ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 2 апрель-июнь 2009
Научные сообщения
УДК 551.435.1 ^627.1/.4(282.247.412)
© 2009 г. К.М. БЕРКОВИЧ, Л.В. ЗЛОТИНА, Л.А. ТУРЫ1КИН
ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ РУСЛА ОКИ В РАЙОНЕ РЯЗАНИ1
В последнее столетие деятельность человека стала заметным фактором функционирования природных систем. Изменениям подверглись многие компоненты природной среды речных бассейнов, которые привели к нарушениям гидрологического режима рек. Вместе с тем производились массовые механические нарушения речных русел, целью которых были защита земель, получение энергии, обеспечение судоходства и, наконец, добыча нерудных строительных (песчано-гравийных) материалов. Многие реки превращаются в природно-антропогенные системы.
Добыча песчано-гравийных материалов (ПГМ) из русловых карьеров является одним из самых заметных видов прямых антропогенных нарушений русел рек. Добываемые из русловых и пойменных месторождений материалы относятся к современным или древним аллювиальным отложениям, реже к другим генетическим типам отложений. Запасы этих материалов в руслах рек определяются историей развития речной долины и эрозионно-аккумулятивными процессами в бассейне реки. Восполнение материала, изъятого при разработке русловых месторождений, может происходить только за счет наносов, переносимых рекой. Однако наблюдения за трансформацией русел рек на участках русловых карьеров на конкретных реках не многочисленны и не всегда являются специальными. Большая часть исследований русловых карьеров проводилась на гидравлических моделях, которые при известной схематизации задачи зачастую не дают объективной картины сложных процессов, происходящих в руслах рек. Также слабо изучены вопросы восстановления руслового рельефа.
Как реакция русла на механические нарушения поперечного сечения, рельефа русла и стока влекомых наносов, так и восстановление исходного состояния зависят от естественных характеристик реки: устойчивости ее русла, его морфологического строения, направленности развития продольного профиля. До настоящего времени много неясного остается в вопросах реакции конкретных рек на разработку русловых карьеров и характере восстановления исходного руслового рельефа.
Река Ока, как и многие другие реки, рассматривалась и рассматривается в настоящее время как источник строительных материалов для Центрального региона России. Отсюда очень значительны механические нарушения русла реки. В наших работах [1] рассматривалась трансформация продольного профиля верхней Оки, обусловленная разработкой русловых карьеров. Добыча песчано-гравийных материалов производилась и на нижней Оке. Так, достоверно известно, что в районе Рязани в 1974-1993 гг. из русла Оки было извлечено почти 30 млн. м3 аллювиального материала. В 1990-х -начале 2000-х гг. годовой объем добычи снизился примерно втрое.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 07-05-00421) и гранту Президента
РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-790.2008.5).
Исследованный участок русла охватывает более 100 км реки (752-644 км от устья), он ограничен сверху по течению плотиной Кузьминского гидроузла, а снизу створом гидропоста Половское (рис. 1). Здесь река входит в пределы Мещерской низменности, и левобережная пойма реки расширяется до 10 км и более. Пойма сложена супесчано-сугли-нистым материалом с прослоями песков. Высота поймы составляет 4.65.0 м над уровнем межени, мощность пойменного аллювия 4-6 м. Мощность современного руслового аллювия составляет 9-15 м.
Ниже впадения р. Москвы средний многолетний расход воды составляет 530 м3/с. Наибольший измеренный расход воды превысил 12000 м3/с. Средний максимальный расход составляет 4600 м3/с. Белоомутский и Кузьминский гидроузлы, построенные в начале XX в., имеют судоходное назначение и не осуществляют регулирования стока. В период половодья плотины гидроузлов открыты, и поток реки сохраняет свои естественные характеристики. За половодье проходит около 70% годового стока воды и более 80% стока взвешенных наносов. Средние скорости течения в половодье составляют 1.4-1.7 м/с, это позволяет потоку переносить достаточно крупные, гравийные частицы наносов. В межень скорости течения снижаются до 0.3-0.6 м/с. Средний диаметр русловых наносов составляет 0.45-1.10 мм. Объем стока взвешенных наносов немного превышает 1 млн. т/год. Измеренный по параметрам гряд расход влекомых наносов составляет около 150 тыс. м3/год.
Ниже Кузьминской плотины река течет преимущественно в пойменных берегах, сложенных супесчано-суглинистым материалом. Русло реки относится к свободно меандри-рующим; свободные излучины занимают половину длины исследованного участка. Средний радиус кривизны излучин составляет 700 м. Для них характерна большая степень выраженности (отношение длины русла к шагу излучины) - 1.98 при максимальном значении 2.9, а также значительная развитость в поперечном к оси долины направлении. Такие характеристики излучин свидетельствуют о том, что они, вероятно, спрямляются на поздних стадиях своего развития путем сближения крыльев. Старицы и другие следы меандрирования на пойме подтверждают это предположение. В начале и конце участка, где русло проходит у коренного берега, располагаются участки прямолинейного русла с излучинами динамической оси потока. На них развиты ленточные гряды и побочни, с которыми связаны перекаты. Шаг этих русловых форм составляет около 800 м.
