Геоморфология и палеогеография, 2021, T. 52, № 3, стр. 79-89

ВВЕДЕНИЕ

Поступление речных наносов в русловые водотоки (речное звено эрозионно-русловой системы – ЭРС) и последующее перемещение частиц определяются сложной совокупностью меняющихся во времени и мозаично распространенных в пределах водосбора природных и антропогенных процессов. Основным средством количественного описания закономерностей этих процессов служит баланс наносов – важнейшая характеристика эрозионно-аккумулятивного процесса, в упрощенном виде для крупного речного бассейна записывается в виде:

где W – потоки вещества, т/год: ${{W}_{{\text{в}}}}$ – водосборная эрозия, ${{W}_{{\text{б}}}}$ – русловая эрозия, ${{W}_{{{\text{ак}}}}}$ – аккумуляция на водосборе, ${{W}_{{\text{р}}}}$ – аккумуляция в русле, $(WR{\text{\;}} + WG)$ – сток взвешенных и влекомых наносов в устьевом створе.

Разные части уравнения существенно отличаются между собой, а для больших рек коэффициент доставки наносов, представляющий собой отношение суммарного стока наносов к объему поступающего с водосбора материала, меньше 0.5 [1]. В глобальном масштабе это проявляется в несоответствии величин стока наносов и эрозии почв. Согласно последним исследованиям, учитывающим мероприятия по защите от эрозии почв и выполненных на детальной (250 × 250 м) сетке, величина эрозии в Мире оценивается в 17–18 × 10⁹ т/год [2]; эмпирические оценки стока взвешенных наносов в моря, океаны и крупные водные объекты суши, образующие области внутреннего стока, составляют около 15–20 × 10⁹ т твердого материала [3], в свою очередь от 40 до 67% стока наносов формируется за счет антропогенного воздействия, а величина коэффициента доставки наносов (SDR) для всей земной поверхности – от 5 до 20% [4].

Получение надежной информации для расчета величин затрудняет ограниченность данных о роли русловых деформаций. Приводимые в литературе данные обладают большой неопределенностью и изменяются в широких пределах, например, для стока взвешенных наносов, по мнению Н.И. Алексеевского, от 1 до 64% [5]. Наиболее известные исследования, основанные на расчленении источников формирования стока наносов, связаны с работами А.П. Дедкова и А.В. Гусарова, согласно которым величина русловой составляющей общей интенсивности эрозии по стоку взвешенных наносов (δr) не превышает, в среднем, 15%: по равнинным рекам – 10.4 ± 1.5%, по низкогорным рекам – 4.9 ± 0.9%, по среднегорным рекам – 4.0 ± 0.8% [6]. Основной недостаток этих оценок – отсутствие фактической калибровки используемой расчетной модели, также основанной на значительных допущениях (построение зависимости между расходом воды и расходом русловых наносов по 2–3 точкам, соответствующим межени, когда предполагается отсутствие бассейновых фракций в стоке наносов). Широкое применение получили косвенные методы, основанные на выявлении соответствия состава и источников стока наносов (модель “отпечатка пальцев” (fingerprinting). На ее основе для рек Великобритании было показано [7], что в среднем 85–95% стока взвешенных наносов связано с бассейновой составляющей (почвенно-овражная эрозия), в то время как русловая составляющая определяет 5–15% стока. При этом для части водосборов вклад русловых деформаций формирует более 40% стока взвешенных наносов. Для столь крупных бассейнов вычисления составляющих баланса наносов выполнялись только для Рейна [8]. Для данного водосбора приводятся следующие оценки: ${{W}_{{\text{б}}}}$ =3.26 Мт/год, $\left( {WR + WG} \right)$ = 1.53 Мт/год, ${{W}_{{\text{р}}}}$ = 2.99 Мт/год, в свою очередь наиболее значимый отрицательный член баланса — это антропогенное дноуглубление W_антр = 8.97 Мт/год, а значительным источником поступления наносов в русло служит сток наносов притоков, равный 6.24 Мт/год, что в некоторой мере отражает влияние эрозии на водосборе.

