор оказывает существенное влияние на гидрографическую сеть дельты и ее режим [20,40,48,82,86,96].
Уровни Каспийского и Черного морей
Под водным режимом устьевой области реки и ее частей - дельты и устьевого взморья - понимают закономерные пространственно-временные изменения стока воды в водотоках дельты, уровней воды, уклонов водной поверхности, течений. В неприливных устьях рек водный режим устьевой области, как динамической системы, определяется, во-первых, внешними факторами (прежде всего водным стоком реки и уровнем приемного водоема) и, во-вторых, внутренними процессами (взаимодействием перераспределения стока по пространству дельты и русловыми процессами в ее водотоках) [12,37,38,39,53,62,79,89,90,92,93,95,99]. При этом режим уровней воды в пределах дельты и взморья выступает как индикатор всех естественных и антропогенных изменений водного режима устьевой области в результате воздействий внешних факторов и внутренних процессов динамики устья.
Для устьевой области Волги влияние на ее режим многолетних и сезонных колебаний водного стока реки довольно хорошо изучено [5,7,40,60,61,62,83]. В меньшей мере исследовано влияние изменений уровня Каспийского моря. Вместе с тем выявлено, что устья рек, впадающих в Каспий, реагировали на колебания его уровня в XX в. по-разному. В большинстве случаев оправдывается обычная схема реакции водного и руслового режима дельт на колебания фонового уровня приемного водоема - эрозия, врезание русла и снижение уровенной поверхности при падении уровня моря и аккумуляция наносов, рост отметок дна русла и повышение уровенной поверхности при подъеме уровня моря [39]. Такие крупномасштабные гидролого-морфологические процессы (правда с некоторым сдвигом во времени между колебаниями уровней Каспия и в дельте) выявлены в дельтах Терека и Сулака с весьма приглубым взморьем [6,17,47] и в дельте Урала с умеренно отмелым взморьем [61]. В дельте же Волги изменения уровенной поверхности оказались слабыми и совершенно неадекватными колебаниям уровня Каспия [40,43,45,46,59,60,62,66,83]. Такое явное несоответствие изменения уровней воды в море и в дельте были объяснены блокирующим влиянием обширного и очень мелководного устьевого взморья Волги. Впервые такое объяснение было дано в [65], затем подтверждено в [40,43,45,60,62,83]. Довольно детально этот процесс исследовался автором данной работы [43,45,51].
Изучение воздействия колебаний уровня Каспия на дельту Волги, между тем, представляет большой интерес как с научной точки зрения (например, в связи с необходимостью прогноза влияния ожидаемого повышения уровня Мирового океана на устья рек; при этом устья рек, впадающих в Каспий могут рассматриваться как аналоги), так и с практической, в связи с проблемой предсказаний наводнений в дельте Волги и разработкой мер борьбы с ними [15,64,83].
Влияние на водный режим устьевой области Дуная внешних и внутренних факторов отражено в работах [16,40,48,49,51,52,87,88,91,96,97]. Однако возникла необходимость более детального изучения этой проблемы, особенно в современных условиях непрерывного эвстатического подъема уровня Черного моря.
Антропогенное воздействие на устьевую область Дуная достаточно велико. Поэтому весьма интересно рассмотреть формирование особенностей водного режима дельты как в естественных условиях, так и при изменениях, вызванных влиянием антропогенных факторов.
В дельте Волги происходит процесс отмирания многочисленных небольших второстепенных водотоков и активизация наиболее крупных магистральных рукавов, в частности Бахтемира, Бузана, Кизани (табл.3.1). Эти процессы сопровождаются сосредоточением стока воды в магистральных рукавах. Так, уже в течение более 150 лет, увеличивают свой сток рукава Бахтемир и Бузан [55,83]. Доля стока Бахтемира от стока всех рукавов западной части дельты возросла с 1846 по 1990 гг. с 30 до 57%. Особенно возросла доля стока искусственно углубленного Бахтемира при низких значениях стока Волги. Сосредоточение стока в крупных рукавах сопровождается размывом их дна, как например, в нижней части Бахтемира. Этот размыв связан как с увеличением стока рукава, так и другими факторами - сокращением приблизительно в два раза стока наносов Волги после сооружения каскада водохранилищ и снижением уровня моря в 30-е годы.
