автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Плановые деформации свободно меандрирующих рек Ямала

со СГ)

— ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

т

На правах рукописи

САВИЦКИЙ Виктор Алифонсович

ПЛАНОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ СВОБОДНО МЕАНДИ1РУЮЩИХ РЕК ШАЛА

05.23.16 - Гидравлика в инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт- Петербургском государственом университете путей сообщения и Государственном гидрологическом институте.

Научный руководитель - доктор географических наук, профессор Арэ Ф.Э.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Барышников Н.Б.

кандидат технических наук, доцент Гладков ГЛ.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный институт проектирования объектов транспортного строительства (Петрогипротранс) Министерства транспортного строительства России.

Защита состоится 24 декабря 1996 г. в И часов на заседании диссертационного совета К 024.03.01 Государственного гидрологического института по адресу. 199053, Санкт-Петербург, В.О., 2-я линия, д.23, помещение ГГИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института.

Ученый секретарь диссертационного <

К.Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы экономические интересы России все более сосредоточиваются в криолитозоне, которая представляет собой перспективный, но труднодоступный и относительно малоизученный регион. Для обеспечения судоходства, проектирования гидротехнических сооружений, транспортного и хозяйственного освоения криолитозоны важно иметь адекватные представления о поведении рек, чтобы обеспечить безопасность и функциональность инженерных сооружений и соблюдение экологических норм. К сожалению, наши познания по части гидрологии криолитозоны и русловых процессов север-лих рек весьма скромны и не соответствуют наблюдаемой в природе сложности явлений, поскольку гидрология криолитозоны только формируется в качестве самостоятельного раздела гидрологии суши. Таким образом, актуальность проблемы обусловлена недостаточной изученностью руслового процесса рек криолитовоны и необходимостью познания его закономерностей для решения научных и практических задач.

Цель и задачи исследования. Основная цель - исследовать закономерности и выявить наличие особенностей руслового процесса рек криолитозоны в специфических условиях полуострова Ямал, обосновать необходимость и способы учета криогенных факторов руслового процесса при изучении явления и решении практических проблем.

В задачи исследования входило:

- установить критериальные условия существования рек Ямала-,

- исследовать морфологию русел в плане;

- изучить строение поперечных сечений речных русел;

- определить скорости плановых деформаций русел и установить их связь с определяющими факторами руслового процесса;

- выяснить роль криогенных факторов в развитии русел;

- разработать рекомендации для прогнозирования плановых русловых деформаций в практических целях.

Методика исследований. Поскольку объектом изучения является русловой процесс рек, протекающих в особых условиях, для выполнения работы были использованы методики русловых и мерзлотных исследований. В русловых исследованиях автор руководствовался положениями гидроморфологической теории руслового процесса. В качестве исходного фактического материала по морфологии русел использовались топографические карты масштаба 1:25000 и аэрофотоснимки масштаба 1:10000. Для определения плановых деформаций использовалось дешиф-

рирование и совмещение аэрофотоснимков. В период летних полевых работ осуществлялись замеры деформаций в натуре геодезическими методами. Мерзлотные исследования, направленные на оценку роли криогенных факторов в русловом процессе, состояли в наблюдениях за температурами грунта, воды йвоздуха. Также осуществлялись натурные эксперименты по изучению закономерностей таяния льда в движущейся воде, режимные наблюдения процессов вскрытия рек, развития деформаций и протаивания берегов в различные фазы гидрологического режима. Отдельные задачи решались расчетными гидравлическими и тешюфивическими методами с привлечением теории подобии.

Научная новизна работы. Впервые выполнено статистическое обобщение обширного фактического материала по морфометрии русел свободно меавдрирующих рек криолитозоны. Показано, что криогенные факторы не влияют на морфологию русел, обоснована допустимость применения традиционных методов прогноза деформаций в условиях криолитозоны Шала. Выполнено исследование явления плановой асимметрии излучин. Получены новые сведения о строении поперечных сечений меандрирующих русел. Предложена статистически обоснованная зависимость для определения скорости плановых деформаций. Сформулирован новый подход к расчету распределения деформаций на излучинах. Показано, что в случае Ямала мерзлое состояние грунтов и длительность периода открытого русла не ограничивают плановых деформаций, скорость которых снижена за счет влияния снега и пьшеватос-ти отложений. Выполнена оценка влияния криогенных процессов и явлений на русловой процесс, предложена новая форма энергетического показателя сопротивляемости грунтов размыву, обосновано применение формул для расчетов таяния природных льдосодержащих объектов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Выявленные закономерности развития свободно меандрирующих русел в условиях криолитозоны Ямала.

2) Роль криогенных факторов в развитии русел рек Шала.

3) Статистический метод расчета плановых деформаций.

4) Расчетные формулы для определения показателя плановой асимметрии излучин и показателя сопротивляемости грунтов размыву.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы в тех областях хозяйственной деятельности на Ямале, которые нуждаются в прогнозе плановых деформаций речных русел. С учетом ближайших перспектив развития Ямала, это, прежде всего, строительство газопроводов и путей сообщения. Не исключает-

ся также возможность применения результатов исследования и для других сфер водохозяйственной и водопользовательской деятельности, например, водоснабжение, водный транспорт, строительство и т.п.

Поскольку диссертация основана на результатах работ, выполнявшихся по договорам с Ленгипротрансом (ЛГТ), ее положения были использованы при прогнозировании русловых деформаций на нескольких мостовых переходах (через pp. Щучья, Ензоръяха, Еркатаяха, Юрибей и др.) строящейся на Ямале железной дороги Лабытнанги (Обская) -Бованенково - Харасавэй.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на десяти научных конференциях и симпозиумах различного уровня, среди которых: расширенные заседания Научного Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1989, 1990), 3-я Всесоюзная конференция "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989), Конференция молодых специалистов "Эрозионно-аккумулятивные процессы и народное хозяйство" (Москва, 1990), Конференция молодых ученых м специалистов "Вопросы гидрологии суши" (Ленинград, 1990), расширенное заседание Научного Совета по строительству на вечно-мерзлых грунтах и в условиях сурового климата АН РСФСР (Санкт-Петербург, 1991), 6-я Международная конференция по мерзлотоведению "Permafrost" (Пекин, 1993), Международный Симпозиум-Встреча стран Востока и Запада, Севера и Юга для обсуждения состояния знаний в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснования проектирования на реках (Санкт-Петербург, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь научных работ, три находятся в печати, подготовлены пять научно-технических отчетов. Четыре работы переведены на иностранные языки, три из них опубликованы за рубежом.

