ИСТИНА

Разветвления на рукава – наиболее сложные и разнообразные морфологически и по режиму деформаций речные русла, создающие существенные затруднения при всех видах использования речных ресурсов, освоении рек как внутренних водных путей сообщения, прокладки через реки коммуникаций, строительстве на берегах рек, предотвращении опасных проявлений и т.д. Будучи основным и наиболее распространённым морфодинамическим типом русла больших и крупнейших рек, они встречаются на средних и даже малых реках, нередко образуются на излучинах и в прямолинейном русле, обусловливая специфические особенности их развития (деформации русла в их пределах). Вызывая рассредоточение стока по рукавам в зависимости от условий формирования и морфологии, степени разветвлённости и устойчивости русла , они приводят к снижению в узлах разветвления транспортирующей способности потока, сопровождаясь аккумуляцией наносов и образованием мелководных перекатов; в то же время, как установлено в последние годы и подтверждено при выполнении настоящего проекта, она увеличивается в рукавах благодаря формированию в них специфической структуры потока, и вновь снижается при слиянии рукавов из-за возникающих подпорных явлений или растекания потока. Впервые получены данные о влиянии рассредоточения стока на перенос наносами химических элементов (тяжёлых металлов и биогенных веществ) и загрязнений, их осаждение и образование отложений и последующий размыв, вызывающий вторичное загрязнение. По-существу, это является созданием нового направления в изучении русловых процессов вообще, а по отношению к разветвлениям определяет их гидро- и геоэкологическую роль, условия экологической безопасности при проведении гидротехнических мероприятий. Создавая основной морфодинамический облик широкопойменных песчаных слабо- и неустойчивых русел, разветвления характерны также для рек с врезанным, галечно-валунным руслом (верхняя и большая часть средней Лены, Алдан, Енисей. Ангара), отличаясь от широкопойменных по многим морфометрическим, морфологическим и динамическим параметрам. Такое разнообразие разветвлений , их распространённость, различия в режиме переформирований обусловливают серьёзные затруднения при разработке математических моделей, их калибровки и прогнозирования при их применении деформаций разветвлений, сводя их зачастую к приближенным качественным оценкам. Всё это осложняется происходящими глобальными изменениями природной среды и климата и антропогенными воздействиями как на факторы русловых процессов, так и на сами русла, которые осуществляются часто без учета, основывающего на отсутствии научных знаний особенностей, специфики, закономерностей и, как следствие, прогнозных оценок развития разветвлений. Выполненные в 2018-2020 гг. исследования по проекту позволили впервые установить многие закономерности формирования и режима деформаций разветвлений, рассредоточения стока в морфологически самых сложных и практически не изученных разветвлениях – раздвоенных руслах (на примере средней и нижней Оби), выявить ряд новых морфологических разновидностей разветвлений и описать режим их деформаций, разработать на основе использования материалов ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли) методы исследования распределения стока взвешенных наносов, их химического состава и загрязняющих веществ по рукавам разветвлений и дать для некоторых рек с разветвленным руслом, в т.ч. в их дельтах, анализ его сезонных изменений, определить пути трансформации разветвлений при природных и природно-антропогенных изменениях факторов русловых процессов и ряд других. Однако сложность и разнообразие разветвлений преимущественное их развитие на больших и крупнейших реках, что уже само по себе создает технические трудности в организации и проведении исследований, и ряд других объективных причин, а также выявление новых, ранее неизвестных особенностей и специфики формирования разветвлений (например, при изучении распределения стока наносов по рукавам, рассредоточения водного стока в разные фазы водного режима, трансформации разветвлений, морфодинамики русел рукавов и т.д.) требуют проведения дополнительных исследований, получения гидролого-морфологических зависимостей для рукавов разветвлении разных структурных уровней и типов русел рукавов, выявления условий развития рукавов с разным типом русла и темпами их переформирований, уточнения гидравлической структуры потока в разветвлениях разного типа, разработки схем сезонного перераспределения стока воды и наносов в разветвлениях разного типа и на реках, отличающихся по условиям формирования русел, их устойчивости, врезанном или широкопойменном характере и при разной ширине и затопляемости поймы. Пока только намечены пути создания математической деформационной модели разветвлений русел, и для ее разработки и калибровки необходимо получение новых дополнительных данных. Проведённые в ходе выполнения проекта исследования на р. Оби в районе г. Сургута и на р. Лене в районе г. Якутска дали обнадёживающие результаты и показали перспективность выбранного направления для моделирования русловых деформаций в разветвлённом русле. Необходимо довести до уровня закономерностей трансформацию химического состава наносов (тяжелых металлов и биогенных элементов) вследствие рассредоточения стока и переформирований разветвлений при происходящих изменениях гидравлических условий переноса наносов и дифференциации их по крупности. Требуют доработки и оформления методы управления русловыми процессами на реках с разветвлённым руслом. Решение этих и других задач, связанных с изучением разветвлённых русел, вместе с результатами, полученными при выполнении проекта в 2028-2020 гг., и в предшествующий ему период (десятилетия) в первую очередь исполнителями проекта, позволят создать теорию разветвлений речных русел (подобно теории меандрирования). Это же позволит завершить написание монографии «Русловые разветвления», которая явится первым в мировой литературе изложением механизма, форм проявления, режима деформаций , географии разветвлённых русел и форм разветвлений , принципов и методов управления русловыми процессами в них при решении гидротехнических задач, в т.ч. для предотвращения опасных проявлений и обеспечения гидроэкологической безопасности.