Различия подобных оценок – причина отсутствия до настоящего времени единой модели баланса наносов крупного речного бассейна. В то же время современные геоинформационные базы данных и архивы спутниковых снимков позволяют значительно расширить возможности анализа и непосредственно оценить вклад русловых деформаций в сток наносов. Цель настоящей статьи – оценка соотношения бассейновой и русловой эрозии, аккумуляции наносов в водохранилищах и стока наносов в замыкающих створах для определения масштабных изменений процессов массопереноса крупнейших речных систем. Для этого проводилась адаптация уравнения баланса наносов для крупных речных бассейнов на примере р. Обь (F = 2 990 000 км²) и р. Енисей (F = = 2 580 000 км²) (рис. 1), решались задачи разработки методики ГИС-моделирования вклада русловых деформаций в поступление материала руслового происхождения, в проведении региональных бассейновых оценок эрозии почв и сопоставлении этих данных с данными о стоке взвешенных наносов, для выявления объемов аккумуляции вещества в речном бассейне. В завершение обсуждается точность методов оценки составляющих баланса наносов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эрозия почв на водосборе ${{W}_{{\text{в}}}}$ (т/га в год) в работе рассматривается на основе уравнений универсальной эрозии RUSLE (табл. 1) и на основе ЦМР разрешением 250 м GMTED 2010 [9]. Пересчет оценок (т/га в год) велся по формуле:

Поток вещества, поступающий в результате развития русловых деформаций ${{W}_{{\text{б}}}}$, т/год, оценивался на основе уравнения:

где ρ_отл – плотность русловых отложений размываемого/намываемого берега (кг/м³), Δt – разница во времени между первым и последним снимками.

Высота берега ($наводной~\;{{h}_{{\text{б}}}}~\;части)$ получена по данным ЦММ Arctic DEM с разрешением в 2 м. Ее распространенность лишь до 60°с.ш. лимитировала расчетный участок для Оби от начала дельты до гидропоста (г.п.) Александровское в Томской области (1678 км от устья), для Енисея – от дельты до г.п. Ярцево у впадения Каса (1501 км от устья). Оценка средней глубины реки, которая для приблизительных расчетов может быть принята за глубину подруслового склона, производилась по формуле Шези. Для этого использованы глобальные базы данных HYDROAtlas [10] и GRWL [11]. Площади размыва были взяты по сопоставлению информации по данным автоматического дешифрирования GSWE [12]. Все работы по формуле (3) были автоматизированы средствами ArcGIS. Входные данные и источники для решения уравнения (3) указаны в табл. 2.

Сток наносов почти полностью перехватывается аккумуляцией в пределах русловой сети W_р (в первую очередь за счет водохранилищ). В этой связи части водосборов, расположенные выше крупнейших проточных озер и водохранилищ, исключились из уравнения (1) и расчета величины. Интегрально аккумуляция наносов в пределах всего речного бассейна оценивалась в работе как:

Для оценки величины (WR + WG) использованы 2 метода. Метод 1 предполагал использование сетевых данных о стоке наносов Оби и Енисея по информации с замыкающих створов (г.п. Салехард для Оби и г.п. Игарка для Енисея). Ряды наблюдений для данных рек имеют продолжительность в 78 лет для обоих гидрологических постов с 1938 по 2016 г., хотя в случае г.п. Игарка наблюдается значительная нестационарность ряда, связанная со строительством водохранилищ на Енисее и Ангаре, что приводит к необходимости деления ряда на части и требования вести их рассмотрение отдельно [14]. В случае г.п. Игарка, оценка среднемноголетнего стока наносов производилась за период с 1992 по 2016 г. (24 года) [14].