Одновременно идет активный процесс отмирания, заиления и уменьшения водоносности многочисленных небольших водотоков дельты.
Зарегулирование стока Волги каскадом водохранилищ привело к уменьшению мутности воды в дельте. Это также привело в среднем для всей системы водотоков дельты Волги к незначительному (в пределах 10 %) увеличению площади поперечного сечения, ширины и средней глубины водотоков, и к снижению (до 13 %) средней скорости течения [55,75,83]. Другой, накладывающейся на антропогенное воздействие, причиной таких изменений характеристик водотоков является врезание русел (часто с запозданием) в результате длительного снижения уровня Каспийского моря [32,33,34,83].
За период зарегулированного режима стока можно выделить следующие изменения в различных системах водотоков дельты: 1) Система Бузана - выделяются три направления сосредоточения стока и размыва водотоков. Водотоки в основном активизирующиеся (активизация самого Бузана отражена на рис.3.1). 2) Система Болды - преобладают процессы отмирания водотоков. Сток сосредоточен в гланом русле системы. 3) Система Кизани (Камызяка) - сток сосредоточен в главном русле, мелкие боковые водотоки отмирают.
Процессы взаимодействия русловых потоков и поймы в дельтах Волги и Дуная
Одним из основных факторов, определяющих водный режим рек, является сток воды реки в вершине дельты. Ход уровней воды в дельтах обычно повторяют соответствующие гидрографы. Однако существуют некоторые различия в режиме уровня воды, связанные с взаимодействием русловых потоков и поймы.
Размах колебаний уровня воды в дельте Волги в период половодья изменяется от вершины дельты к ее морскому краю. Если в условиях естественного стока в верхней зоне дельты (Астрахань, Красный Яр) средний размах внутри-годовых колебаний уровня составлял 4,9-6,0 м (в зависимости от водности года), то в средней зоне (Икряное, Володарский) этот размах снижался до 3,6-4,5 м, а в нижней зоне (Оля, Зеленга)- до 2,2-3,4 м, на постах же, расположенных в отмелой зоне взморья (о.Искусственный) - около 1,0 м и менее.
Сток в вершине дельты Волги в половодье после зарегулирования реки сократился в 1,3-1,4 раза. Зимний сток возрос почти вдвое. В летне-осеннюю межень (август-ноябрь) сток в результате зарегулирования изменился мало. Соответственно изменился и размах колебаний уровня воды в половодье. В условиях зарегулированного режима стока он составляет для постов в верхней зоне дельты 2,5-4,0 м, в средней зоне дельты - 1,8-3,0 м, в нижней зоне дельты - 1,1-2,0 м, в отмелой зоне взморье - 0,4-0,8 м.
Уклоны водной поверхности в дельте Волги изменяются в зависимости от расхода воды реки в среднем от 0,0084 до 0,0262 %0 (табл.3.12). В дельте Дуная в естественных условиях от вершины дельты до ее морского края размах колебаний уровня воды в течение года уменьшалась с 5,5 до 1 м. В приморской зоне дельты размах колебаний уровня воды несколько увеличивался (до 1,4 м) вследствие сгонно-нагонных явлений. В настоящее время от вершины дельты к ее морскому краю величина колебаний уровня воды, связанных с сезонным изменением стока, уменьшается примерно от 5,5-6,0 до 0,5-1,0 м. При увеличении расхода воды Дуная от 2000 до 14000 м3/с, размах сезонных колебаний уровня воды составляет на постах Рени (163 км от моря) - 5,5-6,0 м, Измаил (93,6 км) - 4,5 м, Килия (47 км) - 2,5 м, Вилково (18 км) - 1,5 м. Обвалование рукавов привело к увеличению максимальных уровней воды в половодье на 0,2-0,3 м. Уклоны водной поверхности в дельте Дуная изменяются в среднем от 0,0053 до 0,0260 % (табл.3.12). Как видно в табл.3.12., уклоны водной поверхности дельт Волги и Дуная достаточно близки. Однако уклоны в дельте Волги все же несколько больше. Именно это является одним из важных факторов, определяющих различие в распространении подпора со стороны моря и сгонно-нагонных явлений в дельты, описанных далее в этой главе. Речные дельты, особенно крупные, такие как дельты Волги и Дуная, служат регуляторами