ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ БЕРЕГОВ В РУСЛАХ КРУПНЫХ РЕК
|
Аннотация 3
Введение 5
Глава 1. Основные положения в развитии гидроморфологической теории руслового процесса 12
1.1. Природа русловых процессов, как изучение гидроморфологического подхода 12
1.2. Условия развития речных русел 16
1.2.1. Сток воды и водный режим рек 19
1.2.2. Геолого-геоморфологические факторы 20
1.2.3. Русловой рельеф 21
1.2.4. Климат 23
1.3. Горизонтальные русловые деформации 24
1.4. Применение дистанционных методов и ГИС-технологий в изучении русловых
деформаций 27
Глава 2. Факторы и условия формирования береговой эрозии на участках излучин рек Обь, Чулым, Кеть 31
2.1. Геолого-геоморфологические особенности 31
2.1.1. Географическое положение района 32
2.1.2. Рельеф и геология территории 32
2.1.3. Почвы 35
2.1.4. Растительность 36
2.2. Климат 37
2.2.1. Температура воздуха 37
2.2.2. Осадки 38
2.2.3. Промерзание почвы 39
2.2.4. Режим увлажнения 39
2.2.5. Ветровой режим 39
2.3. Гидрография и описание рек района 40
Глава 3. Гидроморфологический анализ горизонтальных деформаций на участках излучин рек Обь, Чулым, Кеть 42
3.1. Исследование горизонтальных деформаций на установленных участках русловой системы рек Средней Оби 42
3.2. Анализ плановых деформаций излучин на р. Обь 45
3.3. Анализ плановых деформаций излучин на р. Чулым 46
3.4. Анализ плановых деформаций излучин на р. Кеть 47
Глава 4. Исследование влияния водности на горизонтальные деформации на участках излучин р. Чулым 49
4.1. Определение характерных расходов воды в период русловых переформирований 49
4.2. Анализ зависимости среднемноголетних расходов воды со скоростью плановых деформаций 51
Заключение 53
Список использованных источников и литературы 54
Список сокращений 57
Приложения 58
Введение 5
Глава 1. Основные положения в развитии гидроморфологической теории руслового процесса 12
1.1. Природа русловых процессов, как изучение гидроморфологического подхода 12
1.2. Условия развития речных русел 16
1.2.1. Сток воды и водный режим рек 19
1.2.2. Геолого-геоморфологические факторы 20
1.2.3. Русловой рельеф 21
1.2.4. Климат 23
1.3. Горизонтальные русловые деформации 24
1.4. Применение дистанционных методов и ГИС-технологий в изучении русловых
деформаций 27
Глава 2. Факторы и условия формирования береговой эрозии на участках излучин рек Обь, Чулым, Кеть 31
2.1. Геолого-геоморфологические особенности 31
2.1.1. Географическое положение района 32
2.1.2. Рельеф и геология территории 32
2.1.3. Почвы 35
2.1.4. Растительность 36
2.2. Климат 37
2.2.1. Температура воздуха 37
2.2.2. Осадки 38
2.2.3. Промерзание почвы 39
2.2.4. Режим увлажнения 39
2.2.5. Ветровой режим 39
2.3. Гидрография и описание рек района 40
Глава 3. Гидроморфологический анализ горизонтальных деформаций на участках излучин рек Обь, Чулым, Кеть 42
3.1. Исследование горизонтальных деформаций на установленных участках русловой системы рек Средней Оби 42
3.2. Анализ плановых деформаций излучин на р. Обь 45
3.3. Анализ плановых деформаций излучин на р. Чулым 46
3.4. Анализ плановых деформаций излучин на р. Кеть 47
Глава 4. Исследование влияния водности на горизонтальные деформации на участках излучин р. Чулым 49
4.1. Определение характерных расходов воды в период русловых переформирований 49
4.2. Анализ зависимости среднемноголетних расходов воды со скоростью плановых деформаций 51
Заключение 53
Список использованных источников и литературы 54
Список сокращений 57
Приложения 58
Актуальность исследования. Речные излучины (или меандры) - феномен, на который обращали внимание на всех этапах освоения рек. Одни излучины находятся среди затопляемой в периоды высокой воды поймы, в своих пределах постоянно меняют свою конфигурацию и подвергают размыву берега, углубляют одни участки русла и формируют мелководные перекаты на других. Со временем они спрямляются с образованием речных стариц и старичных озер. Другие излучины практически не меняют во времени свои очертания в плане, имеют высокие незатопляемые берега, которые не размываются рекой, отступая лишь вследствие провоцируемых потоком гравитационных процессов на склонах (оползней, обвалов). На одних русловые деформации проявляются повседневно, сказываясь на условиях использования рек в различных отраслях экономики и жизнедеятельности людей на их берегах. На других переформирования русла можно установить только на протяжении длительных отрезков времени, соизмеримых с геологическими периодами, они отражаются в морфологии долин и представляют интерес в основном для геоморфологических построений [1]. Однако неоспорим тот факт, что постоянно происходящие под действием текущей воды деформации речного русла и поймы часто могут принимать размеры таких масштабов, при которых определяется судьба многих сооружений, располагающихся вблизи речного русла [2].