Braided channels are the most complex and diverse morphologically and in terms of channel changes regime, which create significant difficulties in all types of river resources use, development of rivers as waterways, laying communications through rivers and river valleys, construction on river banks, prevention of dangerous manifestations, etc. Being the main morphodynamic channel type of large and largest rivers, they are also found on medium and even small rivers, often formed on bends and in straight channels, causing specific features of their development (channel changes within them). Braided channels cause water runoff dispersion between branches due to conditions of formation and morphology, degree of branching and channel stability. They lead to a decrease in sediment transport capacity of water stream at branching nodes, accompanied by accumulation of sediments and formation of shallow rifts; at the same time, as established in recent years and confirmed during the implementation of this project, it increases in branches due to formation of a specific flow structure in them, and decreases again when branches merge due to backwater phenomena or flow spreading. For the first time, data were obtained on the effect of runoff distribution on the transport of chemical elements (heavy metals and biogenic substances) and pollutants with river sediments, their deposition and subsequent erosion, causing secondary pollution. Actually, this is the creation of a new direction in the study of channel processes in general, and in relation to braided channels it determines their hydro- and geoecological role, conditions of environmental safety in the course of hydraulic engineering measures. Creating the main morphodynamic appearance Being the main morphodynamic channel type of wide-floodplain sandy low-stable and unstable rivers, braided reaches are also common for rivers with an incised, pebbly-boulder channel (the upper and most of the middle Lena, Aldan, Yenisei, Angara rivers), differing from wide-floodplain rivers in many morphometric, morphological and dynamic parameters. Such a variety of braided channel types, their prevalence, and differences in channel changes regime cause serious difficulties in the development of mathematical models, their calibration and prediction of braided channels dynamics, often reducing them to approximate qualitative estimates. All this is complicated by global changes in natural environment and climate and anthropogenic impacts both on the factors of channel processes and on the channels themselves, which are often carried out without necessary scientific knowledge and without taking into account the features, specifics, patterns and, as a consequence, predictive estimates of braided channels development. Research on the project completed in 2018-2020 made it possible for the first time to establish many regularities of channel formation and channel changes mode, runoff dispersion in the morphologically most complex and practically unexplored braided channel types – split channels (case study of the middle and lower Ob’ river); to identify a number of new morphological varieties of braided channels and describe the mode of their changes; based on the remote sensing (Earth remote sensing) materials to develop methods for studying the distribution of suspended sediment runoff, their chemical composition and pollutants along the branches of braided reaches and to give for some rivers with braided channel analysis of its seasonal changes, to determine ways of braided reaches transformation under natural and natural-anthropogenic changes in factors of channel processes. However, the complexity and variety of braided patterns, their predominant development on large and largest rivers, which creates technical difficulties in organizing and providing research, and a number of other objective reasons, as well as identifying new, previously unknown features and specifics of braided channels formation (for example, when studying sediment runoff distribution along the branches, water runoff dispersion in different phases of water regime, transformation of braided reaches, morphodynamics of certain branches, etc.) – all this require additional research, obtaining hydrological and morphological relationships for channel branches of different structural levels and types, identifying conditions for branches development with different channel types and rates of their transformation, adjustment of the water flow hydraulic structure and development of schemes for seasonal redistribution of water and sediment runoff in braided channels of different types and on rivers that differ in channel formation conditions, channel stability, incised or wide-floodplain channel and with different floodplain width and rate of flooding. So far, the ways of creating a mathematical model of braided channels changes have only been outlined, and for its development and calibration it is necessary to obtain new additional data. Research carried out during the implementation of the project on the Ob’ river in the region of Surgut and on the Lena river in the area of Yakutsk provided good results for the following modeling of braided channel changes. It is necessary to develop relationships for the transformation of chemical composition of sediments (heavy metals and biogenic elements) due to runoff dispersion and channel changes on braided reaches under the changes in hydraulic conditions of sediment transport and their differentiation by size. Methods for channel processes management on rivers with braided channel require revision and formalization. The solution of these and other tasks related to the study of braided channels, together with the results obtained during the implementation of the project in 2018-2020 and in the period preceding it (decades of years) will make it possible to create a theory of braided river channels (similar to the meandering theory). This will also allow to complete the monograph “Channel Branches”, which will be the first in the world literature to describe the mechanism, manifestation forms, channel changes regimes, geography of braided channels and their forms, principles and methods of managing channel when solving hydraulic engineering problems, including prevention of dangerous manifestations and ensure hydroecological safety.

