Аналіз вертикальних руслових деформацій річок басейну Верхнього та Середнього Дністра

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

На правах рукопису

Розлач Захар Валерійович

УДК 556.537+551.482

АНАЛІЗ ВЕРТИКАЛЬНИХ РУСЛОВИХ ДЕФОРМАЦІЙ РІЧОК БАСЕЙНУ ВЕРХНЬОГО ТА СЕРЕДНЬОГО ДНІСТРА

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Київ - 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі гідрології та гідроекології Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:

доктор географічних наук, професор

Ободовський Олександр Григорович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

професор кафедри гідрології та гідрохімії

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор

Ющенко Юрій Сергійович,

Чернівецький національний університет імені Ю.Федьковича

завідувач кафедри гідрології,

водопостачання та водовідведення

кандидат географічних наук, доцент

Смирнова Віра Геннадіївна,

Полтавський університет споживчої кооперації України

доцент кафедри загальноекономічних дисциплін

Захист відбудеться «26» лютого 2009 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, МСП 680, проспект Глушкова 2, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий «16» січня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22,

кандидат географічних наук В.В. Гребінь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі інтенсивної урбанізації заплавних територій питання раціонального контролю та управління русловими процесами вийшло на ключове місце.

Регіон басейну Дністра у цьому контексті є показовим через значну відмінність у особливостях право- та лівобережжя (йдеться про територію басейна у межах України). Ці відмінності проявляються у характері ендогенної будови, особливостях рельєфу, кліматоутворюючих факторів, рослинного покриву та, особливо, руслоформування річкових водних об'єктів.

На період сьогодення, будь-яка взаємодія з річковими системами потребує детального врахування розвитку руслових процесів та руслових деформацій в їх руслах. Виникнення загрозливих природних явищ на річках, що яскраво проявляються у вигляді катастрофічних паводків, вимагає чітких, конкретних заходів щодо захисту від них, які неможливі без урахування тенденцій та спрямованості прояву вертикальних руслових деформацій. Ця інформація є також нагальною для здійснення будь-яких заходів, пов'язаних з регулюванням русло-заплавного комплексу.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконувались протягом 2003-2008 рр. згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри гідрології та гідроекології, науково-дослідної лабораторії гідроекології і гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках наукового напрямку «Охорона навколишнього середовища».

Ряд положень виконаної роботи ввійшли до звіту з держбюджетної теми «Аналіз антропогенного впливу на гідрологічний, русловий та гідрохімічний режим річок та рівень забрудненості атмосферного повітря території України» (№06БФ050-03) № д.р. 0106U005753, К., 2006, та звітів з госпдоговірних тем «Наукове обгрунтування та рекомендації щодо оцінки та регулювання вертикальних руслових деформацій на гірських річках Івано-Франківської області (на прикладі р. Лімниця)» (№04ДП050-01) № д.р. 0104U006183, К., 2004, «Руслові процеси в умовах проходження катастрофічних паводків» (№08ДП050-03) № д.р. 0108U007955, К., 2008.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження гідроморфологічних умов формування вертикальних руслових деформацій річок басейну Верхнього та Середнього Дністра з урахуванням впливу природних і антропогенних факторів.

Для досягнення поставленої мети автором вирішувались наступні завдання:

§ розроблення комплексної схеми аналізу вертикальних руслових деформацій на досліджуваних річках;

§ виявлення основних природних чинників та умов руслоформування річок басейну;

§ дослідження вертикальних руслових деформацій річок Верхнього та Середнього Дністра за багаторічний період;

§ встановлення зв'язку між водністю річкового потоку та проявами руслових деформацій;

§ знаходження критеріальних залежностей між основними морфологічними та динамічними параметрами системи „потік-русло”;

§ оцінка часової динаміки крупності руслоформуючих відкладів та стійкості річкових русел у контексті розвитку вертикальних деформацій;

§ дослідження поздовжніх профілів вказаних річок та їх часове співставлення з метою виявлення спрямованості вертикальних руслових деформацій.

Об`єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є річки басейну Верхнього та Середнього Дністра. Предметом дослідження є аналіз розвитку вертикальних руслових деформацій на річках.

Методи дослідження. Для кількісної оцінки руслових процесів задіяні прийоми статистичного аналізу. Визначення темпів та спрямованості руслових переформувань базувалось на гідрологічних, гідроморфологічних, графічних методах досліджень та співставленні картографічних матеріалів. При встановлені критеріальних функціональних залежностей та побудові безрозмірних поздовжніх профілів задіяні підходи математичної статистики. Для просторового представлення результатів досліджень застосовувалися ГІС.

Вихідна інформація. В роботі використані матеріали режимних спостережень Гідрометслужби України, емпіричні дані експедиційних досліджень, які були проведені на кафедрі гідрології та гідроекології, в науково-дослідній лабораторії гідроекології і гідрохімії географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, топографічні карти та космічні знімки Google Earth, Global Mapper.

Наукова новизна отриманих результатів. Серед найбільш вагомих елементів наукової новизни можна виділити наступні:

§ запропонована нова схема оцінки вертикальних руслових деформацій з використанням басейнового підходу;

§ досліджено вплив зміни водності річкового потоку на прояв руслових переформувань;

§ встановлені функціональні критеріальні залежності та інваріантне співвідношення між основними морфологічними та динамічними параметрами русла;

§ досліджені часові зміни крупності руслоформуючих відкладів та стійкості річкових русел з метою виявлення спрямованості вертикальних руслових деформацій;

§ виконана різночасова оцінка поздовжніх профілів досліджуваних річок по всій їх довжині;

