Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
ОБОДОВСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ГРИГОРОВИЧ
УДК 551.482.(212 + 214 + 215): 551.437
РЕГІОНАЛЬНИЙ ГІДРОЛОГО-ЕКОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ
РУСЛОВИХ ПРОЦЕСІВ
11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора географічних наук
Київ – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі гідрології і гідрохімії
географічного факультету Київського
національного університету імені Тараса Шевченка.
Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор
Мольчак Ярослав Олександрович, декан технологічного
факультету, професор кафедри екології і безпеки
життєдіяльності Луцького державного технічного університету
доктор географічних наук, професор
Алексеєвський Микола Іванович, завідувач кафедри гідрології
суші географічного факультету Московського
державного університету ім. М.В.Ломоносова, Росія
доктор географічних наук, професор
Ковальчук Іван Платонович, завідувач кафедри конструктивної
географії і картографії географічного факультету Львівського
національного університету імені Івана Франка
Провідна установа: Одеський державний екологічний
університет Міністерства освіти і
науки України, м.Одеса
Захист відбудеться “30” травня2002 року о 14 годині на засіданні спеці-
алізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного
університету імені Тараса
Шевченка за адресою: 03022, м.Київ-22, вул.Васильківська,90,
географічний факультет.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці
Київського національного
університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01017,
м.Київ, вул.Володимирська,58.
Автореферат розісланий “24” квітня 2002 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22,
кандидат географічних наук, доцент Гребінь В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Проблемам регіональної оцінки руслових процесів та їх екологічним аспектам прояву до останнього часу приділялось недостатньо уваги. Особливо це стосується малих і середніх водотоків, які найбільш яскраво відображають зміни природних умов. Разом з тим вони є особливими водними об’єктами, які найбільш піддаються антропогенному впливу, що проявляється як на водозборах, так і в руслах річок.
Нераціональне і надмірне розорювання території водозборів, зменшення їх залісеності призвели до того, що активізувалися процеси замулення русел рівнинних річок. З іншого боку, “створення” каналізованих русел (їх спрямлення та поглиблення), проведення меліоративних робіт на заплавах, розробки руслових і заплавних кар’єрів посилюють глибинну руслову ерозію і, таким чином, зміни гідрологічного режиму заплав. Внаслідок цього трансформуються пріоритети і роль чинників, які обумовлюють характер прояву та інтенсивність руслових процесів, спостерігаються суттєві зміни в стійкості русел, відбувається деградація і відмирання малих водотоків, погіршується загальна екологічна ситуація в басейнах річок.
Перераховані явища можуть бути досліджені і в значній мірі cпрогнозовані, як і розробка методів боротьби з ними, за допомогою оцінки екологічно допустимих витрат (ЕДВ), які виступають у ролі чи не головних індикаторів гідролого-екологічного стану руслової системи. Узагальнюючим показником цих характеристик є екологічно необхідний стік (ЕНС), який визначає гідролого-екологічні умови прояву руслових процесів.
Наведені вище проблеми для річок України є типовими за формою і не вирішені за змістом. Це обумовлює необхідність проведення комплексного регіонального гідролого-екологічного аналізу процесів їх руслоформування. Слід зважити також на наслідки, завдані двома катастрофічними паводками (1998 і 2001 років) на Закарпатті, коли недостатнє врахування руслової ситуації в річках лише збільшило збитки від них. Тому в даній роботі поряд з теоретичними і методичними напрацюваннями стосовно регіонального аналізу процесів руслоформування, значна увага приділяється практичній реалізації результатів досліджень шляхом розробки рекомендацій і заходів щодо запобігання і ліквідації негативної дії потоку в річкових руслах.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за проблемою дисертації виконувались в рамках планів науково-дослідних робіт географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка під науковим керівництвом і безпосередньою участю автора за держбюджетними і госпдоговірними темами, що входили до складу наукового напрямку “Охорона навколишнього середовища” (1993-2000 рр.), державної Комплексної програми протипаводкових заходів (1995-2000 рр.), Національної програми з екологічного оздоровлення ріки Дніпро та поліпшення якості питної води (1996-1998 рр.).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення засад гідролого-екологічного аналізу руслових процесів з теоретичним їх обгрунтуванням, розробкою методів і методик дослідження та практичною реалізацією стосовно річок України.
Основними завданнями, які вирішувались для досягнення вказаної мети, є наступні:
обгрунтування і формулювання теоретичних основ гідролого-екологічної оцінки руслових процесів з виділенням ієрархії їх чинників та розробки структури гідролого-екологічного аналізу цих процесів;
розробка нових підходів щодо виявлення і запровадження критеріальних залежностей з оцінки руслових деформацій та руслоформуючих наносів з урахуванням впливу господарської діяльності;
обгрунтування і апробація ерозійного показника стійкості русел для річок України;
обгрунтування, розробка і апробація основних положень стосовно екологічно допустимих витрат води і екологічно необхідного стоку як основних критеріїв оцінки гідролого-екологічного стану русел;
розробка методичних аспектів дослідження руслових процесів у нижніх б’єфах ГЕС та їх практична реалізація в зонах виклинювання підпору дніпровських гідровузлів;
розробка і апробація основних положень гідролого-екологічного аналізу руслових процесів на річках Закарпаття з обгрунтуванням нової класифікації паводків на гірських річках за умовами прояву руслових процесів та їх моніторингу;
науково-методичне обгрунтування рекомендацій і заходів щодо покращення умов руслоформування на річках України.
Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є малі і середні рівнинні річки басейнів Дністра, Південного Бугу, Дніпра, Сіверського Дінця та Приазов’я, гірські річки басейну Тиси, а також зони виклинювання підпору (ЗВП) шести дніпровських водосховищ. Предметом досліджень є методологія і теорія регіонального гідролого-екологічного аналізу руслових процесів на об’єкті досліджень та способи покращення умов руслоформування.
Методи дослідження. Розроблені у роботі методи гідролого-екологічного аналізу руслових процесів базуються і розвивають, з одного боку, теоретичні підвалини і підходи ерозійно-акумулятивного вчення про руслові процеси (М.І.Маккавеєв, Р.С.Чалов) та деякі аспекти гідро-морфологічної теорії руслового процесу (М.Є.Кондратьєв, І.В.Попов, Б.Ф.Сніщенко), а з іншого–основні положення гідроекології (В.К.Хільчевський, В.І.Пелешенко, А.В.Яцик, В.М.Самойленко). При цьому використані деякі методи флювіальної геоморфології та річкової гідравліки. Для кількісної оцінки процесів руслоформування та проведення районувань задіяні прийоми статистичного аналізу. При проведенні польових досліджень застосовувались стандартні способи гідрометричних вимірювань, методи гідроморфологічного аналізу процесів руслоформування.
Вихідними матеріалами для узагальнень були опубліковані дані Гідрометслужби України, матеріали Мінекоресурсів та Держводгоспу України, а також інформація, яка зібрана під керівництвом і за безпосередньою участю автора в експедиційних дослідженнях на р.Десна (1989-1993 рр.), в нижніх б’єфах дніпровських водосховищ (1991-1994 рр.), на деяких річках Полісся (1993 р., 2000 р.), р.Рось (1996 р.) і р.Сула (2000 р.), а також на річках Закарпаття (1996-2000 рр.).
Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці теоретичних та методичних основ регіонального гідролого-екологічного аналізу руслових процесів і містить наступні положення:
- на основі ерозійно-акумулятивного вчення про руслові процеси запропоновані нові стру-
ктури чинників процесів руслоформування, екологічного руслознавства та гідролого- екологічного аналізу руслових процесів;
для рівнинних річок України виконані детальні дослідження вертикальних руслових деформацій і запропоновані критеріальні залежності щодо оцінки динаміки цих деформацій у функції від просторово-часової зміни сортованості алювію малих і середніх річок; проведений аналіз інтенсивності горизонтальних деформацій і встановлені їх критеріальні зв’язки з руслоформуючою діяльністю потоку в умовах вільного і обмеженого руслоформування; досліджена просторово-часова динаміка руслоформуючих наносів та виконана критеріальна оцінка зміни фракційного складу наносів в залежності від умов руслоформування;
виконана оцінка стійкості русел річок України на основі ерозійного показника стійкості; показана чітка відповідність цього показника умовам прояву руслових деформацій; удосконалена шкала стійкості русел річок; проведена класифікація русел річок рівнинної частини України за ступенем стійкості;
сформульовані нові методичні підходи щодо визначення екологічно допустимих витрат води як індикаторів руслового режиму річок; проведене районування території України за умовами проходження цих витрат і виконана оцінка їх впливу на якість річкових вод та гідробіологічний режим річок;
розроблена методика визначення екологічно необхідного стоку та проведена його оцінка для річок України з виявом і аналізом гідролого-екологічного стану їхніх русел;
запроваджені нові методичні підходи дослідження руслових процесів у нижніх б’єфах гідровузлів, які включають розробку комплексного гідроморфологічного районування зон виклинювання підпору та оцінку швидкості добігання і розпластування хвилі попуску під час роботи ГЕС з аналізом її впливу на інтенсивність прояву руслових процесів та гідроекологію русла; розроблений алгоритм застосування гідролого-екологічного аналізу руслових процесів у зонах виклинювання підпору;
встановлені основні закономірності процесів руслоформування гірських річок, що дозволило оцінити стійкість русел, запропонувати нову класифікацію паводків на гірських річках за умовами прояву руслових процесів, методично оцінити і провести натурні дослідження деформацій русел гірських річок, започаткувати систему моніторингу руслових процесів на гірських річках.
Практичне значення одержаних результатів полягає в прикладному застосуванні основних положень регіонального гідролого-екологічного аналізу, а саме:
розробці алгоритмів реалізації цього аналізу на річках, що знаходяться як у природних умовах, так і в умовах зарегульованого стоку (каскаду водосховищ);
запровадженні нових методик оцінки впливу господарської діяльності на руслові процеси і, зокрема, впливу осушувальних меліорацій та просідання рівнів води в річках внаслідок розробки руслових і заплавних кар’єрів;
розробці комплексних схем районування за характером проходження екологічно допус-
тимих витрат води та оцінці гідролого-екологічного стану річкових русел, що дозволило запропонувати низку заходів і рекомендацій щодо покращення умов руслоформування;
запровадженні нових методичних підходів та рекомендацій щодо практичної оцінки прояву руслових процесів у нижніх б’єфах гідровузлів;
у науково-методичному обгрунтуванні протипаводкових заходів та регулюванні русел гірських річок Закарпаття.