Итак, очевидно, что интенсивные речные деформации вблизи населенных пунктов - неблагоприятный процесс, поскольку разрушение берегов вызывает чрезвычайные ситуации, сопровождающиеся ухудшением условий жизнедеятельности населения, а также значительным материальным ущербом. Проблема безопасного хозяйствования в зоне развития речной боковой эрозии требует решения во многих странах мира, актуальна она и в России [3].
Для разработки и совершенствования системы мониторинга и прогнозирования негативных природных процессов проводятся специальные государственные программы. Так, в 2000 г. была принята Федеральная целевая программа «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 г. », в которую входят разработка государственных стандартов мониторинга, прогнозирования чрезвычайных ситуаций (на реках в частности), разработка и внедрение методов прогноза опасных природных процессов и явлений, модернизация системы аэрокосмического мониторинга и т.д. На момент написания настоящей работы в данную программу Правительством РФ были внесены некоторые изменения, по состоянию на 25 апреля 2015 г. [4]. Проблема мониторинга природной среды сформулирована недавно, 30 лет назад, а сам термин "мониторинг" впервые был предложен в 1971 г. [5].
Рассматриваемый район бассейна Средней Оби в высокой степени подвержен негативному влиянию речных деформаций. Размывы берегов рек Оби, Томи, Чулыма, Васюгана, Парабели, Кети и др. достигают 20-25 м/год, что ежегодно приводит к разрушению жилых домов, ИХО и коммуникаций. Поэтому в целях предупреждения упомянутых чрезвычайных ситуаций высокую степень практической востребованности на данной территории приобрели работы по исследованию и прогнозированию размыва речных берегов (мониторинг береговых деформаций) [4].
В современных представлениях о русловом процессе рек как формы взаимодействия потока и русла наибольшее внимание уделено плановым (горизонтальным) деформациям русла, т.к. прогноз таких деформаций позволяет принимать решения о расположении различных объектов вблизи рек [6]. Вертикальные (глубинные) же деформации под действием эрозионно-аккумулятивной деятельности потоков проявляются не так ярко в изменении планового положения русел равнинных рек (в их береговых деформациях) [3].
В результате увеличившейся деятельности человека в пределах бассейна Средней Оби, на рассматриваемых участках излучин рек Оби, Чулыма и Кети, изучение пространственных и временных закономерностей развития горизонтальных русловых деформаций в настоящий момент является экономически обоснованным и необходимым в связи с возможными социально-экологическими последствиями.
Степень изученности темы. Речным излучинам и процессам их меандрирования посвящена довольно обширная литература, как отечественная, так и зарубежная. Следует сказать, что вся история развития учения о русловых процессах (или русловедения) связана с изучением этого феномена. При этом все исследования можно разделить на два основных направления: гидродинамическое, в котором изучались кинематика потока на изгибе русла, циркуляционные течения, распределение скоростей потока и т.д., и гидролого-морфологическое, акцентирующее внимание на формах излучин, их эволюции, смещении, стадиях развития, условиях спрямления, размывах берегов. Первое в основном опирается на данные лабораторных экспериментов (И. Л. Розовский, М. А. Великанов, А. Н. Ляпин и др.), теоретические разработки (К. В. Гришанин, Н. Е. Кондратьев, В. И. Замышляев) и реже - опираясь на результаты натурных исследований. Второе, наоборот, развивалось главным образом при изучении излучин и процесса их меандрирования на конкретных реках (И. В. Попов, Н. И. Маккавеев, Р. С. Чалов, А. Ю. Сидорчук) [1].
Как отрасль знаний учение о русловых процессах зародилось в конце XIX в., но окончательно сформировалось уже в середине третьей четверти XX в. Однако в течение длительного времени теория русловых процессов развивалась преимущественно как прикладная наука, часть инженерной гидрологии, рассматривающая конкретные гидротехнические задачи. При этом, выйдя на фундаментальный уровень, она стала рассматриваться в качестве раздела динамики русловых потоков. Как естественнонаучное (географическое) направление, изучение речных русел долгое время ограничивалось накоплением и систематизацией фактического материала по морфологии и динамике речных русел. Лишь синтез обоих направлений - инженерного (гидродинамического) и географического, глубина проработки проблем, связанных с русловыми процессами, теоретические обобщения и выделение при решении прикладных задач специфических, собственно русловых вопросов привели к тому, что в конце XX в. стало возможным говорить о самостоятельной научной дисциплине - учении о русловых процессах. Об этом, в частности, свидетельствуют многочисленные монографии и учебники по русловым процессам, опубликованные начиная с 50-х гг. XX в. Новая отрасль знаний сформировалась на грани гидрологии суши, геоморфологии, инженерной гидрологии и речной гидравлики (динамики русловых потоков).