§ вперше виконане районування водотоків Верхнього та Середнього Дністра на основі характеристики безрозмірного поздожнього профілю.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень можуть бути використані при проведенні вишукувальних та проектних робіт з метою гідротехнічного будівництва у межах русло-заплавного комплексу. Вони є необхідними при розроблені комплексів протипаводкових заходів, особливо на гірських річках, а також представляють інтерес для складання прогнозів змін руслового режиму річок, які протікають у різних умовах та можуть використовуватись при оцінці гідроморфологічної якості річок з метою покращення їх екологічного стану. Крім того наявність інформації стосовно прояву вертикальних деформацій русел є необхідною при реалізації моніторингу руслових процесів.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто зібрані та статистично опрацьовані дані режимних спостережень і створена їх електрона база для 46 гідрологічних постів, розміщених на 28 основних річках басейну Верхнього та Середнього Дністра. Побудовано більше 2300 кривих зв'язків основних морфодинамічних параметрів русла. Запропоновано комплексний алгоритм дослідження вертикальних руслових деформацій як для локальних ділянок русла, так і континуально для всього водотоку. Узагальнено багаторічні дані щодо крупності донних відкладів на річках досліджуваного басейну та оцінено на основі цього динаміку крупності цих відкладів. Запропоновано критеріальні залежності, які дозволяють встановити особливості функціонування русло-заплавного комплексу. Самостійною розробкою є також встановлення співвідношення для побудови безрозмірних (нормованих) поздовжніх профілів водотоків. На їх основі проведено відповідне районування території басейну Верхнього та Середнього Дністра. За безпосередньою участі автора виконані експедиційні дослідження гідроморфологічного стану однієї з основних правобережних приток Дністра річки Лімниця.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень були представлені на IХ та Х з'їздах Українського географічного товариства (Чернівці, 2004, Київ, 2008), науковій конференції студентів і аспірантів географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 2004), на міжнародній конференції «Гідроекологія річкових русел» (Київ, 2006), на науково-практичних конференціях V та VI міжнародних водних форумів АКВА-2007, АКВА-2008 (Київ, 2007, 2008), на семінарах кафедри гідрології та гідроекології Київського національного університету імені Тараса Шевченка (Київ, 2007, 2008).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 наукових праць, 4 з яких є одноосібними. Серед них 8 статей, 6 у фахових виданнях ВАК України та 3 тези доповідей конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел (202 найменування) і містить 157 сторінок тексту, 78 рисунків, 17 таблиць. Загальний обсяг дисертації - 227 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячений аналізу попередніх праць та досліджень з проблематики руслових процесів та розвитку вертикальних руслових деформацій зокрема.

Вказаним питанням приділялась увага багатьох вчених. Ще наприкінці XIX ст. теоретичні основи вчення про руслові процеси заклали відомі інженери-шляховики В.М. Лохтін та М.С. Лелявський, які вважаються фундаторами у цій галузі. Перше наукове визначення поняття „руслові процеси” було сформульоване М.А. Велікановим. У подальшому активно розвивали цей напрямок загалом та вивчали розвиток руслових деормацій зокрема дві потужні наукові школи на теренах колишнього Радянського Союзу з центрами у Санкт-Пітербурзі на базі Державного гідрологічного інституту (Н.Є.Кондратьєв, І.В.Попов, Б.Ф. Сніщенко та ін.), та Москві у Московському Державному університеті (Н.І.Маккавеєв, Р.С.Чалов). Саме Р.С.Чалов для оцінки спрямованості руслових деформацій ввів поняття „вертикальні деформації” та „горизонтальні деформації”.

Щодо доробків, присвячених досліджуваному питанню, авторів з далекого зарубіжжя, то широку відомість отримали роботи Л.Леопольда та М.Волмана, Д.Розгена, З.Бабинського. Вагомі праці, у зв'язку з особливою актуальністю дослідження руслових процесів та деформацій русел водотоків виконані в Китаї, зокрема Ц.Ніном, Ч.Веньхао та ін.

Варто зазначити, що на теренах нашої країни також сформований ряд наукових осередків, у яких проводяться дослідження розвитку процесів руслоформування, седиментації та руслового режиму річок. Серед таких необхідно виділити Київський національний університет імені Тараса Шевченка (О.Г.Ободовський, В.В.Онищук, Є.С.Цайтц), Інститут гідротехніки і меліорації УААН (М.М.Бухін, О.Н.Кафтан, О.М.Козицький), Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича (Ю.С.Ющенко, В.Г.Смирнова), Інститут гідромеханіки АН України (І.Л.Розовський, М.І.Нікітін, В.А.Базилевич), Львівський національний університет імені Івана Франка (І.П.Ковальчук).

Наявна кількість наукових методів і підходів дозволяє досить чітко та достовірно виявити характер, спрямованість та інтенсивність вертикальних руслових деформацій. Проте, на наш погляд, необхідно підходити до вирішення вказаних завдань більш комплексно та обгрунтовано. З цією метою нами запропоновано алгоритм оцінки вертикальних руслових деформацій. Сутність алгоритму полягає у комплексній, багатофакторній оцінці вертикальних деформацій з урахуванням як прямих, так і опосередкованих чинників. За структурою алгоритм багаторівневий. Кожен з блоків, що складають рівні, послідовні та взаємопов'язані. На першому рівні виконується оцінка чинників, що обумовлюють, спричиняють, активізують, чи навпаки, пасифікують розвиток вертикальних деформацій русла. Це - блок природних чинників: оцінка геологічної будови, в якому особлива увага має бути прикута до підстильних грунтів, по яких протікають водотоки, а також відомостям про тектонічні рухи земної кори, що призводять до зміни абсолютної висоти поверхні землі; загальна оцінка стоку води та наносів з виділенням сезонних закономірностей, максимумів та мінімумів, розподілом протягом року тощо. У межах блоку антропогенних чинників досліджуються аспекти господарської діяльності у басейні, які суттєво впливають на деформації русел. Це перш за все заходи, що проводяться безпосередньо в руслі