Метод 2 основан на измерении расходов наносов с использованием доплеровских измерителей скоростей течений ADCP RiverRay 600 кГц экспедицией МГУ и пересчете этих данных в годовые объемы стока наносов. На Оби полевые съемки проводились в створе г.п. Салехард в три временных периода разной водности: в конце летне-осенней межени (2 измерения 22 и 24 сентября 2018 г.; 1 измерение в начале зимней межени со льда 12 ноября 2018 г.; 2 измерения на спаде весенне-летнего половодья 27 июня и 1 июля 2019 г. Измерения на Енисее в створе г.п. Игарка проводились 3 раза в период половодья 4, 13, 16 июня 2019 г. Была получена региональная зависимость между обратным рассеянием и измеренной мутностью воды:

где $SS{{C}_{{ADCP}}}$ – мутность в ячейке $ADCP,$ $C''$ и ${{K}_{c}}$ – коэффициенты в линейной регрессии, отражающие комплексное влияние частоты излучения прибором и рассеянием лучей в чистой воде, ${{S}_{{v}}}$ – обратное рассеяние.

Для восстановления значений ${{S}_{{v}}}$ в придонной части профиля для каждого ансамбля были построены кривая распределения скорости по вертикали Гришанина (7) и кривая мутности Рауза (8):

где U – скорость: пов – у поверхности, h – на искомой глубине; h – глубина реки, z – расстояние от дна, I – уклон. где S – мутность на горизонте, S_a – придонная мутность, h – глубина профиля мутности, z – расстояние от дна, R_o – число Рауза, a – слой придонной мутности, принимаемый равным 2 · D₅₀, где D₅₀ – средний диаметр донных отложений, принятых за диаметр среднезернистого песка в 0.5 мм.

Переход от мутности S к частному расходу взвешенных наносов осуществляется по формуле (9), путем перемножения значений скорости и мутности в ячейках профиля отдельно для каждого ансамбля и глубины. При едином размере ячеек их сумма составляет моментальный расход взвешенных наносов в поперечном профиле реки (9):

Пересчет измеренных расходов взвешенных наносов в среднегодовые значения выполнен на основе уравнения Маккавеева [5] (10). Для этого был вычислен по измеренным значениям расхода воды и наносов средний эрозионный коэффициент А. Для Енисея он составил в среднем 0.68. Для Оби эрозионный коэффициент был рассчитан отдельно для межени и для половодья и составил соответственно 1.06 и 0.42. Подстановка этих значений и использование среднемесячных величин расходов воды Q позволили получить среднегодовые значения $WR + WG$ (табл. 3).

где А – эрозионный коэффициент, Q – расход воды, R – расход наносов, I – уклон водной поверхности на посту.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Получены численные оценки параметров баланса наносов (1) для водосборов (табл. 4, рис. 2). На Енисее при суммарном объеме дождевой эрозии W_эр = 315 млн т/год, только в бассейне Байкала формируется и полностью перехватывается около половины продуктов бассейновой эрозии – 167 млн т/год. В результате объем продуктов эрозии W_эр, доступный для транспорта рекой в нижней части бассейна, на Енисее составляет около 17% от суммарной эрозии, что вместе с влиянием факторов W_русл существенно уменьшает вклад бассейновой составляющей в итоговый сток наносов Енисея. Для водосбора Оби потенциальный поток продуктов эрозии составляет W_эр = = 1250 млн т/год, но практически весь (около 89%) сток наносов перехватывается водохранилищами в верховьях Оби – Новосибирским, и Иртыша – Шульбинским (рис. 2). Итоговое значение доступной для транспорта эрозии составляет 11% от суммарной эрозии на водосборе в 142 млн т/год.

Русловая эрозия Оби от верхней границы дельты до г.п. Александровское в Томской области (1680 км от устья) оценивается в 35.0 Мт/год. На Енисее от дельты до г.п. Ярцево у впадения Каса (1500 км от устья) в русло поступает 21.9 Мт/год.

