Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 5, стр. 539-551

Устье реки как особый географический объект и его научное определение

Объектами гидрологии устьев рек как науки служат устьевые области рек (или устья рек как краткий синоним). Термин “устьевая область” в 1952 г. предложил И.В. Самойлов в книге “Устья рек”, но определения ему не дал. Современное определение объекта гидрологии устьев рек, согласно [6, 11, 17, 18], может быть сформулировано следующим образом: “Устьевая область реки (устье реки) – особый географический объект, охватывающий район впадения реки в приемный водоем (океан, море, озеро), обладающий специфическими строением и экологическими условиями, переходным от речного к морскому (озерному) гидрологическим режимом и формирующийся и изменяющийся под воздействием специфических устьевых процессов – динамического взаимодействия и смешения водных масс реки и приемного водоема, отложения и переотложения речных и частично морских (озерных) наносов, приводящих к образованию устьевого конуса выноса, а часто и дельты”.

Границы устья реки

Из приведенного выше определения устьевой области реки следует, что границы этого объекта должны соответствовать пределам действия устьевых процессов – взаимодействия речной и морской (озерной) водных масс и специфических процессов переноса отложения наносов и дельтообразования. Поэтому верхняя (речная) граница устьевой области должна соответствовать дальности распространения в сторону суши морского воздействия в виде приливных и сгонно-нагонных колебаний уровня, а нижняя граница – дальности распространения влияния опресняющего речного водного стока на прибрежную зону моря или озера. Применение этих очевидных принципов выделения границ, как показывает опыт, сопряжено с большими трудностями. Устьевые области могут занимать обширные пространства в береговой зоне как на суше, так и в прибрежной зоне моря (озера); протяженность устьевой области реки способна достигать многих десятков и сотен километров, а площадь – десятков тысяч квадратных километров. Кроме того, устья рек могут изменять свое географическое положение, форму, границы и размеры при крупномасштабных изменениях как уровня моря (озера), так и стока реки. Таким образом, понятия “современное устье реки”, “современная дельта” приобретают большую неопределенность.

Например, многие считают “современными” дельты, начавшие формироваться в конце голоценовой трансгрессии Мирового океана, т.е. 7–9 тыс. лет назад. В Италии современной дельтой р. По считают дельту, формировавшуюся с XVII в., после дельты эпохи Возрождения. Китайские специалисты называют современной дельту Хуанхэ, формирующуюся в зал. Бохайвань Желтого моря севернее Шаньдунского п-ова после прорыва сюда реки в 1855 г.

Выделение границ устьевых областей рек имеет важное значение не только с позиций формального географического районирования, но и с сугубо прагматической точки зрения. Во-первых, устьевые области рек стали конкретными объектами в зоне ответственности соответствующих устьевых гидрометеорологических станций, устьевых гидрометеорологических обсерваторий, региональных центров по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Во-вторых, именно в этих объектах необходимо было применять специально разработанные методы наблюдений и расчетов.

Поэтому при изучении устьев рек необходимо учитывать следующие положения.

1. Географическое место устья реки как протяженного в пространстве природного объекта, его границы и размер зависят прежде всего от крупномасштабных изменений среднего (фонового) уровня приемного водоема. Так, морские устья рек при вековом или многолетнем повышении уровня моря (морской трансгрессии) подвергаются частичному или полному затоплению; зона взаимодействия реки и моря, верхняя (речная) и нижняя (морская) границы устья смещаются в сторону суши. В затопленной части старого устья на длительное время сохраняются отложения и формы рельефа существовавшей здесь ранее дельты. Во время понижения уровня моря (морской регрессии) зона взаимодействия вод реки и моря и границы устья смещаются в сторону моря, где начинают отлагаться речные наносы и формироваться новая дельта. В верхней части старого устья сохраняются отложения и формы рельефа ранее существовавшей здесь дельты. Таким образом, в каждый короткий интервал времени устье реки, где происходит взаимодействие вод реки и моря, может находиться в пределах очень протяженной области реликтов (отложений и форм рельефа более древних устьев этой реки). В качестве примеров реликтов дельт, сформировавшихся при более высоком стоянии уровня приемного водоема, можно привести отложения и формы рельефа старых дельт Волги, Урала, Терека и Куры на суше на большом расстоянии от современного берега Каспийского моря. Примером дельт, существовавших при низком уровне Каспия, могут служить остатки объединенной дельты Волги, Урала и Терека на дне Каспийского моря [10, 25]. Следы древних дельт также обнаружены на дне океанов и морей вблизи современных устьев Дуная, Тибра, Янцзы и др.

2. Второй по важности внешний фактор, влияющий на географическое положение, размеры и границы устьев рек, – это значительные естественные (климатически обусловленные) и антропогенные изменения стока воды и наносов рек. Известно, что в холодные и влажные многолетние периоды сток воды и наносов рек возрастает и это сопровождается активным выдвижением речных дельт в море. В жаркие и сухие многолетние периоды сток воды и наносов рек уменьшается, что ведет к замедлению выдвижения дельт в море или даже к их размыву.