Наиболее древние сведения о реках, морфологии и типизации их русел содержатся в китайских литературных источниках. Очевидно, это объясняется тем, что практически вся история Китая связана с систематической борьбой с наводнениями и размывами берегов рек. В исторических же документах России было зафиксировано, что еще в XIII в. проводились искусственные спрямления излучин рек, строились каналы. Регулирование речных русел в целях судоходства впервые было осуществлено при Петре I в ходе строительства Вышневолоцкой судоходной системы. Массовое гидротехническое строительство в Петровскую эпоху сопровождалось приглашением в Россию иностранных специалистов и подготовкой за границей и в Москве первых русских инженеров-гидротехников. Впервые ранние документальные материалы по руслам рек появились для Волги и некоторых ее притоков - это рукописные карты и планы на отдельные участки реки с показом глубин и грунтов дна, составленные морскими офицерами и штурманами.
С началом бурного развития водного транспорта в конце XIX - начале XX в. связано заложение основ современной теории русловых процессов, что привело к становлению русловедения как самостоятельной отрасли знания. В трудах инженеров-путейцев, к которым относятся работы В. М. Лохтина, Н. С. Лелявского, В. Г. Клейбора, Н. Н. Жуковского, В. Е. Тимонова, В. М. Родевича, С. П. Максимова, были подведены итоги исследований русел рек, описаны закономерности происходящих в них процессов.
М. А. Великанов создал теоретические основы гидродинамического направления в теории русловых процессов. Большой вклад в разработку теоретических основ динамики русловых процессов был сделан В. Н. Гончаровым, В. М. Маккавеевым, И. И. Леви, К. В. Гришаниным и др.
Большое значение для развития учения о русловых процессах имело решение задач, связанных с крупным гидротехническим строительством, потребовавшим обоснование прогнозов возможных русловых деформаций в результате регулирования стока. Одной из первых работ по русловому режиму рек с зарегулированным стоком была публикация Б. В. Полякова.
Гидродинамическое направление не могло обеспечить выполнение всех практических задач, поэтому параллельно проводились исследования морфологии речных русел и их изменений под действием водных потоков, с учетом специфики гидрологического режима рек и различий в стоке наносов. Эти исследования, которые составили морфодинамическое (морфологическое) направление, продолжались в связи с решением вопросов выправления речных русел для улучшения условий судоходства (работы А. И. Лосиевского, Н. И. Маккавеева, Н. А. Ржаницына и др.), разработкой прогнозов изменений морфологии русел рек при регулировании стока гидроузлами (Н. И. Маккавеев, А. В. Серебряков), их переформирований в зонах выклинивания подпора водохранилищ (С. В. Русаков, Н. И. Маккавеев), учета русловых процессов при различных видах водохозяйственного использования, строительства инженерных объектов на берегах и переходов через реки (И. В. Попов, Н. Е. Кондратьев).
Вопросы учета руслового процесса при ирригационном строительстве получили освещение в трудах, главным образом, азиатских русловиков. С именем С. Т. Алтунина связаны исследования русловых процессов на реках Средней Азии, характеризующихся рядом специфических особенностей, и разработка методов регулирования их русел.
С середины 1950-х гг. изучение русловых процессов проводится в Государственном гидрологическом институте, что способствовало появлению новых направлений и исследований в тематике русловых процессов.
Среди других исследователей, внесших большой вклад в развитие учения о русловых процессах, следует назвать К. И. Россинского и И. А. Кузьмина, обосновавших первую в России классификацию речных русел, которая до сих пор лежит в основе практически всех классификационных схем, имеющихся в мировой литературе, и разработавших методы прогноза размывов русел в нижних бьефах гидроузлов [7].
Научные основы гидроморфологической теории руслового процесса, широко применяющейся в настоящее время для исследования и прогнозирования береговых деформаций, были заложены в 1950-1960-е гг. трудами отечественных ученых Н. Е. Кондратьева, И. В. Попова (Государственный гидрологический институт), Н. И. Маккавеева, Р. С. Чалова (Московский государственный университет) и др.
Научное изучение деформаций рек Томской области началось в конце 1950-х гг. В разные годы освещением этой проблемы занимались томские ученые А. А. Земцов, Д. А. Бураков, Ю. И. Каменсков, В. А. Льготин, Н. С. Евсеева и др. В их работах приводятся сведения о величинах размыва берегов и разрушениях населенных пунктов, рекогносцировочные прогнозы берегопереработки, анализируются факторы руслового процесса.