1. Разработка впервые морфодинамической классификации русел рукавов русловых разветвлений разных типов (одиночных, основных рукавов прибрежных разветвлений, сопряженных, сложносопряженных, параллельно-рукавных, пойменно-русловых и раздвоенного русла. Соответственно, будут определены условия формирования излучин (меандрирования), прямолинейных русел и русловых (островных) разветвлений рукавов пойменно-русловых разветвлений и раздвоенных русел. 2. Модификация показателей устойчивости русел (числа Лохтина, коэффициента стабильности русла Н.И. Маккавеева) применительно к рукавам разветвлений в зависимости от их размеров, водности, влияния ведущих коренных берегов и других факторов. Это позволяет обоснованно подходить к выбору рукавов для оптимального расположения трассы судового хода, водозаборов и выпусков сточных вод и других объектов водного хозяйства, створов прокладки коммуникации через разветвлённые реки, обеспечения их гидротехнической и гидроэкологической безопасности. 3. Обобщение трендов изменения параметров разветвлений по длине рек и при их трансформации, сопоставление гидролого-морфологических зависимостей разветвлений на реках в различных природных условиях, определение переходных поправочных коэффициентов. 4. Выявление закономерностей рассредоточения стока воды и взвешенных наносов в рукавах русловых разветвлений разного морфодинамического типа (одиночных, прибрежных, сопряженных), в т.ч. раздвоенных русел разных типов, их роли в русловом режиме рек. 5. Выявление закономерностей распределения тяжелых металлов в пределах разветвленных русел крупных рек в системе «вода – взвешенные наносы – влекомые наносы – русловые отложения» с учетом морфодинамических особенностей рукавов, направленности их развития (отмирания, активизации). С этой целью будет выполнен критический анализ исследований в области параметризации характеристик трансформации вещества в пределах участков рек, обобщены подходы и определены методические средства оценки геохимических изменений состава наносов в пределах разветвлений. 6. Установление путей эволюции направленности и периодичности в развитии разветвлений разного типа, соотношения их саморазвития с трансформациями, вызванными изменением факторов (водности рек и стока наносов, антропогенных воздействий). 7. Разработка типизации разветвлений на больших и крупнейших реках с врезанным галечно-валунным руслом; определение условий их формирования, получение гидролого-морфологических зависимостей, их характеризующих, роли структурно-геоморфологического фактора. 8. Обоснование классификации макроформ грядового рельефа и перекатов в разветвленных руслах на основе определения условий их формирования и особенностей рассредоточения стока воды и наносов по рукавам, морфологии, режима многолетних сезонных деформаций. 9. Оценка влияния направленных вертикальных деформаций и ведущих коренных берегов на морфологию и динамику разветвлений. 10. Составление мелкомасштабной карты интенсивности русловых деформаций разветвленных русел на территорию России. 11. Разработка и совершенствование калибровки подходов к созданию гидродинамической деформационной модели разветвлений речных русел как основы прогнозных оценок переформирований в процессе саморазвития, изменения определяющих факторов, поступления наносов при размыве берегов, оценки влияния ледовых заторов и других внешних воздействий. 12. Характеристика форм опасности русловых процессов на реках с разветвленным руслом, количественная оценка ее реальных и потенциальных проявлений в зависимости от типа и степени разветвленности, рассредоточенности стока, водности и устойчивости рукавов, выявление зависимости скорости размыва берегов и протяженности фронта размыва в рукавах разветвлений разного типа от морфологических параметров рукавов, как отражение структуры потока, типа русла и водности, и оценка их влияния на баланс наносов в разветвлениях, формирование перекатов и т.д. 13.Определение условий формирования, морфологических особенностей, переформирований и гидролого-морфологические зависимостей разветвлений на малых и средних реках, их сопоставление с таковыми на больших и крупнейших реках. 14. Разработка основных схем управления русловыми процессами на реках, разветвленных на рукава, при образовании разветвлений в руслах других типов и рукавов раздвоенного русла с учетом устойчивости русла, рассредоточенности стока воды и наносов, их химического состава и переноса загрязнений в рукавах. Все перечисленные задачи являются новыми, представляя собой дальнейшее развитие представлений о закономерностях развития разветвлений, полученных в рамках выполнения проекта в 2018-2020 гг. Их решение приведет к созданию теории разветвлений речных русел, которая будет изложена в монографии «Русловые разветвления».

