ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Закономерности формирования и прохождения стока крупных рек весьма сложны и зависят от множества внешних факторов, как природного, так и техногенного происхождения. Река Амур является одной из 10 крупнейших рек мира (Апполов, 1951, Гинко, 1965, Гидрологическая изученность, 1966, Краткая географическая энциклопедия, 1961, Мировой, 1974, Estimation..., 1989). Среди российских рек Амур занимает третье место по длине и четвертое по площади водосбора и водности, уступая лишь Енисею, Оби, Лене (Ресурсы..., 1966, 1970).
Бассейн Амура представляет собой крупную природную систему, состоящую из множества речных бассейнов, расположенных в различных природно-климатических зонах. Большая площадь водосбора, особенности его формы и наличие крупных притоков в различных частях бассейна наряду со специфическими особенностями выпадения осадков (локальность и большая интенсивность) являются причиной существования нескольких областей формирования стока. В пределах этих областей находятся крупные речные бассейны, гидрологический режим которых в значительной степени отличается друг от друга. Характер формирования и прохождения паводков в их пределах полностью зависят от водного режима этих территорий. Вместе с тем, очень большое значение имеют сроки прохождения паводков в рассматриваемых областях. Самые катастрофические наводнения на р. Амур наблюдаются т те годы, когда паводки низкой обеспеченности проходят в один и тот же период во всех областях формирования стока (Ким, 1999).
Как известно, берега крупных рек обычно густо заселены и, при этом реки испытывают большой пресс антропогенной нагрузки. В бассейне реки Амур в настоящее время проживает около 100 млн. человек (из них основная часть на территории КНР). Именно вблизи крупных городов Амур испытывает разнообразные воздействия в связи с необходимостью решения водохозяйственных проблем. Различные гидротехнические сооружения (набереж-
5
ные, плотины ГЭС, дамбы, запруды и т.п.), русловыправительные и дноуглубительные работы, добыча строительных материалов со дна реки оказывают существенные влияния на ее водный режим и динамику русловых процессов (Калинин, 1968, Ермолина, Калинин, 1975, Книге, 1980, 1982, Львович, 1982, 1986, Беркович, Чалов, Чернов, 2000). Особенно сильным изменениям подвержены участки разветвленных русел, что обусловлено перераспределением стока между рукавами. В результате происходит расширение одних и отмирание других рукавов. Это часто приводит к значительным сложностям в эксплуатации портов, водозаборов, затонов и других объектов, расположенных в русле и на берегах реки.
Амур является трансграничной рекой, бассейн которой расположен на территории четырех государств: основная часть бассейна расположена в пределах Российской Федерации (1002 тыс. км2), КНР (820 тыс. км2), МНР (32 тыс. км ) и менее 5 км в пределах КНДР (прибрежная часть озера Чхонджи в истоках р. Сунгари) (Ресурсы..., 1966, 1970). Хозяйственная деятельность всех пограничных стран оказывает влияние на формирование стока, прохождение паводков и качество воды в р. Амур.
В долине Нижнего Амура русло реки подвергается наиболее сильному антропогенному воздействию особенно вблизи городов Хабаровск и Комсомольск-на-Амуре. В их окрестностях построены мосты через Амур, производится разработка русловых месторождений, установлены мощные водозаборы. На острове Большой Уссурийский выше Хабаровска сооружен польдер. Аналогичный польдер на острове Широхонда намечается построить вблизи Комсомольска-на-Амуре. В настоящее время в районе Хабаровского водного узла планируется строительство комплекса гидротехнических сооружений для возвращения части стока реки из проток Пемзенская и Бешеная в основное русло Амура.
В бассейне р. Сунгари, самого крупного притока Амура, введен в строй комплекс гидротехнических сооружений, включающий в себя водохранилища различного назначения (Фынманское, Пайшаньское и др.) (Северо-
6
Восточный Китай, 1989, Ганзей, 2004), распаханы значительные площади, являющиеся источником поступления взвешенных наносов в реки.
Достоверная оценка влияния хозяйственной деятельности на гидрологический режим реки позволит не только более рационально использовать природные ресурсы ее бассейна, но и разработать мероприятия по ограничению антропогенного воздействия на экосистемы реки* и прилегающих к ней территорий.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в исследовании изменений гидрологического режима р. Амур в нижнем течении под влиянием хозяйственной деятельности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
1) определение природных условий формирования стока р. Амур и водного режима поймы;
2) оценка влияния Зейской ГЭС на гидрологический режим р. Амур;
3) выявление последствий разработки месторождений песка и гравия в русле р. Амур;
4) оценка особенностей перераспределения стока воды между рукавами в пойменных расширениях;
5) анализ изменений мутности воды и стока наносов под влиянием хозяйственной деятельности в бассейне реки;
Объект исследования. Объектом исследования является русловая система Нижнего Амура - от устья р. Уссури до лимана. Природные и климатические условия этой части бассейна крайне разнообразны. Этот участок реки Амур протяженностью почти 1000 км представляет собой замыкающую часть водосбора реки, и в его пределах проявляются результаты антропогенного воздействия всего бассейна реки.