Место выполнения работы. Диссертация основана на результатах исследований автора, выполнявшихся в 1987-90 гг. на кафедре "Гидравлика и гидрология" Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС, в то время ЛИИЖТ), и в период с 1991 по 1992 гг. - в отделе русловых процессов Государственного гидрологического института (ОРП ГГИ). Выражаю признательность сотрудникам этих научных коллективов: Ф.Э. Арэ, Г.К. Шацилло и Ю.Н. Яркову -принимавшим постоянное участие в совместных работах и обсуждении их результатов, оказывавшим помощь в организации экспериментов и в обработке материалов исследований, без чего было бы невозможным появление настоящей работы; а также - М.М.Гендельману и З.Д. Копа-

лиани, общение с которыми способствовало формированию моих научных взглядов, и А.Б.Швидченко, предоставившему программное обеспечение для расчетов.

Личный вклад автора в работу. В ходе исследований автор принимал непосредственное участие в определении целей и постановке задач, разработке планов и рабочих программ, в проведении полевых работ и обработке их материалов,, в написании ряда научных отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Первая глава посвящена физико-географической характеристике района исследования, главным образом - специфическим мерзлотным условиям протекания рек. Во второй главе изложены результаты выполненных ранее исследований руслового процесса рек криолитозоны. В третьей главе приводятся известные к настоящему времени сведения о механизме развития свободно меандрирущих рек. Четвертая глава содержит результаты исследования закономерностей руслового процесса рек Ямала в сравнении с реками немерзлотной зоны, а также - различных аспектов влияния криогенных факторов на русловой процесс. В пятой же главе рассмотрены некоторые общие проблемы свободного меандрирования, не связанные с наличием криогенных факторов.

Объем диссертации составляет 144 страницы основного текста, 36 иллюстраций и 12 таблиц. Результаты вспомогательных исследований, а также таблицы и иллюстрации большого размера, вынесены в приложения. В списке использованной литературы - 272 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА РЕК ЯМАЛА

Полуостров Шал расположен на северо-западе Западно-Сибирской плиты. Объектом изучения были реки, протекающие западнее главного водораздела и южнее мыса Харасавэй.

1.1. Климат

Район исследования характеризуется суровым климатом. За год выпадает 400 мм осадков, 30 % из которых - в холодный период года. Снежный покров, устанавливающийся в начале октября и сохраняющийся 8-5-9 месяцев, оказывает влияние на формирование русел рек.

1.2. Растительность

Полуостров расположен в лесотундровой и тундровой растительных

зонах. Роль растительности в русловом процессе заключается в том, что она своей корневой системой армирует берега и оказывает влияние на формирование глубин сезонного протаивания.

1.3. Гидрологический режим рек

Гидрологию Ямала изучал Б.М. Житков, а позже - ДАНИИ. В 80-х и 30-х годах в данном регионе работали ЛГТ, Ленгипротрансмост (ЛГТМ), ГГИ, кафедра "Гидравлика и гидрология" ПГУПСа.

Реки исследованного района берут начало в районе главного водораздела Ямала и впадают в Байдарацкую губу. Все они имеют один тип руслового процесса - свободное меандрирование, их скорость в межень составляет 0,4 + 0,5 м/с, а в половодье достигает 1 м/с или чуть больше. Под руслами относительно крупных рек имеются несквозные талики. Верховья рек и мелкие речки промерзают до дна.

Реки Ямала имеют снеговое питание, гидрограф одновершинный, с крутой ветвью подъема и пологой - спада. Вскрытие происходит с 1 по 10 июня. Половодье на наиболее крупных реках длится около 70 дней, его пик обычно наблюдается в середине июня, а сток составляет около 70 % от годового. В фазу низкой летней межени реки входят в начале августа, а в конце сентября - начале октября уже наблюдаются ледовые явления. К началу мая толщина льда составляет 120 * 160 см. У вогнутых берегов образуются снежники. Мутность рек увеличивается с юга на север и прямо связана с размером реки.

1.4. Геолого-геоморфологическая ситуация

Для Ямала характерно сплошное распространение многолетнемерзлых пород (ШП), средняя мощность которых в районе исследования убывает от 500 и более метров в возвышенной водораздельной части полуострова до 150 * 50 м на морском побережье и на речных поймах.

Основным типом отложений, с которыми взаимодействуют водотоки западного Ямала, являются сингенетические голоценовые аллювиальные отложения речных пойм. В качестве коренных берегов рек могут выступать отложения салехардской свиты, сформировавшиеся в среднем плейстоцене, верхнеплейстоценовые морские отложения казанцевской

свиты, отложения второй и третьей морских террас, а также лагун-но-морские отложения, формирующие третью террасу.

Анализ показал, что и пойменные, и коренные берега рек сложены в основном малольдистыми пылеватыми песками, которые имеют сходные состав, криотекстуру и физико-механические свойства вне зависимости от генезиса и возраста отложений. Севернее р. Юрибей распространены повторно-жильные (1ШЛ) и пластовые льды, роль которых в русловом процессе не изучена.

2. ИЗУЧЕННОСТЬ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА РЕК КРИОЛИТОЗОНЫ 2.1. Русловой процесс рек

Формирование аллювия северных рек происходит в соответствии с обоими закономерностями осадконакопления. Русловая и пойменная фации могут содержать полигоны ПЖЛ и погребенные пластовые льды. Под руслами рек существуют талики, размеры которых зависят от суровости климата и размера водотока.