- відбір руслового алювію, зарегульованість стоку, а також ті, які виконуються на водозбірних площах, наприклад, розораність територій. На другому рівні проводиться оцінка вертикальних руслових деформацій дискретно. Це комплекс графічних, графо-аналітичних методів, що складається з оцінки зв'язків між динамічними та морфологічними параметрами водотоку. На основі отриманих результатів встановлюються певні критеріальні закономірності. На наступному рівні має місце оцінка гранулометричного складу наносів. Для досліджуваного басейну ми пропонуємо оцінювати донні відклади, так як саме вони є руслоформуючими і такими, що відзеркалюють процеси та особливості руслоформування конкретного водотоку. Даний рівень складається з двох блоків, аналізу часової динаміки середнього діаметру донних відкладів та оцінки стійкості русла. Четвертий рівень включає в себе методику оцінки вертикальних деформацій континуально, по всій довжині річки за допомогою аналізу поздовжніх профілів. Цей рівень складається з чотирьох блоків, а саме оцінки форм поздовжніх профілів, математичної оцінки форм профілів, часового аналізу динаміки поздовжніх профілів та закономірності прояву вертикальних руслових деформацій. Логічним завершенням алгоритму є надання рекомендацій щодо практичних заходів до врахування вертикальних деформацій з метою покращення стану русел річок. Окремим блоком, пов'язаним з усіма рівнями виступає створення банку даних, який доповнятиме, а також значно розширятиме існуючий архів інформації щодо руслових параметрів. Цей блок взаємопов'язаний із іншим, створенням системи моніторингу вертикальних руслових деформацій, який є найважливішим та резюмуючим.

Подальша структура даної дисертаційної роботи відповідає структурі запропонованого алгоритму.

Згідно запропонованої схеми комплексного дослідження вертикальних руслових деформацій у другому розділі розглянуті природні чинники та закономірності руслоформування досліджуваних річок.

Басейн Верхнього та Середнього Дністра розташований на дуже неоднорідній і складній будові як поверхні землі, так і її надр. Досліджуваний регіон є дуже своєрідним з огляду на особливості гідрологічного режиму річок та розміщення гідрографічної мережі. Він поєднує в собі водотоки різних типів: від рівнинних до гірських. Річки досліджуваного басейну протікають у межах трьох абсолютно відмінних геоморфологічних одиниць: гірської країни Карпат, Передкарпатської височини та Волино-Подільської плити, яка являє собою окраїну давньої Руської платформи. Відповідно, річкові русла в межах даного регіону відрізняються не лише своїми стоковими характеристиками, які є безпосереднім продуктом кліматичних факторів, а й дуже відмінними умовами протікання починаючи від складу порід та закінчуючи особливостями рельєфу місцевості. Все вищевказане призводить до широкого спектру видів та проявів руслових деформацій.

Річкова мережа досліджуваного регіону добре розвинена, але в різних частинах басейну і по відношенню до основної річки цей розвиток є нерівномірним. Максимальна консолідація водотоків зосереджена у найбільш високій та зволоженій карпатській частині басейну, яка є головною областю формування стоку Дністра.

За умовами живлення річок досліджуваний басейн має яскраво виражені особливості. Для карпатської його частини характерним є значна кількість паводків протягом року за рахунок випадіння короткочасних та інтенсивних опадів у теплий період, короткочасного танення снігу в горах під час зимових відлиг та загального танення снігу у весняний період. Для лівобережних приток, характерним є наявність весняного водопілля, живлення якого має снігове походження. Дощові опади тут не на стільки рясні та не спричиняють таких інтенсивних паводків, як на карпатських ріках.

За характеристиками донних відкладів на річках право- та лівобережжя спостерігається значна їх диференціація. Фракційний склад донних наносів карпатських приток Дністра переважно представлений гравієм та галькою. Часто, у верхів'ях водотоків русловий алювій складений переважно валунами. Щодо лівобережних приток, то крупність доних відкладів тут значно менша та переважно представлена крупними піщаними фракціями та гравієм. Проте, на деяких лівобережних притоках середньої частини водозбору Дністра у нижній їх течії переважають галькові та гравійні фракції (рр. Гнила Липа, Коропець, Серет).

У третьому розділі виконані розрахунки інтенсивності та спрямованості вертикальних руслових деформацій. На базі методу оцінки кривих витрат води при відповідних рівнях

Q = f (H),

нами також були побудовані й проаналізовані залежності та зв'язки між основними гідрологічними і русловими параметрами з метою більш комплексного підходу щодо виявлення деформацій у руслах досліджуваних водотоків. Це стосується наступних зв'язків: між витратою та площею поперечного перерізу

Q = f (w);

між витратою і середньою глибиною

Q = f (h_сер);

між витратою і шириною русла

Q = f (В);

між витратою і середньою швидкістю потоку

Q = f (v_сер);

між витратою і співвідношенням ширини та середньої глибини

Q = f (B/h_сер).

Вищевказані зв'язки дають можливість розглянути загальну руслову ситуацію та виконати комплексну оцінку як вертикальних, так і горизонтальних руслових деформацій. Ці показники пов'язані між собою, тому дослідження та зміна одного параметра обґрунтовується, підтверджується і уточнюється шляхом дослідження інших параметрів. Такий комплексний, інтегрований підхід, щодо виявлення інтенсивності та спрямованості вертикальних руслових деформацій, дає можливість врахувати, певною мірою, і антропогенне навантаження.

Для досягнення наведеного завдання для річок Верхнього та Середнього Дністра були обрані 46 нині діючих гідрологічних постів. Ці пости розміщені на 28 різних за характером (від гірських до рівнинних) річках. Для вказаних створів за даними Гідрометслужби України відібрані параметри гідрологічних спостережень за останні 50 років, які мають визначний паводковий характер. Екстремальні коливання водності кожного досліджуваного водотоку були використані для побудови суміщених функціональних зв'язків між вищезазначеними параметрами з метою виявлення особливостей динаміки вертикальних руслових деформацій, тенденцій розвитку незворотних змін форм русла тощо. Криві наведених зв'язків були побудовані за окремі роки, в середньому через кожні 5-6 років, що дозволило провести кількісну оцінку їх динаміки в просторово-часовому зрізі.