Способами повышения эффективности геоэкологического мониторинга при исследовании деформаций берегов занимался Крутовский А. О., вертикальными деформациями и техногенными воздействиями на них - Д. А. Вершинин. Обе упомянутые диссертации послужили важными источниками для написания настоящей работы.
Регулярные стационарные наблюдения за размывом берегов рек области (мониторинг береговых деформаций) ведутся сотрудниками Томской геологоразведочной экспедиции (ТГРЭ) с 1977 г., а также с 1995 г. наблюдения продолжаются АО «Томскгеомониторинг» [6].
Таким образом, более чем за полвека в отечественной науке разработаны вопросы, касающиеся теории и конкретного изучения горизонтальных (освящающихся в настоящей работе) деформаций русел рек. Применительно к бассейну Средней Оби - исследования проводились: А. О. Крутовским в области мониторинга береговых деформаций на реках Западной Сибири ; Ю. И. Каменсковым изучались плановые деформации, характерные для нижнего течения р. Чулым ; И. В. Поповым исследовалось применение морфологического анализа к оценке русловых деформаций на р. Обь и др.
Вместе с тем разные участки этого бассейна изучены неравномерно, что и подвигло автора на изучение горизонтальных русловых деформаций на данной территории.
Объекты исследования. Объектами исследований являются 69 характерных участков излучин, принадлежащих русловой системе рек Средней Оби: на р. Обь (от г. Колпашево до г. Мегиона), р. Чулым (от д. Копьево до устья) и р. Кеть (от пос. Максимкин Яр до устья). Выявлено по данным районам: 55 излучин на р. Чулым, и по 7 излучин - на р. Обь и р. Кеть.
Цель работы состоит в выявлении основных особенностей и закономерностей динамики горизонтальных (плановых) деформаций на 69-ти характерных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за определенные периоды времени.
Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:
1) выявление факторов и условий развития горизонтальных деформаций на 69-ти выбранных участках излучин на реках Обь, Чулым и Кеть;
2) анализ динамики плановых деформаций на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть, используя космические снимки за разные годы;
3) выполнение совмещения и оцифровки обнаруженных плановых деформаций русла на установленных на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за разные годы;
4) расчет средних и максимальных скоростей плановых деформаций на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за разные годы;
5) расчет некоторых морфометрических характеристик на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть;
6) оценка связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение уравнения зависимостей на установленных участках р. Чулым.
Методы исследований. В связи с отсутствием измеренных данных, в процессе анализа русловых переформирований применялся гидроморфологический подход с использованием разновременных космических снимков. Работы по оцифровке производилась с помощью программного продукта ArcGIS, выполняющего определенные ГИС-задачи, в числе которых картографирование, географический анализ, редактирование и компиляция данных, управление данными, визуализация и геообработка данных определенной территории (объекта).
Расчеты скоростей плановых деформаций излучин проводились на основе типизации русловых процессов равнинных рек, разработанной ГГИ.
Исходные материалы. При выполнении работы автором использовались космические снимки установленных на 69-ти участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть, полученные с помощью программных продуктов Google Earth и SAS.Planet, за период с 2002 по 2015 гг . Также для выполнения задачи №6 использовались значения ежедневных расходов воды на р. Чулым , взятых на 9-ти ГП: д. Копьево, пгт Балахта, с. Подсосное, г. Назарово (н. б.), д. Ершово, с. Красный Завод, с. Тегульдет, с. Зырянское, пгт Батурино, за период с 2002 по 2013 гг.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы для учета строительства различных объектов вблизи речного русла, при разработке зон отдыха на рассмотренной территории, при ее хозяйственном освоении. Они представляют интерес для разработки учебных курсов и практических занятий по русловым и пойменным процессам рек Средней Оби.
Апробация результатов исследования. Материалы и результаты исследования в настоящей работе нашли отражение в 1 методическом пособии по русловым и пойменным процессам рек Сибири по специальности Гидрология и были представлены на Одиннадцатом семинаре молодых ученых вузов, объединяемых МНКС по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов. Семинар проходил 23-27 мая в Нижнем Новгороде, тема доклада звучала как «Горизонтальные деформации крупных равнинных рек Западной Сибири (на примере р. Чулым)». В данном докладе исследовалась оценка связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение итогового уравнения зависимостей.
Структура и объем работы. Магистерская работа состоит из перечня сокращений, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 33 источников, списка сокращений. Также настоящая работа содержит 12 рисунков (9 из которых помещены в Приложения и представляют собой плановые карты-схемы исследуемых районов и участков излучин на установленных реках, и 3 рисунка помещены непосредственно в тексте) и 6 таблиц (4 из которых представляют собой итоги расчетов динамики горизонтальных деформаций на исследуемых участках излучин, и 2 таблицы помещены непосредственно в тексте). Общий объем ВКР составляет 70 страниц (из них 64 - машинописного текста и 6 страниц иллюстрированных).