В первых исследованиях МШ приписывалась роль ограничивающего фактора. Ряд авторов при этом отмечают, что отдельные виды деформаций могут осуществляться быстрее, чем в умеренном поясе. По мнению Н.Б.Барышникова, этому способствуют криогенные процессы на надводных береговых склонах. Согласно А.В.Зернову, малая скорость плановых деформаций меандрирующих рек в половодье сменяется интенсивными деформациями в межень, когда оттаивают берега. Н.И.Маккавеев и Р.С.Чалов, К.М.Беркович, а также Б.В.Матвеев и А.В.Панин полагают, что мезоформы русла деформируются медленнее, чем берега, что обусловливает большие относительные ширины русел рек зоны ММП.

Н.И.Маккавеев указал на то, что роль ММП зависит от размера реки, т.к. дно крупных рек находится в талом состоянии и доступно зрозии, а на малых промерзающих реках ММП ограничивают деформации. Эту точку врения разделяют Н.Б.Барышников и С.С.Коржуев, которые связывают степень влияния ШП с размером реки и стоком тепла. Ф.Ь.Арз на примере малых водотоков Ямала показал, что половодье в них проходит в снежно-ледяном русле, не вызывая эрозии дна и берегов. На средних и больших реках криолитозоны, утверждает Ф.Э.Арэ, скорости деформаций такие же, как и на реках немерзлотной зоны. Дж.Брайс, изучавший реки Аляски, пришел к тем же выводам.

Т.Н.Каплина впервые показала, что мерзлое состояние грунтов

не не ограничивает их размыв и даже может ускорить его при большой льдистости грунта. Эту точку зрения разделяют Ф.Э.Арэ, В.А.Иванов,

A.В.Шестаков, а также В.Ф. и Д.В.Снищенко, Однако, Ф.Э.Арэ и

B.А.Иванов отмечают, что ускоренная эрозия мерзлого грунта возможна только при постоянном контакте с водой, который на равнинных реках наблюдается крайне редко, а согласно Л.Коутаниеми, оттаивание грунтов обычно опережает их размыв. Важно отметить, что скорость размыва грунта - это не скорость русловых деформаций, т.к. последние есть проявление механизма транспорта наносов в русле, а размыв - лишь одна из составных частей этого сложного процесса.

Ф.Э.Арэ объясняет определяющую роль уровня при термоэрозии берегов тем, что при его повышении быстро движущаяся вода омывает крутые уступы, вступая в контакт с мерзлыми породами. В межень же урезы воды проходят по отмелям, в пределах подруслового талика, что делает контакт воды с ШП маловероятным.

Немногочисленные наблюдения за мутностью привели к интересным результатам. А.В.Зернов наблюдал максимальную мутность в межень, а Ф.Э.Арэ - на спаде половодья, но в обоих случаях пик мутности совпадал со стадией разрушения берегов, что позволяет считать мутность качественным показателем интенсивности русловых деформаций. Приведенные сведения расходятся с представлениями о динамике мутности рек умеренного пояса, у которых пик мутности вызван поступлением наносов с бассейна и по времени опережает пик половодья.

Транспорт донных наносов также имеет особенности, обусловленные высокой дисперсностью отложений криолитозоны. Эксперименты В.Ш.Цы-пина показали, что пылеватые пески, распространенные в аллювии рек криолитозоны, при взаимодействии с потоком проявляют свойства связных грунтов, они транспортируются в лабораторном лотке без образования гряд, а неразмывающая скорость для них больше, чем для песков той же средней крупности, не содержащих пылеватых фракций.

Данные о морфометрии и характере переформирований русел рек _ криолитозоны весьма немногочисленны. Лишь Н.Б.Барышников и А.А.Левашов отмечают, что русла рек криолитозоны в целом хорошо описываются классификацией русел ГГИ, но под влиянием криогенных факторов они могут содержать участки с неплавно меняющейся кривизной.

Согласно ВСН-163-83, при прогнозировании русловых деформаций в криолитозоне рекомендуется использовать гидроморфологические экс-траполяционные методы прогноза, воздерживаясь от проектирования сооружении на реках в местах распространения криогенных явлений и

процессов, что объясняется неопределенностью поведения льдосодер-жашда объектов при взаимодействии с водотоком. Такой подход не всегда может удовлетворить запросы проектирования.

2.2. Береговые процессы в криолитозоне

Ф.Э.Арэ, Н.В.Есин и Д.В.Малиновский указывают, что процессы разрушения берегов рек и водоемов имеют общие черты, что позволяет рассмотреть закономерности переформирования берегов водоемов криолитозоны для использования их при изучении берегов рек.

Среди криогенных факторов, влияющих на процесс переформирования берегов водоемов в криолитозоне, обычно называют продолжительность безледного периода, снежные надувы у берегов и мерзлое состояние грунтов. Долго считалось, что мерзлота замедляет размыв берегов, но Т.Н.Кашшна показала, что оттаивающий мерзлый грунт меняет прочностные характеристики и сопротивляемость размыву. Характер размыва определяется соотношением скоростей протаивания и сноса грунта. Эту точку зрения подтвердил Ф.Э.Арэ, который на фактах показал, что сильнольдистые термоабразионные берега могут иметь в 3 * 4 раза большую скорость отступания, чем абразионные берега.

Термоабразионные ниши - форма мезорельефа берегов криолитозоны. Размеры ниш зависят от энергии волнения (течения), рельефа подводного склона, свойств грунта, высоты берега и изменчивости уровня воды. Согласно Ф.Э.Арэ, глубина ниш может достигать 30 м, не превышая, однако, размера полигонов 1ШЛ на берегу. Цикл развития термоабразионных берегов состоит из трех фаз: выработка ниши, обрушение блоков грунта и переработка их волнами и течением. Лежащие на урезе блоки грунта защищают берег от воздействия волн, поэтому, как отмечает Х.Уолкер, скорость отступания бровки берега всегда меньше скорости размыва ниш.

