Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 2, стр. 218-230

ВВЕДЕНИЕ

Одним из актуальных вопросов изучения русловых процессов остается выработка надежной системы количественного прогнозирования размывов берегов (горизонтальных русловых деформаций). Она необходима при проектировании гидротехнических сооружений, разработке схем защиты населенных пунктов и хозяйственной инфраструктуры от воздействия речных вод. Действующий методический аппарат либо основывается на использовании данных по рекам-аналогам (СТО ГУ ГГИ 08.29-2009), либо на инерционном прогнозе по данным ретроспективного анализа русловых процессов. В этой связи детальные оценки плановых переформирований приобретают особую значимость. Они используются и для выработки численных моделей размыва берегов, которые часто рассматривают скорость береговой эрозии как функцию морфометрических характеристик русла (например, отношения радиуса кривизны излучины r к ширине русла w). В отечественной литературе широко известны зависимости скоростей смещения берегов от показателя степени развитости излучин l/L, где l – длина и L – шаг излучины (Кондратьев, 1982; Маккавеев, 1955). Модели размыва берегов, основанные на прямых соотношениях с определяющими факторами – водностью (Беркович, Власов, 1982), уклонами русла (Опасные…, 2014), морфометрическими характеристиками русла (Dai et al., 2018; Hickin, Nanson, 1983) и др. – часто плохо отражают реальные схемы плановых переформирований, что связано в первую очередь с их применимостью исключительно к меандрирующим рекам. Детальных оценок количественных переформирований и объемов поступления наносов от размывов берегов, дифференцированных по морфодинамическим типам русла, крайне мало, а существующие оценки (Lehotský et al., 2018; Mandarino et al., 2018) характеризуют ограниченный набор типов рек и природных условий. Многие речные системы и типы русел до настоящего времени не изучены с точки зрения интенсивности и временной изменчивости русловых деформаций, что и является препятствием для выработки надежной системы прогнозирования горизонтальных деформаций.

К недостаточно изученным объектам относятся крупные реки Камчатского края, где вопросы количественной оценки русловых переформирований неустойчивых русел рек, к которым здесь относятся в первую очередь пойменно-русловые разветвления, практически не рассматривались (Ермакова, 2009; Завадский и др., 2015). В целом это характерно для вулканических районов и других регионов (Woolfe, Purdon, 1996). Характерные типы переформирований пойменно-русловых разветвлений (прорывы поймы, перераспределение расходов воды между рукавами, приводящее к последовательной интенсификации размывов берегов в разных рукавах) плохо согласуются с известными теоретическими (критериальными) подходами к оценке устойчивости русла (Чалов, 2008). Именно эти типы русла вместе со свободными излучинами преобладают по длине крупнейшей водной артерии Камчатского полуострова – р. Камчатки. Здесь находится большое количество населенных пунктов, в которых наблюдается или прогнозируется катастрофическая ситуация, связанная с размывом берегов. В поселке Долиновка (численность населения – 315 чел., 2010 г.) в результате интенсификации размыва излучины р. Камчатки за последние 20 лет было смыто 30% территории. Частичные разрушения наблюдаются в селах Майское и Кирганик. В результате разрушения берега были полностью оставлены села Красный Яр, Крахча, Машура, совхоз Макарка и большое количество небольших населенных пунктов и заимок. Постоянного переноса требуют транспортные коммуникации и переправы, от которых во многом зависит жизнедеятельность поселений. Указанные проявления размывов берегов делают задачу изучения плановых переформирований р. Камчатки исключительно актуальной. Для ее достижения, с учетом распространения пойменно-русловых разветвлений, требуется специальный аппарат оценки, основанный на ГИС-анализе совмещенных планов русла, восстановленных по доступным космическим снимкам и картографическим ресурсам (Lehotský et al., 2018), что значительно расширяет возможности руслового анализа по сравнению с традиционными методами (Чалов, 2006). Выявление связей полученных параметров разветвленного русла с факторами русловых процессов определяет возможность количественного прогнозирования переформирований неустойчивых русел.

