Режим стОка воды и нанОсов реками ЗападноГО Тянь-ШАНя
ФОТО Автора; Река АХАН-ГарАн ВЫШе устья КаиндЫ-САя (июль)
Здесь у РЕК - иНЫе береГА,
И цвеТЫ - НЕ ТЕ цвеТУТ - ТУТ в луГАХ,
И расСВЕТы - НЕ ТАКИе, КАК ТОГДА,
КогдА Здесь броДИЛи МЫ в гоРАХ...
По-иНОМу здесь теЧЁт воДА,
НЕ журЧИТ здесь, а греМИт воДА,..
Режим стока воды и нанОсов реками, безусловно, оказывает огромное влияние на формирование элеменов ландшафта, хотя он сам является результатом взаимодействия рассмотренных выше факторов. Учитывая его специфичность и многогранность, в данной (и без него громоздкой) работе не приведены подробные материалы, а даны только обобщающие выводы по рекам Западного Тянь-Шаня и Украинских Карпат.
Сток воды
Водный режим горных рек формируется в условиях сложного пересеченного рельефа, неоднородного грунтово-почвенно-растительного покрова и местных особенностей климата, что определяет характерных особенности рек:
а) В режиме стока рек четко прослеживается высотная зональность - изменение гидрологических элементов с высотой местности, более явно выраженное на юго-западном макросклоне и обусловленное сменой ландшафтных характеристик; широтная зональность проявляется значительно меньше, в связи с ограниченностью территории; на зональную закономерность накладывают влияние ряд местных особенностей горного рельефа с характерным чередованием возвышений, плоскогорий, межгорий, впадин, по-разному ориентированных и увлажненных, а также деятельность человека с её активным воздействием на ландшафт (прежде всего - на почвенно-растительный покров) и на сам режим рек. Совместное воздействие этих факторов определяет индивидуальный характер каждого водного объекта, ряд особенностей и аномалий по территории водосторов.
б) Значительная изменчивость гидрологических характеристик во времени, а именно - четко выраженный паводочный режим с резкими колебаниями стока воды и наносов и интенсивности русловых процессов. Совсем небольшие речки, едва омывающие выступы и шероховатости дна, быстро преобразуются в бурные потоки, затопляющие днища долин, размывающие берега. Большая изменчивость водного режима рек вызвана как обострением синоптических процессов, развивающихся над территорией (их можно считать активной, основополагающей причиной), так и особенностями подстилающей поверхности (большие уклоны местности, неразвитый почвенный покров, малая водопроницаемость горных пород), обуславливающими быстрый, сосредоточенный сток воды в реки при осадках и снеготаянии.
в) Высокая водоносность, неполный и нестойкий ледостав, часто прерываемый большими оттепелями.
Влияние вертикальной ПОясности на внутригодовое распределение стока проявляется в смене сезонного стока в соответствии со сменой удельного вклада источников питания. Согласно данным многолетних наблюдений, самый многоводный - весенний сезон, самый маловодный - осенний, а в очень маловодные годы - зимний. Максимальный мгновенный сток дождевых паводков в несколько раз выше, чем у весеннего половодья. Коэффициент паводочности стока варьирует в довольно широких пределах от 0,3 до 0,9.
Сток и обработка наносов
В условиях неоднородности условий горных стран и большой изменчивости водного режима рек отмечается и разнообразие стока наносов. Во время дождей и снеготаяния смываются и сносятся в реки почвы, грунты, обломки горных пород, растительный и древесный материал, а с урбанизированных территорий - также всевозможный мусор, бытовые, строительные, производственные отходы, смыв с поверхностей дорог и т.д. Процесс смыва твердых материалов достигает наибольшей интенсивности на горных склонах с отсутствующим или ослабленным растительным покровом. Огромная энергия паводочных потоков (особенно селевых, плотность которых бывает в 1,5-2 раза выше, чем водных) позволяет перемещать обломки скал массой в десятки и сотни тонн. Потоки воды размывают берега и нередко сносят большие участки их, беспорядочно углубляют русла или, наоборот, отлагают наносы с образованием разнообразных форм руслового и пойменного рельефа.
Практически во всех горных районах, как правило, формирование состава наносов является результатом деятельности как данной реки, так и ее притоков, а также эндогенных и экзогенных процессов в её водосборном бассейне. Руслообразующие наносы малых горных рек и временных водотоков (в основном - глыбы, валуны, галька, а в качестве их наполнителя - более мелкие фракции) формируются за счет поступления по склонам гор обломочного материала, образующегося в основном за счет выветривания и разрушения коренных пород, а также за счет поступления отложений из русла. Потоки воды размывают берега и нередко сносят большие участки их, беспорядочно углубляют русла или, наоборот, отлагают наносы с образованием разнообразных форм руслового и пойменного рельефа. Огромная энергия паводочных потоков (особенно селевых, плотность которых в ~1,5-2 раза выше, чем водных) позволяет перемещать обломки скал массой иногда в десятки и даже сотни тонн.