Ф.Э.Арэ показал, что различные соотношения скоростей процессов термоабразии в затапливаемой части берега и термоденудавди - в надводной части, приводят к реализации четырех основных типов термоабразионных берегов. Наклонные уступы разрушаются за счет термоденудации. У наклонных уступов со срезанной нижней частью скорости формирования ниши и выполаживания уступа сопоставимы. При дальнейшем усилении термоабразии берег становится отвесным.

Ф.Э.Арэ обосновал, что при прогнозе деформаций мерзлое состояние грунтов следует учитывать только для просадочных пород.

2.3. Размываемость мерзлых грунтов

Экспериментальные исследования размываемости мерзлых грунтов проводились в МГУ, БашГУ, ПНИИИСе, ЦНИИСе и ИМ СО АН СССР,

Необходимо различать следующие виды грунтов: мерзлые - имеющие ненарушенные льдоцементные связи; оттаявшие - с посткриогенной текстурой и нарушенными естественными связями; талые - не подвергавшиеся замораживанию или консолидировавшиеся после оттаивания.

В МГУ разработана типизация видов размыва. При термоэрозионном типе протаивание опережает снос частиц, размывается оттаявший грунт, а ход размыва определяется механической мощностью потока и свойствами оттаявшего грунта. Если же оттаявший грунт сразу уносится потоком, то процесс размыва грунта лимитируется протаивани-ем, которое зависит от льдонасыщенности грунта, температуры и скорости движения воды. Это - предельно-термоэрозионный, тип размыва. Размыв талых грунтов, скорость которого зависит от механической мощности потока и свойств талого грунта, называют эрозионным.

Мерзлое состояние грунтов влияет на процесс размыва неоднозначно. При эрозионном типе размыва, влияния не наблюдается. Термозро-зионный размыв осуществляется быстрее, а предельно-термоэрозионный размыв может идти как быстрее, так и медленнее эрозионного.

Тип размыва зависит от сочетания внешних и внутренних факторов процесса. Внешние факторы - механическая и тепловая энергии потока - определяют количество подводимого тепла и скорость удаления оттаявших частиц. Основными внутренними факторами являются гранулометрический состав, льдистость и криотекстура грунта, от которых

зависят механизмы теплопередачи и отрыва частиц грунта.

* * *

Задачи исследований руслового процесса в криолитоэоне:

- изучение влияния криогенных факторов на русловой режим;

- оценка влияния на русло криогенных процессов и явлений и разработка способов их учета при прогнозе русловых деформаций;

- изучение влияния повышенной дисперсности отложений криолитозоны на транспорт донных наносов;

- исследование размываемости ММП для выявления критериальных условий реализации типов термоэрозионного разрушения грунтов ;

- обоснование необходимости и путей создания специальных методов прогноза русловых деформаций в криолитоэоне.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СВОБОДНОМ МЕАНДРИРОВАНИИ 3.1. Общие сведения о меавдрировании

Меандрирующими являются извилистые русла, развитие которых происходит в соответствии с гидрологическими законами и не ограничено склонами долины. Структурной единицей меандрирующего русла является излучина - участок русла между точками перегиба его средней линии. Существуют свободно, ограниченно и незавершенно меандрирующие русла. При свободном меандрировании (исследуются реки этого типа) однорукавное русло, не ограничиваемое бортами долины, образует на широкой пойме излучины различной формы. Первая стадия развития излучины завершается при достижении ею угла разворота « около 90°. До этого момента группа излучин имеет форму синусоиды, а преобладающим видом деформаций является сползание излучин вдоль оси долины. При а более 160° основным видом деформаций становится смещение русла в направлении вогнутого берега перпендикулярно линии шага. Излучины разворачиваются вокруг малоподвижных точек перегиба, становясь асимметричными в плане. При значениях « между 90° и 160° продольные и поперечные деформации сопоставимы. Дж.Хук отмечает, что на поздних стадиях в результате иереудлинения русла наблюдается деление плеса и образование излучин сложной формы.

3.2. Критериальные условия существования свободного меандрирования

Многофакторность руслового процесса обусловливает существование русел различных типов. Известно большое количество критериальных зависимостей типа QJ = Item, которые, однако, разделили русла лишь на прямолинейные, извилистые и многорукавные. Ближе других к решению задачи подошел Б.Ф.Сюоденко, развивший взгляды В.М.Лохтина и Н.Е.Кондратьева и получивший критерий типа руслового процесса. Позже аналогичные критерии получили Ванг Шикьянг и Рен Зханг.

3.3. О причинах меандрирования и плановой устойчивости русел

Вопросы возникновения меандрирования изучали М.А.Великанов, Н.Н.Федоров, Н.Е.Кондратьев, Ф.Хыольстрем, Л.Хекансон, К.Янг, М.М.Гендельман, И.В.Попов, Б.Роадс и М.Вельфорд и др. Анализ их работ позволяет представить схему перехода к меандрированию:

вследствие неравномерности движения и сопротивления, кривизны линий тока, создается первичный грядовый рельеф и связанные с ним вторичные течения, ..способствующие появлению циркуляции в масштабе русла. Случайные сбои течения и сезонные колебания уровня способствуют перекашиванию гряд и появлению меакдрирующего тальвега, развитию побочней, а затем и излучин. Неустойчивость потока способствует развитию русловых образований, соизмеримых с шириной русла. Поскольку, согласно Р.Калландеру, названные внутренние физические причины меандрирования являются неотъемлемыми свойствами потока, можно считать, что потоки меандрируют, если отсутствуют внешние ограничения бортами долины, что выражается критерием Б.Ф.Снищенко.

