ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 2 апрель-июнь 2013
МЕТОДИКА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.312.3
© 2013 Г. А.В. ГУСАРОВ
ОЦЕНКА РУСЛОВОЙ И БАССЕЙНОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭРОЗИИ И СТОКА ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ В РЕЧНЫХ БАССЕЙНАХ1
Введение
Исходя из особенностей воздействия различных видов атмосферных осадков на осушенную поверхность земной коры и их участия в ее механической денудации (главным образом эрозии), суммарный вынос эрозионных продуктов из речных бассейнов (сток наносов) рационально, в первом приближении, генетически подразделить на бассейновую (смыв дождевыми и талыми водами на водосборе) и русловую (как следствие вертикальных и горизонтальных русловых деформаций) составляющие. Соотношение этих двух компонентов стока взвешенных наносов (СВН) рек как одного из объективных показателей интенсивности эрозии в речных бассейнах [1-4] позволяет выделить на планете области господства русловой или бассейновой эрозии с различной общей направленностью развития их рельефа по пути, соответственно, долинообразования (точнее - углубления и расширения долин) или планации [1, 5], решить ряд других геоморфологических, а также гидрологических и геоэкологических задач.
Оценка структуры эрозии в речных бассейнах по стоку взвешенных наносов относительна, поскольку помимо последних продуктами эрозии выступают также наносы влекомые. Считается, что расход этих наносов составляет не более 1% от расхода взвешенных наносов (при диаметре частиц менее 0.25 мм), а при более крупных обломках (галечные и галечно-валунные отложения) в активном русле эта доля возрастает до 5-10% [6]. Согласно обобщениям З.Д. Копалиани [7] у равнинных рек влекомый компонент в общем стоке наносов составляет, как правило, 1-3% (реже 10%), и лишь у горных рек он возрастает до 15-70%. Эти оценки часто не совпадают с данными, полученными на основе анализа смещения перекатов и побочней, занесения русловых карьеров и т.д. Так, к примеру, на востоке Урала доля влекомого материала в суммарном стоке речных наносов превышает 50%, а у некоторых рек региона грядовый перенос песчаных наносов формирует доминирующую (до 90%) часть общего стока наносов [8].
Существующие методы генетического расчленения стока взвешенных наносов (эрозии) в речных бассейнах можно объединить в следующие основные группы - подходы.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 11-05-00605 и № 1105-00489).
1) Гидрологический подход, который основывается на анализе закономерностей связи СВН со стоком воды (СВ) и другими гидрологическими показателями: мутность рек, сток наносов, многофакторная связь стока наносов с климатическими элементами и другими природными факторами и характеристиками (литология пород, рельеф, растительный покров, площадь речного бассейна и т.д.). Один из них - метод, разработанный О.П. Щегловой [9], которая, развивая более ранние идеи Б.В. Полякова [10]2, Г.В. Лопатина [11] и др., количественно оценила долю наносов руслового генезиса в годовом СВН рек Средней Азии. О.П. Щеглова отнесла к СВН руслового генезиса прежде всего сток наносов за период межени (без дождевых паводков). Ее метод базируется на построение зависимостей (серии кривых) мутности размыва от удельных расходов воды рек с различной степенью устойчивости их русел. В области малых значений кривые зависимости мутности размыва от удельного расхода воды обосновываются значениями меженной мутности рек; в области больших расходов они дополняются значениями мутности, соответствующими тем периодам паводков (половодий), когда бассейновый смыв в силу ряда причин временно прекращается. Отбор таких периодов (дней) требует тщательного обоснования всесторонней гидрометеорологической информацией. Доступность же такой информации по многим регионам планеты не всегда является удовлетворительной. Методической сложностью здесь остается и определение доли эрозионных продуктов в общем стоке наносов бассейнового происхождения.
2) Расчленение продуктов эрозии по данным анализа минерального и гранулометрического составов взвешенных наносов, русловых и пойменных отложений [12-14 и др.]. Особенно эффективное использование методов данной группы ожидается при неодинаковом минеральном составе пород в различных частях речного бассейна. Массового применения они пока не получили из-за отсутствия унифицированных обобщений по составу пород (особенно аллювиальных), слагающих бассейны.
3) Определение генетической структуры наносов при сопоставлении рек с различными физико-географическими условиями процессов эрозии в пределах их водосборов. Данный подход, использованный, к примеру, А.П. Дедковым и В.И. Мозжериным, дает неплохие результаты при сравнении речных бассейнов-аналогов [1].