Узагальнюючи просторово-часову динаміку залежності

русловий деформація річка вертикальний

Q = f (H)

з урахуванням оцінки вказаних вище співвідношень для досліджуваних річок виявлена чітка закономірність. Правобережні (карпатські) притоки Дністра і власне сама річка Дністер, характеризуються загальним зменшенням у часовому зрізі рівнів води для відповідних витрат. Таке явище в науковій літературі отримало назву “просідання” рівнів води. Середні величини просідань рівнів води коливаються від 0,01 см/рік (р. Бистриця - с. Озимина) до 1,58 см/рік (р. Дністер - с. Журавне). Максимальні значення просідання рівнів води за досліджуваний період для карпатських приток та Дністра у більшості випадків сягають 0,5 метра (р. Дністер - м. Самбір - 0,94 м, р. Лімниця - с. Перевозець - 0,74 м, р. Свіча - с. Зарічне 0,65 м тощо).

У загальному випадку просідання рівнів води на вказаних водотоках свідчать про те, що в них мають місце вертикальні руслові деформації пов`язані з ерозійними процесами. Тут відбувається розмив ложа русла, і формування поздовжнього профілю річки має продовження у вигляді подальшого вгинання.

У той же час на лівобережних притоках Дністра, простежується чітка тенденція до зростання рівнів води при відповідних витратах. Середній приріст рівнів зафіксований у межах від 0,02см/рік (р. Збруч - с. Завалля) до 2,04 см/рік (р. Свіж - смт Букачівці). Максимальні значення приросту рівнів за досліджуваний період також значні і у деяких випадках перевищують 1 метр (р. Свіж - смт Букачівці - 1,87 м, р. Збруч - м. Волочиськ - 1,15 м, р. Золота Липа - с. Задарів - 0,89 м тощо).

Зростання рівнів води при відповідних витратах у загальному випадку вказують на накопичення в руслах річок наносів. На таких ділянках переважають процеси їх акумуляції.

Для карпатських приток та самого Дністра до основних антропогенних чинників впливу на вертикальні руслові деформації відносяться наступні похідні господарської діяльності: будівництво мостів, переходів магістральних трубопроводів, берегозахисних кріплень, “жорстких” руслорегулюючих споруд тощо; розроблення руслових та заплавних кар'єрів з видобутку алювію; зростання селитебного навантаження в заплавах річок та, зокрема, в їх водоохоронних зонах; зарегульованість річкового стоку; зведення лісів; розорювання території водозбору тощо. З відміченого вище, несанкціонований відбір руслового алювію спричинює одне із найбільших навантажень на гідроекосистему русло-заплавного комплексу річок.

Стосовно головних причин розвитку вертикальних руслових деформацій, що виражається в акумуляції наносів на річках лівобережних приток Верхнього та Середнього Дністра, то вони також здебільшого викликані антропогенним навантаженням на водозбірні площі річок, а саме значною зарегульованістю стоку штучними водосховищами та ставками, масовим вирубуванням лісів, масштабним розорюванням луків та водозборів, освоєністю заплавних масивів та ін.

Крім того, нами досліджений вплив водності потоку на розвиток руслових деформацій. Встановлено, що найтісніший зв'язок із зміною водності, проявляється у зміні площі поперечного перерізу (w) та показника розпластаності потоку B/h_сер. Вказані параметри є найбільш інтегральними показниками форми русла, які чуттєво реагують на зміни водного потоку.

У подальшому, отримані критеріальні залежності між основними морфодинамічними параметрами русла, які допомогли більш обґрунтовано розкрити питання руслових деформацій на річках досліджуваного басейну. До таких віднесені співвідношення між відносною глибиною потоку при руслоформуючій витраті (bankfull) та відносною руслоформуючою витратою

h_{bf сер}/h_{bf сер} ±?h = f(Q_bf/Q_сер),

між показником розпластаності потоку та відносною руслоформуючою витратою

В/h = f (Q_bf/Q_сер),

та модифікована його конструкція

В/h*л = f (Q_bf/Q_сер)

(л - коефіцієнт гідравлічного тертя). Наведені зв'язки встановлені для двох часових періодів - початкового (середина 60-х років минулого століття) та кінцевого (2003-2004 рр.). Їх аналіз засвідчив майже незмінні умови руслоформування на правобережних притоках і наявність суттєвих змін (розвиток процесів акумуляції, зростання стійкості русел) для лівобережних. Застосована нами інваріантна залежність

(B/h)^0,25 = f (І^0,125/Fr),

також зафіксувала спрямовані зміни у формі русел досліджуваних водотоків. Вона є універсальною і може використовуватись для річок різного порядку. Наведений графік зазначеної залежності в той же початковий період досліджень відображає результати, які отримані за даними вказаного кінцевого періоду спостережень. Досліджувані річки були розподілені на дві групи, - праві притоки і сам Дністер, через властивості притаманні карпатським річкам; інша група - ліві його притоки. Результати виявили виразну особливість - якщо точки правих приток і лінія тренду відносно не змінили своїх значень, то ліві притоки (точки синього кольору на графіках) кардинально змінили своє положення, про що вказує лінія тренда, яка змінила навіть свій напрямок. Інтерполюючи отримані результати у проекцію розвитку руслоформування на досліджуваних річках, можна свідчити про зміну спрямованості руслових процесів на подільських річках. Карпатські притоки за останні півстоліття зазнали певних змін і трансформацій русло-заплавного комплексу спричинених багатьма як природними, так і антропогенними факторами, проте в цілому це не призвело до радикальних змін їх типів русел. У свою чергу, подільські притоки зазнали змін, що очевидно призвели до іншої спрямованості прояву руслових процесів із наступною можливою зміною типу русла.

У четвертому розділі виконана оцінка динаміки просторово-часових змін гранулометричного складу донних наносів річок та стійкості русел у контексті спрямованості вертикальних руслових деформацій.

Для 26 стаціонарних гідрологічних постів, що розміщені на 18 річках досліджуваного басейну зібрана та узагальнена база даних відносно механічного складу донних відкладів. Дані гранулометричного складу донних відкладів були відібрані в середньому за останні 20-50 років в залежності від термінів спостережень, які проводились на конкретному гідрологічному посту.