Возможности решения поставленных задач и получение запланированных результатов определяются: 1) квалификацией коллектива, привлеченного к выполнению проекта, многолетним опытом исследований (руководитель проекта – с 1957 г., аспиранты-исполнители проекта – с 2014 -2017 гг.) руслового режима разветвленных на рукава рек Лены, Оби, Северной Двины, Мезени, Печоры, Амура, Енисея, Селенги, Волги; 2) наличием обширных материалов по рекам с разветвленным руслом (карты судоходных рек с начала XX века – 50-х годов, архивные данные исследований с 1957 г., ксмоснтмки и др.), позволяющих выполнять ретроспективный анализ переформирований разветвления; 3) разработкой и успешной реализацией рекомендаций по дноуглублению на водных путях, защите от негативного воздействия рек на хозяйственную инфраструктуру на их берегах, предотвращению разрушений инженерных объектов и т.д. на реках с разветвлённым руслом; 4) применением современных методов и аппаратуры при проведении исследований; 5) выполнением натурных исследований на больших и крупнейших реках, математическое моделирование русловых процессов и т.д. В работах коллектива разработан междисциплинарный подход к изучению эрозионно-русловых систем, основанный на интегральном представлении о перемещении различных материальных сред (жидкости, твердых тел, дисперсных систем) как основе функционирования русловых систем и затрагивающий разнообразные аспекты гидрологических и геохимических явлений, обоснованы и адаптированы численные, мониторинговые и экспериментальные методы оценки и прогноза состояния эрозионно-русловых систем в современных и ожидаемых климатических и антропогенных условиях ХХ1 века. В этих работах были намечены пути совмещения результатов этих направлений с геохимическими методами, реализуемые в настоящем проекте при исследовании разветвлений русел рек.

Основу исследований составляет методология гидролого-географического изучения русловых процессов, разработанная в МГУ имени М. В. Ломоносова под руководством Н.И. Маккавеева и Р.С. Чалова, позволяющая использовать комплексный подход к изучению морфодинамикии гидроморфологии речных русел, в т.ч. русловых разветвлений. Он предполагает: 1) выполнение натурных исследований, включающих съемку и промеры русел, гидрометрические работы (измерение расходов воды и взвешенных наносов, скоростных полей потока и др.), отбор проб донных отложений, обследование поймы, берегов и др.) с применением современной аппаратуры и приборов; 2) проведение руслового анализа с использованием разновременных космических снимков, лоцманских карт и карт русел разных лет издания, регулярно составляемых службами водных путей на судоходных реках в основном с конца ХIХ – начала ХХ веков и фиксирующих состояние русел на соответствующие временные срезы; 3) математическое моделирование деформаций русловых разветвлений; 4) разработку гидроморфометрических и гидролого-морфологических зависимостей, позволяющих устанавливать связи и соотношения между параметрами русел и показателями факторов русловых процессов; 5) применение ГИС-технологий, материалов ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли); 6) определение стока взвешенных наносов по стандартным методикам по данным сетевых наблюдений, а также с применением разрабатываемых методов определения мутности по космическим снимкам, влекомых – по методике, разработанной Н. И. Алексеевским; 7) прогнозных оценок русловых переформирований разветвлений по данным гидролого-морфологического анализа, применения QI-диаграмм и соотношений мощности потока с показателями стока наносов, устойчивости русел и т.д. Новым в планируемых в 2021-2022 гг. исследованиях является проведение химического анализа взвешенных наносов и речных донных отложениях в разветвлениях. Для выявления особенностей распределения тяжелых металлов в системе «взвешенные наносы – влекомые наносы – русловые отложения» будет проводиться исследование химического состава образцов наносов. Для взвешенных, донных и влекомых наносов будет выполнено определение размерной структуры с помощью лазерного анализатора частиц «Analysette 22» FRITSCH. Для определения содержания тяжелых металлов, растворенного органического углерода (POУ), взвешенного органического углерода (ВОУ), общего органического углерода (ТОС), органического вещества в береговых разрезах и донных осадках и взвешенном материале будут использоваться традиционные методы, принятые в мировой практике. Это обеспечит развитие нового направления в русловедении (учении о русловых процессах) – гидргеохимии речных русел и его реализацию применительно к разветвлении.