В работе проведена оценка темпов и факторов плановых переформирований р. Камчатки. Для этого обоснована классификация морфодинамических типов русла этой реки и дана характеристика их пространственной (продольной) изменчивости. Для каждого выделенного типа русла проведен количественный анализ темпов размыва берегов на основе ретроспективного ГИС-анализа и выполнены дифференцированные по типам русла расчеты темпов плановых переформирований и закономерностей их развития. Полученные результаты использованы для оценки вклада русловой эрозии в сток наносов, а также апробации существующих моделей размыва берегов и обоснования их применимости к различным типам русла.

МЕТОДЫ

Анализируется участок долины реки длиной 583 км от с. Шаромы (ПК 1), выше которого русло имеет полугорный характер. Нижней границей выбран участок подхода реки к хребту Кумроч (Камчатские Щёки, ПК 583) (рис. 1), где происходит резкое сужение долины, смена широкопойменного разветвленного русла на врезанное прямолинейное. Ниже по течению уже располагается устьевая область реки.

Оценка русловой эрозии производилась путем сопоставления контуров русла по привязанным снимкам 1964–1975 гг. программы KeyHole и современным (2012–2018 гг.) снимкам Quickbird, Worldview и Spot. Благодаря этому удалось расширить период сопоставления до 50 лет и в результате получить комплексную оценку переформирований вне зависимости от периодов водности и отдельных импактных событий (в частности, извержений вулканов или циклов прорыва излучин). На исследуемом участке долины р. Камчатки было выявлено 635 участков размыва русла – отступания береговой линии. Для количественной оценки трансформации пойменно-русловых разветвлений был разработан метод индикации плановых переформирований (ИПП), основанный на расчете площадей зон размыва (F₃, м²), намыва (F₂, м²) и неизменившегося русла (F₁, м²). Для анализа больших по протяженности и площади участков русла реки использовались методы полуавтоматического дешифрирования, основанные на подборе комбинаций каналов мультиспектральных снимков и классификации с обучением. Все спутниковые данные – как снимки за период 1964–1975 гг., так и современные – привязывались в программном комплексе ESRI ArcGIS к пространственной основе по как минимум 20 контрольным точкам. Все спутниковые данные были приведены к единой системе координат.

Любой участок русла (речной долины) представлялся состоящим из трех участков (рис. 2): 1  – неизменившееся русло, соответствующее границам русла, сохранившимся в исследуемый отрезок времени; 2 – область образования новой поймы, сформировавшейся за исследуемый период вследствие деформаций (смещений) русла; 3 – область размыва, соответствующая части поймы, уничтоженной за исследуемый период в ходе русловых деформаций и смещений русла.

Полученные параметры использованы для оценки скорости размыва берегов в пределах зоны размыва. Для этого площадь размываемого берега F₃ соотносилась с длиной зоны размыва L (см. рис. 2), что позволяло определить его среднюю ширину:

При делении получившегося значения на количество лет n между съемками получены скорости размыва берега за период (3):

Это значение характеризует среднюю скорость размыва берега за интервал времени. Сопоставление этих данных с высотой пойменного массива H (м), рассчитываемой относительно средней глубины русла в створе размыва, позволяет определить объем русловых отложений, поступивших в русло реки в результате размыва берегов (М, м³/год):

Для оценки стока наносов, поступающего за счет размыва берегов (Wр, т/год), использовалась плотность пойменных отложений 1470 кг/м³, установленная ранее для грунтов, слагающих поймы камчатских рек (Опасные…, 2014; Школьный и др., 2018).

Значения высот берегов получены с использованием цифровой модели рельефа ArcticDEM (https://www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/) вручную путем построения поперечных профилей в створах наибольшего размыва на выделенных участках, снятия абсолютного значения высоты берегового уступа и вычитания соответствующей данному пикету высоты уреза воды, принятого по анализу SRTM. Несмотря на значительную погрешность, возникающую при применении данной методики, более точные результаты (для существующих в настоящее время моделей рельефа) возможны только при детальном анализе каждой ячейки-источника съемочной миссии, водного режима на дату съемки и требуют значительных объемов наземной верификации (Hickin, Nanson, 1983). В то же время полученные значения относительной высоты берегов для обследованных участков в районе населенных пунктов соответствуют измеренным превышениям бровок над урезами воды на спаде половодья с расхождением до 0.7 м.