3.4. Плановый рисунок меандрирующего русла и его характеристики

По мнению исследователей, среди аппроксимаций плана меандрирующего русла, натурному материалу лучше других соответствует синусоидально-порожденная кривая (СПК) У.Лангбейна и Л.Леопольда.

Соответствие аппроксимаций средней линии русла натурным данным

проверяется путем сопоставления морфометрических зависимостей, устанавливающих соотношения между измерителями плана русла: Б/Х = ?(&), Угп/\ = Г(л), /?/А = Эти зависимости соответствуют друг

другу и натуре в области малых значений аргумента, но при а более 160° такого соответствия не наблюдается, что можно объяснить отсутствием четких принципов выделения излучин после разделения плеса и влиянием неустановленных пока причин.

Развитые излучины асимметричны в плане. Исследование асимметрии представляет собой актуальную проблему руслового процесса.

3.5. Прогнозирование плановых деформаций

Прогноз русловых деформаций состоит из трех частей: определение скорости деформаций, выявление связи скорости с развитостью излучин, расчет распределения деформаций.

3.5.1. Скорости плановых деформаций

Формулы, связывающие скорости деформаций только с гидравлическими параметрами потока, предлагали Дж.Аллен, Н.И.Маккавеев, В.И.Замышляев а также Дж. Пиццуто и Т.Мекайнбург. Согласно этим

формулам наибольшие скорости деформаций должны быть в верховьях рек, что не соответствует действительности.

В зависимостях К.М.Берковича и Е.В.Камаловой через расход Q учитываетя размер реки, а у Берковича, кроме того, - материал (dCp) и высота (Нб) берегов. Однако, назначение показателей степеней у Берковича не обосновывается, а в случае Камаловой вызывает сомнение использование фазовонеоднородных величин, таких как сред-немаксимальный расход и меженный уклон. Более обоснованной выглядит энергетическая зависимость Э.Хикина и Дж.Нансона, во многом схожая с формулой К.М.Берковича.

М.М.Гендельман записал закон сохранения массы для перемещаемых на МОУ наносов. Применение формулы М.М.Гендельмана затруднено тем, что мы плохо обеспечены данными о стоке наносов. Сейчас она может быть использована для решения обратной задачи - определения стока наносов по измеренным скоростям деформаций.

3.5.2. Роль развитости излучин

С увеличением развитости излучины скорость деформаций растет, а после достижения некоторого предела - снова снижается. Установлены значения характеристик развитости, при которых скорость деформаций максимальна: 160° < л < 200°; 1,2 < S/A < 1,8; 2,0 < R/B < 4,0; 2,0 < Rmin/B < 3,0.

М.М.Гендельман установил, что скорость развития излучины вави--сит от способа ее сопряжения с выше- и нижележащей излучинами.

3.5.3. Распределение деформаций вдоль излучин

В этой части работы выполнен анализ предложений по расчету распределения деформаций по длине излучин, сделанных Ю.А.Ибад-заде и Ф.С.Тыриным, Н.Р.Грачевым, В.И.Замышляевым, Н.А.Ярных. Показано, что в работах А.Кнайтона, Дж.Милна, Р.Вильямса, Д.Фербиша подтверждается адекватность предпосылок, использованных Н.Е.Кондратьевым (см. ниже) при построении модели плановой миграции русла.

3.5.4. Комплексные подходы к прогнозированию

Согласно предложению Н.Е.Кондратьева, русло смещается в направлении от осевой линии в сторону линии наибольших глубин, а величи-

на смещения берега в каждом створе пропорциональна наибольшей в створе глубине. Скорости деформаций определяются измерениями, а стадийность учитывается введением эмпирического коэффициента.

Все три задачи прогнозирования решаются также в работах Г.Паркера, А.Одгаарда и К.Хасегавы, которые связывают скорость эрозии берега с асимметрией плановой эпюры скоростей течения, характеризуемой разностью осредненных по вертикали скоростей на динамической оси потока Уд и на средней линии русла V. Абсолютное значение скорости учитывается введением коэффициента эрозии берега Е*. А.Одгаард заменил отношение скоростей на динамической, оси и на средней либии русла отношением соответствующих глубин - Ьщах^ и Ь, которое, как оказалось, хорошо описывает распределение деформаций на излучинах, что доказывает адекватность предпосылок, использованных Н.Е.Кондратьевым. К.Хасегава, раскрывающий физический смысл коэффициента эрозии берега £*, связывает скорость смещения русла с вариациями продольного и поперечного расходов наносов. .

4. РУСЛОВОЙ ПРОЦЕСС РЕК ЯМАЛА

Цель исследования - выявить возможные специфические проявления процесса свободного меандрирования рек, протекающих в условиях криолитозоны Шала. Изучались три реки Шала: Юрибей, Ензоръяха и Еркатаяха. Длина обследованных участков - 681 км. Ниже приводятся результаты исследования для уровней МОУ, макроформ и мезоформ.

4.1. Критериальные условия существования свободно меандрирующих рек Шала

. Показано, что для рек Ямал выполняются критериальные соотношения Б.Ф.Снищенко, определяющие области существования типов руслового процесса. Реки Шала имеют те же. геоморфологические условия руслоформирования, что и реки умеренного климатического пояса.

Долины свободно меандрирующих рек Шала и умеренного пояса имеют сопоставимые относительные размеры, характерные для этого типа руслового процесса. Существующая точка зрения о более широких долинах рек криолитозоны в сравнении с реками умеренного пояса, сложилась, вероятно, в результате того, что сопоставление размеров долин выполнялось без учета типа руслового процесса рек.

4.2. Количественные морфометрические характеристики рек 4.2.1. Плановые характеристики

Были построены кривые обеспеченности измерителей процесса свободного меандрирования рек Ямала (относительный шаг А/В, степень развитости S/A и угол разворота сО, которые сопоставлялись с аналогичными показателями И.В.Попова для Оки, Иртыша и Оби. Установлено, что количественные характеристики меандрирования рек, протекающих в различных климатических и геокриологических условиях, не имеют принципиальных отличий. Т.к. кривые характеристик развитости S/\ и а близки к верхним значениям, можно утверждать, что на реках Ямала присутствует относительно большее число развитых излучин.