Деформации русла исследовались на основе сравнения лоцманских карт и планов русла 1939, 1973, 1986, 1993 и 2003 гг. По планам вычислялись объемы русла для отрезков длиной 1 км. Границами объема служили: сверху - проектный (обеспеченностью 90-95%) уровень воды (с учетом его изменений), снизу - дно реки на всей ширине русла, сверху и снизу по течению - сечения, перпендикулярные оси русла. Полученные объемы сравнивались между собой. В результате были получены вертикальные деформации русла, измеренные от одной и той же плоскости сравнения. Деление объема деформаций на длину отрезка и ширину русла дает слой деформаций. Для определения горизонтальных деформаций производилось наложение планов русла 19391940, 1957-1958, 1972 и 1986 гг. и фиксировалось отступание берегов.
Рис. 1. Схема реки Оки в районе Рязани 1 - границы участка исследований, 2 - гидроузлы
За более чем 40-летний период менялись как природные, так и антропогенные условия формирования русла. Временные срезы можно охарактеризовать следующим образом. С 1939 по 1973 гг., вероятно, преобладали природные деформации русла. Хотя в это время производились регулярные землечерпательные работы, их эффективность на нижней Оке была достаточно велика в силу большой устойчивости русла [2], и поэтому их объемы были невысокими. Спецификой землечерпательных работ является то, что они производятся в узкой полосе русла на фарватере (на Оке - несколько десятков метров), ограничиваясь мелководными участками - перекатами, при их выполнении грунт не удаляется из русла, а перекладывается в другие его части.
В 1973-1974 гг. на участке 740-644 км была начата разработка русловых карьеров, и к 1986 г. объемы добычи стали максимальными (более 2000 тыс. м3/год). Средние годовые объемы добычи к 1993 г. составлял 15-20 тыс. м3 на 1 км русла и существенно превышают удельные объемы землечерпания. Напряженность нарушения руслового рельефа в результате разработки карьеров выше, чем при землечерпании, тем более что в отличие от землечерпания при добыче аллювиальный материал удаляется безвозвратно. Объем добычи к 1993 г. составил 70% объема русла на время начала разработки карьеров. С начала 1990-х гг. по экономическим причинам объемы добычи ПГМ и землечерпания, т.е. напряженность нарушения русла, уменьшились, и возникли условия для его восстановления. Объем добычи снизился до 12% объема русла 1973 г.
Среди природных факторов следует отметить изменение водности. К середине 1930-х гг. продолжительный период повышенной водности сменился маловодным (1935-1950 гг.) и средним по водности (1950-1980 гг.) периодами. Последние 20 лет водность реки незначительно возрастает. Характерно, что в течение всего периода наблюдений на фоне уменьшения максимальных расходов воды, особенно заметного после 1970 г., происходило увеличение минимальных годовых расходов воды.
Интересно сопоставить изменения водности и напряженность нарушений с колебаниями минимального за период открытого русла уровня воды по гидрологическому посту Рязань. В многоводный период начала ХХ в. уровень воды постепенно понижался: с 1878 по 1939 гг. снижение составило около 1.0 м. Затем уровень воды постоянно повышался, и к 1980 г. он достиг максимума. На это время приходились и самые большие объемы землечерпания (12-18 тыс. м3/год на 1 км). После 1980 г. минимальный уровень воды в Рязани интенсивно снижается. В настоящее время отметка минимального уровня приблизилась к наинизшему значению за весь период наблюдений. Понижение уровня сопровождало большую часть периода разработки карьеров (рис. 2).
Н.И. Маккавеев [3] полагал, что произошедшее в 1876-1945 гг. понижение как весенних (на 100-150 см), так и средних меженных уровней нижней Оки (на 20-30 см) явилось следствием относительного погружения Мещерской низменности. Возможно также, что повышенная водность стимулировала на нижней Оке глубинную эрозию, которая выразилась в понижении минимального уровня воды.
С наступлением периода пониженной водности (середина 1930-х гг.) минимальный уровень воды растет, что может отражать начавшуюся аккумуляцию наносов.
Выделяются четыре морфологически разнородных отрезка (рис. 3): 1) 752-740 км от устья - относительно прямолинейное широкое мелководное русло с меженным уклоном 0.043%е; 2) 740-700 км - серия крутых излучин с глубокими плесовыми лощинами и короткими перекатами, уклон 0.024%<>; 3) 700-680 км - пологие излучины на подходе реки к правому коренному берегу, уклон 0.048%е; 4) 680-644 км - преимущественно прямолинейное русло, проходящее вдоль коренного берега с большим количеством перекатов и мелководными плесами, уклон 0.038%е. Средняя ширина русла меняется мало и составляет 220-240 м. Нарушен
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.