Основные антропогенные изменения стока воды и наносов обусловлены регулированием режима рек в результате сооружения крупных водохранилищ. Поэтому уменьшение расхода воды реки в половодье и увеличение в межень, а также отложение наносов в водохранилищах неизбежно влияют на размеры зоны взаимодействия вод реки и моря и особенности развития дельт. Это позволяет считать современными как само устье, так и его режим только в период зарегулирования реки крупными водохранилищами или после значительного изъятия воды на хозяйственные нужды.

3. Даже в условиях относительной стабильности уровня моря и средних величин стока воды и наносов реки на границы зоны взаимодействия вод реки и моря в каждый момент времени существенное влияние оказывают отклонения гидрологических характеристик от средних значений (нормы) во время резких (экстремальных) паводков и половодий или штормовых нагонов. Выделять границы устья реки при очень редких гидрологических событиях с практической точки зрения нецелесообразно, так как в этих случаях неоправданно увеличиваются размеры устья реки. Для установления предельного размера зоны взаимодействия вод реки и моря ранее использовали ряд сложных расчетных методов [5–8, 17], но можно применить и более простой способ. В качестве верхней (речной) границы устья реки предлагается принимать дальность распространения вверх по течению повышений уровня воды либо при сизигийных приливах, либо при нагонах 10%-й обеспеченности (с повторяемостью 1 раз в 10 лет) при средних минимальных расходах воды в межень в период после зарегулирования стока реки. В качестве нижней (морской) границы устья реки предлагается принимать внешний край зоны опреснения, выделенный по положению в поверхностном слое моря изогалины со значением, отличающимся на 10% от средней солености вод моря в период средних максимальных расходов воды в половодье при зарегулированном режиме реки.

Таким образом, в настоящее время (начало третьего десятилетия XXI в.) современными следует считать само устье и его режим, сформировавшиеся в течение довольно непродолжительного периода времени: после зарегулирования реки и в условиях незначительных изменений уровня приемного водоема. Для слабо изменяющихся устьев рек такой период не должен превышать 30–50 лет, для быстро изменяющихся – еще меньше.

Районирование устьев рек

В отечественной литературе долгое время отдавалось предпочтение двучленному принципу районирования устьев рек. В морском устье реки выделяли две крупные части: речную (устьевой участок реки, включая дельту, если она имелась) и морскую (устьевое взморье, включая водоем эстуарного типа, если он имелся). Однако в результате детального изучения структуры и режима не только отечественных, но и большинства зарубежных устьев рек В.Н. Михайлов совместно с С.Л. Гориным [11, 17] разработал новые принципы районирования устьев рек. Предложено дельту (низменность в устье реки, рассеченную сложной и изменчивой гидрографической сетью) считать не частью реки, а особым географическим объектом, входящим в состав ее устья. Обоснования такого предложения следующие: бóльшая часть дельты – это суша, причем не целиком заливаемая речными водами; в дельте много озер и болот, не связанных непосредственно с рекой; для дельты характерен специфический ландшафт, существенно отличающийся от ландшафта обычных речных пойм. Аналогичное заключение касается и эстуарных водоемов в устье реки (полузакрытых водных объектов, в пределах которых речные воды смешиваются с морскими). Такие водоемы часто настолько изолированы от моря, что признать их частью моря нельзя. Эстуарии могут входить в состав устья реки как особые самостоятельные объекты.

В итоге установлено, что устьевая область реки может включать в себя четыре части: находящийся выше вершины дельты или эстуария и подверженный влиянию подпора со стороны моря, приливов и нагонов устьевой участок реки; дельту; эстуарий; подверженную опресняющему воздействию речного стока устьевую зону приемного водоема (в морских устьях – устьевое взморье). За пределами перечисленных частей устья реки (с учетом критерия выделения их речной и морской границ, установленных выше) находятся приустьевой участок реки, куда в межень могут распространяться очень крупные нагонные волны, и предустьевое пространство моря, где в период очень крупного половодья может сказываться некоторое опресняющее влияние реки.

Типизация устьев реки и их частей

В научной литературе есть много типизаций (классификаций) устьев рек и их частей (в том числе дельт и эстуариев); их анализ приведен в [2, 4–12, 17, 18, 22, 24, 26–31, 34]. В типизациях дельт, эстуариев и устьев рек в целом отмечаются большие противоречия. Так, часто любые устья называют эстуариями, в одних случаях дельту считают одним из типов эстуария, в других – эстуарий считают одним из типов дельты. Ряд отечественных геоморфологов подразделяет все устья на два типа: дельты и эстуарии, хотя эти объекты – всего лишь части устья реки.

Предложения В.Н. Михайлова по типизации отдельных частей устьев рек сводились к следующему. Устьевые участки рек по морфологии можно подразделить на два типа: с широкими заливаемыми поймами; без пойм или с обвалованными поймами. По гидрологическому режиму эти участки делятся на три типа: с преобладанием влияния приливов; с преобладанием влияния нагонов; подвергшиеся влиянию подпора при поднявшемся уровне моря (озера).