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю канд. геогр. наук, доценту кафедры гидрологии Д. А. Вершинину, д-ру геогр. наук, профессору, зав. кафедрой гидрологии В. А. Земцову. Кроме того, автор очень признателен профессору МГУ, зав. научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева - Р. С. Чалову за помощь и рекомендации в оценке связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение уравнения зависимостей на установленных участках р. Чулым. Также, автор выражает признательность в виде предоставления литературы и информационных материалов по данной теме, руководителю группы мониторинга водных объектов Д. И. Матвееву АО «Томскгеомониторинг» и отделению ГУ «Томский ЦГМС» за предоставление данных о ежедневных расходах воды на р. Чулым, за период с 2002 по 2013 гг.
Итак, очевидно, что интенсивные речные деформации вблизи населенных пунктов - неблагоприятный процесс, поскольку разрушение берегов вызывает чрезвычайные ситуации, сопровождающиеся ухудшением условий жизнедеятельности населения, а также значительным материальным ущербом. Проблема безопасного хозяйствования в зоне развития речной боковой эрозии требует решения во многих странах мира, актуальна она и в России [3].
Для разработки и совершенствования системы мониторинга и прогнозирования негативных природных процессов проводятся специальные государственные программы. Так, в 2000 г. была принята Федеральная целевая программа «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 г. », в которую входят разработка государственных стандартов мониторинга, прогнозирования чрезвычайных ситуаций (на реках в частности), разработка и внедрение методов прогноза опасных природных процессов и явлений, модернизация системы аэрокосмического мониторинга и т.д. На момент написания настоящей работы в данную программу Правительством РФ были внесены некоторые изменения, по состоянию на 25 апреля 2015 г. [4]. Проблема мониторинга природной среды сформулирована недавно, 30 лет назад, а сам термин "мониторинг" впервые был предложен в 1971 г. [5].
Рассматриваемый район бассейна Средней Оби в высокой степени подвержен негативному влиянию речных деформаций. Размывы берегов рек Оби, Томи, Чулыма, Васюгана, Парабели, Кети и др. достигают 20-25 м/год, что ежегодно приводит к разрушению жилых домов, ИХО и коммуникаций. Поэтому в целях предупреждения упомянутых чрезвычайных ситуаций высокую степень практической востребованности на данной территории приобрели работы по исследованию и прогнозированию размыва речных берегов (мониторинг береговых деформаций) [4].
В современных представлениях о русловом процессе рек как формы взаимодействия потока и русла наибольшее внимание уделено плановым (горизонтальным) деформациям русла, т.к. прогноз таких деформаций позволяет принимать решения о расположении различных объектов вблизи рек [6]. Вертикальные (глубинные) же деформации под действием эрозионно-аккумулятивной деятельности потоков проявляются не так ярко в изменении планового положения русел равнинных рек (в их береговых деформациях) [3].
В результате увеличившейся деятельности человека в пределах бассейна Средней Оби, на рассматриваемых участках излучин рек Оби, Чулыма и Кети, изучение пространственных и временных закономерностей развития горизонтальных русловых деформаций в настоящий момент является экономически обоснованным и необходимым в связи с возможными социально-экологическими последствиями.
Степень изученности темы. Речным излучинам и процессам их меандрирования посвящена довольно обширная литература, как отечественная, так и зарубежная. Следует сказать, что вся история развития учения о русловых процессах (или русловедения) связана с изучением этого феномена. При этом все исследования можно разделить на два основных направления: гидродинамическое, в котором изучались кинематика потока на изгибе русла, циркуляционные течения, распределение скоростей потока и т.д., и гидролого-морфологическое, акцентирующее внимание на формах излучин, их эволюции, смещении, стадиях развития, условиях спрямления, размывах берегов. Первое в основном опирается на данные лабораторных экспериментов (И. Л. Розовский, М. А. Великанов, А. Н. Ляпин и др.), теоретические разработки (К. В. Гришанин, Н. Е. Кондратьев, В. И. Замышляев) и реже - опираясь на результаты натурных исследований. Второе, наоборот, развивалось главным образом при изучении излучин и процесса их меандрирования на конкретных реках (И. В. Попов, Н. И. Маккавеев, Р. С. Чалов, А. Ю. Сидорчук) [1].