Наукові і практичні розробки, що містяться в даній роботі, використовуються Держводгоспом України і, зокрема, Закарпатським облводгоспом при проведенні протипаводкових заходів, а також в Дніпровському басейновому управлінні водних ресурсів.
Деякі методичні аспекти дисертаційних досліджень впроваджені автором у навчальний процес при читанні спецкурсів на географічному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка і написанні одноосібного навчального посібника “Руслові процеси” (1998).
Теоретичні і прикладні результати дисертації отримані і реалізовані в процесі виконання держбюджетних і госпдоговірних тем Київського національного університету імені Тараса Шевченка напрямку “Охорона навколишнього середовища” та міжнародного проекту під керівництвом та за безпосередньої участі автора, серед яких: “Исследование русловых процессов р.Десны для улучшения условий судоходства и охраны ее природных ресурсов” (відпов.викон., г/т №76-89, 1989, № д.р. 01890044935) (Замовник “Укрводшлях”), “Исследование руслоформирующих расходов воды малых рек Украины” (відпов. викон., г/т №71-90, 1990, № д.р. 01900067031) (Замовник УНДІВЕП), “Натурные исследования руслового процесса на криволинейных участках безнапорных потоков” (відп. викон., г/т №76-86, 1991 № д.р. 01860087886) (Замовник УкрНДІГіМ), “Разработать рекомендации по учету русловых процессов на малых реках Украины” (наук. керівн., г/т №77-92, 1992, № д.р. 019311021690) (Замовник “Укрводпроект”), “Разработать гидрологическое обоснование мероприятий по улучшению русла р.Десны”(наук. керівн., г/т №78-92, 1992, № д.р. 0193U021691) (Замовник “Укрводпроект”), “Разработать рекомендации по учету русловых процессов и по мероприятиям инженерной защиты берегов в нижних бъефах гидроузлов Днепровского каскада” (відпов. викон., г/т №85-91, 1992, № д.р. 0193U021629) (Замовник Держводгосп України), “Руслові процеси і гідроекологічні особливості малих річок басейну Дніпра в межах України” (наук. керівн., д/т №584, 1995, № д.р. 0195U005041) (Замовник Міносвіти України), “Дослідити сучасний стан руслових процесів та характеристики стоку наносів р.Рось для СКВВР” (наук. керівн., г/т №73-95, 1996, № д.р. 0195U025809) (Замовник “Укрводпроект”), “Дослідження руслових процесів на гірських річках Закарпаття з метою обгрунтування комплексу протипаводкових заходів (на прикладі р.Тересва)” (наук. керівн., г/т №71-96, 2000, № д.р. 0196U010099) (Замовник Держводгосп України), “TACIS Env Reg 9705 Компонент 3: Украинский вклад в менеджмент план бассейна реки Тисы. Технические отчеты по качеству воды, водным ресурсам, защите от паводков и задачам водоуправления” (2000, упорядник-консультант О.Г.Ободовський), “Дослідити гідроекологічні особливості прояву руслових процесів на річках України” (наук. керівн., д/т №97102, 2000, № д.р. 0197U003112) (Замовник Кабінет Міністрів України), “Виконати наукову екологічну оцінку впливу на водне середовище від реалізації проекту “Облаштування свердловин в заплаві р.Сула Яблунівського ГКР” (наук. керівн., ЗАТ “Геологічний інститут Київського університету”, 2000) (Замовник ГВУ “Полтавагазвидобування”), “Обгрунтування заходів по регулюванню руслових процесів та якості річкових вод (до схеми комплексного протипаводкового захисту басейну р.Тиси в Закарпатській області)” (наук. керівн., г/т №01ДП05002, 2001, № д.р. 0101U001567) (Замовник “Укрводпроект”).
Особистий внесок автора у роботу. Самостійною розробкою автора є теоретичні положення гідролого-екологічного аналізу руслових процесів та застосування основних методичних їх аспектів на річках України. Ряд питань стосовно оцінки прояву руслових процесів у нижніх б’єфах дніпровських гідровузлів виконана спільно з Є.С.Цайтцем, аналіз існуючих показників стійкості русел – спільно з І.П.Шуляренко, а деякі положення оцінки стійкості русел гірських річок та економічної оцінки збитковості проходження паводків розроблені разом із В.В.Онищуком. Весь цикл експедиційних досліджень був проведений під керівництвом та за безпосередньої участі автора співробітниками географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка та співвиконавцями з ІГіМ УААН. Автор користувався консультаціями і порадами професора Московського державного університету ім. М.В.Ломоносова Р.С.Чалова, професорів В.К.Хільчевського і В.І.Пелешенка, доцентів Є.С.Цайтца, В.В.Гребеня та ст. наук. співробітника В.В.Онищука, за що їм щиро вдячний.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень апробовані на: Міжвузівських координаційних нарадах з проблем ерозійних, руслових та гирлових процесів (Горький, 1988; Луцьк, 1989; Ярославль, 1990; Ташкент, 1991; Іжевськ, 1992; Воронеж, 1993; Брянськ, 1994; Псков, 1998; Волгоград, 2000; Санкт-Петербург, 2001); Третій Всесоюзній конференції “Динаміка і терміка річок, водосховищ та окраїнних морів” (Москва, 1989); наукових конференціях викладачів і співробітників географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1991, 1995, 1998-1999 рр.); Всесоюзній конференції “Ерозіознавство: теорія, експеримент, практика” (Москва, 1991); Міжрегіональній конференції “Проблеми екологічної оптимізації землекористування і водогосподарського будівництва в басейні р.Дніпро” (Київ, 1992); VII i VIII з’їздах Українського географічного товариства (Київ, 1995; Луцьк, 2000); Всеукраїнській конференції “Проблеми ефективного використання водних ресурсів та меліорації земель” (Київ, 1996); ІІ з’їзді Гідроекологічного товариства України (Київ, 1997); Науковій конференції “Українська географія і сучасність (до 125-річчя відкриття у Києві відділу Географічного товариства) (Київ, 1998); “Міжнародному науково-технічному семінарі “Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу стихійних лих” (Севастополь, 1998); Міжнародній конференції “Стаціонарні та експериментальні дослідження сучасного рельєфоутворення” (Львів, 1998); Міжнародній конференції “Екологічні та соціально-економічні аспекти катастрофічних стихійних явищ у Карпатському регіоні (повені, селі, зсуви)” (Рахів, 1999); Міжнародній конференції “Ерозія берегів Чорного і Азовського морів” (Київ, 1999); ювілейній міжнародній конференції “Гідрологія і гідрохімія на межі ХХ-ХХІ сторіч” (Київ, 1999); Міжнародних семінарах “Міжнародне співробітництво по управлінню в басейні р.Тиси (Мукачеве, 1999; Тісафюред, Угорщина, 2000); Першій Всеукраїнській науковій конференції “Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія” (Київ, 2001); Міжнародному семінарі “Гідроекологічні проблеми агроландшафтів і урбанізованих територій” (Луцьк, 2001).
Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 1 одноосібній і у 2 колективних монографіях, 1 навчальному посібнику , 32 статтях і 7 тезах доповідей.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків та додатків. Вона містить 268 сторінок основного тексту, 57 рисунків та 38 таблиць. Список використаних літературних джерел налічує 403 найменування. Загальний обсяг роботи – 393 сторінки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Перший розділ “Теоретичні основи гідролого-екологічного аналізу руслових процесів” присвячений розгляду й оцінці вивченості проблеми та розробці основних положень вказаного аналізу.
Дослідження руслових процесів як у природних умовах, так і при регулюванні річкових русел має включати оцінку руслоформуючих витрат води (Qф). Концепція та теоретико-методичні положення поняття “руслоформуюча витрата” розроблені М.І.Маккавеєвим (1948, 1955) і розвинуті в подальшому в роботах Р.С.Чалова, М.І.Алексеєвського, О.Г.Ободовського, Б.М.Власова, Н.В. Шенберг та ін. Разом з тим руслоформуючі витрати води можна вважати одним з головних індикаторів прояву руслових процесів у річках і в цьому полягає їх певна екологічна функція.
В свою чергу рядом авторів пропонується ціла низка як загальних, так і окремих методів екологічної оцінки водних потоків (А.П.Левич, А.Т.Терьохін, В.Н.Максимов та ін.). Проте переважна більшість досліджень водогосподарського використання річок стосується резервованих витрат води (Х.А.Вельнер, А.Г.Каск, Ф.В.Кефелі, Б.В.Гайлюшис, Б.В.Фащевський, А.В.Яцик та ін.). Але такі підходи не відображають процесу взаємодії потоку і русла, який суттєво визначає екологічний стан річки. Вказані умови реалізовані у поняттях екологічно допустимих витрат води та екологічно необхідного стоку (О.Г.Ободовський, 1991, 1997).
Серед різноманітних та складних проблем в області водних ресурсів взагалі та руслових процесів зокрема, одне з головних місць посідає проблема руслоформування малих річок. Вивченню цієї проблеми присвячені роботи Р.С.Чалова, М.І.Алексеєвського, К.М.Берковича, О.В.Чернова, А.П.Дєдкова, В.І.Мозжеріна, В.М.Широкова та ін. Особливий інтерес викликають поняття замулення і деградації русел цих водотоків, як у природних умовах, так і під дією різних техногенних чинників.
Дослідження руслових процесів на рівнинних і гірських річках проводили і українські вчені: В.А.Базилевич, М.Н.Бухін, Д.І.Грінвальд, Я.І.Каганов, О.Н.Кафтан, І.П.Ковальчук, Я.О.Мольчак, В.І.Нікора, О.Г.Ободовський, В.В.Онищук, Є.С.Цайтц, П.І.Штойко, І.П.Шуляренко та ін. На сучасному етапі на теренах нашої держави сформований ряд наукових осередків, де проводяться дослідження руслового режиму річок. Серед них слід виділити географічні факультети Київського національного університету імені Тараса Шевченка і Львівського національного університету імені Івана Франка та Інститут гідротехніки і меліорації УААН.
Важливим як з практичної, так і з теоретичної точок зору є виявлення і класифікація чинників руслових процесів. Питання їхньої ролі розглянуті у роботах багатьох авторів і перш за все М.І.Маккавеєва, Р.С.Чалова, М.Є.Кондратьєва, І.В.Попова, а також A.D.Howard, V.I.Galay, Шень Риган, Гун Гоюань, Z.Вabinsky, K.Krzemen.
Враховуючи попередній досвід аналізу впливу різних компонентів на руслові процеси, розроблена ієрархічна структура чинників руслових процесів (Ободовський, 2001). В основу даної структури покладені як природні, так і антропогенні показники формування руслових процесів у річках, які можуть бути прямими і опосередкованими. Кожен з них має активну, проміжну і пасивну форми прояву. Запропонована структура чинників в цілому відображає методологічні принципи і підходи до оцінки ролі факторів руслових процесів, що розроблені в ерозійно-акумулятивній теорії руслових процесів.