В.Н. Михайлов с соавторами в своих исследованиях речных дельт придерживается следующих принципов типизации этих объектов [6, 8, 11, 16–19, 22]: все дельты подразделяются на два типа – дельты выполнения (заполнения), формирующиеся в верхних частях водоемов эстуарного типа (лиманах, лагунах и др.); дельты выдвижения, формирующиеся в прибрежной части приемного водоема. Кроме того, авторы подразделяют все дельты на неприливные и приливные. При типизации неприливных дельт выдвижения, следуя предложениям О.К. Леонтьева (1955 г.), дельты можно подразделять по степени воздействия на них речного стока воды и наносов, с одной стороны, и морского волнения – с другой, и как следствие – по характеру морского края дельты. Выделено пять типов дельт: 1) лопастные с сильно изрезанным морским краем; 2) лопастные со слабо изрезанным морским краем; 3) дугообразные с изрезанным морским краем; 4) дугообразные с выровненным морским краем; 5) с прямолинейным морским краем. В [6] эта типизация дельт выдвижения дополнена несколькими количественными параметрами по степени выдвинутости дельты в море и изрезанности морского края, а также количественным критерием соотношения воздействия на морской край реки (ее стока наносов) и моря (энергии волнения).

Обзоры предложений по типизации эстуариев приведены в [4–6, 8, 11, 28–32]. Поскольку эстуарии изучены в западных странах лучше, чем в России, В.Н. Михайлов и соавторы в основном придерживаются типизаций эстуариев, изложенных в [28–32]. По морфологии и происхождению эстуарии подразделяют на затопленные речные долины (лиманы, губы), лагуны, воронкообразные приливные эстуарии, фиорды. По величине приливов эстуарии, согласно [28, 30], можно подразделить на неприливные (величина прилива ΔH_пр < 0.2 м), микроприливные (0.2 м < ΔH_пр < 2 м), мезоприливные (2 м < ΔH_пр < 4 м), гиперприливные (ΔH_пр > 4 м). По степени вертикального перемешивания вод эстуарии делят на следующие типы: с полным перемешиванием, с частичным перемешиванием, с клином осолоненных вод у дна, с узким слоем пресных вод у поверхности.

Устьевые зоны приемных водоемов (устьевые взморья) по рельефу дна подразделяют на приглубые (уклон дна >1‰) и отмелые (уклон дна <1‰); по преобладающей солености воды S – на пресные (S < 1‰), солоноватые (1‰ < S < < 24.7‰), соленые (24.7‰ < S < 50‰), гиперсоленые (S > 50‰); по величине приливов – так же, как эстуарии.

Устьевые области рек (устья рек) по географическому положению подразделяют на океанические, морские, озерные. По величине приливов – так же, как устьевые взморья или эстуарии. Более сложна типизация устьев рек по строению. Авторами [8, 11] предложена новая типизация устьев рек. Устья рек подразделены на пять типов: I – простые (например, устья малых рек Черноморского побережья Кавказа; II – эстуарные бездельтовые (устья Мезени, Пенжины, Темзы); III – эстуарно-дельтовые с дельтой выполнения (устья Оби, Енисея, Печоры, Днепра, Днестра); IV – дельтово-эстуарные, главный элемент которых – крупная дельта, имеющая либо лагуны вдоль морского края дельты (устья Кубани, Сулака, Куры, Нила), либо эстуарные приливные расширения в устьях рукавов (устья Иравади, Амазонки, Ориноко); V – дельтовые без эстуарных водоемов (устье Волги).

Новые принципы районирования и типизации устьев рек уже применяются при описании устьев рек России [3] и мира.

Динамика водного потока и водный режим

1. Сопряжение реки и приемного водоема при установившемся режиме.

В 1950-х гг. в отечественной гидрологической литературе велась дискуссия о характере гидравлического сопряжения реки и приемного водоема. По одной версии, в связи с тем, что сезонные изменения уровня воды в водоеме невелики, а в реке могут быть очень большими, на нижнем участке реки всегда должна формироваться выпуклая кривая гидравлического спада; по другой версии, основанной на наблюдениях в устьях рек в межень, водоем всегда создает подпор во впадающей в него реке и здесь формируется вогнутая кривая гидравлического подпора.

Чтобы разобраться в этом вопросе, В.Н. Михайловым [7] были проведены детальные расчеты форм сопряжения водного потока (условной реки) с приемным водоемом (условным морем) в гипотетическом прямоугольном русле с постоянным уклоном дна с помощью строгого гидравлического метода В.И. Чарномского. На большом удалении от водоема было задано ступенчатое изменение расхода воды Q_р, на нижнем конце русла, в его устьевом створе – ступенчатое изменение уровня приемного водоема Н_м. На верхнем конце участка глубина потока (глубина равномерного режима, или “нормальная” глубина) зависит только от величины Q_р, задана графиком h₀ = f(Q_р) и может быть рассчитана по формуле Шези–Маннинга; в устьевом створе глубина русла h_у зависит только от Н_м.