Как отрасль знаний учение о русловых процессах зародилось в конце XIX в., но окончательно сформировалось уже в середине третьей четверти XX в. Однако в течение длительного времени теория русловых процессов развивалась преимущественно как прикладная наука, часть инженерной гидрологии, рассматривающая конкретные гидротехнические задачи. При этом, выйдя на фундаментальный уровень, она стала рассматриваться в качестве раздела динамики русловых потоков. Как естественнонаучное (географическое) направление, изучение речных русел долгое время ограничивалось накоплением и систематизацией фактического материала по морфологии и динамике речных русел. Лишь синтез обоих направлений - инженерного (гидродинамического) и географического, глубина проработки проблем, связанных с русловыми процессами, теоретические обобщения и выделение при решении прикладных задач специфических, собственно русловых вопросов привели к тому, что в конце XX в. стало возможным говорить о самостоятельной научной дисциплине - учении о русловых процессах. Об этом, в частности, свидетельствуют многочисленные монографии и учебники по русловым процессам, опубликованные начиная с 50-х гг. XX в. Новая отрасль знаний сформировалась на грани гидрологии суши, геоморфологии, инженерной гидрологии и речной гидравлики (динамики русловых потоков).
Наиболее древние сведения о реках, морфологии и типизации их русел содержатся в китайских литературных источниках. Очевидно, это объясняется тем, что практически вся история Китая связана с систематической борьбой с наводнениями и размывами берегов рек. В исторических же документах России было зафиксировано, что еще в XIII в. проводились искусственные спрямления излучин рек, строились каналы. Регулирование речных русел в целях судоходства впервые было осуществлено при Петре I в ходе строительства Вышневолоцкой судоходной системы. Массовое гидротехническое строительство в Петровскую эпоху сопровождалось приглашением в Россию иностранных специалистов и подготовкой за границей и в Москве первых русских инженеров-гидротехников. Впервые ранние документальные материалы по руслам рек появились для Волги и некоторых ее притоков - это рукописные карты и планы на отдельные участки реки с показом глубин и грунтов дна, составленные морскими офицерами и штурманами.
С началом бурного развития водного транспорта в конце XIX - начале XX в. связано заложение основ современной теории русловых процессов, что привело к становлению русловедения как самостоятельной отрасли знания. В трудах инженеров-путейцев, к которым относятся работы В. М. Лохтина, Н. С. Лелявского, В. Г. Клейбора, Н. Н. Жуковского, В. Е. Тимонова, В. М. Родевича, С. П. Максимова, были подведены итоги исследований русел рек, описаны закономерности происходящих в них процессов.
М. А. Великанов создал теоретические основы гидродинамического направления в теории русловых процессов. Большой вклад в разработку теоретических основ динамики русловых процессов был сделан В. Н. Гончаровым, В. М. Маккавеевым, И. И. Леви, К. В. Гришаниным и др.
Большое значение для развития учения о русловых процессах имело решение задач, связанных с крупным гидротехническим строительством, потребовавшим обоснование прогнозов возможных русловых деформаций в результате регулирования стока. Одной из первых работ по русловому режиму рек с зарегулированным стоком была публикация Б. В. Полякова.
Гидродинамическое направление не могло обеспечить выполнение всех практических задач, поэтому параллельно проводились исследования морфологии речных русел и их изменений под действием водных потоков, с учетом специфики гидрологического режима рек и различий в стоке наносов. Эти исследования, которые составили морфодинамическое (морфологическое) направление, продолжались в связи с решением вопросов выправления речных русел для улучшения условий судоходства (работы А. И. Лосиевского, Н. И. Маккавеева, Н. А. Ржаницына и др.), разработкой прогнозов изменений морфологии русел рек при регулировании стока гидроузлами (Н. И. Маккавеев, А. В. Серебряков), их переформирований в зонах выклинивания подпора водохранилищ (С. В. Русаков, Н. И. Маккавеев), учета русловых процессов при различных видах водохозяйственного использования, строительства инженерных объектов на берегах и переходов через реки (И. В. Попов, Н. Е. Кондратьев).
Вопросы учета руслового процесса при ирригационном строительстве получили освещение в трудах, главным образом, азиатских русловиков. С именем С. Т. Алтунина связаны исследования русловых процессов на реках Средней Азии, характеризующихся рядом специфических особенностей, и разработка методов регулирования их русел.
С середины 1950-х гг. изучение русловых процессов проводится в Государственном гидрологическом институте, что способствовало появлению новых направлений и исследований в тематике русловых процессов.
Среди других исследователей, внесших большой вклад в развитие учения о русловых процессах, следует назвать К. И. Россинского и И. А. Кузьмина, обосновавших первую в России классификацию речных русел, которая до сих пор лежит в основе практически всех классификационных схем, имеющихся в мировой литературе, и разработавших методы прогноза размывов русел в нижних бьефах гидроузлов [7].