4) Анализ материалов стационарных и прочих исследований на поверхности речных водосборов (наблюдения за оврагами, почвенной эрозией, аккумуляцией наносов, оползнями, крипом и т.д.), позволяющих выделить долю продуктов бассейнового происхождения при наличии сведений об общем стоке наносов за пределы этих водосборов [15-18 и др.]. В зарубежных исследованиях широко вошли в практику полевых работ разнообразные физико-химические методы определения объемов и источников наносов, в том числе те, что объединяются общим термином "fingerprinting" - химия наносов [19 и др.], определение магнитных свойств минералов [20-23 и др.], радио-нуклидный анализ [24-28 и др.] и т.д. Точность расчетов в этом случае напрямую зависит от методики и техники исследований, экстраполяции результатов на неизученные участки бассейнов, учета всех составляющих бассейновой механической денудации.
5) Гидролого-картографический подход, близкий к предыдущему, позволяет оценить массу наносов бассейнового происхождения на основе анализа карт нарушенно-
2 Б.В. Поляков предложил метод расчленения стока наносов на русловую и бассейновую составляющие, основанный на анализе хронологического графика мутности аналогично генетическому расчленению гидрографа водного стока. Одна из главных трудностей применения данного метода состоит в проведении линии срезки во время паводков (половодий): применяемый Б.В. Поляковым вариант соединения прямой линией предпаводковых и послепаводковых значений мутности подразумевает неизменность величины русловых размывов, что вызывает итоговое занижение их оценки.
сти (эрозионной, эоловой, экзарационной и т.д.) земель в бассейне реки, и дальнейшее сопоставление этой массы с суммарным стоком наносов из него. Одна из таких отечественных работ - исследование В.Н. Голосова, который определил генетическую структуру эрозии в бассейне р. Оки по картам эрозионной опасности земель и плотности оврагов европейской части России [29].
Несмотря на все многообразие методов и их положительные стороны, практически все они имеют в настоящее время общее ограничение применения: по их материалам затруднительно провести сколь-нибудь широкое региональное обобщение, главным образом, в силу разной степени информационной обеспеченности (репрезентативности). Одним из методов (гидрологическая группа подходов), приемлемых для региональных обобщений, выступает достаточно простой метод приближенной количественной оценки величины русловой эрозии А.П. Дедкова и В.И. Мозжерина [1, 30], предложенный этими авторами в развитие идей Б.В. Полякова и О.П. Щегловой. Он основан на анализе зависимости СВН от меженных среднемесячных расходов воды в разные по меженной водности годы. По полученному графику связи этих параметров определяется тот расход наносов, который соответствует известному среднегодовому расходу воды и обусловлен лишь эрозией в русле реки. Вычитая средний многолетний расход наносов руслового происхождения из общего среднего многолетнего расхода наносов, находят расход наносов, характеризующий эрозию поверхности бассейна талыми и дождевыми водами. В отличие от расчленения графика мутности данный метод менее трудоемок и не требует большой детальности отбора проб на мутность, что делает его наиболее перспективным в региональных обобщениях. У метода, однако, есть и свой минус: его авторы экстраполируют связь меженных расходов воды и наносов до величины среднемноголетнего среднегодового расхода воды, что нежелательно делать применительно к рекам с высокой внутригодовой неравномерностью стока. Будет точнее, на наш взгляд, экстраполировать эту связь не до среднегодовых (а тем более среднемноголетних), а, как минимум, до среднемесячных величин стока воды каждого анализируемого года, ибо очевидно следующее неравенство:
/(6 + Я2 + бз +•••+ е» р Ф/((01 р + Яг р + б. р +•••+ 0», (1)
где е1 (2 3 ) - средний расход воды за конкретный календарный месяц, п - количество календарных месяцев в многолетнем ряду наблюдений за стоком воды, р. - эмпирический степенной показатель связи стока воды и стока наносов (см. далее уравнения (2) и (3)). При экстраполяции связи меженного стока воды и наносов до среднемесячных величин стока воды различия с оценками по методу А.П. Дедкова и В.И. Мозжерина будут тем ощутимее, чем выше внутригодовая (межмесячная) неравномерность стока воды реки и чем более показатель р отклоняется от единицы.
Настоящая работа ставит целью усовершенствовать метод А.П. Дедкова и В.И. Мозжерина, в том числе, показав границы точности его применения, и подготовить более корректную методическую основу последующих крупнорегиональных исследований в данном направлении флювиальной геоморфологии и в гидрологических работах.
Материал апробации метода
Исходный материал апробации метода - результаты многолетних (не менее 10 лет) режимных наблюдений Гидрометслужбы бывшего СССР [31] за среднемесячными величинами СВ и СВН на 124 преимущественно малых и средних реках Восточно-Европейской равнины, Урала, Восточных Карпат, Предкавказья и Кавказа, гор Средней Азии (рис. 1), характеризующихся отсутствием в бассейнах крупных водохранилищ. Выбор конкретных рек в среднеазиатском секторе продиктован возможностью
Рис. 1. Карты расположения гидрологических постов анализируемых рек
зии) и величинах речного стока наносов в них (табл. данном этапе работ не учитывался.
сопоставления полученных в ходе анализа результатов с результатами О
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.