Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ / Геоморфология и эволюционная география

Морфология и геолого-геоморфологические факторы развития врезанных и свободных излучин

Диссертация

Автор: Матвеев, Борис Всеволодович

Заглавие: Морфология и геолого-геоморфологические факторы развития врезанных и свободных излучин

Справка об оригинале: Матвеев, Борис Всеволодович. Морфология и геолого-геоморфологические факторы развития врезанных и свободных излучин : диссертация ... кандидата географических наук : 11.00.04 Москва, 1985 219 c. : 61 85-11/160

Физическое описание: 219 стр.

Выходные данные: Москва, 1985






Содержание:

ВВВДЕНИЕН
ГЛАВА I СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАЗВИТИИ ИЗЛУЧИН
11 Причины образования речных излучин
12 Структура потока на повороте руслаI?
13 Транспорт наносов в извилистом русле, рельеф дна и переформирования излучинЯД
14 Гидролого-морфометрические зависимости и региональные исследования меандрирующих русел37
ГЛАВА 2 МОРФОЛОГИЯ ИЗЛУЧЙН И ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ
РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
21 Постановка задачи и методика исследования
22 Результаты исследованияН
ГЛАВА 3 ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОтЕСКИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ
ВРЕЗАННЫХ И СВОБОДНЫХ ИЗЛУЧИН
31 Постановка задачи ?
32 Врезанные излучины
321 Понятия и термины?
322 Причины образования извилистости речных долин ?>
323 Макроизлучины и врезанные излучины, их различияИ
324 Горизонтальные деформации врезанных излучин
325 Трансформация врезанного извилистого русла
33 Свободные излучиныЮЯ
331 Влияние морфологии долины на развитие свободных излучин10 Я
33^2 Влияние устойчивости русла на развитие свободных излучин
ГЛАВА 4 ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ: ВРЕЗАННЫХ И СВОБОДНЫХ
ИЗЛУЧИН В КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЯХlis
41 Постановка задачи
42 Р ПонойЦ&
43 Среднее и низшее течение р Вилюя
44 Нижнее течение р ДнестраJSX
ГЛАВА 5 РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ИЗВИЛИСТЫХ
РУСЕЛ
51 Распространение свободномеандрирующих и врезанных извилистых русел в различных тектонических и литологических условиях
52 Морфология речных долин и типы меандрирующих русел
ГЛАВА 6 НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Введение:
Актуальность темы» Изучение закономерностей русловых процессов представляет собой основу рационального использования рек для нувд народного хозяйства. Меандрирование является наиболее распространенной формой проявления руслового процесса; ему посвящено большое количество исследований как в нашей стране, так и за рубежом. В них рассматриваются причины возникновения извилистости речных русел, структура потока на излучинах, особенности их деформации и многие другие вопросы; широкое распространение получили при этом экспериментальные исследования и математическое моделирование. В то же время, многообразие форм проявления меандриро-вания в разных природных условиях, сложное и неоднозначное воздействие, оказываемое на него многочисленными природными факторами руслсформирования, требует углубленного изучения географических закономерностей развития речных излучин. Одним из наименее изученных аспектов этой проблемы является определение роли геолого-геоморфологических факторов в процессе меандрирования. В первую очередь это относится к вопросам возникновения и развития врезанных излучин. Последнее приобретает особую актуальность в связи с активным хозяйственным освоением восточных районов страны, где широко развиты врезанные извилистые русла, и в связи с тем исключительным значением, которое имеют реки Сибири и Дальнего Востока как транспортные пути, источники электроэнергии, полезных ископаемых и т.д. Для свободных излучин роль геолого-геоморфологических факторов исследована слабо, тая как, как правило, принимается, что их формирование происходит в однородных условиях. Тем не менее, практика регулирования речных русел для различных отраслей народного хозяйства сталкивается с рядом проблем, связанных с влиянием этих факторов, которые не позволяют удовлетворительно решать встающие задачи, особенно в свете требований охраны окружающей среды. Кроме того, изучение геолого-геоморфологических факторов развития врезанных и свободных излучин дает возможность рассмотреть некоторые общие вопросы образования речных долин.