Научные основы гидроморфологической теории руслового процесса, широко применяющейся в настоящее время для исследования и прогнозирования береговых деформаций, были заложены в 1950-1960-е гг. трудами отечественных ученых Н. Е. Кондратьева, И. В. Попова (Государственный гидрологический институт), Н. И. Маккавеева, Р. С. Чалова (Московский государственный университет) и др.
Научное изучение деформаций рек Томской области началось в конце 1950-х гг. В разные годы освещением этой проблемы занимались томские ученые А. А. Земцов, Д. А. Бураков, Ю. И. Каменсков, В. А. Льготин, Н. С. Евсеева и др. В их работах приводятся сведения о величинах размыва берегов и разрушениях населенных пунктов, рекогносцировочные прогнозы берегопереработки, анализируются факторы руслового процесса.
Способами повышения эффективности геоэкологического мониторинга при исследовании деформаций берегов занимался Крутовский А. О., вертикальными деформациями и техногенными воздействиями на них - Д. А. Вершинин. Обе упомянутые диссертации послужили важными источниками для написания настоящей работы.
Регулярные стационарные наблюдения за размывом берегов рек области (мониторинг береговых деформаций) ведутся сотрудниками Томской геологоразведочной экспедиции (ТГРЭ) с 1977 г., а также с 1995 г. наблюдения продолжаются АО «Томскгеомониторинг» [6].
Таким образом, более чем за полвека в отечественной науке разработаны вопросы, касающиеся теории и конкретного изучения горизонтальных (освящающихся в настоящей работе) деформаций русел рек. Применительно к бассейну Средней Оби - исследования проводились: А. О. Крутовским в области мониторинга береговых деформаций на реках Западной Сибири ; Ю. И. Каменсковым изучались плановые деформации, характерные для нижнего течения р. Чулым ; И. В. Поповым исследовалось применение морфологического анализа к оценке русловых деформаций на р. Обь и др.
Вместе с тем разные участки этого бассейна изучены неравномерно, что и подвигло автора на изучение горизонтальных русловых деформаций на данной территории.
Объекты исследования. Объектами исследований являются 69 характерных участков излучин, принадлежащих русловой системе рек Средней Оби: на р. Обь (от г. Колпашево до г. Мегиона), р. Чулым (от д. Копьево до устья) и р. Кеть (от пос. Максимкин Яр до устья). Выявлено по данным районам: 55 излучин на р. Чулым, и по 7 излучин - на р. Обь и р. Кеть.
Цель работы состоит в выявлении основных особенностей и закономерностей динамики горизонтальных (плановых) деформаций на 69-ти характерных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за определенные периоды времени.
Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:
1) выявление факторов и условий развития горизонтальных деформаций на 69-ти выбранных участках излучин на реках Обь, Чулым и Кеть;
2) анализ динамики плановых деформаций на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть, используя космические снимки за разные годы;
3) выполнение совмещения и оцифровки обнаруженных плановых деформаций русла на установленных на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за разные годы;
4) расчет средних и максимальных скоростей плановых деформаций на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть за разные годы;
5) расчет некоторых морфометрических характеристик на 69-ти установленных участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть;
6) оценка связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение уравнения зависимостей на установленных участках р. Чулым.
Методы исследований. В связи с отсутствием измеренных данных, в процессе анализа русловых переформирований применялся гидроморфологический подход с использованием разновременных космических снимков. Работы по оцифровке производилась с помощью программного продукта ArcGIS, выполняющего определенные ГИС-задачи, в числе которых картографирование, географический анализ, редактирование и компиляция данных, управление данными, визуализация и геообработка данных определенной территории (объекта).
Расчеты скоростей плановых деформаций излучин проводились на основе типизации русловых процессов равнинных рек, разработанной ГГИ.
Исходные материалы. При выполнении работы автором использовались космические снимки установленных на 69-ти участках излучин рек Обь, Чулым и Кеть, полученные с помощью программных продуктов Google Earth и SAS.Planet, за период с 2002 по 2015 гг . Также для выполнения задачи №6 использовались значения ежедневных расходов воды на р. Чулым , взятых на 9-ти ГП: д. Копьево, пгт Балахта, с. Подсосное, г. Назарово (н. б.), д. Ершово, с. Красный Завод, с. Тегульдет, с. Зырянское, пгт Батурино, за период с 2002 по 2013 гг.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы для учета строительства различных объектов вблизи речного русла, при разработке зон отдыха на рассмотренной территории, при ее хозяйственном освоении. Они представляют интерес для разработки учебных курсов и практических занятий по русловым и пойменным процессам рек Средней Оби.