Аккумуляция в бассейне Оби, рассчитанная по уравнению (4), при оценке стока наносов по методу 1 составляет 1270 Мт/год для Оби и 335 Мт/год для Енисея. Если учитывать только территорию водосбора ниже водохранилищ, то для Оби она равна 161 Мт/год и для Енисея 73.2 Мт/год. При оценке WR + WG методом 2 суммарная аккумуляция материала в бассейне Оби оценивается 1220 Мт/год, для Енисея 304 Мт/год. Для территорий водосбора ниже плотин аккумуляция составляет 85.5 Мт/год для Оби и вдвое меньше для Енисея (43.0 Мт/год).

ОБСУЖДЕНИЕ

В пределах крупных речных бассейнов объемы эродированного на водосборе материала значительно превышают объемы материала, эродированного в русле. Объемы поступления продуктов русловой эрозии в пределах нижнего течения крупных рек сопоставимы со стоком наносов, а учитывая, что они непосредственно поступают в русла реки, можно предполагать крайне высокие значения генетических коэффициентов русловой эрозии. Для средней (ниже слияния с р. Вах) и нижней Оби и нижнего Иртыша (ниже Горноправдинска) в результате русловых деформаций в русло поступает 35 Мт/год, в то время как весь объем доступных (без учета части перехватываемой водохранилищами территории) продуктов эрозии почв (потенциальной эрозии) оценивается в 1250 Мт/год.

На отличия оценок существенно влияет точность оценки стока наносов. Сток наносов по методу 1 существенно ниже оценок по методу 2 (для Оби в 3.8 раза, для Енисея в 13.5 раза). Соответствующие расчеты величин аккумуляции, а значит и ее значение для балансов наносов по методу 1, возрастают. Особенно ярко это прослеживается для незарегулированных частей водосборов, где объемы эродированного с водосборов материала, согласно произведенным расчетам, не так велики. Для Оби по методу 2 суммарная величина аккумуляции для водосбора ниже водохранилищ оценивается в 161 Мт/год, что выше полученных значений по методу 1 в 2 раза, а для незарегулированной части водосбора Енисея эта величина, рассчитанная по методу 2, составляет 73.2 Мт/год, т.е. превышает оценки относительно метода 1 (43.0 Мт/год) в 1.7 раза.

Приведенные расчеты позволяют сделать вывод об аккумулирующем типе развития эрозионно-русловых систем крупных рек. Лишь малая часть всего размытого материала транспортируется к устьевому створу, что характеризует коэффициент редукции стока наносов (12):

Принимая сток наносов, рассчитанный по методу 1 по данным Росгидромета, K_ред для всего водосбора, включая водосборы водохранилищ, K_ред по формуле (11) составит 80.3 для Оби и 146 для Енисея. Если вычисления K_ред произвести только для территорий ниже водохранилищ, т.е. исключить из суммарной эрозии (${{W}_{{\text{в}}}} + {{W}_{{\text{б}}}}$) эрозию водосборов водохранилищ, то для Оби K_ред увеличится до 11.1, для Енисея 32.8.

Рассчитывая сток наносов методом 2 и принимая во внимание суммарную эрозию водосборов, включая (${{W}_{{\text{в}}}} + {{W}_{{\text{б}}}}$) с зарегулированных областей, коэффициент редукции стока наносов K_ред по формуле (11) для Оби составляет 2.27, а для Енисея 2.30. Для нижних течений рек (ниже водохранилищ) с увеличением транспортирующей роли потока K_ред для Оби значение коэффициента редукции стока наносов повышается на порядок, достигая 20, для Енисея он увеличивается в 4 раза и составляет 10.

Важным представляется обсуждение точности и верификации полученных значений, в уравнениях баланса наносов на водосборе (1). Расчеты годовых объемов водной эрозии по уравнению RUSLE (т/га в год) верифицируются по данным о многолетних годовых значениях почвенной эрозии. Наиболее детальная верификация данных моделирования RUSLE приведена в работе [2]. Они демонстрируют высокую сходимость с оценкой распространения деградированных земель Global Assessment of Land Degradation and Improvement (GLADA), основанную на анализе индексов NDVI [15]. Особенно точное соответствие отмечается для территорий Центральной и Южной Америки, Африки, Океании, Восточной части США, Восточной Европы и Японии. Также сравнение расчетов [2] с экспериментальными и косвенными эмпирическими (накопление наносов в водохранилищах, ряды стока наносов) данными по более чем 2500 участков по всему миру [16] также дают основание говорить о достоверности моделирования.