Расчеты показали следующее: равномерный режим на участке, когда средние скорости потока V, уклон водной поверхности I и глубина h вдоль потока неизменны, может быть лишь при условии h₀ = h_у; если h₀ > h_у, то на участке русла формируется выпуклая кривая гидравлического спада (V и I вдоль потока увеличиваются, h уменьшается); если h₀ < h_у, то формируется вогнутая кривая гидравлического подпора (V и I вдоль потока уменьшаются, h увеличивается); при заданной величине Н_м условие h₀ = h_у выполняется только при единственном расходе воды Q_р, а при заданной величине Q_р – только при единственной величине Н_м; уровни воды в разных пунктах участка (кроме его концов) выражены семейством кривых вида

Полученные в результате расчетов выводы применимы и к устьям рек в естественных условиях. Построенные в [7, 8] типовые графики связи между разными гидрологическими характеристиками в зоне переменного спада или подпора могут послужить образцами при обработке данных наблюдений в устьях рек.

В настоящее время в условиях ускоряющегося повышения уровня Мирового океана и связанных с ним морей [12, 14, 15] актуальными становятся расчет и прогноз распространения в устья рек подпора со стороны моря. Для точного расчета кривой свободной поверхности в реках при подпоре можно использовать, например, метод Н.Н. Павловского. Однако в многорукавных системах такой расчет затруднен. Поэтому В.Н. Михайлов предложил простой эмпирический метод расчета дальности подпора L_под (км), используя формулу

где ΔH_м, м – величина повышения уровня моря; I, ‰ – уклон водной поверхности на участке в межень до начала повышения уровня моря. Применение формулы (2) для устьев рек Урал, Терек, Сулак и Кура в период повышения уровня Каспийского моря на 2.35 м в 1978–1995 гг. дало правдоподобные результаты. Для всех перечисленных дельт повышение уровня воды на их морском крае ΔH_мкд совпадало с повышением уровня моря ΔH_м. Исключением стало устье Волги, где из-за наличия обширного мелководного взморья (так называемой буферной зоны) подъем уровня на морском крае дельты составил лишь 0.8 м, т. е. был намного меньше ΔH_м. Поэтому в формуле (2) для дельты Волги надо учитывать не ΔH_м, а ΔH_мкд. Расчеты для всех устьев дали наилучшие результаты при k = 2.0, что соответствует кривой подпора в виде части полуокружности.

При оценке влияния на устья рек изменений среднего уровня моря (фонового, осредняющего его сезонные, приливные, сгонно-нагонные колебания) учитывается, что реальное (фиксируемое на гидрологическом посту) многолетнее изменение уровня моря – относительное, так как становится алгебраической суммой эвстатического повышения или понижения уровня моря и величины просадки грунта, которая всегда сопровождается опусканием реперов и других устройств поста и, как следствие, “видимым” ростом уровня моря на этом посту в береговой зоне. В дельтах рек просадка грунта может быть вызвана естественным уплотнением и обезвоживанием влажных и рыхлых отложений, а также антропогенными факторами – откачкой нефти, газа, пресных подземных вод. Если эвстатическое повышение уровня Мирового океана и связанных с ним морей в настоящее время составляет 3–4 мм/год, то вследствие только просадки грунта рост уровня может достигать 5–20 мм/год [12, 14, 33].

2. Сопряжение реки и приемного водоема при неустановившемся режиме.

Для приближенной оценки дальности распространения приливов в реки и рукава дельт L_пр В.Н. Михайлов использует известную формулу В.Е. Ляхницкого, сходную по структуре с формулой (2) и имеющую вид L_пр = kА/I_ст (А – амплитуда прилива в устьевом створе, I_ст – средний уклон водной поверхности в русле за приливный цикл, k – коэффициент, равный 1 или 1.5).

Для расчета нагонных колебаний уровня воды в реке или рукавах дельт В.Н. Михайловым разработан [6–8] и проверен на примере устьев Дона и Дуная специальный метод, основанный на экспоненциальном законе затухания волн нагонов в устьях рек. Расчетная формула следующая:

где ΔH_нгx – высота нагона (м) над предшествующим уровнем воды на расстоянии x (км) от устьевого створа; ΔH_{нг 0} – то же в устьевом створе, k – декремент затухания нагона, равный k = aQ + b (Q – расход воды до начала нагона). Из формулы (3) после ее логарифмирования можно получить выражение для дальности распространения нагона (км): ${{L}_{{{\text{нг}}}}} = \frac{1}{k}\ln \left( {\frac{{\Delta {{Н}_{{{\text{нг}}\,\,0}}}}}{{{\text{0}}{\text{.05}}}}} \right)$, здесь 0.05 – минимальное повышение уровня (м), которое можно надежно измерить.