Річка Дністер, а також більшість її правобережних приток характеризуються зростанням крупності донних відкладів за багаторічний період. У свою чергу на лівобережних подільських притоках Дністра переважає загальне зменшення крупності донного алювію за досліджуваний термін часу.

Найбільші зміни середньої крупності руслоформуючих відкладів зафіксовані на карпатських річках-притоках і власне на Дністрі. На таких річках як Свіча - Зарічне, Опір - Сколе, Дністер на ділянках гідропостів Самбір та Журавне такі зміни сягають 100 %. За даними розрахунків за 25 річний період середній діаметр донних відкладів на р. Свіча - Зарічне збільшився з 18,0 до 76,0 мм; на р. Опір - Сколе за проміжок часу у 33 роки зростання середнього діаметру становило 67 мм (з 46 мм на початку та 113 мм в кінці спостережень). Також суттєва зміна крупності донних відкладів, але в бік зменшення, зафіксована на деяких лівобережних притоках Дністра, зокрема на р. Золота Липа - Бережани (з 0,32 мм до 0,10 мм) та р. Збруч у створі г/п Волочиськ та Завалля (з 0,35 до 0,04 та з 0,36 до 0,11 відповідно).

Збільшення крупності донних відкладів на карпатських річках пов'язане зі зростанням водності цих річок і пояснюється тим, що вимиваються дрібні фракції, а на дні залишаються більш крупні. Проте кардинальні зміни в гранулометрії річкового алювію, на нашу думку, можуть бути пов'язані із впливом антропогенного фактору, який може змінювати природний хід розвитку цього процесу. Так, наприклад, кар'єрні розробки гравійно-галькової суміші, які мали місце і масштабне поширення на правих притоках Дністра у передгірних зонах Карпат, призводять до суттєвого порушення умов динамічної рівноваги в руслі річки, що обумовлює незворотні деформації (розмивів берегів, зниження відміток руслового ложа тощо).

У руслах лівобережних приток Верхнього та Середнього Дністра, а саме річок Щирець, Золота Липа, Коропець, Серет, Збруч та Смотрич має місце тенденція до загального зменшення середнього діаметра наносів. Це обумовлено значною зарегульованістю стоку води, зростанням ерозійного потенціалу рельєфу, зведенням лісових масивів на схилах та акумуляцією частини схилових наносів у руслах водотоків, ставках та водосховищах.

Безпосередньо зі змінами гранулометричного складу наносів пов'язана й стійкість русла, яка є інтегральним показником умов формування річкових русел та інтенсивності руслових деформацій. Для реалізації задач стосовно оцінки стійкості у відповідності до прояву вертикальних деформацій русел, нами було обрано два з числа найбільш застосованих методів, які здатні не лише встановити стійкість річкового русла, але також дають можливість обгрунтувати спрямованість вертикальних руслових деформацій на конкретній ділянці річки.

Перший з них - показник стійкості русла, запропонований К.В.Грішаніним (1974), який включає в себе основні гідроморфологічні параметри русла. Динамічно стійкий стан русла відповідає нерівності 0,75 < М < 1,05. Якщо значення М велике (>1,05), потік на даній ділянці характеризується недостатньою транспортуючою здатністю, що відповідно буде проявлятись в акумуляції наносів. У протилежному випадку, при М <0,75 транспортуюча здатність потоку перевищує стік наносів, і тоді русло розмивається.

Отримані результати засвідчують наявність чітких закономірностей у зміні даного показника. На гідростворах Дністра, а також правобережних його приток, значення коефіцієнта М майже для всіх водотоків знаходиться за межами умов динамічної рівноваги русла й менше 0,75. Це вказує на превалювання вертикальної ерозії в руслах річок, тобто наявності вертикальних деформацій, пов'язаних з розмивом. Що стосується лівобережних приток Дністра, то величини показника стійкості М як правило чисельно перевищують 1,05. Це вказує на превалювання процесів акумуляції на цих річках.

Наступний метод оцінки базується на встановлені ерозійного показника стійкості Л_о (О.Г.Ободовський, 2001), який по суті є модифікацією числа Лохтіна. Він включає в себе не лише гідроморфологічні параметри русла, але також характеристику руслового алювію та ерозійний коефіцієнт. Коефіцієнт Л_о апробований на різних річках, він є безрозмірною величиною і це також дає можливість використовувати його в якості критеріального.

У цілому, результати оцінки стійкості русел за ерозійним показником тотожні висновкам, які отримані за показником К.В.Грішаніна. На ділянках гідропостів розміщених на Дністрі та правих карпатських притоках, річкові русла переважно знаходяться у нестійкому та відносно нестійкому стані. Це свідчить про неврівноваженість стану русла, за якого потік може його деформувати, що проявляється у вертикальних та планових розмивах руслового комплексу. Щодо лівобережних подільських приток, ділянки русел (у межах розрахункових створів) перебувають переважно у стійкому та відносно стійкому стані, що відображає слабку розмиваючу здатність потоку. На таких ділянках цілком можливі процеси акумуляції наносів.

У п'ятому розділі розкриваються особливості формування поздовжніх профілів досліджуваних водотоків та їх динаміка.

На основі зйомок виконаних у 1978-1984 роках, були побудовані поздовжні профілі для 23 річок водозбору Дністра, включаючи основну річку. Праві притоки Дністра характеризуються ввігнутим, досить добре виробленим обрисом поздовжнього профілю, з великим перепадом висот та значними похилами у верхів'ях, які поступово нівелюються за напрямком від витоку до гирла. Що стосується поздовжніх профілів лівих приток, то вони переважно опуклої форми із незначними похилами водної поверхні, які часто зростають у нижній течії, особливо у пригирлових зонах.

Для кожного досліджуваного водотоку отримано аналітичний вираз поздовжнього профілю, який достовірно описує емпіричний профіль. Цьому виразу відповідає поліноміальна функція другого ступеню

H = ± a₁L² + a₂L + L;

де Н - абсолютна висота, а - коефіцієнт, L - відстань, яка має значну величину достовірності апроксимації для всіх річок (R² = 0,87-0,99). Виконані розрахунки свідчать про відмінність між річками-притоками право- та лівобережжя Дністра. Так, якщо усі правобережні притоки Дністра описуються позитивним рівнянням, то третина лівобережних приток описуються рівнянням, що має від'ємні значення при параметрі відстані LІ. Це підкреслює явну опуклість поздовжнього профілю останніх, та його загальну конфігурацію.

