УДК 551.435:1(282.251.3)
© 2014 г. Н.И. ТАНАНАЕВ
МОРФОЛОГИЯ И ДИНАМИКА БЕРЕГОВ КРУПНЫХ РЕК КРИОЛИТОЗОНЫ (НА ПРИМЕРЕ СРЕДНЕЙ ЛЕНЫ В РАЙОНЕ ЯКУТСКА)
Введение
Размыв речных берегов - один из основных источников гидрологических рисков на территории криолитозоны. Так, в Республике Саха (Якутия) в последние десятилетия отступание берегов угрожает инфраструктуре многих поселений на большинстве средних и больших рек региона. Это связано как с особенностями расселения (тяготением поселений к речным долинам), так и с высокими скоростями размыва берегов равнинных рек криолитозоны [1]. Современные климатические изменения в Арктике способны привести к росту интенсивности флювиальных процессов, в том числе и разрушения берегов [2-3]. В то же время закономерности современной береговой динамики на реках региона, в отличие от побережий северных морей, остаются относительно слабоисследованными.
Береговая черта рек является сложной границей раздела фаз системы "вода-атмосфера-грунт", в которой все три компоненты весьма динамичны. Уровенный режим и вариации энергии потока определяют роль гидрологического фактора береговой динамики, а режим температуры воздуха и осадков - главная составляющая климатического влияния. Литологические характеристики берегового материала на этом фоне представляются относительно стабильными во времени, однако существенную роль играет температурный и влажностный режим грунтов. В криолитозоне, помимо этого, важно учитывать изменение их состояния (мерзлое, талое).
Основными факторами, определяющими интенсивность разрушения берегов в результате гидравлического воздействия, служат энергия речного потока и касательные напряжения на урезе [4-5], положение в русле (определяющее эффективность приложения энергии) [6-7], радиус кривизны излучины (для меандрирующего русла) [4], литологический состав и связность берегового материала [6, 8], высота над меженным урезом [4, 9], растительный покров [10].
В криолитозоне разрушение речных берегов происходит во многом благодаря термоэрозии. Основным ее признаком является преобладание теплового взаимодействия потока и берега над механическим в процессе размыва мерзлого грунта [6, 11], что подтверждается результатами численного и физического моделирования [12-13]. Характер и интенсивность термоэрозионного процесса сильно зависят от связности мерзлых грунтов: песчаные берега с массивной криотекстурой размываются быстрее, чем суглинистые и оторфованные [14]. В процессе разрушения берега формируются карнизы нависания с последующим блоковым обрушением протяженного участка, иногда несколько раз за лето. Зона отрыва блока часто закладывается по жилам полигональных структур, развивающихся на размываемой поверхности [6, 15]. Помимо термоэрозии в разрушении берегов рек криолитозоны принимают участие криогенные склоновые процессы - солифлюкция, оползни, криогенная десерпция и формирование стебелькового льда [16-18].
Традиционно наибольшее внимание исследователей уделяется оценке скорости разрушения берегов, сложенных многолетнемерзлыми грунтами (ММГ), и ее сопоставлению с таковой для рек вне криолитозоны. По данным стационарных наблюдений и результатам анализа разновременных картматериалов, среднегодовая скорость разрушения берегов средних и больших рек Якутии и Аляски составляет 6.5-8.5 м/год, достигая 20-25 м/год на участках набегания потока на берег и 30-40 м у приверхов
островов [6-7, 19-21]. Считается, что при прочих равных условиях песчаные берега в криолитозоне разрушаются быстрее, чем вне ее [7].
В данной работе рассмотрено совместное влияние гидрологического режима, высотной структуры поймы и литологии слагающих ее отложений на особенности морфологии и динамику речных берегов криолитозоны (на примере среднего течения реки Лены в районе Якутска). В качестве рабочей гипотезы высказано предположение, что в криолитозоне для крупной равнинной реки с развитой высотной структурой поймы характер размыва берегов зависит от гидрологических условий контакта потока с различными уровнями поймы, а также от вертикальной неоднородности литологического строения пойменного аллювия.
Район исследований
Исследования выполнялись на участке среднего течения р. Лены протяженностью около 20 км - от Табагинского мыса до г. Якутска (рис. 1). Основные черты гидрологического режима, строения долины и русла реки на этом участке детально рассмотрены в ряде публикаций [22-24], поэтому здесь приведен лишь краткий их обзор.
Лена в своем среднем течении является крупнейшей равнинной рекой со среднегодовым расходом воды свыше 7000 м3/с, восточно-сибирским типом водного режима. Выделяется мощное весенне-летнее половодье и несколько (<3-4) дождевых паводков в летне-осенний период, связанных с интенсивным выпадением дождей в бассейнах Витима и Олёкмы, главных притоков средней Лены.