Дели и задачи работы. Целью работы явилось изучение влияния геолого-геоморфологических факторов руслового процесса на морфологию и динамику врезанных и свободных излучин. Для этого потребовалось решить следующие задачи:
• определить общие закономерности морфологии врезанных и свободных излучин в связи с витанием, оказываемым на них важнейшими факторами руслового процесса - водностью и уклоном реки, устойчивостью ее русла;
• установить закономерности развития врезанных извилистых русел;
• исследовать характер меандрирования ряда конкретных рек, расположенных в различных геолого-геоморфологических условиях;
• изучить региональные особенности формирования меандрирую-щих русел.
Общий характер исследования предопределил широкую географию изучавшихся рек: использовались данные-по всей территории СССР, а также опубликованные материалы по другим рекам мира. Детальные исследования извилистых русел выполнены на Вилюе, Алдане, Днестре и Ионов.
Методика исследований. В основу исследования легли принципы географического изучения русловых процессов, разработанные Н.И.Маккавеевым и Р.С.Чаловым. Анализ морфологии речных излучин проведен на основании статистической обработки параметров излучин и показателей, характеризующих условия русл сформирования. Ис
• б ходные данные получены по крупномасштабным топографическим и лоцманским картам, а такие по опубликованным данным гидрологических наблюдений на сети Госкомгидромета СССР. Закономерности развития излучин определялись по материалам экспедиционных исследований Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ на реках Вилюе, Алдане и Днестре, в которых принимал участие автор, а также путем анализа топографических и специальных (геологических, инженерно-геологических, лоцманских) карт. Региональные особенности меандрирующих русел изучались на основании анализа "Карты русловых процессов на реках СССР", разработанной в Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ. В составлении карты принимал участие автор.
Научная новизна работы. В результате проведенного исследования: а) проведен сравнительный анализ гидролого-морфометрических зависимостей, полученных для врезанных и свободных излучин на большом фактическом материале, относящемся к разнообразным природным условиям; установлена прямая связь мекду размерами свободных излучин и крупностью русловых наносов; б) на основе теории руслового процесса выявлены закономерности образования и развития разновидностей врезанных излучин, предложена схема их эволюции; установлены отличия врезанных излучин от изгибов речных долин, не связанных с процессом меандриро-вания; определены разные формы трансформации врезанного извилистого русла и образования широкопойменных долин; в) впервые получена оценка устойчивости и направленности деформаций свободномеандрирующего русла, развивающегося в связных глинистых отложениях; г) рассмотрен механизм образования серий свободных излучин, причины формирования разнопорядковой извилистости свободномеандрируодих и врезанных русел; д) проведен анализ морфологии и характера развития разных типов излучин при меняющихся по длине реки условиях руслоформи-рования (на примере рек Поноя, Вилюя и Днестра); е) показана специфика морфологии извилистых русел в разных регионах, отличающихся по геолого-геоморфологическим условиям руслсформирования.
Практическое значение. Предложенная типизация форм врезанных извилистых русел и схема их развития могут быть использованы для геоморфологического анализа при поисках аллювиальных россыпей полезных ископаемых и при инженерно-геоморфологических изысканиях для гидротехнического строительства в речных долинах. Опыт оценки устойчивости и направленности деформаций свободномеандри-рующего русла, развивающегося в связных грунтах, может найти применение при прогнозе русловых деформаций ряда рек.
Апробация, Результаты исследования докладывались на 3-й Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1981); 4-й и 5-й конференциях молодых специалистов Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ (Москва, 1982, 1984); Всесоюзной научной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства" (Москва, 1983); 2-й Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984); научном семинаре Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ (Москва, 1984) и изложены в 7 публикациях.