В горной части рек находится преимущественно область питания наносами, а зоны их аккумуляции здесь относительно редки и приурочены к расширениям и выположениям днищ долин. Верховья малых рек и их притоков имеют крутопадающие узкие долины (V-образного или U-образного профиля) и характерны мощными скоплениями глыб и обломков (размером до 3-4м), образующими (вместе с выходами коренных скальных пород) пороги и водопады в русле. Крупными обломками завалены не только верховья, но и отдельные участки среднего и нижнего течения рек. Почти на всем протяжении горной части рек в их русла поступает большое количество обломков камней и рыхлого материала из обвалов, осыпей, оползней, оплывин и подмываемых берегов, с выносами боковых притоков, селей, лавин. Особенно велика роль склоновых процессов в питании рек наносами в сужениях долин, в ущельях и теснинах, где несортированный и необработанный твердый и рыхлый материал со склонов может поступать непосредственно в русло. Селевые выносы в крупных реках образуют скопления глыб и валунов с порожисто-водопадными участками, с уклоном до 20% и более [60]. Почти на всем протяжении горной части рек в их русла поступает большое количество обломков камней и рыхлого материала из обвалов, осыпей, оползней, оплывин и подмываемых берегов, с выносами боковых притоков, селей, лавин. В горной части рек находится преимущественно область питания наносами, а зоны аккумуляции здесь относительно редки и приурочены к расширениям и выположениям днищ долин. Особенно велика роль склоновых процессов в питании рек наносами в сужениях долин, в ущельях и теснинах, где несортированный и необработанный твердый и рыхлый материал может со склонов поступать непосредственно в русло. На участках рек, где уменьшается поступление в русло селевого и склонового материала, на формирование состава наносов большее влияние начинает оказывать морфология долины (чередование расширений и сужений), определяющая гидравлические характеристики потока (уклон русла, ширину, глубину и скорость потоков и др.). Неоднородный, необработанный материал, поступающий со склонов, подвергается в русле обработке и гидравлической сортировке, при которой потоком выносятся мелкие фракции, а на дне образуется слой из более крупных отложений. Уже давно установлена общая для всех горных стран основная закономерность уменьшения крупности аллювия вниз по течению, выраженная для горных рек более отчетливо, чем для равнинных. Это объясняют как истиранием частиц при их перемещении, так и гидравлической сортировкой при уменьшении уклонов русла и скорости течения реки от истоков к устью. Выделены 3 группы причин, обусловливающих уменьшение размера частиц наносов: влияние гидродинамических изменений (разделение, сортировка); механическая обработка (уменьшение размера частиц по стадиям - раздробление, выветривание); постепенное уменьшение размеров частиц (износ, истирание), а Д.Саймонс и К.Миллер (1962) установили, что диаметр частиц наносов изменяется по длине реки по экспоненциальному закону [58]. Большая часть грубообломочного материала перемещается потоками воды (подвергаясь по пути измельчению, окатыванию, сортировке и пополнению за счет поступления наносов из боковых притоков и склонового материала) во время паводков вниз, где в расширениях выположенных долин образуется пойма и аллювиальные формы в виде побочней, осередков и гряд, сложенных валунно-галечным материалом с гравийно-песчаным наполнителем. Можно с уверенностью полагать, что почти 100% работы по истиранию наносов и образованию мелких фракций взвеси производится во время паводков и половодья [60].
В результате совместного действия главных факторов формирования твердого стока (эродированность территории, большая глубина вреза речных долин, характер атмосферных осадков, низкая природная или искусственная зарегулированность стока), среднегодовая многолетняя мутность воды разных рек колеблется в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен, а в отдельных случаях - и тысяч г/м3 (чаще всего - от 20 до 700 г/м3). Наибольших значений она достигает в паводки непосредственно после выхода рек из гор, когда потоки еще имеют большую энергию, а противоэрозийная стойкость грунтов уменьшается. С увеличением размеров реки мутность воды и модуль твердого стока преимущественно уменьшаются, что обусловлено большей пологостью склонов на больших водосборах и вызванным этим уменьшением транспортирующей способности потока.