Уклоны русла р. Камчатки были получены с использованием цифровой модели рельефа SRTM GL1 v3 (NASA JPL, 2013), показавшей наиболее корректное определение положения гидрографической сети в рельефе для данной территории по сравнению с другими моделями рельефа (ASTER, GTOPO, ArcticDEM). По модели рельефа была построена гидрографическая сеть, затем она разбивалась на пикеты с дискретностью 100 м, для которых были получены абсолютные отметки высоты. Значения уклона рассчитывались путем получения скользящего среднего из ряда значений высот.

Полученные значения о скоростях размыва берегов сравнивались со значениями, рассчитанными по моделям размыва, получившим наиболее широкое применение в практике руслового анализа. Использованы расчеты скоростей размыва берегов по формуле К.М. Берковича (Беркович, Власов, 1982):

где С_расч – скорость размыва берегов, Q – расход воды, I – уклон русла, d – крупность руслообразующих наносов, Н_б – высота размываемого берега, К – коэффициент с размерностью (м³/с)^–1, изменяющийся в пределах от 6.0 × 10^–3 до 0.8 × × 10^–5 в зависимости от водности реки. Значения средних расходов воды, используемых в формулах для расчета скоростей размыва берегов, получены по данным многолетних наблюдения на пяти гидрологических постах р. Камчатки в пределах исследуемого участка (Верхне-Камчатск, Долиновка, Лазо, Козыревск, Ключи). Период наблюдения на постах варьирует от 40 до 70 лет, за последние 15 лет данные о средних многолетних расходах воды имеются только по двум постам – Верхне-Камчатск и Козыревск, по г/п Ключи имеются данные до 2006 г. Интерполяция изменения расходов воды по длине реки между гидрологическими постами осуществлялась с использованием зависимости расхода воды (Q) от порядка реки по системе Шайдеггера (N) – Q_ср= ae^bN, где a и b – региональные коэффициенты (Алексеевский и др., 2004; Ермакова, 2009). Погрешность расчетов оценивалась по формуле:

На нижнем участке, по современным данным (Фролова и др., 2014), среднегодовой расход воды составляет Q = 892 м³/c (г/п Большие Щёки). Расчетные значения расходов воды привязывались к имеющимся данным наблюдений за стоком взвешенных наносов по постам Козыревск и Большие Щёки, находящимся соответственно в нижней части и ниже исследуемого участка (см. рис. 1). Среднемноголетний годовой сток взвешенных наносов W_R был рассчитан по графикам связи W_R = f(S), где S – мутность воды, и составил 2.2 млн т/год (Школьный и др., 2018). Расчеты Л.В. Куксиной (Kuksina, Alexeevsky, 2014) показывают, что доля влекомых наносов W_G в суммарном стоке р. Камчатки составляет 14%. Таким образом, суммарный сток наносов W равен 2.5 млн т/год. Период относительно повышенного стока, отмечаемый для начала восьмидесятых годов, сменился на период пониженного стока, характерный для 1980–2005 гг. В последние годы снова наметился рост расхода воды, при этом в целом расходы воды однородны (Фролова и др., 2014). По разностно-интегральным кривым учитывалось, что в исследуемый период (c 1960-х годов) наблюдается повышение стока наносов (Школьный и др., 2018; Kuksina, Alexeevsky, 2014).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфодинамические типы русла. Река Камчатка на протяжении порядка 650 км течет по Центрально-Камчатской равнине; ее русло становится равнинным ниже с. Шаромы (655 км от устья, при общей длине реки 758 км). По длине реки выделяется 6 морфологически однородных участков, соответствующих разным типам русла (табл. 1). В условиях бóльших уклонов формируются меандрирующие неразветвленные русла, напротив, при снижении уклонов происходит некоторое распластывание потока, сопровождающееся формированием разветвлений – 2-й участок (ПК 76–102). Максимальные значения ширины пояса руслоформирования (до 5–6 км) характерны для 4-го участка (ПК 133–402), в пределах которого река имеет исключительно меандрирующее русло.