Останнім часом, завдячуючи роботам І.Ф.Карасьова, В.С.Боровкова, Р.С.Чалова, К.М.Берковича, О.В.Чернова, О.Г.Ободовського активно розвивається новий напрямок в руслознавстві як науці - екологічне руслознавство. Враховуючи попередні наші дослідження (Ободовський, 1991, 1997, 2001, Ободовський, Петрук, 1992 ) і базуючись на концептуальних положеннях ерозійно-акумулятивної теорії руслових процесів, запропонована структура екологічного руслознавства, до якої входять природні і антропогенні складові, які обумовлюють русловий режим, динаміку потоку, гідрохімію річок, гідробіологію русел, негативні явища в руслах, і врешті-решт екологічний стан системи “потік-русло”. В структурі екологічного руслознавства передбачені і такі блоки, як моніторинг та управління русловими процесами, а також еколого-економічна оцінка їх прояву.
Екологічне руслознавство відображає екологічні аспекти руслових процесів в їх природному і видозміненому господарською діяльністю стані. Саме оцінка впливу цих станів, може бути основою гідролого-екологічного аналізу руслових процесів, під яким слід розуміти дослідження взаємозв’язку і взаємообумовленості певних чинників, що визначають характер прояву руслових процесів і формують екологічний стан русла (Ободовський, 2001). До таких віднесені фактори руслових процесів, руслоформуючі витрати води, руслові деформації, стійкість русел річок, екологічно допустимі витрати, екологічно необхідний стік і господарська діяльність у руслі і на водозборі (рис. 1). Внутрішня диференціація вказаних чинників на певні підблоки та причинно-наслідкові залежності їх розвитку дозволяють визначити екологічний стан русла.
Алгоритм гідролого-екологічного аналізу підпорядкований його структурній схемі, є достатньо уніфікованим і може застосовуватися для оцінки русел як малих і середніх, так і великих річок. Важливими моментами щодо його застосування є створення узагальнюючої системи зберігання і обробки інформації стосовно руслових процесів (банк даних), що дозволяє здійснити розробку системи моніторингу руслових процесів. Практичною реалізацією виконання гідролого-екологічного аналізу руслових процесів є розробка системи заходів, спрямованих на покращення екологічного стану русла.
Наведені структура і алгоритм застосування гідролого-екологічного аналізу дозволяють в багатофакторному аспекті виконати оцінку руслових процесів і визначити екологічний стан русел річок.
У другому розділі “Аналіз процесів руслоформування рівнинних річок” виконані дослідження руслових деформацій, руслоформуючих наносів, умов розповсюдження типів русел рівнинних річок України та впливу господарської діяльності на процеси руслоформування.
Вертикальні руслові деформації оцінювались за допомогою аналізу кривих витрат Q=f (H). Об’єктом досліджень були ділянки 37 річок, для яких за даними 52 гідрологічних постів прослідковувалась динаміка кривих витрат за період з 1960 по 1997 рік. Однією з головних умов в цих побудовах була часова відповідність періоду спостережень і охоплення вказаними дослідженнями басейнів усіх головних річок України (Дністра, Південного Бугу, Дніпра, Сіверського Дінця та річок Приазов’я).
Оцінка просторово-часової динаміки залежності Q = f (H) засвідчила існування достатньо виразної закономірності більшість річок, які розташовані в зоні мішаних лісів і Лісостепу, характеризуються в часовому розрізі загальним зменшенням відміток рівнів води для відповідних витрат, що отримало назву “просідання” рівнів води (Чалов, 1979, Ободовський, Цайтц, 1991). Для вільномеандруючих русел річок ця величина в середньому становить 0,2-3,1 см/рік, а для русел, що протікають в умовах обмеженого руслоформування – вона коливається від 0 до 1 см/рік. Просідання рівнів води обумовлює наявність вертикальних деформацій, які пов’язані з процесами розмиву русел річок.
В свою чергу для більшості річок степової і деяких водотоків (Псел, Ворскла) лісостепової зон спостерігається чітка тенденція до зростання рівнів води при відповідних витратах. Це свідчить про переважання в руслах таких водотоків акумулятивних процесів. В середньому приріст рівнів коливається від 0,1 см/рік до 1,5 см/рік для річок, що знаходяться у вільних умовах прояву руслових деформацій і від 0 до 1,3 см/рік – для обмежених умов руслоформування.
Порівнюючи динаміку просідання або приросту рівнів води в залежності від водності, вдалося встановити реакцію змін першої на зміни другої; із зростанням водності більш інтенсивним стає просідання рівнів і навпаки, із зменшенням водності, активізуються акумулятивні процеси в руслах річок.
З метою більш об’єктивної оцінки вертикальних руслових деформацій запропонована залежність H / hЕДВ = f (d50/d95) ( H – зміна рівнів води, см, hЕДВ – середня глибина річки при проходженні ЕДВ, м; d50 – середня фракція алювію, мм, d95 – середня максимальна фракція, мм), яка дає можливість критеріально оцінити динаміку вертикальних деформацій у відповідності до просторово-часової зміни сортованості алювію.Для умов вільного розвитку руслових деформацій спостерігається лінійна залежність вказаного співвідношення, яка апроксимується рівнянням регресії
(1)
при цьому похибка становить = 0,92, а коефіцієнт кореляції – r = -0,67.