У подальшому, нами отримана універсальна залежність, яка характеризує нормований поздовжній профіль, що надає можливість уникнути масштабного ефекту, тобто об'єднати між собою в окремі групи річки різних порядків. Вона надає безрозмірну характеристику похилу для річок і має вигляд

ДL/L = f (ДH/H),

де ДL/L - відносна характеристика довжини ділянки річки (ділянка річки поділена на загальну довжину річки), ДH/H - відносна характеристика падіння (падіння річки за конкретної ділянки поділене на загальне її падіння).

На основі аналізу кривих, побудованих за вказаною залежністю, для річок басейну Верхнього та Середнього Дністра встановлено три тенденції (типи), що дозволяють виконати районування цих водотоків за гідрографічними ознаками та формою безрозмірної характеристики профілю. До першого типу відносяться правобережні карпатські притоки Дністра і власне сама річка Дністер, які характеризуються увігнутим нормованим поздовжнім профілем. До другого типу відносяться лівобережні притоки Верхнього Дністра до р. Золота Липа. Ці річки характеризуються нормованим поздовжнім профілем, що має дещо схожий вигляд із карпатськими, але значно більш виположеним та не настільки стрімким у верхній частині. До третього типу, відносяться лівобережні притоки Середнього Дністра, розташовані від р. Коропець до р. Смотрич. За довжиною річки профілі характеризуються постійною зміною локальних похилів. У верхів'ях та, особливо, у нижній течії похили більші ніж у середній течії.

Значні відмінності в особливостях форм та обрисів поздовжніх профілів річок в межах єдиного басейну спричиняють й відмінності у процесах руслоформування та проявах руслових деформацій. У розумінні аналізу поздовжніх профілів найважливішим, на наш погляд, є виявлення спрямованості вертикальних деформацій в руслах досліджуваних водотоків в басейні Дністра.

Вихідним часовим зрізом щодо оцінки зіставлених різночасових профілів слугували дані зйомки місцевості, виконаної наприкінці 1940-х років, на основі яких були побудовані ці поздовжні профілі. Завершальним етапом досліджень був період 1978-1984 років, за який також були побудовані відповідні профілі. Для цих побудов доступними та репрезентативними виявились дані для 12 річок досліджуваного басейну, до яких відносились 4 правих притоки (рр. Стрий, Лімниця, Бистриця-Солотвинська, Бистриця-Надвірнянська), 7 лівих приток (рр. Стрв'яж, Верещиця, Гнила Липа, Серет, Збруч, Смотрич, Ушиця) та власне р. Дністер. Варто відмітити, що вагомою перевагою серед інших методів цей вирізняється тим, що дозволяє кількісно та якісно оцінити вертикальні руслові деформації по всій протяжності водотоку континуально, а не дискретно, прив'язуючись лише до місцерозташування гідрологічного поста.

Аналіз зіставлених поздовжніх профілів по всій їх довжині водотоків дозволив встановити превалюючі тенденції у вертикальних руслових деформаціях на річках досліджуваного басейну, які були спроектовані на електрону карту використовуючи ГІС-технології.

Наведена ілюстрація узагальнює в собі висновки одразу декількох досліджень. Це і результати отримані в даному розділі щодо виявлення спрямованості вертикальних руслових деформацій на основі зіставлення та подальшого аналізу різночасових поздовжніх профілів, що зображено лініями різного кольору, а також підсумки розділу 3, які стосуються розвитку вертикальних деформацій у руслах досліджуваних річок отриманих за допомогою аналізу кривих витрат води

Q = f (H).

Оцінка загальних тенденцій прояву вертикальних руслових деформацій на досліджуваних річках дозволяє констатувати, що на правобережних карпатських притоках переважаючими є ерозійні процеси, що проявляється у врізанні русла та пониженні його абсолютних відміток. Що стосується лівобережних приток Дністра у верхній та середній його течії, для них характерною є інша тенденція. Це - переважання акумулятивних процесів у руслах річок, що проявляється у зростанні абсолютних відміток їх дна.

Стосовно самого Дністра, то від витоку й до впадіння р. Серет в його руслі переважають ерозійні процеси, які призводять до поступового врізання останнього. Нижче впадіння р. Серет фоновими процесами у руслі Дністра є акумулятивні. Причинами переважання ерозійних процесів на Верхньому Дністрі є перш за все слабка стійкість його русла, що підсилюється значною водністю та динамікою потоку правих карпатських приток, які суттєво збільшують загальну водність й самого Дністра. Така ситуація сприяє активізації розвитку руслових деформацій головної річки. Нижче гідропоста Заліщики, де русло Дністра врізане у корінні породи, його стійкість значно вища. Планові деформації тут майже не прослідковуються, а річковий алювій розмитий у верхніх ділянках, а також винесений з подільських приток відкладається саме в цій зоні.

Результати досліджень стосовно стійкості русел розкривають тенденції розвитку спрямованих деформацій, які необхідно враховувати при оцінці гідроекологічної безпеки. Аналіз тенденцій розвитку вертикальних руслових деформацій дає змогу оцінювати надійність роботи існуючих інженерних протипаводкових споруд та об'єкти інфраструктурної забудови. Запропонована схема районування досліджуваного регіону дозволяє більш раціонально вести розробку протипаводкових заходів на урбанізованих заплавних територіях. Результати досліджень можуть бути покладені в основу розробки загальної схеми моніторингу руслових процесів, схеми управління водними потоками та розробки протипаводкових заходів.

ВИСНОВКИ

1. З урахуванням попередніх досліджень і наших розробок запропоновано більш комплексну методику аналізу вертикальних руслових деформацій на річках, яка представлена у вигляді алгоритму. Встановлено чотири рівні його реалізації та окремий блок, пов'язаний зі створенням банку даних та системи моніторингу вертикальних руслових деформацій.