Эмпирические зависимости, связывающие основные морфометрические характеристики русла S/А = f (л) и А = f(B), также обнаружили практически полное совпадение с аналогичными зависимостями для рек умеренного пояса, что позволило сделать вывод о наличии общих закономерностей в развитии излучин рек криолитозоны и умеренного пояса, проявляющихся на макроуровне и не связанных с климатическими и геокриологическими условиями развития рек.

4.2.2. Относительная ширина русел

Выполнено исследование одной из важнейших характеристик формы речного русла - относительной ширины B/h, где В - ширина русла в пойменных бровках, а Л - его глубина. На шести реках были исследованы восемь МОУ. общей протяженностью 145 км.

Поперечные сечения русел ямальских рек, строение которых является выражением сущности руслового процесса на мезоуровне, также не имеют каких-либо специфических черт, обусловленных особенностями региона. Преобладающие значения B/h рек Ямала соответствуют относительным ширинам русел свободно меандрирующих рек равной водности, протекающих в средней полосе. Не обнаруживается существенных различий и в соответствующих зависимостях (B/h)$о = f(ß). Различия не носят принципиального характера и не связаны со спецификой региона. Отмечены случаи, когда реки имели чрезмерно большую ширину, что, однако, было связано с влиянием высоких размываемых коренных берегов, каковые на Ямале сложены рыхлыми породами и являются ограничивающим фактором лишь в том случае, если разрушаю-

щийся берег поставляет в русло избыточное количество наносов.

Получена индивидуальная для каждой реки зависимость средней на излучине относительной ширины от средней на излучине ширины русла

(B/h)K = к + тВи. (4.1)

Отсутствие общей зависимости для макроформ различных рек говорит о наличии на каждой реке свойственных только ей особенностей руслоформирсвания, обусловливаемых гидрологическим режимом.

Можно сделать и более общий вывод:, криогенные факторы не оказывают существенного влияния на морфометрию поперечных сечений и плана меандрирущего русла; развитие излучин в криолитозоне осуществляется в соответствии с общими закономерностями движения потока на повороте открытого русла.

4.3. Криогенные факторы руслового процесса рек Шала

Вывод о том, что свободное меандрирование в условиях Шала подчиняется общим закономерностям этого типа руслового процесса, а криогенные факторы в целом не оказывают существенного влияния на развитие русел, следует трактовать как тенденцию, поскольку полностью исключить влияние криогенных факторов на развитие отдельных излучин все же нельзя. Подобную точку зрения ранее высказывали Н.Б.Барышников, А.А.Левашов и 3.Д.Копалиани, причем последний -именно в отношении рек Шала. Кроме того, eme предстоит выяснить влияние криогенных факторов на интенсивность процесса меандрирова-ния. Поэтому ниже будет рассмотрен вопрос о влиянии криогенных факторов на русловой процесс свободно меандрирующих рек Шала.

4.3.1. Длительность периода руслоформирования

Поскольку исследованные реки Шала в течение безледного периода

проходят все фазы водного режима, включая фазу низкой летней межени, можно полагать, что на данных реках ограничения деформаций за счет сокращения периода руслоформирования не наблюдается.

4.3.2. Снег и лед

* Показано, что в развитии русловых процессов рек Шала существенная роль принадлежит снегу и льду, влияние которых проявляется

посредством уменьшения термической энергии воды, сглаживания пика половодья, задержки начала контакта потока с берегом. Описываются механизмы аккумуляции воды в верхних звеньях гидрографической сети, вскрытия рек и разрушения берегов в период половодья, иллюстрирующие эти выводы. Так как с ростом размера водотока расходы воды и сток увеличиваются в большей степени, чем размеры снежников, роль последних обратно пропорциональна размеру водотока.

4.3.3. Повышенная пылеватость отложений

Влияние на скорость русловых деформаций могут также оказывать высокодисперсные пылеватые отложения криолитозоны, при наличие которых снижается расход донных наносов, а вместе с тем - и скорости деформаций русла. Выполненная оценка показала, что в зависимости от степени превышения скорости движения воды над неразмывающей, снижение расхода донных наносов может составить от 5 до 15 раз.

4.3.4. Многолетнемерзлое состояние грунтов

В природных условиях мерзлое состояние грунтов не препятствует их размыву. Мерзлые грунты в условиях Ямала размываются с той же скоростью, что и их талые аналоги, либо быстрее таковых. Согласно наблюдениям и расчетам, преобладает обычный эрозионный размыв. Процессы взаимодействия потока с обнаженными мерзлыми грунтами имеют место лишь в течение очень коротких промежутков времени, на пике половодья или в условиях ветрового волнения, т.е. локализование в пространстве и во времени. Размыв ШП наблюдался на урезе у вогнутого берега, т.е. при развитии процесса, являющегося следствием, а не причиной миграции русла.

Предложен новый энергетический показатель сопротивляемости грунтов размыву в условиях равномерного поступательного потока

= Рвб'/двД/, (4.2)

где рв - плотность воды; р - ускорение свободного падения; I -уклон свободной поверхности потока; дв - удельный расход воды; и -скорость размыва. Показатель по смыслу соответствует классическому определению энергетического показателя, что выгодно отличает его от использовавшихся ранее при исследованиях термоэрозии.