Аналіз (1) засвідчує, що із зростанням показника (d50/d95) (тобто із зменшенням сортованості алювію), збільшується просідання рівнів води в руслах річок, що говорить про активність процесів розмиву і відносно невелике надходження в русла “басейнової” складової наносів (Стир, Горинь, Уж, Уборть, Десна, Сула). І, навпаки, зменшення (d50/d95) із одночасним зростанням H / hЕДВ , вказує на те, що із збільшенням неоднорідності руслового алювію (вплив басейнової складової) зростає “акумулятивна” спрямованість вертикальних деформацій (Оріль, Самара, Сіверський Донець, Молочна, Обіточна).
Що стосується річок, які протікають в умовах обмеженого розвитку руслових деформацій, то зв’язки між вказаними параметрами тут майже відсутні (r = -0,29) і можна говорити лише про певну подібність цих процесів. Отже, в цих умовах, процеси руслоформування переважно залежать від геолого-геоморфологічної будови русла, і потік тут відіграє менш активну роль.
Інтенсивність горизонтальних руслових деформацій визначалася за допомогою гідроморфологічного аналізу, а саме співставлення топографічних карт за різні роки зйомки. Для цього вибрано 53 ділянки (в районі розташування гідрологічних постів), які розміщені на 39 річках. Період, за який визначалася інтенсивність деформацій, в середньому склав 30-40 років.
Найбільш висока інтенсивність горизонтальних деформацій характерна для річок, що знаходяться в умовах вільного руслоформування і становить в середньому від 0,20 м/рік до 5,60 м/рік. Для русел, де переважають обмежені умови руслоформування, ці показники значно нижчі і коливаються в межах 0 – 1,97 м/рік.
З метою більш об’єктивної оцінки горизонтальних деформацій запропоновано виражати відносну ширину русел річок В (в межень, м) із врахуванням середньорічної інтенсивності прояву планових переформувань (zсер., м) – В/zсер. через відносну руслоформуючу витрату води, що спостерігається в межах русла (з врахуванням меженних ЕДВ) – Qфр / QЕДВ, тобто В/zсер. = f (Qфр / QЕДВ).
Для річок, які протікають в умовах вільного руслоформування такий зв’язок є досить тісним і апроксимується рівнянням регресії
(2)
при цьому похибка становить = 6,72, а коефіцієнт кореляції – r = 0,71.
Рівняння (2) свідчить, що із зростанням відносної руслоформуючої витрати збільшується відносна ширина русел і зменшується масштабність прояву горизонтальних деформацій стосовно руслової морфометрії. Разом з тим, для річок, що знаходяться в обмежених умовах прояву руслових деформацій, вказана залежність не прослідковується (r = 0,02). Це пояснюється тим, що потік в цих умовах не в змозі активно формувати русло, а бічні розмиви “контролюються” геолого-геоморфологічною будовою берегів.
Для більш повного аналізу горизонтальних руслових деформацій, необхідно звернути увагу і на форму русел річок, яка може бути вираженою через показник відносної ширини русла, тобто його розпластаності – В/h. Враховуючи викладене, була виконана оцінка зміни відносної ширини русла в залежності від руслоформуючої діяльності потоку. Критеріальність такої оцінки полягала в тому, що розглянуті відносні величини у вигляді двох функцій В/h = f (Qфр/QЕДВ)і В/h = f (РQфр) (РQфр– забезпеченість (ймовірність перевищення) руслоформуючої витрати, яка проходить в межах руслових брівок, %). Це дало змогу проаналізувати в першому випадку залежність показника розпластаності русла від відносної руслоформуючої функції потоку, а в другому – оцінити вплив на цей показник власне вже самої руслоформуючої витрати (тобто її забезпеченості). Вказані параметри були досліджені для 46 річок, вихідні дані по яких зібрані по 82 гідрологічних постах.
При аналізі цих функцій знову була виявлена їх неоднозначність для річок, що знаходяться в умовах вільного і обмеженого розвитку руслових деформацій.
В першому випадку спостерігається чітка тенденція в зростанні відносної ширини русла (В/h) із зростанням співвідношення Qфр / QЕДВ, що добре апроксимується лінійним рівнянням
= 2,35 + 23,61 (3)
з похибкою = 8,7, і прямим зв’язком r = 0,68.
Разом з тим в умовах вільного руслоформування із зменшенням забезпеченості Qфр (тобто із зростанням абсолютних величин цих витрат) прослідковується зростання відносної ширини русла. Вказана функція апроксимується рівнянням
= -0,47 (РQфр) + 44,71 (4)
з похибкою = 22,1 і зворотнім зв’язком r = -0,57. Отже, чим більшими будуть абсолютні значення руслоформуючих витрат, тим більш “розробленим” з точки зору явища меандрування буде саме русло.
Для річок, що протікають в умовах обмеженого розвитку горизонтальних деформацій, не зафіксовано будь-яких зв’язків, котрі описуються вищенаведеними функціями. Це свідчить про те, що ні відносні руслоформуючі витрати, що проходять в межах руслових брівок, ні їхні абсолютні значення, в даних умовах не впливають на формування руслової морфометрії.