2. Встановлено, що основними природними чинниками які обумовлюють прояв та інтенсивність руслових процесів взагалі та вертикальних руслових деформацій зокрема є характеристики максимального стоку води та наносів. Дослідження показали, що для карпатської частини басейну характерним є значна кількість паводків протягом року за рахунок випадіння короткочасних та інтенсивних опадів у теплий період року, для лівобережних приток - наявність весняного водопілля, яке є результатом танення снігу. За характеристиками донних відкладів, на річках право- та лівобережжя спостерігається значна їх диференціація.

3. Детальний аналіз вертикальних руслових деформацій для річок басейну Верхнього та Середнього Дністра був вперше виконаний за комплексною методикою. Нами були побудовані та проаналізовані залежності і зв'язки між основними гідрологічними та русловими параметрами. Це зв'язки: між витратою та площею поперечного перерізу

Q = f (w);

між витратою і середньою глибиною

Q = f (h_сер);

між витратою і шириною русла

Q = f (В);

між витратою і середньою швидкістю потоку

Q = f (v_сер);

між витратою і співвідношенням ширини та середньої глибини

Q = f (B/h_сер).

Такий підхід дозволив оцінити руслову ситуацію загалом та виконати комплексну оцінку як вертикальних, так і планових руслових деформацій.

4. Виявлені чіткі тенденції щодо розвитку вертикальних руслових деформацій на досліджуваних водотоках. На карпатських річках-притоках та власне р. Дністер спостерігаються незворотні тенденції до ерозійних процесів, що виражається у просіданні рівнів води та відповідним зниженням абсолютних відміток дна русла. У свою чергу лівобережні притоки Верхнього та Середнього Дністра в цілому характеризуються загальним підвищенням вільної поверхні течії та розвитком акумулятивних процесів в їх руслах.

5. Вперше застосовано ряд критеріальних зв'язків

h_{bf сер}/h_{bf сер} ±?h = f(Q_bf/Q_сер),

В/h = f (Q_bf/Q_сер),

В/h*л = f (Q_bf/Q_сер),

а також інваріантна залежність

(B/h)^0,25 = f (І^0,125/Fr),

які засвідчили спрямовані зміни у формі русел досліджуваних водотоків. Запропонована інваріантна залежність є універсальною до застосування для річок різного порядку.

6. Встановлено, що в часовому зрізі крупність наносів на карпатських притоках зростає, а на подільських зменшується, що впливає на стійкість русел досліджуваних водотоків. Отримані результати засвідчили, що перебування русел правобережних приток та самого Дністра знаходиться у стані превалюючої дії ерозійних процесів, а в руслах лівобережних приток переважає акумуляція наносів. Це підтверджується оцінкою стійкості русел за показниками К.В.Грішаніна та О.Г.Ободовського.

7. Встановлено, що формування поздовжніх профілів право- та лівобережних приток Дністра суттєво різняться за своїм характером. Поздовжні профілі правобережних приток мають ввігнуту, вироблену форму, із значними похилами у верхній його частині, які зменшуються з наближенням до гирла. Цим річкам властиві гірські та передгірні ділянки. На лівобережних подільських притоках поздовжні профілі здебільшого мають опуклу форму. Незначні похили на більшій протяжності подільських водотоків різко зростають при впадінні у Дністер. Вказані річки переважно характеризуються рівнинними ділянками, які в деяких випадках у нижній течії переходять у передгірні зі всіма властивими їм характеристиками.

8. Отримана універсальна залежність ДL/L = f (ДH/H), яка надає можливість об'єднати між собою в окремі групи річки різних порядків, що позбавлені масштабного ефекту. На основі аналізу цих кривих для річок басейну Верхнього та Середнього Дністра, встановлено три їх типи, що дозволяє виконати районування цих водотоків за гідрографічними ознаками та безрозмірними поздовжніми профілями. До першого типу відносяться правобережні карпатські притоки Дністра і власне сама річка Дністер, які характеризуються увігнутим нормованим поздовжнім профілем. До другого типу відносяться лівобережні притоки верхнього Дністра до р. Золота Липа. Ці річки характеризуються нормованим поздовжнім профілем вказаної функції, що має дещо схожий вигляд із карпатськими, але значно більш виположеним та не настільки стрімким у верхній частині. До третього типу, відносяться лівобережні притоки розташовані нижче, від р. Коропець й до р. Смотрич. Вказані водотоки за довжиною річки характеризуються постійною зміною локальних похилів. У верхів'ях та, особливо, у нижній течії похили більші ніж у середній течії.

9. На основі зіставлення різночасових поздовжніх профілів досліджуваних водотоків визначено тенденції щодо спрямованості вертикальних руслових деформацій по всій їх довжині. Річка Дністер та його правобережні притоки характеризуються переважанням ерозійних процесів, що проявляється у врізанні русла та пониженні його абсолютних відміток. Щодо лівобережних приток, на них прослідковується переважання акумулятивних процесів та підвищення абсолютних відміток русла. Це може призводити до активізації планових руслових деформацій, зменшенню глибин водного потоку, замуленню русел. На основі виконаних досліджень вертикальних деформацій сформульовані пропозиції для практичного використання їх результатів з метою покращення стану русел річок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті:

1. Гідроекологічна безпека урбанізованих заплавних територій у басейні р. Лімниця / Ободовський О. Г., Онищук В. В., Розлач З. В., Яцюк М. В. // Картографія та вища школа. - 2005. - Вип. 10. - С. 140-147. (Особистий внесок автора - 25%, здобувачем проведено збір вихідних даних, виконано розрахунки стосовно темпів та спрямованності вертикальних руслових деформацій).

2. The analysis of the Ukrainian Carpathian river channel regime / Obodovskiy Olexandr, Onyschuk Vasiliy, Rozlach Zakhar, Konovalenko Oxana // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2006. - Т. 11. - С. 90-97. (Особистий внесок автора - 30%, збір та обробка вихідної інформацій, проведення розрахунків основних морфометричних характеристик річок, переклад текста на англійську мову).