В.Н. Михайловым впервые проведено совместное исследование на экстремумы уравнений движения, неразрывности и транспортирующей способности водного потока для приливного цикла в устье реки [6, 8]. В частности, математически доказано, что поворот течения с прямого (отливного) на обратное (приливное) происходит немного позже малой воды (наступления минимального уровня в отливную фазу), а поворот течения с приливного на отливное – немного позже полной воды (максимального уровня в приливную фазу); максимальные скорости прямых течений наблюдаются приблизительно в середине периода падения уровня, а максимальные обратные – в середине периода роста уровня; наибольшая мутность воды отмечается в течение приливного цикла дважды, немного опережая экстремумы скоростей течения. В результате проведенного анализа построены типовые петлеобразные графики связи между взятыми попарно гидрологическими характеристиками [6, 8]; эти графики могут помочь при обработке данных измерений. Итоги анализа подтверждены результатами наблюдений в приливных устьях Северной Двины, Мезени, Темзы и Меконга.

3. Распределение стока воды по рукавам дельт.

В конце 1960-х гг. сначала К.В. Гришаниным, а позже В.В. Ивановым были предложены два схожих итерационных гидравлических метода расчета распределения расходов воды по рукавам дельт. Вместо этих сложных методов В.Н. Михайлов разработал более простой аналитический способ расчета, названный методом общих (суммарных) модулей сопротивления, рассчитываемых по особым правилам отдельно для последовательного, параллельного и последовательно-параллельного соединения участков русловой сети дельты [6, 8, 13, 16, 18]. Предложенный метод пригоден для расчета распределения расходов воды в прогрессивно дробящейся сети водотоков любой сложности. Он базируется на трех допущениях: полного водного баланса в русловой сети всей дельты и в отдельных ее узлах; равенства падений уровня Δz по любому направлению от вершины дельты до моря; квазиравномерного движения воды в водотоках дельты, описываемого уравнением Δz = FQ ² (F – модуль гидравлического сопротивления водотока, не зависящий, согласно постулату Павловского, ни от Δz, ни от Q). Модуль сопротивления рассчитывается по уравнению F = Ln²/B²h^10/3, вытекающему из формулы Шези–Маннинга; здесь L, B, h – соответственно длина участка русла, его средняя ширина, средняя глубина, n – коэффициент шероховатости. Например, для простой двухрукавной дельты имеем ${{{{Q}_{1}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{Q}_{1}}} {{{Q}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{Q}_{2}}}} = \sqrt {{{{{F}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{2}}} {{{F}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{1}}}}} $ и Q₁ + Q₂ = Q₀. При заданной величине расхода воды реки выше вершины дельты Q₀ в любом узле разветвления расход воды будет больше в том рукаве, ширина и глубина которого больше, а длина и шероховатость меньше, чем смежного.

Применение этого метода расчета распределения расходов воды по рукавам гипотетической дельты [13, 16] и дельт Куры, Дуная и других подтвердило следующий важный вывод. Русловая сеть любой дельты – это единая система морфологически и гидравлически взаимосвязанных элементов. Естественное или антропогенное изменение размера русла и шероховатости дна любого водотока в этой системе неизбежно должно привести не только к изменению доли водного стока в этом водотоке и ниже его по течению, но и в смежных водотоках, а также распространиться вверх по течению вплоть до вершины дельты и даже в совсем другую ее часть. Такая особенность дельт часто не учитывается при проведении инженерных мероприятий в этих объектах.

4. Водный баланс дельт.

Долгое время считалось, что все дельты из-за испарения воды теряют часть водного стока реки. Наблюдения в дельтах Волги, Терека, Урала, Дуная, Или, Инда, Нила подтверждали такое мнение. Однако более детальные исследования в других дельтах показали, что роль дельт в изменении среднемноголетнего водного стока рек более сложная (обзор проблемы дан в [6, 8]). В дельтах как азональных географических объектах увлажнение создается не столько местными осадками P, сколько водным стоком самой реки. Поэтому реальное испарение с поверхности дельты значительно больше зональной величины испарения и приблизительно равно зональной величине испаряемости E₀. С наиболее сухих частей дельты испарение меньше E₀; с поверхности водотоков и водоемов – равно E₀; с болот, плавней, заросших водоемов из-за большой роли транспирации – больше E₀. В итоге изменение среднемноголетнего стока воды реки в пределах дельты ΔW_Q (км³/год) зависит от соотношения P и E₀ (мм/год):

F_д, км²– площадь дельты.

Проведенные расчеты для многих дельт мира [6, 8, 13, 16] показали, что в областях избыточного увлажнения (здесь индекс сухости по М.И. Будыко: E₀/P < 0.4) и в областях достаточного увлажнения (0.4 < E₀/P < 1.0) водный баланс дельт положительный и в их пределах происходит добавление водного стока, а в областях недостаточного увлажнения (1.0 < E₀/P < 3.0) и сухих (E₀/P > 3.0) водный баланс дельт отрицательный – происходит потеря водного стока. Реки, в дельтах которых добавление водного стока наибольшее, – Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Нигер, Меконг, Иравади, Красная.