Транспортування і накопичення наносів у річках є основним показником розвитку в них руслових процесів, тому для річок України виконана спроба дослідити просторово-часову динаміку наносів у їхніх руслах, за крупністю d50. Вказані параметри зібрані за даними 45 гідрологічних постів, які розташовані на 34 річках басейнів Дністра, Південного Бугу, Дніпра, Сіверського Дінця та річках Приазов’я за період 1963-1997 роки.
Аналіз результатів досліджень просторово-часової динаміки крупності річкових наносів засвідчив досить строкату картину їх розподілу. Для більшості річок басейнів Південного Бугу і Дніпра, ряду річок басейну Дністра прослідковується тенденція до зменшення розмірів частинок донних наносів, що обумовлено зростанням їхньої “басейнової” складової в результаті площинного змиву, зарегульованості стоку і коливань водності річок. Натомість для річок басейну Сіверського Дінця та річок Приазов’я подекуди ця тенденція порушується і спостерігається зростання діаметрів частинок алювіальних відкладів, що пояснюється кар’єрними розробками в руслах і на заплавах, скиданням гірничо-шахтних вод, зміною періодів водності.
З метою встановлення певних критеріальних залежностей просторово-часових змін гранулометричного складу алювію і відносних показників водності запропонований вираз d50/d95 = f (Qo / Qфр) (тут Qo – середня багаторічна витрата води, м3/с). Вказана залежність засвідчила, що для вільних умов руслоформування вона є лінійною, а для обмежених – ступеневою.
З іншого боку відносна водність визначає зв’язок із сортованістю алювію (d50/d95). В цьому аспекті для річок басейнів Дністра і Дніпра, що протікають у вільних умовах прояву руслових деформацій, де сортованість алювію невисока, вказані зв’язки описуються рівнянням
= - 0,213 + 0,47 (5)
з = 0,17 і r = -0,63.
Разом з тим для річок басейну Сіверського Дінця і Приазов’я, внаслідок зростання крупності наносів і диференціації фракційного складу, пряма цієї функції розташована нижче і апроксимується рівнянням
= - 0,17 + 0,20 (6)
з = 0,23 і r = -0,55.
Для річок, що знаходяться в умовах обмеженого руслоформування, чим більш обмеженим буде процес прояву руслових деформацій, тим меншими будуть показники співвідношення Qo/Qфр з одночасним зростанням параметра d50/d95. Весь цей процес описується ступеневою залежністю
= 0,12 (7)
при = 0,18 і кореляційному відношенні - r = - 0,44. Слабкий зв’язок між вказаними параметрами пояснюється передусім значною сортованістю алювію і не таким суттєвим впливом відносної водності на процеси формування і динаміку наносів у річках, що протікають в умовах обмеженого розвитку руслових деформацій.
Взаємодія і взаємозв’язок охарактеризованих вище складових руслових процесів створює певні гідроморфологічні умови їх прояву і, як результат, формування річкових русел.
На основі отриманих результатів всю рівнинну територію України можна розділити на райони з вільним і обмеженим розвитком руслових деформацій. Перші займають більшу площу і розташовані в Поліссі, практично в басейнах всіх лівобережних приток Дніпра і Сіверського Дінця. Для них характерна наявність вільного меандрування (в тому числі заплавної багаторукавності), відносно прямолінійних і каналізованих русел, русел, що розгалужені на рукави (в тому числі поодинокі розгалуження) та змушених і адаптованих звивин. В цих умовах знаходяться майже 75% довжини русел рівнинних річок. До других віднесені області виходу на денну поверхню порід Українського кристалічного щита, Подільської височини та Приазов’я. В цих умовах поширені, здебільшого, врізані меандри та врізані прямолінійні русла, які становлять лише четверту частину довжини всіх річкових русел, що були включені в розгляд. На території України виділені також дві гірські області – Карпатська і Кримська, де умови руслоформування мають свої специфічні прояви.
Необхідно відзначити, що умови формування і розповсюдження типів русел рівнинних річок України добре узгоджуються з виявленими регіональними закономірностями прояву руслових процесів. Разом з тим суттєво впливає на ці процеси господарська діяльність як на водозборі річки, так і в її руслі. Нами розглянуті два аспекти цього питання – вплив осушувальних меліорацій на процеси руслоформування і вплив руслових і заплавних кар’єрів на зміну руслового режиму.
Щодо першого, то найкращим індикатором в цьому аспекті виявилися руслоформуючі витрати води, так як вони є одним з основних чинників формування русел і добре відображають зміну гідрологічного і гідравлічного режимів водотоків та пов’язують її з морфодинамікою русел.
Для ряду річок Полісся встановлено, що найбільші зміни в абсолютних значеннях і величинах забезпеченостей руслоформуючих витрат мають місце для річок з площею осушених земель f більше 20% від загальної площі водозбору F. Отже, коли F / f < 5, осушувальні меліорації стають переважаючими в розвитку інтенсивності і спрямованості руслових процесів.
В другому випадку – розроблена і адаптована для р.Десна методика оцінки просідання рівнів води на великій річці в умовах інтенсивного видобування руслового алювію і судноплавства.
Запропонована залежність, за допомогою якої можна визначити інтенсивність просідання рівнів води на Десні і яка має вигляд
Н = Но – К ? Т, (8)
де Но – відмітка рівня води, з якої на гідропосту вираховується просідання рівня, м; К – 0,012 – 0,057 – дослідні безрозмірні коефіцієнти для окремих ділянок річки; Q – задана витрата води, м3/с; Т – розрахункова кількість років.