3. Розлач З. В. Оцінка вертикальних руслових деформацій річок басейну Верхнього та Середнього Дністра на основі аналізу кривих витрат води / З. В. Розлач // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2007. - Т. 12. - С. 122-131.

4. Результати аналізу гідроморфологіної якості екорегіону Карпат на прикладі басейну Ужа / Ободовський О. Г., Онищук В. В., Коноваленко О. С., Розлач З. В., Ярошевич О. Є. [та ін.] // Матеріали науково-практичної конференції „Вода та довкілля” V Міжнародного Водного Форуму „AQUA UKRAINE-2007” / М-во охорони навколиш. природ. середовища України [та ін.]. - К., 2007. - С. 12-17. (Особистий внесок автора - 15%, здобувачем виконана обробка даних геодезичного нівелювання земної поверхні, електронна побудова графіків, проведено опис та характеристика гідроморфологічних створів).

5. Розлач З. В. Оцінка відносної стійкості водотоків за показником інваріантності у контексті еволюційних змін процесів руслоформування (на прикладі річок басейну Дністра в межах України) / З. В. Розлач, В. В. Онищук // Фізична географія і геоморфологія. - 2007. - Вип. 53. - С. 144-152. (Особистий внесок автора - 50%, збір та обробка вихідної інформацій, проведення розрахунків, узагальнень, складання висновків).

6. Гидроморфологическая оценка рек бассейна Припяти в контексте сохранения природного экологического состояния / Ободовский А. Г., Онищук В. В., Ярошевич А. Є., Коноваленко О. С., Розлач З. В. [та ін.] // Матеріали науково-практичної конференції „Вода та довкілля” VІ Міжнародного Водного Форуму „AQUA UKRAINE-2008” / М-во охорони навколиш. природ. середовища України [та ін.]. - К., 2008. - С. 47-54. (Особистий внесок автора - 15%, здобувачем виконана обробка даних геодезичного нівелювання земної поверхні, електронна побудова графіків, проведено опис та характеристика гідроморфологічних створів).

7. Розлач З. В. Просторово-часові зміни крупності руслоформуючих відкладів на водотоках басейну Дністра (в межах України) / З. В. Розлач // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2008. - Т. 14. - С. 108-116.

8. Продольные профили основных водотоков в бассейне Днестра в контексте определения направленности вертикальных деформаций русла / Ободовский А. Г., Розлач З. В., Лёгкая Ю. М., Дементенко А. И. // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. - 2008. - Т. 15. - С. 43-54. (Особистий внесок автора - 40%, здобувачем виконаний аналіз співставлених поздовжніх профілів з метою оцінки вертикальних руслових деформацій, надання висновків).

Тези доповідей:

9. Розлач З. В. Гідрологічний аналіз вертикальних руслових деформацій річок басейну Дніпра в межах України / Розлач З. В. // Молоді науковці - географічній науці: Зб. тез Міжнар. конф., 22-23 квітня, 2004, Київ / Київський національний університет імені Тараса Шевченка. - К., 2004. - С. 113-114.

10. Онищук В. В. Науково-методичні основи щодо раціонального регулювання алювіальних русел відкритих водотоків / Онищук В. В., Розлач З. В. // Україна і географічні проблеми сталого розвитку. Зб. наук. праць. В 4-х т. IX з'їзду Українського географічного товариства, 2004, Чернівці / Українське географічне товариство. - К., 2004. - Т. 3. - С. 249-251. (Особистий внесок автора - 25%, здобувачем обгрунтовано концепцію раціонального руслорегулювання).

11. Розлач З. В. Спрямованість вертикальних руслових деформацій на деяких основних водотоках басейну Дністра / Розлач З. В. // Географія в інформаційному суспільстві. Зб. наук. праць. У 4-х т. X з'їзду Українського географічного товариства, 2008, Київ / Українське географічне товариство. - К., 2008. - Т. ІІІ. - С. 302-304.

АНОТАЦІЯ

Розлач З.В. Аналіз вертикальних руслових деформацій річок басейну Верхнього та Середнього Дністра. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія.-Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Запропановано нову комплексну схему аналізу вертикальних руслових деформацій. За дослідженнями зв'язків між основними морфологічними та динамічними параметрами русел виконаний аналіз вертикальних руслових деформацій та запропоновані критеріальні залежності, що визначають особливості перебігу руслових процесів на річках. Вперше застосовані критеріальні морфодинамічні залежності та апробована інваріантна функція

(B/h)^0,25 = f (І^0,125/Fr),

яка є універсальною для застосування для річок різного порядку.

Проведена оцінка динаміки крупності донних відкладів та визначена стійкість русел досліджуваних водотоків.

Досліджені поздовжні профілі річок та отримана універсальна залежність нормованого поздовжнього профілю водотоків, яка дає можливість об'єднати між собою в окремі групи річки різних порядків. Вперше, на основі отриманих типів форм нормованих поздовжніх профілів виконано районування басейну Верхнього та Середнього Дністра.

На основі зіставлення різночасових поздовжніх профілів досліджуваних водотоків встановлено тенденції щодо спрямованості на них вертикальних руслових деформацій по всій довжині досліджуваних річок.

Ключові слова: руслові процеси, вертикальні руслові деформації, руслонаповнююча витрата, морфологічні параметри русла, ерозія, акумуляція, русло-заплавний комплекс, донні відклади, стійкість русла, поздовжній профіль.

АННОТАЦИЯ

Розлач З.В. Анализ вертикальных русловых деформаций рек бассейна Верхнего и Среднего Днестра. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата географических наук по специальности 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия.-Географический факультет Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

На основе результатов предшествующих исследований в проблематике русловых деформаций, а также собственных наработок предложена новая комплексная схема анализа вертикальных русловых деформаций.

Выполнены исследования вертикальных деформаций русел исследуемых рек с помощью классического гидрологического метода оценки кривых расходов воды

...