Материалы исследований применены в Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов для анализа морфологии и динамики меандрирующих русел при обосновании генеральных схем улучшения судоходных условий на реках Вилюе, Алдане и Днестре, составленных для бассейновых управлений пути Минречфлота РСФСР и Главреч-флота МССР.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору географических наук, профессору Р.С.Чалову за постоянную помощь и поддержку, кандидатам географических наук А.В.Чернову, А.Ю.Сидорчуку, В.Я.Григорьеву и Р.В.Лодиной, сотрудникам Проблемной лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ В.В.Иванову и Б.В.Белому, всему коллективу лаборатории за внимание и помощь в работе.
Объем работы составляет 445 страниц машинописного текста, в ней содержится 48 рисунков, 12 таблиц и 3 таблицы-цриложения. Список литературы включает 205 наименований работ, в том числе 66 зарубежных авторов.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАЗВИТИИ ИЗЛУЧИН I.I. Причины образования речных излучин
Наиболее полные обзоры проблем формирования меандрирующих русел принадлежат П.Вернеру /Wet-пег- , 1951/, Н.И.Маккавееву /1955/ Н.Н.Федорову /Кондратьев и др., 1959/, Н.И.Маккавееву и Н.В.Хмелевой /"Экспериментальная геоморфология", 1969/, Л.Леопольду и М.Уолмену /kopoUjWoiwa.n, I960/, Ч.Янгу /Ya^ , 1971/, Л.Ха-кансону 1973/, Р.Сакаловски /SaKaiowskij, 1974/, Н.С.
Знаменской /1976/, В.И.Замышляеву /1978/к.
Разные авторы придерживаются различной терминологии в отношении речных излучин /Тимофеев, 1981/. В настоящей работе используется классификация, предложенная Н.И.Маккавеевым /"Экспериментальная геоморфология", 1969/ и Р.С.Чаловым /1979/, в которой выделяются врезанные, свободные, вынужденные и адаптированные излучины (рис. I). В пределах врезанных излучин русло контролируется высокими незатопля емыми берегами, сложенными коренными породами или древним аллювием; очертания русла в плане повторяют форму узкой -долины. Свободные излучины развиваются в пределах широкой поймы; вынужденные и адаптированные - при изгибе русла широкопойменной долины вблизи препятствий.
Гипотезы относительно причин меандрирования чрезвычайно многочисленны. По подсчетам Р.Шпенглера /"Экспериментальная геоморфология", 1969/, к середине 50-х годов их насчитывалось около 40. С тех пор количество гипотез продолжало увеличиваться, причем, в х Сведения об исследованиях, не упомянутых в перечне использованной литературы, взяты из этих обзоров.
Рис.1 Типы речных излучин:
1) вращению Земди, то есть действию силы Кориолиса Д.Бэр, 1860; Х.Икин, 1910; А.Эйнштейн, 1926; и др./;
2) местным нарушениям течения, под которыми подразумеваются все неупорядоченные движения воды в потоке - колебания уровня воды, вторичные течения, турбулентность и т.д., в том числе и те, которые вызваны случайными препятствиями в русле /А.Пенк, 1894; В.Девис, 1903; Хэмберг, 1908; С.де Гир, 1911; Ф.Экснер, 1919; П.Вернер, 1951 и др./;
3) проявлению цринципов максимизации /М.Джефферсон, 1902; А.Шоклич, 1937; К.Инглис, 1947/ или минимизации потерь энергии'потока /Л.Леопольд, У.Лангбейн, 1966/;
4) способности потока эродировать берега и откладывать наносы /Д.Фридкин, 1945; Г.Метзес, 1941; Д.Бразертон, 1979/.
В настоящей работе нет необходимости подробного критического анализа гипотез возникновения речных излучин, тем более, что в отношении большинства из них такой анализ содержится в упомянутых выше обзорах. Некоторые из гипотез в настоящее время представляют чисто исторический интерес, не соответствуя современному уровню знаний. Это относится к тем из них, например, которые объясняют возникновение излучин влиянием силы Кориолиса /\№егиег, 1951;
1971;^аи^\оок 1 9 1973/. В большинстве же других гипотез содержатся рациональные положения, в той или иной степени объясняющие некоторые особенности меандрирования. Однако они либо выражены в очень общей, часто декларативной форме, либо не получи
• 1Я ли пока достаточного подтверждения экспериментальными и натурными исследованиями. Сложность проблемы в значительной мере увеличивается из-за чрезвычайного многообразия форм проявления процесса меандрирования в различных природных условиях, трудности сопоставления закономерностей, полученных в эксперименте с особенностями меандрирования речных русел. Следствием этого является отсутствие единого подхода, появление все новых гипотез.