Розрахунки за наведеною методикою дали співставимі результати з фактичними даними щодо просідання рівнів на Десні (1,2 3,7 см/рік), а сама методика може бути використана при прогнозуванні величин просідання рівнів води.
У третьому розділі “Оцінка стійкості русел рівнинних річок” висвітлені підходи до визначення стійкості русел та виконаний регіональний аналіз цієї проблеми на основі ерозійного показника стійкості .
Оцінка стійкості русел річок виступає одним із важливих компонентів в аналізі руслових процесів і має велике практичне значення. Разом з тим вона містить у собі певний екологічний зміст, який пов’язаний перш за все із аналізом і прогнозом інтенсивності руслових деформацій, а останні, в свою чергу, можуть суттєво впливати на умови життєдіяльності і господарювання в прибережних зонах річок.
Ряд дослідників (В.М.Лохтін, В.М.Маккавеєв, М.А.Веліканов, М.І.Маккавеєв, В.Н.Гончаров, М.А.Ржаніцин, Х.М.Полін, С.Т.Алтунін, С.Г.Шатаєва, К.В.Гришанін та ін.) ставили перед собою завдання щодо розроблення критеріїв стійкості русла. Але більшість методів і підходів стосовно оцінки стійкості русел річок не завжди дають об’єктиві і надійні результати. Тому було поставлене завдання щодо обгрунтування, з урахуванням попередніх досягнень, універсального критеріального параметра, який надійно міг би оцінювати умови стійкості русел рівнинних річок. Найбільш достовірним із існуючих є, на нашу думку, число Лохтіна (Ободовський, Шуляренко, 1999), яке і було взяте за основу при розробці нового показника.
Характер і інтенсивність прояву руслових процесів у річках значною мірою обумовлені механізмом водної ерозії в їхніх басейнах. Це свідчить про прямий і зворотній зв’язок в ерозійно-акумулятивній системі – схилова ерозія у річковому басейні впливає на формування і розвиток русла і, навпаки, процеси руслоформування певним чином можуть регулювати цю ерозію. Отже, беручи до уваги взаємозв’язок і взаємообумовленість ерозійно-акумулятивного комплексу, оцінка деформацій річкових русел та аналіз їх стійкості повинні проводитись із залученням інформації про інтенсивність ерозійних процесів на водозборі.
Разом з тим визначаючи стійкість русел річок необхідно враховувати їх морфометрію. З метою певного нівелювання переходу від малих до середніх і великих річок і більш об’єктивної оцінки стійкості русел використаний параметр розпластаності русла В/h. Крім цього параметр В/h досить чутливо реагує на зміну умов руслоформування: для вільних умов він зростає із зростанням порядку річки, для обмежених умов формування русел він має неоднозначний прояв. Отже, об’єктивний показник стійкості повинен враховувати ерозійні процеси на водозборі, гідравлічні особливості потоку і морфометричні характеристики русла. Поєднання вказаних чинників дозволяє більш обгрунтовано підійти до оцінки умов взаємодії в системі “водозбір-русло-потік ” через ерозійний показник стійкості русла (Л0), який представлений наступним виразом:
, (9)
де А – ерозійний коефіцієнт, який характеризує ступінь еродованості грунтів і змінюється від 0,0309 в зоні мішаних лісів до 0,053 в степовій зоні, d - середньозважений діаметр донних наносів, мм; Нм – падіння водної поверхні на ділянці річки не менше як на 1 км, в залежності від величини і порядку річки, м; В – ширина русла в межень, м; h – середня глибина русла в межень, м.
За ерозійним показником була визначена стійкість русел для 56 ділянок, розташованих на 38 рівнинних річках України. Встановлено, що величина ерозійного показника стійкості коливається в широких межах – 0,11-435, але для більшості (75%) досліджуваних ділянок, вона знаходиться в межах від 1 до 10.
Перевірка ступеня достовірності запропонованого показника виконувалась шляхом його порівняння з реальними темпами горизонтальних руслових деформацій (z). Для вільних умов руслоформування зв’язок в цій залежності прямий (r = 0,73, = 0,14), а в умовах обмеженого прояву руслових деформацій – зворотний (r = - 0,65, = 0,16). Така ситуація обумовлена здебільшого роллю показника розпластаності русла В/h: із збільшенням z для вільномеандруючих річок він зростає, а для врізаних – як правило зменшується.
Цим обумовлена і певна неоднозначність ерозійного показника стійкості для різних умов руслоформування. Для вільних умов із зростанням Ло стійкість русел зменшується, а для обмежених – із збільшенням Ло стійкість русел зростає (табл.).
Просторово-часовий аналіз показника стійкості Ло за період з 1970 по 1995 рік показав, що для більшості річок України спостерігається тенденція до зростання стійкості їхніх русел. Це
Таблиця
Шкала стійкості русел рівнинних річок
Умови стійкості | Значення Ло при
вільних умовах
руслоформування | обмежених умовах руслоформування
Стійкі | 1 | 7
Відносно стійкі | 1 – 4 | 4 – 7
Відносно нестійкі | 4 - 7 | 1 – 4
Нестійкі | 7 | <1
стосується майже 61% всіх розглянутих ділянок русел річок. Враховуючи загальні тенденції в змінах стійкості русел, можна спрогнозувати подальше збільшення частки відносно стійких і стійких до розмиву русел річок України.
З використанням шкали стійкості виконана класифікація русел річок рівнинної частини