Основным морфодинамическим типом русла является свободное меандрирование, протяженность участков меандрирующего равнинного русла составляет более 65% длины реки. Встречаются излучины от пологих сегментных (l/L < 1.4) до крутых омеговидных (l/L > 2.0). В пределах каждой серии степень развитости излучин возрастает вниз по течению, что соответствует общим представлениям о развитии излучин (Чалов, 2011). Высокие показатели степени развитости излучин на р. Камчатке обусловлены наличием высокой, редко затопляемой поймы, а также распространением густой пойменной растительности. Оба эти условия препятствуют образованию спрямлений при прохождении высоких расходов воды; излучины постепенно искривляются, достигая стадии петлеобразных, спрямление их происходит путем встречного размыва берегов на крыльях. Постепенное увеличение водоносности реки вниз по течению находит отражение в увеличении средних значений параметров излучин (табл. 2).

Разветвленные русла распространены на локальных участках реки. Развитие пойменных разветвлений связано с особенностями формирования и функционирования пойменного потока в период повышенной водности. На одних участках расходы высоких паводков и половодья проходят в бровках поймы, что не способствует формированию пойменных проток (р. Камчатка – с. Лазо). На других участках половодный поток, растекаясь по широкой, до нескольких километров, пойме, имеет очень малую глубину (р. Камчатка – с. Долиновка, п. Козыревск) (Ермакова, 2009).

Разветвления отличаются по генезису. Если в верхнем течении участок разветвленного русла связан с остановкой крупнообломочного материала, выносимого из горной области (ПК 76–102), то в нижнем течении р. Камчатки, в зоне современного вулканизма, значительная водность и преимущественно аккумулятивная деятельность реки способствуют образованию разветвленного русла. Ниже впадения р. Козыревки (368 ПК) количество разветвлений значительно возрастает, повсеместно распространены одиночные разветвления в пределах меандрирующего русла. В районе с. Ключи (532 ПК) на р. Камчатке формируется разветвленное русло, которое распространено вплоть до самого устья за исключением участка Камчатских Щёк, где река прорезает горный хребет и имеет врезанное прямолинейное русло.

В целом в пределах исследуемого участка разветвленное русло встречается: в начале участка, ниже с. Шаромы (ПК 0–14) – на протяжении 14 км, здесь русло еще имеет полугорный тип русловых процессов; в районе с. Мильково (ПК 76–102) – на протяжении 26 км; ниже впадения р. Козыревки и до впадения р. Еловки (ПК 402–515) – на протяжении 100 км участки разветвленного русла чередуются с разветвлено-извилистыми; ниже с. Ключи (ПК 532) и до нижней границы исследуемого участка – пойменно-русловая многорукавность распространена на протяжении 70 км.

На участках свободного меандрирования значительно распространены также одиночные разветвления, в особенности в нижней части исследуемого участка. Развитие одиночных русловых разветвлений и разветвленных участков при преобладании меандрирующего русла связано с протеканием реки через область активного вулканизма. На участке реки ниже 360 ПК правобережные притоки, крупнейшим из которых является р. Толбачик, привносят много наносов, которые впоследствии переотлагаются, образуя одиночные русловые разветвления.

Особенности размывов берегов. Общая площадь размываемых участков за период сопоставления (от 23 до 50 лет в зависимости от наличия снимков на участки реки) составила 23.5 км², что соответствует в среднем величине ΔF₃ = 670 000 м²/год. Протяженность берега, подверженного размыву, составляет 37% длины левого и 44% длины правого. В результате размыва берегов на участке Центрально-Камчатской равнины в русло поступают около 3.5 млн т/год. В отдельные годы эта величина может увеличиваться до 4–4.5 млн т/год в результате прорыва излучин. Таким образом, редукция стока наносов руслового происхождения (k = = Wр/W) составляет k = 2, т.е. не менее половины материала, поступающего за счет размыва берегов, аккумулируется в русле, а в периоды повышенного стока – на пойме. По имеющимся наблюдениям (Махинов, 2006), именно переотложение на поверхности поймы играет определяющую роль в балансе наносов равнинных рек. С учетом того, что бассейновая составляющая стока наносов для нижнего течения р. Камчатки оценивается величиной около 1.2 млн т (Школьный и др., 2018), доля бассейновой составляющей оценивается в 45%, а русловой – в 55%.

