Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат географических наук Пирожков, Виктор Геннадьевич

• Пирожков, Виктор Геннадьевич
• кандидат географических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат географических наук Пирожков, Виктор Геннадьевич

Введение.

1 Основные закономерности вении речного русла.

1.1 Речное русло, как элемент саморегулирующейся системы.

1.2 Основные закономерности в строении речного русла.

1.3 Количественные критерии типизации русловых форм.

1.4 Применение спектрального анализа для выявления регулярных образований в речных руслах.

1.5 Постановка задачи.

1.6 Методика определения регулярных русловых форм.

2 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля рек, находящихся в состоянии, близком к естественному, на примере Северных рек.

2.1 Физико-географическое описание бассейнов рек. Выделение морфологически однородных участков.

2.1.1 Северная Двина.

2.1.2 Вычегда.

2.1.3 Пинега.

2.2 Характеристики русловых форм.

2.2.1 Северная Двина.

2.2.2 Вычегда.

2.2.3 Пинега.

2.3 Основные закономерности спектральных характеристик продольных профилей Северных рек.

3 Закономерности изменения спектральной характеристики продольногопрофиля реки, находящейся под интенсивным антропогенным воздействием, на примере р. Оки.

3.1 Физико-географическое описание.

3.1.1 Особенности морфологического строения.

3.1.2 Гидрологический режим.

3.2 Сведения о хозяйственном использовании реки.

3.3 Русловой процесс.

3.4 Влияние русловых карьеров на формирование продольного профиля.

3.5 Исследование спектральных характеристик продольного профиля.

3.5.1 Участки под пассивным антропогенным воздействием.

3.5.2 Участки под активным антропогенным воздействием.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка размеров русловых образований методом спектрального анализа»

Актуальность темы

Интенсивное антропогенное воздействие на речные системы в целом и реки, в частности, часто приводит к нарушению механизма их саморегулирования, что может даже привести к отмиранию малых и средних рек. Гидротехническое строительство, нарушая режим рек, в той или иной степени, требует больших капитальных вложений. Величина последних в значительной степени зависит от качества проектирования гидротехнических сооружений, в частности, от того насколько научно обоснованны принятые проектные решения. При этом одной из важнейших проблем является сохранение экологической безопасности системы.

Наибольшие сложности при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий возникают из-за недостаточного учета характерных особенностей русловых процессов на расчетном речном участке. Вместе с тем, в последние годы резко сократились объемы финансирования и сроки, отведенные на натурные изыскания. Современная экономическая обстановка настоятельно диктует необходимость совершенствования методов оценки и прогноза русловых процессов на основе регулярно обновляемых данных планово-высотных съемок и других материалов, таких как лоцманские карты. Последние регулярно обновляются, что позволяет использовать их для составления прогноза русловых деформаций.

На основе выше изложенного, основной задачей диссертации является разработка методики определения типа и размеров русловых образований, и мониторинга их изменчивости на основе информации, приведенной на лоцманских и других картах.

Математической основой методики предлагается использовать метод, основанный на анализе нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля русел рек и показателя Харста.

Следует отметить, что необходимая для реализации этой методики информация о состоянии водного требует незначительных материальных и трудовых затрат и может быть использована как на различных стадиях проектирования и строительства гидротехнических сооружений, так и при разработке долгосрочного прогноза русловых процессов. Цели и задачи исследования

Основная цель работы состоит в разработке методики объективной оценки размеров русловых образований и мониторинга изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло». В соответствии с этой целью в работе решены следующие основные задачи:

- выбраны объекты исследования;

- обоснован метод анализа отметок дна на продольном профиле русла реки;

- разработан метод выделения регулярных русловых образований;

- апробирован разработанный метод на примере русел Северных рек и р. Оки;

- разработаны критерии оценки изменчивости морфологического строения речных русел на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста; увязаны полученные критерии с особенностями строения морфологически-однородных участков и характером антропогенного воздействия на эти участки.

Методика исследований и исходный материал

Для решения поставленных задач были использованы данные, полученные с лоцманских и других карт, а именно, значения отметок дна на продольном профиле судового хода рек Северная Двина, Вычегда, Пинега и Ока за длительный период наблюдений. При анализе полученных результатов использованы также сведения о водном режиме исследуемых рек и физико-географических характеристиках их бассейнов.

Исследования выполнены с помощью методов спектрального и R/S анализа. Параметры спектрального анализа и условия примененных методов статистики устанавливались опытным путем на основе анализа процессов, происходящих в руслах рек.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается положительными результатами оценки методики, выполненной на основе независимой натурной информации. Научная новизна работы

В процессе решения поставленных задач впервые получены следующие научные результаты:

- разработана методика оценки регулярности русловых образований, основанная на статистическом анализе данных, приведенных на лоцманских картах;

- показано на статистически значимом уровне на основе данных натурных наблюдений наличие регулярных русловых образований, прослеживаемых по продольному профилю речного русла. Разработана методика определения их характерных размеров;

- доказано, что изменение состояния речного русла в естественном состоянии и под антропогенной нагрузкой может быть охарактеризовано флук-туациями частот на спектрах отметок дна продольного профиля реки. Анализ характера изменений этих характеристик позволяет установить состояние факторов руслового процесса участка реки;

- предложены объективные критерии оценки состояния руслового процесса при антропогенном воздействии.