На подавляющем большинстве рассмотренных малых и средних горных рек Зап. Тянь-Шаня величина среднего многолетнего модуля смыва взвешенных наносов находится в пределах 38-161 т/год с 1 км2 водосборной площади и только на двух реках (Пскем и Угам), бассейны которых сложены легко размываемыми породами, достигает 179-321 (195-363 - по разным данным) т/год с 1км2. На реках Укр. Карпат значения МRср (50-130 т/год с 1 км2) полностью входят в пределы значений МRср для рек Зап. Тянь-Шаня, несмотря на весьма значительные различия в физико-географических, климатических и др. условиях этих регионов.
Интенсивность смыва наносов в первичную гидрографическую сеть определяется в основном площадным смывом с прилегающих склонов. Интенсивность первичных проявлений водной эрозии в горах зависит от состава, стойкости и гранулированности почв, грунтов и коренных горных пород, характера растительности, интенсивности осадков. Мутность склоновых вод, стекающих с джайляу и полонин - 0,1-0,2 кг/м3, с залесенных склонов - 0,3-0,5 кг/м3; нарушение дернины на полонинах или сплошная вырубка леса повышают мутность до 5-15 (в нижней части склонов - до 30-50) кг/м3. При ливнях со слоем осадков более 12-20 мм идет образование сети рытвин, промоин и шлейфов выносов. Для области тонкоритмичных флишевых и др. образований характерно развитие оплывин и оползней, являющихся поставщиками наносов; при размыве оплывших масс мутность воды в реках возрастает до 30-50 кг/м3. Первичные горные потоки с площадью водосбора 1,5-5 км2 во время паводков имеют мутность от 5-15 до 50-70 кг/м3; в наносах преобладает мелкозем (30-70% массы); при слое осадков более 20 мм возможны грязе-каменные и водо-каменные селеподобные паводки с мутностью до 250 кг/м3. Сток наносов небольших горных потоков формируется в основном за счет размыва ранее отложенного материала конусов выноса, оползней, обнажений флиша и рыхлых, легко размываемых пород. При разрушении флиша характерно образование отдельных глыб из толстопластинчатых песчаников и вынос мелкозема, образовавшегося из прослоев аргиллитов.
Для русел различных типов характерны свои формы транспорта наносов:
- для русел с РАФ - грядовый режим движения наносов; по мере увеличения уклона происходит перенос гребней перекатов; поток спокойный в межень и бурный в паводки; возможны антидюнные формы, соизмеримые с параметрами живого сечения;
- для русел с НАФ характерны бурный поток во все фазы водного режима, более крупный аллювий, преобладание врезанных русел, слабое развитие поймы, движение наносов под совместным воздействием скоростного и гидростатического напоров; возрастает роль воздействия экстремальных паводков;
- для ПВ-русел (скульптурных, глыбово-валунных, безгрядовых, бесструктурных) характерны ступенчатый профиль, скопления аллювия зачастую беспорядочны, массовое перемещение наносов в результате экстремальных паводков, аблювиальный эффект.
Образование перепАдов уровня, порогов и водопадов на глыбах и обломках скал является косвенной причиной перемещения таких крупных частиц вследствие аблювиального эффекта (при неоднократных повторениях подмыва-смещения на небольшое расстояние глыба оказывается перемещенной на значительное расстояние, а вслед за ней будут перемещены и более мелкие частицы, находившиеся под её защитой), проявляющегося практически на всех малых реках с уклоном свыше 80% и на небольших участках более крупных рек, где обвалы или селевые притоки образуют ПВ-русло со значительным (более 20%) уклоном.