По длине реки размывы вершин излучин определяют 69% от общего объема материала, поступающего за счет эрозии берегов. Вклад размывов островов и берегов относительно прямолинейных участков оценивается в 18%. В результате прорывов излучин формируются оставшиеся 13% продуктов русловой эрозии. При этом формирование только одного прорыва излучины (за 1 год) может приводить к поступлению количества наносов, превышающего аналогичные за весь период развития этой излучины. Например, после произошедшего в 1993 г. прорыва излучины, приведшего к полному исчезновению покинутого с. Машура, в русло единовременно поступило до Wр = 1 029 000 т материала, что составляет около 46% годового стока наносов (Wр/W = 0.5).

Пространственные закономерности размыва берегов следует рассматривать в двух масштабах: продольного профиля реки (мелкий масштаб) и отдельных морфологически однородных участков (крупный масштаб). В продольном профиле реки наблюдается соответствие уклона русла и темпов деформаций: максимальные скорости размывов наблюдаются в верховьях и уменьшаются вниз по течению вместе с уклонами. Снижение темпов размыва берегов в продольном континууме реки наблюдается на фоне увеличения водности реки и снижения крупности руслоформирующих и пойменных отложений, на р. Камчатке особенно ярко выраженных в связи с вхождением долины реки в область активного современного вулканизма.

На этом фоне в более крупном масштабе наблюдается трансформация интенсивности размыва берегов в связи со сменой морфодинамических типов русла (табл. 3). Верхний рассматриваемый участок реки (ПК 14–76) характеризуется максимальными уклонами и меандрирующим руслом при относительно невысоких темпах размыва берегов, что связано с транзитным режимом выноса материала при относительно малом размере реки. Максимальные размывы (в среднем в вершинах излучин от 9 до 16 м/год, рис. 3) характерны для участка реки от с. Мильково (ПК 80) до устья р. Кирганик (ПК 110). На этом участке широкопойменное извилистое русло реки разветвляется на рукава и становится разветвленно-меандрирующим. Формирование этого типа русла является характерным для полугорных рек при выходе из горной области, где происходит массовая аккумуляция поступающего материала и соответствующее ему увеличение неустойчивости русла. При этом уклоны русла здесь остаются довольно высокими по сравнению с нижележащими участками: 0.8–1.2 м/км.

Ниже по течению уклоны уменьшаются до 0.4–0.6 м/км. В пределах неразветвленного участка среднего течения р. Камчатки (134–402 ПК) темпы размывов берегов значительно ниже (2–7 м/год). Здесь же расположены участки максимального поступления в реку наносов пирокластического происхождения при впадении притоков, дренирующих склоны активных вулканов Ключевской группы и Шивелуча (Школьный и др., 2018; Kuksina, Alexeevsky, 2014).

Темпы размывов дифференцируются по типам русла (рис. 4), однако по длине реки эти закономерности нивелируются за счет изменения геолого-геоморфологических факторов, изменения водности и уклонов русла. На участке развития пойменно-русловой многорукавности (ПК 76–102 км) отмечается максимальный диапазон значений размывов берегов – в пределах доверительного интервала 25–75% его величина изменяется от 0.8 до 10 м/год. Одновременно самые низкие темпы размывов характерны также для разветвленного русла, но расположенного в нижнем течении р. Камчатки (ПК 402–583). Одной из причин высоких темпов переформирований в пределах разветвленного русла являются экстремальные непериодические плановые переформирования, в частности произошедшие в результате указанного прорыва излучины в 1993 г. на р. Камчатки возле заброшенного с. Машура. Это привело к обширной аккумуляции материала ниже на участке, проявляющейся в подъеме уровня дна, формировании обширных аккумулятивных форм и в итоге ведущей к ускорению размыва берегов ниже прорыва, сохраняющемуся до настоящего времени – до 21 м/год (15% от ширины реки на участке). Подобные темпы деформаций, а также непредсказуемость и скорость их развития позволяют отнести такие явления к экстремальным проявлениям русловых процессов (Чалов, Школьный, 2018). Следует отметить, что подобный механизм в целом характерен для равнинных широкопойменных рек. Например, на сходного размера р. Вайбаш (США) (Zinger et al., 2011) (средний годовой расход воды 881 м³/с) в результате прорыва излучины в 2009–2010 гг. за 26 мес. развития спрямления в русло поступил объем наносов, сопоставимый с аналогичной величиной за период с 1938 по 2006 г.