Практическая значимость результатов исследований

Результаты исследований могут быть использованы:

- при экологической экспертизе состояния участков рек;

- при разработке стратегии водохозяйственного использования речных систем;

- при оценке результатов антропогенного воздействия на речное русло;

- при прогнозе возможных изменений руслового процесса в результате глобальных изменений климата.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии и итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (1996, 2005 гг.), на совещаниях Межвузовского научно-координационного Совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им М.В. Ломоносова (1996, 2005 гг.), на научно-технической конференции "Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах" (2000 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 60 источников, и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 103 страницах, не считая приложений, включает 29 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Пирожков, Виктор Геннадьевич

Заключение

В результате проделанных исследований впервые разработана методика объективной оценки характерных размеров русловых образований, основанная на применении спектрального анализа. Эта методика позволяет производить мониторинг изменчивости морфологического строения участка речного русла, происходящего в рамках саморегулирующей системы «речной поток — русло»

Применение разработанной методики для анализа продольных профилей ряда русел Северных рек и р. Оки позволило сделать следующие выводы:

- установлены критерии оценки изменчивости морфологического строения речного русла на основе анализа нормированной спектральной плотности отметок дна продольного профиля и показателя Харста. Полученные критерии обоснованы особенностями строения речных участков;

- доказано на натурных данных наличие устойчивых регулярных русловых образований на статистически значимом уровне;

- показано, что для участков рек, имеющих местный базис эрозии (каменистые перекаты, выходы скальных пород), характерная длина регулярных образований равна расстоянию между соседними местными базисами эрозии;

- обнаружена недисперсность длины преобладающих русловых образований, проявляющая в сохранении постоянной частоты на разновременных спектрограммах, для участков рек, где наблюдается динамическое равновесие факторов руслового процесса;

- выявлено закономерное уменьшение характерных размеров статистически значимых регулярных русловых образований от устья к истоку для всех участков, исследованных рек;

- подтверждена на большом натурном материале гипотеза Н.С. Знаменской об удвоении длин русловых образований;

- установлен характер изменения предложенных критериев оценки при изменении антропогенной нагрузки на примере р. Оки. Доказано, что разработайная методика может использоваться для мониторинга изменения состояния речного русла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Пирожков, Виктор Геннадьевич, 2005 год

1. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему "бассейн — речной поток — русло". — СПб.: Изд. РГГМУ, 1999.-218 с.

2. Знаменская Н.С. Единые закономерности формирования речных русел. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002. - 61 с.

3. Россинский К.И., Кузьмин И.А. Закономерности формирования речных русел // Русловые процессы. М.: Изд. АН СССР, 1958. - С. 4 - 5.

4. Лохтин В.М. О механизме речного русла. СПб., 1897. — 60 с.

5. Кондратьев Н.Е. Дискретность русловых процессов // Труды ГГИ. -1978.-Вып. 252. С. 3- 19.

6. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л. Гидрометеоиздат, 1982. - 272 с.

7. Попов И.В. Количественные показатели руслового процесса различного типа // Труды ГГИ. 1964. - Вып. 116. - С. 32 - 61.

8. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство (гидролого-морфологическая теория руслового процесса и ее применение). Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 328 с.

9. Снищенко Б.Ф. Связь типов русел с формами речных долин // Геоморфология. 1979. - № 1. - С. 18-25.

10. Ромашин В.В. Оценка руслового режима по морфологическим характеристикам // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 190. - С. 48 - 56.

11. Ромашин В.В. Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами // Труды ГГИ. 1968. - Вып. 155. - С. 56 - 63.

12. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 127 с.

13. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла // Вестник МГУ. -1984.-№2.-С. 17-23.

14. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд. АН СССР, 1955.-346 с.

15. Маккавеев Н.И. Эрозионно-аккумулятивные процессы и рельеф русла реки // Избранные труды. М.: Изд. МГУ, 1998.16Ржаницын H.A. Морфометрические и гидрологические закономерности строения речной сети. JL: Гидрометеоиздат, 1960. - 316 с.

16. Ржаницын H.A. Руслоформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-264 с.

17. Караушев A.B. Теория и методы расчета речных наносов. — JL: Гидрометеоиздат, 1977. 272 с.

18. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. — JL: Гидрометеоиздат, 1975. 288 с.

19. Чалов P.C. Географические исследования русловых процессов // Под ред. Н.И. Маккавеева. М.: Изд. МГУ, 1979. - 232 с.

20. Антропове кий В.И. Гидроморфологические зависимости и их дальнейшее развитие //Труды ГГИ. 1969. - Вып. 169. - С. 34 - 86.