потоков вещества в глобальном масштабе. Дельты рек выполняют функцию седиментологических и геохимических барьеров на пути переноса влекомых, взвешенных и растворенных веществ из речных бассейнов в океаны и моря (дельты - "ловушки" для речных наносов, места накопления химических веществ - компонентов речного стока [39]). Крупные дельты трансформируют также и сам водный сток рек, уменьшая его в областях недостаточного увлажнения и увеличивая - в областях избыточного и достаточного увлажнения [44]. Водный баланс крупных дельт изучен недостаточно. Однако в литературе имеются оценки водного баланса для дельт Волги [7,14,70,83,85] и Дуная [16]. Дельта Волги. В естественных условиях в дельте Волги в среднем терялось около 9 км3 воды в год [7]. Все угодья в дельте можно разделить на две группы. Увлажнение и площади угодий первой группы не зависят от водности реки и характера заливания дельты [70,85]. Испарение с них определяется только метеорологическими факторами (дефицитом влажности и скоростью ветра). Это - водная поверхность постоянных водотоков и водоемов (годовое испарение 875 мм), болота (1400 мм), леса и кустарники (1400 мм), сельскохозяйственные земли (500 мм). Испарение с угодий второй группы помимо метеорологических факторов зависит от степени заливания дельты. Это - мелководные (в том числе заросшие) полой (876 мм), заливные (645 мм) и незаливные (280 мм) луга. Испарение с погруженных в воду зарослей тростника достигает в среднем 1300 мм/год [70,85]. Зарегулирование стока Волги и сопутствующее уменьшение заливания дельты привели к сокращению потерь стока. По данным B.C. Рыбака [70], по-тери стока воды в дельте Волги уменьшились с 11,3 км /год (1936-1950 гг.) до 10,6 км3/год (1961-1970 гг.).
Дельта Дуная. В этой дельте в среднем потери стока составляют 3,69 км /год [16] . При этом потери на испарение (5,92 км /год) рассчитаны как сумма испарения с открытой водной поверхности (рукавов, озер) (807 мм/год) и испарения с поверхности дельты, покрытой растительностью (в среднем 1135 мм/год). Испарение с растительного покрова (транспирация) зависят от характера растительности. Заросли тростника испаряют в среднем 1230 мм в год, папуры - 1415, растительность плавней и пастбищ - 966, почва, не покрытая растительностью - 645 мм в год.
Возможные изменения водного режима дельты Дуная
Отмеченные отличия уклонов водной поверхности на спаде и подъеме для придельтового участка Волги и ее дельты, по-видимому, и являются основными причинами того, что от Черного Яра до Сероглазовки (иногда Верхнего Лебяжьего, редко - Астрахани) ширина паводочной петли увеличивается, а ниже по течению - уменьшается. Таким образом, паводочная петля выше вершины дельты Волги формируется, а ниже по течению -вырождается.
Интересно отметить, что в районе Черного Яра (200 км выше Верхнего Лебяжьего) паводочная петля была плохо выражена и до зарегулирования реки (табл.3.14). Это, как уже было сказано выше, по-видимому связано с наличием естественных прирусловых валов вдоль реки, которые препятствуют взаимодействию русловых потоков и поймы.
Вторая возможная причина формирования паводочной петли -регулирующая роль поймы и дельты. На подъеме половодья часть воды идет на наполнение пойменных и дельтовых понижений, на спаде большая часть воды (за исключением затрат на испарение) возвращается в русла. Поэтому при фиксированном расходе воды в вершине дельты расход воды в любом рукаве на спаде половодья немного больше, чем на подъеме [5,7]. Согласно формуле (3.5) это должно привести к возрастанию уровня воды в рукаве на спаде. И действительно, если привязывать уровни воды на постах в рукавах дельты к расходам воды не в ее вершине, а в тех же рукавах, то нередко можно получить кривую Hj=f(Qi) с аномальным положением ветвей подъема и спада: первой слева, второй - справа. Однако различия в расходах воды на подъеме и спаде в рукавах невелики, а связи Qi= p(Q получаются практически однозначными.