Совершенно другой генезис разветвлений нижнего течения реки, где основным фактором их формирования является размер реки и разделение единого потока на динамические оси, что определяет значительно более стабильный режим переформирований разветвленного русла в этой зоне. Для данного участка характерно сужение днища долины, русло реки располагается преимущественно под правым берегом, ширина пояса руслоформирования снижается до 2 км (для сравнения, выше по течению на участке распространения меандрирующего русла ее величина составляет 5–5.5 км, см. табл. 1). В продольном профиле разветвления в нижнем течении реки не являются участками максимальных размывов берегов.

Подобный режим отражает саморегулирующий характер развития морфодинамических типов русла: избыточное поступление материала за счет наличия источников в бассейне или размыва на вышерасположенных участках реки приводит к активной аккумуляции и формированию разветвленного русла, что, в свою очередь, является причиной интенсификации размыва берегов. Рассредоточение потока по рукавам в условиях свободного развития русловых деформаций и высоких уклонов водной поверхности является причиной дополнительной интенсификации размывов берегов и русловых переформирований. Ниже по течению по мере снижения объема перемещаемого в русло материала за счет аккумуляции разветвленный тип русла постепенно утрачивается. Разовое (экстремальное) поступление большого объема материала в результате прорыва одной только излучины приводит к многократному переотложению материала на нижерасположенных участках реки. Аналогично, местные источники поступления материала, связанные с притоками, определяют формирование локальных максимумов размыва берегов ниже впадения рр. Кирганик, Большая Кимитина, Щапина (ПК 110, 160, 267 км, соответственно) (см. рис. 3).

Прогнозирование темпов размывов берегов. Проведена оценка адекватности существующих моделей размыва, применяемых в практике русловых изысканий. Полученные результаты свидетельствуют о том, что использование эмпирических формул для расчета скоростей размыва берегов часто не позволяет получить достоверные результаты. Так, в формулах О.М. Пахомовой (2001) скорость размыва берегов рассчитывается как функция уклона водной поверхности реки. Результаты, полученные по данным формулам, оказались в основном сильно завышенными по сравнению с фактическими данными. Ряд эмпирических формул, основанных на зависимости скоростей размыва берегов от морфометрических показателей русла (Hickin, Nanson, 1983), также не дает достоверных результатов в связи с отсутствием в формулах гидравлических характеристик (расхода воды, мощности потока), безусловно влияющих на интенсивность размыва.

Формула К.М. Берковича, выбранная в данной работе в качестве основной для расчета скоростей размыва берегов, сочетает в себе как морфометрические показатели русла (высота размываемого берега, крупность руслообразующих наносов), так и гидравлические характеристики потока (расход воды и уклон реки). Тем не менее, сопоставление полученных данных обнаруживает значительные отклонения рассчитанных значений от фактических – систематическое занижение значений в верхней части исследуемого участка и завышение – в средней и нижней частях (табл. 4).

Причины подобного несоответствия связаны с существованием ряда нехарактерных соотношений между факторами русловых процессов и режимом размыва берегов. Наиболее ярким примером в этой связи является тенденция на обратную зависимость максимальных размывов излучин от уклона водной поверхности для р. Камчатки (см. рис. 3), что связано с ведущей ролью морфодинамики русла в формировании размыва берегов. В частности, максимальные уклоны характерны для меандрирующего русла с одиночными русловыми и пойменными разветвлениями (участок 1, 14–76 км), отличающегося минимальными размывами берегов (см. рис. 4) в условиях меньшей водности потока. В ряде случаев максимальные уклоны приурочены к врезанным относительно стабильным излучинам. Наконец, в условиях распространения вулканических легкоразмываемых пород во многих случаях максимальные размывы наблюдаются на самых высоких берегах, что также не соответствует заложенным в формуле (4) закономерностям.