Долина р. Лены в пределах района исследований имеет ширину 15-20 км, однако в верхней его части сужена до 5.5 км выступом коренной террасы (Табагинский мыс). Ширина современного пояса руслоформирования меняется от 8 до 10 км и также минимальна у Табагинского мыса, где занимает все дно долины. Пойма двусторонняя, за исключением примыкания потока к аккумулятивной Бестяхской террасе у пос. Нижний Бестях, где она фактически становится односторонней. Пойменная поверхность проточная, преимущественно ложбинно-островная, с развитой высотной структурой (до 6 разновысотных уровней); выделяются также две низкие надпойменные террасы. Однако наблюдать полный комплекс пойменных уровней и низких террас в одном поперечном профиле невозможно. Современные криогенные процессы представлены морозным пучением, местами формируется полигонально-валиковый микрорельеф.
Русло реки широкопойменное, преобладают свободные условия руслоформирова-ния, развита пойменно-русловая многорукавность. Отношение ширины поймы к ширине русла в пределах пойменных бровок относительно невелико (<3) и достигает существенных значений лишь в меженный период. В верхней части участка русло имеет черты относительно прямолинейного, до 95% меженного расхода здесь сосредоточено в основном левобережном рукаве, проходящем вдоль о-ва Улуу-Ары. В нижней части участка оно становится разветвленным, ниже пос. Нижний Бестях приобретая черты параллельно-рукавного [23]. Меженное русло ведущего рукава меандрирует, как и
большинство второстепенных проток, огибая обсыхающие массивы песчаных прирусловых отмелей (побочней, осе-редков).
Рис. 1. Обзорная схема района исследований (звездочками обозначено положение ключевых участков)
Материалы и методы
Основной массив маршрутных описаний морфологии берегов исследованного участка выполнен автором в 2002-2009 гг. По этим материалам в пределах района работ были выбраны два репрезентативных ключевых участка Л1 и Л2 (рис. 1), имеющих различную морфологию и, предположительно, разную скорость разрушения [1].
В полевой сезон 2008 г. был выполнен отбор образцов пойменных отложений для анализа вертикального распределения их крупности по профилю берега. Гранулометрический анализ выполнен методом сухого механизированного рассева с помощью виброгрохота Fritch Analysette 3 в лаборатории кафедры геоморфологии и палеогеографии Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, всего обработано 14 образцов (анализ выполнила инж. Л.А. Анисимова).
Основными исходными материалами для гидрологических расчетов послужили данные об уровенном и водном режиме Лены на г.п. Табага, опубликованные в изданиях Государственного водного кадастра. Значения руслоформирующего расхода различных интервалов, определенные по методике Н.И. Маккавеева, приняты по литературным данным [24]. В работе использованы также топографические карты м-ба 1: 100000 и 1: 200000, данные дистанционного зондирования Земли: панхроматические снимки космических аппаратов Landsat MSS, TM и ETM+, с пространственным разрешением от 30 до 60 м/пикс и снимки в ближнем инфракрасном диапазоне с пространственным разрешением от 60 до 120 м/пикс [25].
Описание ключевых участков
Участок Л1 расположен в 5 км ниже Табагинского мыса - на 1672 км от устья р. Лены (по судовому ходу) на берегу высокой поймы (о-в Улуу-Ары). Поверхность высокой поймы имеет здесь абс. отметки 94.3-94.5 м БС, высота берега над меженным урезом около 8 м, над урезом воды на дату наблюдений (08.08.2008) - 4 м. В морфологии берега выделяется высокий (>2 м) уступ, переходящий ниже в пологий откос (рис. 2).
Для участка характерно активное развитие термоэрозионных ниш (карнизов), закладывающихся в нижней части берегового уступа. Откос формируется продуктами блокового обрушения и затем выполаживается потоком. В период наблюдений грунты берега были полностью талыми, однако откос подстилается мерзлыми отложениями. Кровля мерзлоты вскрыта шурфовкой непосредственно под береговым уступом на отметках 3.1-3.2 м от поверхности поймы, высотное положение определено нивелировкой и схоже с определенным ранее на других участках средней Лены [26]. Из основных горизонтов пойменного аллювия, в т. ч. из шурфа, вскрывшего кровлю мерзлоты, отобраны образцы для гранулометрического анализа (табл. 1).
Участок Л2 расположен в левобережных Городских протоках р. Лены, у приверха о-ва Большой Хатыстах на участке средней поймы, абс. отметки
Рис. 2. Профиль речного берега на ключевом участке Л1 с указанием мест отбора образцов (приведен номер образца и в скобках - средний диаметр частиц, мм). Пунктиром с берг-штрихом обозначено положение кровли мерзлых грунтов, определенное нивелировкой. РУВ -рабочий уровень воды
Поверхность высокой поймы
15(0.24) 16(0.12) 14(0.11) 13(0.13) (2ф = 24 000 3/с J Корневые системы
Песок мелко-среднезернистый
Песок пылеватый и тонкозернистый
1(0.31) Песок среднезернистый и мелко-среднезернистый
/4(0.25), РУВ 6 (0.28)/\, (0.29) ^3(0.29) <3Ф = 16 000'3/с
№ Общий вес, г 500-1000 250-500 100-250 50-100 <50 мкм ¿ср Тип песчаных
образца доля, % мкм мкм мкм мкм наносов
1 87.52 0.74 57.26 27.50 2.02 - 0.31 песок средне-
100 0.85 65.43 31.42 2.31 - зернистый
121.59 0.02 51.39 69.39 0.79 - песок мелко-
2 100
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.