На исследуемой территории Сибири функционируют около шести стационаров на разных типах почв [17]. Так, было выполнено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными опытно-производственного стационара при Алтайском НИИСХ на склонах крутизной от 2° до 4° [18], который располагается в водосборе Оби, в пригороде г. Барнаула. Здесь смыв почвы на участке, занятом многолетними травами, составил 1.7 т/га в год. Для зябей, в среднем, – 14.5 т/га в год, для вспаханной почвы (зябь, стерня) – 13.4 т/га в год. Сравнивая с моделируемыми значениями для данной стационара, участки которой менее подвержены эрозии и не обрабатываются (определенные по данным дешифрирования GlobCover 2009 [19] как территории с разреженной растительностью), эродируется 0.5–1 т/га и 1–2 т/га, что сходно со значениями водной эрозии для опытных участков с посевом многолетних трав. В то же время с территорий, классифицируемых GlobCover 2009 как “cropland” (англ. с/х поля), согласно по расчетам RUSLE эродируется 11.4 т/га, что во многом соответствует значениям сноса почвы с зябей стационара при Алтайском НИИСХ.

В труде [20] приводятся обобщенные данные значений водной и талой эрозии в зоне обрабатываемых участков лесостепи и степей западной Сибири на пунктах стационарных наблюдений. Значения величины талой эрозии составляют от 4.5 до 8.1 т/га, а водной эрозии – 17.1 т/га. Такие значения водной эрозии действительно сопоставимы с теми, что наблюдаются по расчетам модели. Оценка по модели RUSLE дает 11.4 т/га в год для распаханной территории в данной области. В восточной Сибири, а также в средней и северной части водосбора натурные измерения водной эрозии не производились [20].

Характеризуя качество моделирования, можно сказать, что по данным вышеприведенных сравнений погрешность методики оценки эрозии почв, занятых многолетними травами, составляет 53%, в сторону занижения результатов, для пашни занижение составляет от 20 до 50%.

Точность измерений стока наносов можно оценить, сопоставив сетевые данные с данными экспедиций МГУ. Как для Оби, так и для Енисея сток наносов, рассчитанный методом 1, по данным Росгидромет, значительно меньше расчетов методом 2. Это вызвано тем, что, во-первых, для г.п. Игарка произошло занижение расходов воды, определенных по некондиционным кривым Q = f(h), в то время как измерения проводились в момент пика половодья, когда завышение составило от 6.7 до 12%. Во-вторых, произошло занижение оценки средней мутности. Причиной этому является нерепрезентативность отбираемых проб для г.п. Салехард, а также использование фильтров “Белая лента”, с диаметром пор (10–12 мкм), приводящих к занижению получаемых оценок мутности [21] по некондиционным кривым (R + G) = f(H) для г.п. Игарка. Так, средняя мутность для г.п. Игарка была занижена в среднем на 386–810%, а для г.п. Салехард на 81%. Такое занижение мутности приводит к значительному занижению общих моментальных расходов наносов – для г.п. Игарка от 4.5 до 8 раз, для г.п. Салехард в 1.7–1.9 раза.

Поэтому наблюдаются различия между рассчитанным среднегодовым стоком наносов по методу 2, и значениями, полученными путем стандартной статистической обработки, изложенной в труде [14], т.е. методом 1. Разница между расчетами годового стока взвешенных наносов составляет 287% для Оби и 158% для Енисея.