В целом обращает на себя внимание последовательная смена знака погрешности при движении вниз по течению, что объясняется снижением крупности материала (фактор d в формуле (4)). Отметим, что информация о крупности материала получена по нескольким точкам опробования по длине р. Камчатки (г/п Верхне-Камчатск, Долиновка, Лазо, Козыревск) и экстраполирована, что определяет высокую неопределенность используемых при расчете значений. Это позволяет сделать вывод о том, что использование ноль-мерных моделей размыва требует большого количества исходных данных, которые не могут быть получены на современном уровне развития мониторинговой сети наблюдений. Например, при использовании детальных данных о крупности материала, слагающего излучину р. Камчатки возле поселка Долиновка, расхождение между фактическими данными о темпах размыва берегов и рассчитанными по формуле (4) значительно ниже (табл. 4), чем при использовании данных УГМС. Таким образом, если привлекать данные экспедиционных исследований и лабораторного анализа проб донных отложений, можно значительно снизить погрешность расчетов темпов размыва берегов.

Интегральным фактором интенсивности и режима переформирований следует рассматривать морфодинамические типы русла, что определяет необходимость дифференцированного (по типам русла) подхода к прогнозу размыва берегов. Был проведен анализ зависимости величины размыва берегов от расхода воды, уклона русла и высоты берегов. Использовалась модель множественной линейной регрессии, качество модели проверялось по коэффициенту детерминации R², который является индикатором степени подгонки модели к данным (значение R², близкое к 1, показывает, что модель объясняет почти всю изменчивость соответствующих переменных). Расчетные зависимости, отвечающие требованиям достоверности (R² > 0.6), получены только для двух верхних морфологически однородных участков – для меандрирующего русла (ПК 14–76):

и пойменно-русловой многоруканости (ПК 76–102):

Ниже по течению для всех морфодинамических типов русла коэффициент детерминации R² оказался менее 0.5. Это можно объяснить значительно меньшим диапазоном изменчивости уклонов русла и темпов размыва берегов в нижнем течении р. Камчатки, что снижает возможность построения регрессионных зависимостей в силу уменьшения чувствительности параметров. Возможно, определенное влияние на режим русловых деформаций в нижнем течении может оказывать избыточное поступление пирокластического материала, оказывающего влияние на морфологию и динамику отдельных участков рек. Неучет этого фактора приводит к снижению точности прогнозных моделей. В нижнем течении также возрастает роль геолого-геоморфологических условий. Аналогично, построение модели для всей выборки (635 участков размыва) без дифференциации на морфодинамические типы русла привело к неадекватным результатам (R² = 0.32).

Проверка воспроизводимости полученных моделей была выполнена на примере первого участка (ПК 14–76). Оценка параметров уравнения (6) проводилась для нечетных пикетажей. Далее по полученному уравнению оценивался размыв берегов для четных пикетажей, данные по которым использовались в качестве независимой выборки. Полученная погрешность моделирования по формуле (5) составила в среднем 47%, что почти в 2 раза улучшает воспроизведение размыва берегов по ранее предложенным общим формулам (см. табл. 4). Таким образом, система дифференцированной оценки параметров размыва берегов, основанная на обширном статистическом оценивании факторов размыва, представляется перспективным направлением прогнозирования русловых переформирований. Улучшение качества входных данных, параметризация других факторов размыва берегов (крупность русловых отложений, сток наносов, морфометрические параметры долины) позволят получить надежные прогнозные зависимости параметров размыва берегов. Уравнения (6) и (7) могут использоваться для прогноза на неизученных реках размыва берегов полугорных рек с меандрирующим и разветвленным типом русла соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интенсивность размыва берегов меняется по длине крупной реки и в пределах отдельных типов русла. Вниз по течению р. Камчатки по мере снижения уклонов русла наблюдается уменьшение интенсивности размыва берегов. Смена типов русла соответствует изменению характера плановых переформирований. Максимум интенсивности переформирований соответствует пойменно-русловым разветвлениям полугорного участка реки в верхней части продольного профиля. Важнейшим фактором размыва берегов на локальном участке реки является объем стока наносов с вышерасположенных участков.

Выявленные закономерности следует учитывать при планировании размещения хозяйственных объектов в долине р. Камчатки. Максимальные темпы размыва берегов, характерные для пойменно-русловой многорукавности, являются типичными для полуострова в целом (Опасные…, 2014), что требует исключения этих участков рек из хозяйственного использования. С другой стороны, исключительный (катастрофический) режим прорыва излучин и их экстремальное влияние на сток наносов определяют необходимость их заблаговременного прогнозирования. Количественный анализ и прогноз плановых переформирований участка реки предполагает учет режима русловых деформаций на вышерасположенных сегментах русла.