В движении ДОНных наносов большую роль играют пульсации, которые связаны с изменением их расхода вдоль гряды (максимальные значения в районе гребня, минимальные, а иногда и отрицательные - в подвалье) и с пульсацией скорости смещения самой гряды. Удельный расход донных наносов может изменяться во времени (через каждые 4-12 минут) в 3-10 и более раз. Период пульсаций уменьшался при увеличении расхода воды, что, повидимому, связано с крупномасштабными турбулентными возмущениями. Начало движения постепенное, с нарастанием частоты прохождения серий и уменьшением промежутков между сериями и между прохождением отдельных валунов внутри серии [58-59]. По мере возрастания транспортирующей способности потока происходит переход к непрерывному движению валунов с очень короткими промежутками между сериями. При падении транспортирующей способности потока увеличивается продолжительность промежутков между сериями, самих серий и интервалов между прохождением отдельных валунов в серии. При дальнейшем снижении транспортирующей способности потока ниже определенного критического значения происходит резкое прекращение движения валунов. Пульсации при движении валунов разнопериодны и могут определяться русловым рельефом, неравномерностью срыва отмостки, гидравлическими характеристиками потока. Низкопериодные пульсации могут быть обусловлены различными внешними воздействиями (размывами берегов, оползнями, поступлением материала из притоков, заторами и т.д.). Для перемещений обломков на значительные расстояния, где на длину переноса большое влияние оказывают перемещение русловых форм и характер рельефа дна; существует явное влияние на длину пробега, размера и формы обломков, однако зависимости сильно осложнены влиянием различных побочных факторов. В реках со ступенчатым продольным профилем основная масса материала аккумулируется на более пологих участках (с уклонами 0-30%). Образование отмостки в галечно-валунных руслах определяется дефицитом наносов; количеством поступающего материала определяются также размеры и положение зоны движения влекомых наносов на дне реки - чем больше поступление наносов, тем шире полоса движения наносов при равных гидравлических условиях. При полном насыщении (расход наносов равен транспортирующей способности потока) движение влекомых наносов в виде поперечных скоплений материала наблюдается по всей ширине русла. В бурных и близких к критическому состоянию потоках с песчаным и гравийно-галечным составом наносов основные формы перемещения наносов - антидюны и движение наносов в виде узких лент или тонкого сплошного потока (в зависимости от крупности поступающего сверху материала) при практически гладкой поверхности дна; размер отмостки больше при поступлении влекомых наносов с вышележащих участков, чем при отсутствии поступления материала, что вызвано увеличением турбулентных возмущений и пульсаций придонной скорости, а, следовательно, и селективным вымыванием частиц при наличии слоя движущихся наносов и гряд.
В районе будущего Чарвакского гидроузла от 41 до 66% годового стока влекомых наносов проходило в июне; доля влекомых наносов в суммарном стоке на Чаткале (13,3%) и Чирчике (14,9%) в несколько раз выше, чем на Угаме (4,1%) и Пскеме (3%), что объяснимо высокой размываемостью пород (красноцветных глин, преимущественно слагающих водосборы бассейнов Угама и Пскема), мелкие продукты размыва которых переносятся во взвешенном состоянии. В бассейне Чаткала преобладают известняки и кристаллические породы, при выветривании и разрушении которых в реки поступает много крупнообломочного материала, выносимого в виде влекомых наносов.
Натурные исследования показали, что в обоих регионах малые горные реки, благодаря большим уклонам и мощным паводковым потокам, по способности транспортировать крупные валуны и глыбы не уступают самым крупным рекам как Зап. Тянь-Шаня, так и Карпат. Удельный сток влекомых наносов в пределах прирусловых отмелей в среднегодовом исчислении на 1-2 порядка ниже, чем по руслу в целом, откуда следует, что в условиях обычного гидрологического режима (при отсутствии экстремальных и катастрофических паводков) подавляющая часть стока руслообразующих наносов локализуется в узкой полосе вдоль стрежневой линии наибольших глубин и скоростей течения; весьма активный транспорт донных наносов имеет периодический характер; во время максимальных паводков и на пике половодья донные наносы движутся по всей ширине русла, но основное количество наносов переносится в стрежневой зоне русла.
В зависимости от конкретных морфометрических параметров (уклона, ширины, глубины и скорости потока и др.), на разных участках одной и той же реки транспорт наносов проходит по-разному. По характеру переноса выделяются два типа участков русел: с частичным срывом верхнего слоя донных отложений (селективное влечение) и с массовым срывом отмостки. Крупные русловые переформирования, определяющие морфологический облик русла, происходят лишь при экстремальных и катастрофических паводках, когда возможен массовый срыв отмостки и массовое движение наносов по поверхности русловых форм (отмелей, побочней, осередков).
Характер транспорта наносов зависит от типа русла: 1) на участках русел с развитыми аллювиальными формами (РАФ) на прирусловых отмелях (осередки, побочни) наблюдается более медленное движение наносов по сравнению со стрежневой зоной потока; 2) на участках русел с неразвитыми аллювиальными формами (НАФ) практически одинаковое движение наносов происходит по всей ширине русла; 3) на порожисто-водопадных (ПВ) участках наблюдается прекращение движения наносов за крупными валунами и выступами скал; 4) на участках со стесненным скальным типом наносы, поступающие с верхних участков реки, транзитом переносятся вниз по течению реки, образуя лишь отдельные отмели в боковых карманах русла, под выходами коренных пород или у больших обломков скал, экранирующих напор водных потоков. Это весьма характерно для малых рек и многих участков более крупных рек Карпат, но на многих из них этот естественный процесс нарушен искусственно созданными плотинами и ступенями-перепадами.
КрылEнко Владимир 10 июня 2013