5. Динамика речной струи на устьевом взморье.

В.Н. Михайловым доказано теоретически и подтверждено данными наблюдений [5, 6], что на открытом, приглубом и неприливном устьевом взморье средняя скорость течения в инерционной струе, вытекающей из реки или рукава дельты, затухает в сторону моря по экспоненциальному закону

здесь V₀ – скорость течения в начальном створе струи, где глубина равна h₀; V_x – скорость течения на расстоянии x (м) вдоль струи; k – декремент затухания, изменяющийся в узких пределах – от 0.0020 до 0.0030.

6. Влияние на водный режим дельт местных водохозяйственных и гидротехнических мероприятий.

В [13] В.Н. Михайлов и М.В. Михайлова систематизировали сведения о закономерностях воздействия инженерных мероприятий в дельтах на их гидрологический режим и рассмотрели способы расчета влияния двустороннего обвалования рукавов на повышения в них уровня воды, приемы оценки противоречивого воздействия крупных водозаборов и вододелителей на режим дельт, методы прогноза воздействия на режим дельт мероприятий по улучшению условий судоходства (углубления рукавов и их устьевых баров, спрямления и перекрытия рукавов и др.); приемы оценки влияния на водный баланс дельт их осушения или обводнения и др.

Смешение речных и морских вод

1. Устьевая зона смешения.

В морских устьях рек взаимодействуют две существенно различающиеся по физическим, химическим и гидробиологическим свойствам первичные водные массы – речная и морская. В районе этого взаимодействия формируется так называемая устьевая зона смешения. В устьях крупных рек она может занимать обширные площади; например, зона опреснения в устье Амазонки распространяется в океан на расстояние до 900 км. Строгая теория зоны смешения пока не создана, однако в [6, 8, 14, 23] высказан ряд предложений, касающихся структуры и режима этой зоны. Предложено считать внутренней границей устьевой зоны смешения изогалину 1‰ у дна, а внешней – изогалину в поверхностном слое, значение которой составляет 90% средней солености вод данного моря. В пределах зоны смешения можно выделить фронтальную подзону (область максимальных продольных градиентов солености воды), а внутри этой подзоны – вертикальную поверхность – геометрическое место экстремальных продольных градиентов солености воды (фронтальный раздел). Проекция этого раздела на поверхность моря – это гидрофронт. В период половодья на реке, в отливную фазу, при сгонах эти границы смещаются в сторону моря; в период межени, в приливную фазу, при нагонах – в сторону суши (при этом зона смешения может распространяться в русло реки или рукава дельты).

Процесс возрастания солености воды вдоль зоны смешения от устьевого створа в сторону моря можно объяснить исходя из закономерностей затухания скорости течения в речной струе на взморье (формула (5)). На боковых и нижней гранях речной струи во фрикционное движение вовлекаются смежные морские воды. Вследствие этого расход смешанных речных и морских вод вдоль струи возрастает. На этот парадоксальный факт впервые обратил внимание адмирал О.С. Макаров в своем труде “Витязь” и Тихий океан” (1894 г.), написав, что река приводит в движение такое количество морской воды, которое в сто и более раз превосходит сток самой реки.

Согласно расчетам и данным измерений в полевых условиях и в экспериментальных лотках [5, 6], нарастание расхода смешенных вод в сторону водоема происходит почти зеркально (хотя и медленнее) по сравнению с уменьшением скорости течения (формула (5)). Аналогично возрастает вдоль зоны смешения соленость воды.

2. Вертикальное перемешивание вод в устьях рек.

При исследовании стратификации и вертикального перемешивания вод [5–8, 11, 14, 16, 23] приняты подходы, разработанные для устьев рек в Западной Европе и США [4, 28, 30–32]. В качестве формального показателя степени стратификации и вертикального перемешивания вод в устьях рек используют так называемый параметр стратификации n = ΔS/S_cp, где ΔS = S_дно – S_пов, S_ср = 0.5(S_дно + S_пов), S_дно и S_пов – соленость воды у дна и на поверхности. Выделяют три основных типа стратификации и перемешивания вод: I – слабая стратификация и полное (хорошее) перемешивание (0 < n < 0.1); II – умеренная стратификация и частичное перемешивание (0.1 < n < 1.0); III – сильная стратификация (1.0 < n < 2.0) и либо клин осолоненных вод у дна, либо тонкий слой пресной воды у поверхности, как во многих фиордах. Согласно [28, 30], на характер вертикального перемешивания заметное влияние оказывают внешние факторы: на ослабление перемешивания (сдвиг его типа к III) влияет увеличение водного стока реки, на активизацию перемешивания (сдвиг в сторону типа I) – усиление воздействия приливов и волнения.