21. Антроповский В.И. Количественные критерии русловых макроформ // Труды ГГИ. 1972. - Вып.204. - С. 41 - 51.

22. Антроповский В.И. Критериальные зависимости типов руслового процесса // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 190. - С. 5 - 18.

23. Антроповский В.И. Связь типов руслового процесса с определяющими факторами //Труды ГГИ. 1970. - Вып. 183. - С. 70 - 80.

24. Антроповский В.И. Уравнения регрессии между характеристиками русла и потока при незавершенном меандрировании, русловой и пойменной многорукавности // Труды ГГИ. 1972. - Вып. 195. - С. 4 - 19.

25. Барышников Н.Б., Субботина Е.С. Изменение морфометрических характеристик по длине реки // Динамика потоков и русловые процессы: межвуз. сборник. Л.: Изд. ЛПИ, 1977. - Вып. 63. - С. 3 - 11.

26. Барышников Н.Б., Субботина Е.С. Об изменении морфометрических характеристик по длине реки // Метеорология и гидрология. 1976. — №3. -С. 78 - 84.

27. Никора В.Н. Спектральные характеристики лабораторных микроформ // Труды ГГИ. 1987. - Вып. 307. - С. 63 - 70.

28. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Том 1. — М.: Изд. Мир, 1971.-316 с.

29. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. - 260 с.

30. Знаменская Н.С. Грядовое движение наносов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1968.- 188 с.

31. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 286 с.

32. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Том 2. М.: Изд. Мир, 1972. - 286 с.

33. Карта реки Северная Двина от города Великий Устюг до Архангельска. 1985.-47 л.

34. Карта реки Северная Двина от устья Вычегды до Архангельска. 1975.-51 л.

35. Карта реки Вычегда. От селения Вольдино до города Сыктывкар. 1977.-79 л.

36. Карта реки Вычегда. От селения Вольдино до устья реки Сысола. 1990.-31 л.

37. Карта реки Пинега от Ваймуна до устья. Часть 2. 1982. — 53 л.

38. Карта реки Пинега от селения Corpa до поселка Пинега. Часть 1. 1983.-96 л.

39. Лоцманская карта реки Пинега от пристани Карпогоры до устья. Часть 2. 1971.-58 л.

40. Лоцманская карта реки Пинега от селения Corpa до пристани Карпогоры. Часть 1. 1971.-44 л.

41. Карта р. Оки от г. Калуга до поселка Щурово. — М.: Минречфлот РСФСР, 1980.

42. Карта р. Оки от поселка Голодское до поселка Щурово. М.: Минречфлот РСФСР, 1980

43. Р. Ока Подробные планы участка от Каширы до Рязани. СПб.: МПС, 1986.-21 л.

44. Р. Ока Сокращенные планы участка от Каширы до Рязани. — СПб.: МГТС, 1986.-6 л.

45. Р. Ока Сокращенные профили участка от Каширы до Рязани. СПб.: МГТС, 1986.-2 л.

46. Р. Ока Участок от г. Орла до г. Каширы. План реки и продольный профиль. Петроград: МПС, 1915. - 26 л.

47. Соколовский Д.Л. Речной сток. — Л.: Гидрометеоиздат, 1962. -490 с.

48. Материалы по гидрографии СССР. "Реки". 1947. - Т. 4, вып. 1. - Л.: Гидрометеоиздат. - 655 с.

49. Беркович K.M. Взаимное влияние добычи ПГС и путевых дноуглубительных работ на судоходных реках // Современное состояние водных путей и проблемы русловых процессов. М., 1999. - С. 41 - 48.

50. Беркович K.M. Современная трансформация продольного профиля Верхней Оки // Геоморфология. 1993. - №3. - С. 43 - 49.

51. Оценка многолетних изменений русла р. Верхней Оки (участок г. Серпухов п. Щурово) и обоснование перспектив добычи НСМ // Отчет МГУ. -М., 1990.

52. Определение влияния добычи ПГС на уровненный режим р. Оки на участке 1030-899 км // Отчет Гипроречтранса. М., 1990.

53. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, "Многолетние данные". Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - Вып.8, ч. 1 - 6. - 256 с.

54. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, "Многолетние данные". Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - Вып.28, ч.1 - 6. - 365 с.

55. Знаменская Н.С. Расчет размеров и скорости перемещения русловых образований // Метеорология и гидрология. 1962. — №7.

56. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод СССР. Т. 10. Кн. 1. — Л.: Гид-рометеоиздат, 1973.-475 с.

57. Ромашин В.В. О структурном подходе к русловой морфометрии // Труды ГГИ. 1969. - Вып. 169. - С. 18 - 33.

58. Русловой процесс // Под ред. Н.Е. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1959.-372 с.

59. Стабилизация процессов посадки уровней воды реки Оки и оптимизация хозяйственного использования её русла // Технико-экономический доклад Союзвод-проекта. М., 1994.