Апробация результатов исследования. Материалы и результаты исследования в настоящей работе нашли отражение в 1 методическом пособии по русловым и пойменным процессам рек Сибири по специальности Гидрология и были представлены на Одиннадцатом семинаре молодых ученых вузов, объединяемых МНКС по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов. Семинар проходил 23-27 мая в Нижнем Новгороде, тема доклада звучала как «Горизонтальные деформации крупных равнинных рек Западной Сибири (на примере р. Чулым)». В данном докладе исследовалась оценка связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение итогового уравнения зависимостей.
Структура и объем работы. Магистерская работа состоит из перечня сокращений, введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 33 источников, списка сокращений. Также настоящая работа содержит 12 рисунков (9 из которых помещены в Приложения и представляют собой плановые карты-схемы исследуемых районов и участков излучин на установленных реках, и 3 рисунка помещены непосредственно в тексте) и 6 таблиц (4 из которых представляют собой итоги расчетов динамики горизонтальных деформаций на исследуемых участках излучин, и 2 таблицы помещены непосредственно в тексте). Общий объем ВКР составляет 70 страниц (из них 64 - машинописного текста и 6 страниц иллюстрированных).
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю канд. геогр. наук, доценту кафедры гидрологии Д. А. Вершинину, д-ру геогр. наук, профессору, зав. кафедрой гидрологии В. А. Земцову. Кроме того, автор очень признателен профессору МГУ, зав. научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов им. Н. И. Маккавеева - Р. С. Чалову за помощь и рекомендации в оценке связи показателя водности со значениями средних скоростей размыва и получение уравнения зависимостей на установленных участках р. Чулым. Также, автор выражает признательность в виде предоставления литературы и информационных материалов по данной теме, руководителю группы мониторинга водных объектов Д. И. Матвееву АО «Томскгеомониторинг» и отделению ГУ «Томский ЦГМС» за предоставление данных о ежедневных расходах воды на р. Чулым, за период с 2002 по 2013 гг.
Задача о деформациях речных русел являлась и является практически важной, поскольку строительство любого сооружения на берегу реки или на ее дне без знаний о том, куда и с какой скоростью будет смещаться русло, чаще всего обречено на непредвиденные эксплуатационные затраты. Ясно, что мириться с непредвиденными разрушениями таких сооружений (с теми огромными убытками, которые при этом возникают) при их массовом строительстве невозможно. Поэтому одной из сфер работы инженеров-гидрологов была и остается область, связанная с динамикой речных русел, оценка которой приобрела в настоящее время огромное значение [10; 7; 3].
Гидроморфологический анализ лежит в основе многочисленных заключений по оценке влияния руслового процесса при проектировании и строительстве разнообразных сооружений на реках. Большинство из них содержало ответы на вопросы о том, где находится участок на реке с минимальным воздействием деформаций русла на сооружения, какие конструкции оптимальны для данных условий, как будет развиваться процесс в дальнейшем, какие защитные мероприятия дадут наибольший эффект и т.д. [6; 7; 8]
Авторские исследования горизонтальных русловых деформаций в районе русловой системы рек Оби, Чулыма и Кети производились с целью ознакомления с природой русловых деформаций (в частности, с природой естественных горизонтальных деформаций); получения навыков применения нестандартных, приуроченных территориально к разным участкам бассейна рассматриваемых рек, определения морфологических типизаций и работы с ГИС-средствами для оценки разновременных космоснимков характерной территории.
Автором сделаны выводы по изученному району бассейна Средней Оби (по изученным участкам горизонтальных деформаций), которые включали в себя характерные участки излучин на реках Обь, Чулым и Кеть, о том, что горизонтальные деформации изучались неравномерно. Это и подтолкнуло автора на изучение данных русловых процессов именно на этой территории.
Гидроморфологический анализ лежит в основе многочисленных заключений по оценке влияния руслового процесса при проектировании и строительстве разнообразных сооружений на реках. Большинство из них содержало ответы на вопросы о том, где находится участок на реке с минимальным воздействием деформаций русла на сооружения, какие конструкции оптимальны для данных условий, как будет развиваться процесс в дальнейшем, какие защитные мероприятия дадут наибольший эффект и т.д. [6; 7; 8]
Авторские исследования горизонтальных русловых деформаций в районе русловой системы рек Оби, Чулыма и Кети производились с целью ознакомления с природой русловых деформаций (в частности, с природой естественных горизонтальных деформаций); получения навыков применения нестандартных, приуроченных территориально к разным участкам бассейна рассматриваемых рек, определения морфологических типизаций и работы с ГИС-средствами для оценки разновременных космоснимков характерной территории.
Автором сделаны выводы по изученному району бассейна Средней Оби (по изученным участкам горизонтальных деформаций), которые включали в себя характерные участки излучин на реках Обь, Чулым и Кеть, о том, что горизонтальные деформации изучались неравномерно. Это и подтолкнуло автора на изучение данных русловых процессов именно на этой территории.