М.В. Михайлова в [23] на основе опубликованных в зарубежной литературе данных наблюдений за изменением поля солености в устьях Роны, По, Тибра, Фрейзера, Колумбии в целом подтвердила сделанные ранее выводы и частично уточнила их. В частности, в [23] показано, что при сизигийных приливах вертикальное перемешивание вод сильнее, а стратификация вод слабее, чем в квадратуру.

Помимо параметра n, в качестве показателей процесса смешения вод по вертикали применяют приливный параметр Симмонса $\alpha = {{{{W}_{Q}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{W}_{Q}}} {{{P}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{t}}}}$, W_Q – объем стока воды реки за приливный цикл, P_t – объем приливной призмы, а также ряд следующих гидрофизических критериев:

плотностное число Фруда

V – средняя скорость речного потока, h – глубина русла, Δρ – разность плотностей морской ρ_м и речной ρ_р воды, ρ_ср = 0.5 (ρ_м + ρ_р);

эстуарное число Ричардсона;

слоевое число Ричардсона и др.

Сводка количественных значений перечисленных показателей, параметров и критериев для разных типов вертикального перемешивания приведены в [5, 6, 8].

3. Проникновение морских вод в реки и рукава дельт.

В условиях антропогенного сокращения водного стока многих рек и ускоряющегося повышения уровня океанов и морей актуальным становится исследование процессов проникновения в устья рек осолоненных вод и разработка мер борьбы с этим негативным событием. М.В. Михайловой проведен анализ этих процессов на примере дельт Яны, Индигирки, Дуная, Тибра, Роны, По, Луары, Меконга, Колвилла, Ориноко. При этом использованы два метода анализа и расчета [16, 23]: 1) эмпирический, заключающийся в построении по данным наблюдений продольных профилей солености воды в разные фазы водного режима реки и прилива и графиков зависимости между дальностью проникновения осолоненных вод L_S и расходом воды реки (рукава) L_S = aQ ^–m или L_S = b(Q_кр – Q)ⁿ, Q_кр – расход воды, при котором начинается проникновение морских вод; 2) полутеоретический, использующий формулу Кейлегана:

Fr_ρ – плотностное число Фруда по формуле (6). Структура формулы (7) указывает на то, что дальность проникновения осолоненных вод в устья рек должна увеличиваться при уменьшении скорости течения в речном потоке и увеличении глубины в результате как искусственного углубления русла или устьевого бара, так и повышения уровня моря. Значения эмпирических параметров во всех приведенных выше формулах подбираются по данным наблюдений. В [23] приведены сведения о величинах L_S и Q_кр в устьях ряда отечественных и зарубежных рек.

Морфологические процессы

1. Процессы дельтоформирования.

При изучении закономерностей формирования речных дельт получены существенные результаты:

Предложено подразделение процессов дельтоформирования на части, отличающиеся характером процесса и его продолжительностью: эпохи дельтоформирования, соответствующие крупномасштабным морским регрессиям и трансгрессиям; стадии формирования сначала дельты выполнения, а затем дельты выдвижения в периоды замедления повышения уровня моря и его стабилизации; фазы малорукавной, многорукавной и вновь малорукавной дельты на обеих стадиях [6, 8, 14]. Выделенo также два типа дельтоформирования: медленного эволюционного, заключающегося в чередующемся выдвижении в море крупных дельтовых лопастей (как в дельтах Волги, Лены, По, Роны и др.), и быстрого, скачкообразного, с прорывами и полной перестройкой гидрографической сети дельты [20]. Процессы второго типа включают в себя несколько этапов [6, 8, 18, 20, 21, 25, 26]. Такие процессы до антропогенного сокращения стока наносов рек происходили в очень изменчивых дельтах Амударьи, Или, Куры, Сулака [25, 26], а также Хуанхэ, Миссисипи, Годавари. В настоящее время развитие дельты с прорывами может случиться только в устье Терека [25].

Выявлены особенности морфометрии дельт выполнения и выдвижения [21, 22], заключающиеся в различиях связей между разными характеристиками дельт обоих типов. В [22] приведена сводка морфометрических характеристик 16 дельт выполнения и 42 дельт выдвижения в устьях рек России и зарубежных стран. В [21] опубликованы сведения о многолетних изменениях многих дельт выдвижения. Полученные результаты могут быть использованы для приближенной оценки возможного изменения речных дельт в условиях ожидаемых изменений стока воды и наносов рек и уровня морей.

Разработан балансовый подход в изучении изменений дельт выдвижения [6, 19]. Предложено, в частности, приближенное уравнение баланса наносов в объемных единицах за интервал времени Δt (годы) в условиях относительно стабильного уровня моря

ΔV_кв, ΔL_д – изменения объема устьевого конуса выноса и длины дельты за период Δt; h_взм – глубина взморья; B_мкд – длина МКД; W_R, млн т/год – сток наносов реки; ρ_отл – плотность дельтовых отложений; k – доля дельтоформирующих наносов в величине W_R (обычно от 0.3 до 0.5); V_в – объем наносов, уносимых волнением за пределы устья реки.