Автор придерживается точки зрения, согласно которой достаточным объяснением образования свободных излучин является "неустойчивость прямолинейного течения в размываемом русле" /Кондратьев, 1954/. О неустойчивости прямолинейного неразветвленного русла в условиях свободного развития русловых деформаций свидетельствуют многочисленные натурные наблюдения. Подобные участки рек, как правило, довольно незначительны по длине. В последнее время неустойчивость прямолинейного течения подтверждена теоретически /Замышляев, 1983/.
Искривление струй потока в прямолинейном русле, возникшее как случайно - вследствие имеющихся в русле препятствий, впадения притоков /"Экспериментальная геоморфология", 1969/, так и закономерно - вследствие наличия в турбулентном потоке соизмеримых с размерами русла вихревых структур /Великанов, 1958; Зайцев, 1979/, порождает силы, способствующие его закреплению и развитию и, таким образом, обусловливающие динамическую устойчивость извилистой формы русла. Такими "силами" являются возрастание эрозионной и транспортирующей способности потока и изменение направленности движения наносов, возникающие из-за образования определенной гидродинамической структуры потока. Транспортирующая и эрозионная способность увеличиваются на повороте русла за счет возрастания по сравнению с прямолинейными участками неравномерности скоростного поля и, как следствие, увеличения живой силы потока /Маккавеев, 1955/. Впервые это явление описал А.Я.Милович /1914/, показавший, что у идеальной жидкости живая сила на повороте удваивается. Реальное увеличение,по экспериментальным данным Н.И.Маккавее ва /1955/, составляет в среднем около 50 %, Более интенсивная эрозия на участке искривления струй создает условия для закрепления извилистости динамической оси потока в рельефе дна прямоли-. нейного русла. Дальнейшее ее развитие обусловлено особенностями
• и транспорта наносов на изгибе потока, которые будут рассмотрены ниже.
Извилистость меженного потока, обтекающего расположенные в шахматном порядке побочни, по мнению большинства исследователей /Знаменская, 1976/, является начальной стадией меандрирования. Это.явление изучалось в лабораторных условиях М.Кьюраши /1944/; Н.С.Шарашкиной /1959/; Х.Шеном и С.Комурой /ЬЪеи , Кот ига, 1968/; Н.И.Маккавеевым и др. /"Экспериментальная геоморфология", 1969/; Н.Сукегавой 1970/; И.Каркзом /Ка.г*сз, 1971/; в природе - Д.Левиным Делкмк, 1976, 1978/; Р.С.Чаловым /1979/ и многими другими исследователями. При достаточной устойчивости русла благодаря особенностям гидродинамической структуры потока побочни увеличиваются в размерах; одновременно, по тем же причинам, размываются противоположные побочням берега, и, в результате, происходит дальнейшее искривление потока. Рост площади и высоты побочной цриводит к их постепенному зарастанию и превращению в пойму, то есть к образованию излучин русла. По мере своего развития они приобретают форму и размеры, соответствующие параметрам потока и другим условиям руслсформирования на данном участке реки. По-видимому, именно таков механизм формирования излучин в относительно прямолинейном размываемом русле в условиях широкопойменной долины, то есть механизм формирования свободных излучин.
Относительно формирования врезанных излучин наибольшей известностью пользуется гипотеза, появившаяся еще в классических трудах В.Девиса /1962/. Она связывает извилистость врезанных русел с врезанием рек, ранее меандрировавших в широкопойменных долинах. Речь идет по сути дела о том, что врезанные излучины в большей или меньшей степени наследуют очертания свободных излучин. Причину врезания реки, как правило, относят за счет тектонического поднятия территории. Распространенное в отечественной геоморфологической и геологической литературе суждение о природе врезанных излучин, их отличии от излучин свободных, пожалуй, наиболее четко выражено в следующих высказываниях: "наличие глубоко врезанных и крутых меандров на речной долине является достаточно серьезным указанием на существование в таких местах активных поднятий", "участки речных долин, обладающие свободными меандраж, приурочены к тектоническим структурам с отрицательными движениями" /Геренчук, 1960, стр. 126/; "блуждающие (свободные - Б.М.) меандры обычно развиты у рек, приспособившихся к отрицательным тектоническим структурам, обладающим признаками новейших опусканий или отстававшим от общих поднятий на позднейших этапах развития рельефа; в противоположность этому врезанные меандры отмечают районы крупных поднятий, протекавших на ранних этапах новейшего тектогенеза" /Рождественский, 1963, стр. 154/.