4.3.5. Криогенные процессы и явления

Выполненная оценка роли криогенных геологических явлений и процессов с точки зрения их влияния на плановую устойчивость меандри-рующих русел показала, что ПЕЛ могут влиять на план русла, если характерный размер полигона соизмерим с шириной русла. Пластовые льды, вытаивая, могут изменить плановое положение русла. Наледи могут существенно отклонять половодный поток, приводя к смещению тальвега и отчленению пляжей. Термокарст благоприятствует образованию пойменных потоков, могущих вызвать деформации пойм. Существенно изменить характер русловых деформаций могут и явления быстрой солифлюкции. Все названные процессы и явления в каждом отдельном случае могут по-разному влиять на русловой процесс, что затрудняет типизацию задач учета названных явлений при проектировании и требует индивидуального подхода для решения каждой такой задачи.

4.4. Скорости плановых деформаций

Для рек всех представленных на Ямале размеров получена зависимость. отражающая рост скорости плановых деформаций с увеличением размера реки, характеризуемого средней шириной водотока

С - (к-В)0'5 - т. (4.3)

Коэффициенты регрессии кит имеют значения, соответственно, 0,01 и 0,5 - для средней на МОУ скорости деформаций; 0,05 и 1,0 -для среднемаксимальной; 0,11 и 1,5 - для максимальной.

Установлено, что деформации русел рек Ямала осуществляются медленнее, чем на сравнимых реках в умеренном климатическом поясе. Наиболее вероятно, что снижение скоростей деформаций обусловлено влиянием специфических региональных факторов, таких как пылева-тость отложений, снег и лед. Пылеватые грунты характеризуются повышенной сопротивляемостью размыву, что ведет к снижению расхода донных наносов и скорости деформаций. Роль снега проявляется через снижение пиковых расходов путем аккумуляции части стока в верхних звеньях гидрографической сети, а также - посредством уменьшения термической энергии воды и сокращения времени действия на русло пиковых расходов за счет наличия снежников у берегов рек. На малых реках криогенные факторы подавляют плановые деформации.

5. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СВОБОДНОГО МЕАНДРИРОВАНИЯ

В этом разделе рассматриваются некоторые общие закономерности свободного меандрирования, не связанные со спецификой региона.

5.1. Распределение деформаций по длине излучин

На примере рек Шала исследовано распределение плановых деформаций по длине излучин. Установлены закономерности, характеризующие расположение зон размыва и форму эпюры плановых деформаций, которые подтверждают сложившиеся представления о деформациях излучин на различных стадиях их развития. Положение створа, в котором начинается эпюра деформаций^ определяется как точка пересечения линии входа с бровкой вогнутого берега, а створа прижима и конечного створа - в зависимости от угла входа «1

ш = 0,63в1 - 4, (5.1)

ф = 0,88й1 + 0,6, (5.2)

где ь> и ф - углы, определяющие положение створов прижима и конечного створа и откладывающиеся от линии входа вниз по течению.

Распределение деформаций между характерными створами эпюры деформации описывается уравнением

у = (х/Л1-632, (5.3)

где х - текущая абсцисса эпюры деформаций; 1 - длина соответствующей части зоны размыва.

Выполненное исследование показало, что на всех стадиях развития излучин положение зон размыва достаточно устойчиво характеризуется значениями угловых и относительных натуральных координат. Результаты исследования вполне согласуются со сложившимися представлениями о механизме деформаций речных излучин на различных стадиях их развития и дают возможность количественной оценки распределения деформаций по длине излучин. Полученные результаты позволяют прогнозировать плановые переформирования излучин свободно меандрирую-щих рек Ямала на малые и средние сроки для решения задач, возникающих на ранних этапах проектирования. Вероятно, эти зависимости будут справедливы для любых свободно меандрирующих рек.

5.2, Асимметрия речных излучин

Начато изучение явления плановой асимметрии речных излучин. Отмечены некоторые недостатки предлагавшихся ранее показателей плановой асимметрии излучин. Предложен показатель асимметрии

Аг- - Р1)/(Г2 + Ра) - (Г2 - (5.4)

где Гг и Гг - площади верховой и низовой (относительно оси симметрии) частей плоской фигуры, ограниченной средней линией русла и линией шага и имеющей площадь Г.

Установлено, что плановая асимметрия определяется положением вершины излучины и неравенством углов входа и выхода, вклад которых в интегральный показатель асимметрии примерно одинаков.

Показано, что асимметрия излучин в равной степени зависит от положения вершины и соотношения углов входа и выхода.

С использованием аналогии между морфометрическими характеристиками излучины и вписанного в нее треугольника, получена формула, аппроксимирующая выражение (5.4) и позволяющая вычислять показатель асимметрии по морфометрическим характеристикам излучин

АРт = ¿4/(0,5 + Ш|), (5.5)

где А& = Хщ/А - 0,5 - показатель асимметрии, обусловленной положением вершины; Хт - проекция верхового крыла излучины на линию шага; X - шаг излучины.

Предложена классификация излучин по степени асимметричности: 1Лк1 < 0,12 - слабо асимметричные излучины (40 %); 0,12 < |Лр| < 0,36 - умеренно асимметричные (51,5 2); 0,36 < Мр| < 0,60 - сильно асимметричные (8,5 %).

Во всех трех классификационных группах преобладают излучины с отрицательной асимметрией, но наиболее отчетливо это проявляется среди излучин с умеренной и сильной асимметрией.

Показано, что численное значение и знак показателя асимметрии не связаны с развитостью излучины. Вероятно, подобные закономерности, в случае их наличия, могут быть установлены в результате наблюдений за развитием отдельных (или групп однотипных) излучин на протяжении полных циклов их развития.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в диссертации результаты исследований свободно меандрирующих рек криолитозоны Ямала позволили автору сформулировать следующие основные научные положения и выводы.

1) Хотя реки Ямала протекают в специфических суровых климатических и геокриологических условиях, влияющих на гидрологический режим рек, развитие русел на уровне МОУ происходит в обычной геоморфологической обстановке. Долины рек имеют нормальную ширину, а

.смена типа руслового процесса происходит в соответствии с классическими представлениями об условиях образования русел.