На основе рассматриваемого подхода и уравнения (8) разработан приближенный метод расчета “критического” стока наносов реки W_{R кр}, при котором дельта перестает выдвигаться в море и тенденция ее развития сменяется на отступание и деградацию. Из компонентов уравнения (8) измерить можно лишь морфометрические характеристики и величину W_R. Поэтому выражение (8) необходимо привести к эмпирической формуле, рассчитываемой аналитически или графически для каждой конкретной дельты ΔL_д/Δt = aW_R – b, откуда при условии ΔL_д/Δt = 0 можно рассчитать “критическое” значение W_R = b/a. Метод применен к дельтам Нила, Годавари, Дуная и Хуанхэ. Для первых двух сток наносов рек стал меньше “критического” еще в середине XX в. после сооружения на реках крупных водохранилищ, а для двух последних – антропогенное уменьшение W_R и выход дельт на большие морские глубины приблизили их к началу размыва и деградации.

Разработан метод оценки степени затопления дельты при значительном повышении уровня моря и антропогенном сокращении стока наносов реки [14, 16, 19]. Метод основан на предложенной В.Н. Михайловым концепции подпорной призмы, возникающей в приморской зоне дельты в результате повышения уровня моря на ΔН_м. Объем этой призмы равен

i_д – уклон поверхности приморской зоны дельты. Степень затопления дельты будет зависеть от соотношения объема V_пп и стока дельтоформирующих наносов ΣkW_R/ρ_отл за период подъема уровня моря. Если V_пп больше стока наносов, то часть дельты (как в устьях Урала, Сулака, Куры в период повышения уровня Каспийского моря на 2.35 м в 1978–1995 гг.) будет затоплена, а площадь всей дельты уменьшится [25]. Если же сток наносов больше V_пп, то дельта будет наращиваться в высоту и медленно выдвигаться в море, несмотря на рост его уровня (как в устье рук. Каргалинский Прорыв в дельте Терека [25]).

2. Русловые процессы в рукавах дельт.

С целью изучения русловых процессов и динамики изменчивой русловой сети дельт разработана концепция динамически устойчивого русла рукавов дельт [6, 16]. Суть концепции состоит в следующем. Предполагается, что в результате взаимного приспособления потока и русла эрозионно-аккумулятивные процессы стремятся сформировать динамически устойчивое русло, в котором направленные (необратимые) деформации не происходят, а возможны лишь знакопеременные (обратимые) изменения (например, смещение донных гряд). На основе обработки обширного материала измерений в неприливных дельтах Енисея, Печоры, Оби, Лены, Волги, Дуная, Кубани, Куры, Терека, Амударьи получены связи вида

где B₀, h₀, V₀ и I₀– мало изменяющиеся, т.е. условно устойчивые, ширина, средняя глубина русла, средняя скорость течения, уклон водной поверхности рукавов при руслоформирующих расходах воды в рукавах Q_ф, соответствующих среднему максимальному расходу воды реки в вершине дельты в период половодья. Структура формул (10) получена теоретически, а коэффициенты K найдены путем обработки данных измерений и оказались индивидуальными для каждой из упомянутых дельт и зависящими от концентрации наносов в реке в период половодья (чем она больше, тем K_В и K_h меньше, а K_V и K_I – больше [6].

Формулы (10) названы гидролого-морфометрическими зависимостями; они были применены для оценки тенденции развития рукавов в конкретных дельтах. Эта оценка строилась на сравнении фактических характеристик рукавов B, h, V и I с их устойчивыми значениями согласно формулам (10). Признаками тенденции рукава к активизации (размыву) служат соотношения B < B₀, h < h₀, B/h < B₀/h₀, V > V₀ и I > I₀; соотношения с противоположными знаками – признак потерь рукавом активности и тенденции к заилению и отмиранию [6, 16].

Предложены четыре типовые схемы русловых деформаций в отдельных дельтовых рукавах: при неизменном уровне моря, при его повышении и понижении в условиях как приглубого, так и очень отмелого взморья [6, 14, 16, 19, 25].

Русловые процессы в многорукавных системах дельт значительно сложнее. В таких случаях приходится рассматривать не только изменения морфометрических характеристик рукавов, но и сопутствующее им перераспределение стока по рукавам. Наиболее часто происходит следующее: стремясь к достижению устойчивого состояния, русло с увеличивающимся расходом воды начинает размываться. Это ведет к уменьшению его гидравлического сопротивления и дальнейшему увеличению расхода воды. Смежный рукав, наоборот, теряет свой сток и начинает заиливаться. В результате начавший активизироваться рукав продолжает размываться, а уменьшивший свой сток – заиливаться. Этот процесс продолжается до полного переключения стока в первый рукав и отмирания второго. Интенсивность этого процесса тем больше, чем больше сток наносов реки. Таким образом, многорукавные системы в дельтах, особенно в активно развивающихся, обычно недолговечны. В очень редких случаях возможно временное (“конкурирующее”) развитие смежных рукавов.