Наиболее сложной для верификации представляется русловая эрозия. Были сопоставлены результаты определения зон размыва по данным автоматического дешифрирования GSWE [12] с данными ручной обработки снимков. Последний способ был выполнен для средней и нижней Оби в работе А.А. Кураковой и Р.С. Чалова [22]. Сравнивая результаты ручной и автоматизированного ГИС-дешифрирования, выявлена высокая сходимость результатов, где погрешность площадей размывов GSWE достигает 10.5%.

Имея результаты оценок отдельных компонентов баланса вещества на водосборе, можно сделать вывод о роли того или иного компонента в формировании стока наносов. Так, для Оби водосборная эрозия существенно выше енисейских значений как суммарно (1250 Мт/год > 317 Мт/год), так и на незарегулированной его части ниже всех водохранилищ (35.0 Мт/год > 21.9 Мт/год). Это ярко иллюстрирует тот факт, что различия в физико-географических условиях водосборов, таких как меньшая заселенность, большая распаханность бассейна Оби и иные подстилающие породы, увеличивают водосборную эрозию и поступление наносов. Величина береговой эрозии на Оби (35.0 Мт/год) также больше, по сравнению с Енисеем (21.9 Мт/год). Это вызвано различными условиями формирования русла: если для широкопойменного песчаного русла Оби характерны масштабные переформирования с массовым переносом вещества, то для Енисея с его врезанным руслом боковая эрозия выражена слабее, хотя в связи с малой интенсивностью водосборной эрозии приобретает большую роль в формировании стока наносов. Сток взвешенных наносов Оби за счет бóльшей мутности превышает сток наносов на Енисее почти в 2 раза по данным МГУ и в 7 раз по данным Росгидромет. Полученная по разности элементов баланса величина аккумуляции в бассейнах сопоставима по значению с другими компонентами баланса наносов – для Оби (56.5 Мт/год) она соответственно больше, чем на Енисее (43 Мт/год). Такие высокие значения аккумуляции свойственны низовьям больших рек, характеризующихся аккумулирующим режимом [23]. Например, сходные соотношения между элементами баланса наносов имеются для низовий Амазонки, где сток наносов в замыкающем створе равен 1240 Мт/год, когда аккумуляция в долине в разных ее проявлениях равна 2070 Мт/год, а эрозия берегов составляет 1570 Мт/год [24]. За счет размеров бассейна разница между приходными и расходными составляющими баланса наносов на порядок превосходит соответствующее значение рек Восточно-Европейской равнины [31].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые для крупных речных бассейнов предложена и адаптирована методика разноуровневых оценок основных составляющих баланса наносов: эрозии почв, русловой эрозии, стока наносов и аккумуляции наносов на водосборах и в руслах рек.

2. Объемы эрозии почв существенно преобладают над объемом поступления в реки материала руслового происхождения. В результате эрозии на водосборе Оби перемещается около 1250 Мт/год (или 142 Мт/год в пределах части водосбора ниже водохранилищ), в то время как русловая эрозия нижнего течения (участок длиной 1680 км от устья) составляет лишь 35.0 Мт/год. На водосборе Енисея перемещается около 315 Мт/год (53.6 Мт/год на незарегулированной части водосбора), русловая эрозия достигает 21.9 Мт/год на участке от дельты до г.п. Ярцево у впадения Каса (1501 км от устья). Среднегодовой сток взвешенных наносов в устьевом створе по данным Росгидромет для Оби составляет 16 Мт/год, для Енисея 2.4 Мт/год, а по данным расчетов и полевых измерений МГУ для Оби 63.5 Мт/год, для Енисея 32.5 Мт/год.

3. Исследуемые речные бассейны в современных гидроклиматических условиях представляют собой области аккумуляции.

4. Выполнены оценки точности оценки составляющих уравнения баланса наносов. Для водной эрозии превышения экспериментальных значений над расчетными не превышают 20–50%. Верификация данных ручной оцифровки и автоматического дешифрирования вклада русловых деформаций свидетельствует об отклонении последних на величину до 10.5%.