К некоторому повышению уровней воды на спаде при заданных расходах воды может привести и "тормозящее" воздействие возвращающейся в русло воды с поверхности поймы и дельты. Это влияние, названное Г.В.Железняковым "кинематическим эффектом поймы", создает в русловых потоках дополнительное гидравлическое сопротивление. Поток, уменьшая свою скорость течения, может пропустить расход воды при большей глубине (более высоком уровне).
И наконец, безусловное воздействие на ширину петли оказывает стабилизирующее влияние уровня моря: на взморье вблизи МКД разница между уровнями на спаде и подъеме половодья не может превышать в условиях современного затопления отмелой зоны взморья сезонного хода уровня моря (без учета сгонно-нагонных явлений), т.е. 0,2-0,4 м.
В результате анализа всех перечисленных причин можно прийти к выводу, что регулирующая роль поймы и дельты и "кинематический эффект поймы" оказывают на формирование паводочных петель заметно меньшее влияние, чем различия в уклонах водной поверхности на подъеме и спаде половодья и относительное постоянство (в данном году) уровня моря. Суммарным следствием воздействия всех перечисленных факторов является формирование паводочной петли с увеличением ее ширины на участке Черный Яр - Сероглазовка (или Верхнее Лебяжье) и "вырождение" петли с уменьшением ее ширины вдоль дельты (от ВД до МКД).
Формирование и трансформация и сдвиг паводочных петель на постах в дельте Волги отчетливо указывают на влияние регулирующей роли самой дельты. Распространившийся подпор со стороны Каспийского моря в значительной степени повлиял на вертикальный сдвиг и уменьшение ширины паводочных петель на устьевом взморье реки и довольно слабо в самой дельте, даже в ее нижней зоне. В средней и верхней зонах дельты влияние подпора на паводочные петли не проявляется.
Основные колебания уровня воды в дельте Дуная связаны с изменением стока реки в нижнем ее течении. В естественных условиях волны половодья и паводков, сформировавшиеся на Дунае, по мере продвижения вниз по течению постепенно распластывались и вызывали затопление пойменных площадей [16,58,.96,98]. При приближении к морскому краю дельты паводочные волны уже практически не прослеживались. Сезонный ход уровней повторял изменения расходов. О размахе колебаний уровня воды в дельте Дуная было сказано выше.
Для рукавов дельты Дуная должны быть характерны петлеобразные кривые связи уровней и расходов воды Н =f(Q) (как, например, для рукавов дельты Волги). Однако паводочные петли в системе рукавов дельты Дуная почти не наблюдаются. Для основных рукавов связи уровней и расходов воды практически однозначны (рис.3.10,а). Можно выделить лишь рукава в приморской части Килийской дельты (Анкудинов, Полуденный и др.), но и здесь петля довольно узкая и выражена не четко (рис.3.10,6). Практически однозначные связи уровней и расходов воды в рукавах дельты и отсутствие паводочных петель можно объяснить влиянием обвалования, которое препятствует выходу воды в период половодья на пойму. Так, например, для Сулинского рукава характерна прямая связь уровней с расходами воды с коэффициентом корреляции г равным 0,992, а для Килийского рукава (115 км) - с г равным 0,958. По-видимому, в естественных условиях для дельты Дуная были характерны петлеобразные связи уровней и расходов воды. Однако достоверно проверить это невозможно из-за отсутствия данных за период до 1960 г., а обвалование рукавов в дельте было начато до 60-х годов XX в. [16,40].
Основная причина различия в кривых расходов в дельтах Волги и Дуная можно объяснить тем, что очень многие рукава в дельте Дуная, а особенно основные (Килийский, Сулинский, Георгиевский), в значительной степени обвалованы. Обвалование препятствует выходу воды в половодье на пойму, поэтому кривые расходов рукавов в дельте Дуная практически однозначны.