Б целом ряде случаев конкретные условия формирования врезанного извилистого русла и палеогеографические данные приходят в противоречие с гипотезой о "наложении" или "наследовании" /Маккавеев, 1955;, 1972/. С большей или меньшей степенью достоверности описаны врезанные излучины, очертания которых контролируются системой разломов коренных пород /Шатский, 1922;&1гаИкг, 1946;На.ск , 1959;Сгп™р&еН , 1973; Макареску, 1974; Бородин, 1978/ или формирующиеся в результате огибания рекой локальных положительных структур /ЛАооге, 1926а; Обедиентова, 1957; Цыганков, Алешин, 1964/. В последнем случае в качестве излучин, зачастую, рассматривают огромные, многокилометровые изгибы долины, в пределах которых русло, как правило, осложенено излучинами обычных для данной реки размеров или узлами разветвления. С самим процессом меандрирования они, естественно, не имеют ничего общего;
• IS в то же время, отсутствие четкого критерия разделения таких изгибов и собственно врезанных излучин вызывает путаницу как в терминологии, так и в отношении определения генезиса подобных форм. Образование врезанных излучин относят также за счет переработки потоком "первичных излучин" реки, то есть ее изгибов, обусловленных приспособлением речной долины к неровностям исходной поверхности, ее первичному рельефу Дукин, I960/. Связывают их с постепенным развитием незначительных изгибов русла широкопойменной долины в период его врезания /Лloo re, 1926а/. Далеко неоднозначными оказываются и причины врезания реки. В качестве таковых, наряду с локальными тектоническими поднятиями, называют эпейрогени-ческие движения, снижение базиса эрозии /Cole , 1930; Басаликас, 1955;Hack, 1965/, изменения климата /"Экспериментальная геоморфология", 1969/.
В целом можно констатировать отсутствие общепринятой теории образования врезанных излучин. Различные гипотезы выдвигались их авторами чаще всего в качестве альтернативы гипотезе В.Девиса. В то же время, многочисленные, подчас не вызывающие сомнения, примеры различных путей возникновения врезанных излучин, само многообразие этих форм рельефа, скорее свидетельствует об их сложном, полигенетическом характере.
При всей сложности данной проблемы, региональные и общие работы, касающиеся причин образования врезанных излучин, часто страдают предельной схематизацией и отсутствием анализа руслового процесса. Такой упрощенный подход, по-видимому, связан с тем, что воцрос о развитии врезанных русел (в частности, врезанных извилистых русел) остается одним из наименее разработанных в теории руслового процесса. Здесь ощущаетсяжное преобладание чисто геологических или геоморфологических исследований. К сожалению, это относится и к отечественной научной литературе. Автору известна лишь одна серьезная и большая работа, в которой врезанные излучины рассматриваются с позиций теории руслового процесса - экспериментальное исследование, выполненное Н.В.Хмелевой под руководством Н.И.Маккавеева /"Экспериментальная геоморфология", 1969/. В немалой степени подобное положение обусловлено весьма высокой устойчивостью врезанных русел, отсутствием заметных деформаций в историческом масштабе времени. На этом основании врезанные русла не внесены в одну из наиболее распространенных классификаций типов руслового процесса - классификацию Государственного Гидрологического института /Кондратьев и др., 1959; Попов, 1969; Кондратьев и др., 1982/. Врезанные извилистые русла долгое время рассматривались этой группой исследователей, как "немеандрирующие". Лишь в последнее время в некоторых работах 1ТИ появился термин "вынужденное меандрирование", отнесвнный к типу руслового процесса, "при котором очертания реки в плане повторяют извилины долины реки" /"Водные ресурсы рек зоны БАМ", 1977, стр. 224/.
Адаптированные и вынужденные излучины часто рассматриваются, как разновидности одного и того же типа излучин, образованного изменением направления течения потока возле незатопляемых берегов, конусов выноса оврагов или притоков, оползней и т.д. Наиболее обычной причиной их формирования является изгиб русла при его подходе к коренным или террасовым берегам. Различие между адаптированными и вынужденными излучинами состоит в угле подхода русла к высокому берегу (пологом - у адаптированных, крутом - у вынужденных) и в степени взаимного приспособления (адаптации) очертании русла и берега.