2) Количественные морфометрические показатели, характеризующие план русел свободно меандрирующих рек Шала на уровне макроформ, также не имеют принципиальных отличий от аналогичных измерителей для рек умеренного пояса, что говорит об идентичности механизмов развития меандрирующих русел на уровне макроформ в условиях умеренного и сурового климатов. Для рек Шала, однако, характерно относительно большое количество сильно развитых излучин.

3) Поперечные сечения русел ямальских рек, строение которых является выражением сущности руслового процесса на мезоуровне, также не имеют каких-либо специфических черт, обусловленных климатическими и геокриологическими особенностями региона.

4) Поскольку для рек Шала выполняются все морфометрические соотношения для уровней МОУ, макроформ и мезоформ, можно утверждать, что специфические климатические условия и в целом криогенные факторы не оказывают значимого влияния на условия руслоформирования и морфометрию поперечных сечений и плана меандрирующего русла, а развитие излучин в криолитозоне Шала осуществляется в соответствии с общими закономерностями развития русел этого типа.

5) Для рек Шала справедливы общие закономерности развития свободно меандрирующих русел, что позволяет применять к ним традиционные гидроморфологические методы прогноза русловых деформаций. Криогенные факторы в явной форме необходимо учитывать при разработке и использовании аналитических методов прогноза.

6) Реальное влияние на русловой процесс рек Шала оказывают снег и лед, а также высокодисперсные пылеватые отложения. Все названные криогенные факторы замедляют скорости плановых деформаций рек, причем влияние снега и льда обратно пропорционально размеру реки. Мерзлое состояние грунтов и длительность периода руслоформи-

рования на среднемноголетние темпы деформаций не влияют.

Степень влияния криогенных геологических явлений и процессов на развитие русла зависит от соотношения размера реки и масштаба развития криогенного явления. При достаточных размерах ШЛ и пластовые льды, вытаивая, могут изменить плановое положение русла. Наледи и термокарст способствуют образованию пойменных потоков и деформациям пойм. Существенно изменить характер русловых деформаций могут и явления быстрой солифлюкции. Все названные процессы и явления в каждом отдельном случае могут по-разному влиять на русловой процесс, что требует индивидуального подхода для решения каждой такой задачи.

7) Подробно исследованы скорости плановых деформаций рек полуострова. Для рек всех представленных на Ямале размеров получены статистически обоснованные величины характерных скоростей отступания берегов в зависимости от размера водотока, характеризуемого шириной русла. Полученная эмпирическая зависимость может быть использована в целях прогнозирования. Установлено, что деформации русел рек Ямала осуществляются медленнее, чем в сравнимых условиях на реках умеренного пояса, что обусловлено влиянием специфических региональных криогенных факторов, таких как пылеватос-ть отложений, снег и лед. Снижение скоростей деформаций является основным проявлением специфики руслового процесса в условиях криолитозоны Ямала.

8) Для свободно меандрирующих рек получена связь относительной ширины русла от размера реки для уровней МОУ и макроформ, причем последняя может быть индивидуальной для каждой реки, отражая, тем самым, специфику гидрологического режима конкретного водотока.,

9) Предложен новый энергетический показатель сопротивляемости грунтов размыву и условиях равномерного поступательного потока б такой форме, которая по смыслу соответствует классическому определению энергетического показателя, что отличает этот показатель от использовавшихся ранее при исследованиях термоэрозии.

10) Предложен статистический подход к расчету распределения деформаций по длине излучины, результаты которого согласуются со сложившимися представлениями о механизме деформаций меандрирующих рек. Положение зон размыва определяется в зависимости от угла входа излучины, а форма эпюры плановых деформаций аппроксимируется параболой. Полученные результаты позволяют прогнозировать плановые переформирования излучин свободно меандрирующих рек Шала на малые и средние сроки.

11) Исследовано явление плановой асимметрии излучин меандрирующих рек. Плановая асимметрия излучин определяется положением вершины излучины и неравенством углов входа и выхода, вклад которых в интегральный показатель асимметрии примерно одинаков. Предложены формулы для определения показателя асимметрии. Показано, что численное значение и знак показателя асимметрии не связаны с развитостью излучины.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Особенности вскрытия водотоков Ямала // Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей: Тез. докл. III Всесоюз. конф. - М., 1989.- Т.2.- С.226-228. (Соавторы: Ф.Э.Арэ, Г.К.Шацилло)

2. Свободное меандрирование русел рек в условиях криолитозоны Ямала // Метеорология и гидрология.- 1992.- N 4.- С.37-44.

3. Количественные морфометрические характеристики свободно меандрирующих рек полуострова Ямал // Эрозионно-аккумулятивные процессы и народное хозяйство: Матер, конф. мол. спец., Москва, 23-24 янв. 1990г./ МГУ - М., 1992.- С.150-159 - Деп. в ВИНИТИ 29.05.92, 1798-В92.

4. Скорости плановых деформаций свободно меандрирующих рек полуострова Ямал // Эрозионно-аккумулятивные процессы и народное хозяйство: Матер, конф. мол. спец., Москва, 23-24 янв. 1990г./ МГУ -М., 1992.- С.160-168 - Деп. в ВИНИТИ 29.05.92, 1798-В92.

5. Forecasting of river bed deformations in the permafrost zone // Permafrost: Proc. of the sixth intern, conf. on permafrost, Beijing, 5-9 july 1993 - Beijing, 1993.- Vol.1.- P.846-850. (Co-author F.E.Are).

6. Channel horizontal deformations forecast for freely meandering rivers in the permafrost zone // East-West, North-South encounter on the stat-of-the-art in river engineering methods and design philosophies: Proc. of the Int. Symp., St.-Peterburg, 16-20 may 1994 - Sankt-Peterburg, 1994.- Vol. II.- P.150-159. (Co-author F.E.Are).

7. Об асимметрии речных излучин // Геоморфология.- 1995.- N 3,-С.73-79.

8. Переформирования свободно меандрирующих рек Шала // Метеорология и гидрология.- 1995.- N 8.- С.94-100.