Материалы исследований и личный вклад. Работа выполнялась в лаборатории гидрологии в 1982-2003 гг. по плановым ("Динамика экосистем бассейна р. Амур под влиянием природных и антропогенных факторов"
7
№ Гос. регистрации 01.200.117937, "Состояние водных ресурсов бассейна р. Амур и устойчивое обеспечение населения безопасной питьевой водой" № Гос. регистрации 01.9.700102242, "Влияние хозяйственной деятельности в бассейне крупной реки на современное геоэкологическое состояние речных долин в условиях направленной аккумуляции наносов (на примере Среднего и Нижнего Амура)" федеральная целевая программа "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг." совместно с Московским государственным университетом Регистрационный № 293 и др.) и хоздоговорным темам (Государственный контракт "Оценка влияния крупных населенных пунктов на участке от г. Благовещенска до г. Комсомольска-на-Амуре на качество воды р. Амур"), связанным с исследованием динамики экосистем бассейна р. Амур под влиянием природных и антропогенных факторов под руководством д.г.н. А.Н. Махинова. Использовались также фондовые материалы Дальгидромета. Автор являлся ру-ководителем экспедиционных работ на Среднем и Нижнем Амуре, в результате которых собран обширный фактический материал, положенный в основу диссертационного исследования. Научная новизна.
1. Уточнены границы основных областей формирования стока р. Амур и дана оценка их влияния на водный режим в нижнем течении реки.
2. Впервые дана характеристика водного режима пойменных массивов и проведена типизация затопления различных участков поймы.
3. Оценено перераспределение стока по рукавам в пойменных расширениях в различные фазы водного режима.
4. Установлено влияние русловых карьеров на изменение стока и морфологию основного русла р. Амур в условиях интенсивной направленной аккумуляции наносов в долине.
5. Выявлены закономерности в распределении мутности воды и стока наносов на многорукавных участках реки при наличии крупных притоков.
8 Защищаемые положения.
1. Перераспределение стока воды между рукавами р. Амур на широкопойменных участках наиболее интенсивно происходит при многофакторном воздействии на русло реки в окрестностях крупных городов.
2. Эксплуатация Зейского водохранилища привела к снижению высших отметок уровней воды на участке Нижнего Амура от г. Хабаровска до с. Богородское. В зимнюю межень наблюдается устойчивое повышение минимальных уровней воды, а сток воды увеличивается в несколько раз. Увеличение зимнего стока Амура приводит к уменьшению концентрации растворенных и взвешенных веществ в воде, а также вызывает активизацию эрозионных процессов на многорукавных участках.
3. Разработка русловых месторождений песка и гравия приводит к локальному размыву берегов и увеличению мутности воды ниже разрабатываемого карьера. Объем добычи песчано-гравийных смесей на Нижнем Амуре не должен превышать суммарный объем избыточной аккумуляции в русле и стока влекомых наносов.
4. Условия затопления пойменных массивов определяются морфологическими особенностями их поверхности. Снижение доли летнего стока обусловливает уменьшение обводненности поймы.
Практическая значимость работы. Выявленные в процессе работы закономерности изменения водного режима р. Амур имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Уточнение границе основных областей формирования стока позволяет прогнозировать величину и сроки прохождения паводков на Нижнем Амуре, условия изменения качественного состава воды с достаточной заблаговременностью. Определение основных типов затопления пойменных массивов Нижнего Амура и оценка перераспределения стока по основных протокам в различные фазы водного режима обеспечит повышение эффективности использования пойменных земель.
9
Выявленные основные виды хозяйственной деятельности, оказывающие влияние на гидрологический режим реки, позволяют сделать оценку экологической напряженности на различных ее участках и предложить меры по ее снижению.
Материалы исследований использовались Амурским речным пароходством, Хабаровским и Комсомольским речными портами, Комитетом по экологии Хабаровского края, министерством природных ресурсов Прави-тельства Хабаровского края, Институтом "Ленгипроречтранс", Приамурским географическим обществом, Амурским бассейновым водным управлением. Результаты работ были использованы при составлении карты "Рельеф и затопление поймы" на карте "Хабаровск и его окрестности", карты "Поверхностные воды" в атласе Хабаровского края и серии карт природных ресурсов, населения и хозяйства Хабаровского края.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на VIII совещания географов Сибири и Дальнего Востока "Роль географии в ускорении научно-технического прогресса" (Иркутск, 1986), 3-й научной конференции по проблемам водных ресурсов ДВЭР и Забайкалья (Владивосток, 1988), Советско-Китайском симпозиуме "Геология и экология бассейна реки Амур" (Благовещенск, 1989), Вторых чтениях им Г.И. Невельского (Хабаровск, 1990), Всесоюзном совещании "Проблемы рационального освоения минеральных ресурсов" (Хабаровск, 1991), Международной научной экологической конференции "Амур на рубеже веков" (Хабаровск, 1999), Международной научной экологической конференции "Регионы нового освоения: состояние, потенциал, перспективы в начале XXI века" (Хабаровск, 2002), Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004),.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 20 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 133 наимено-
10
вания. Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 13 таблиц и 43 рисунка.
Автор выражает глубокую признательность д.г.н. А.Н. Махинову, д.г.н., профессору Р.К. Клиге, к.г.н. А.Ф. Мандычу, д.г.н., профессору A.C. Федоровскому, д.г.н., профессору К.П. Березникову, д.г.н., профессору P.C. Чалову за ценные советы и помощь в осуществлении данной работы, а также сотрудникам ИВЭП ДВО РАН, участвовавшим в совместных полевых исследованиях.
11
ГЛАВА I. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА 1.1. Геологическое строение и рельеф
Бассейн Амура располагается в пределах нескольких различных по строению и возрасту тектонических областей. Северная и Западная части находятся в пределах распространения древних палеозойских структур Монголо-Охотской складчатой системы, протянувшейся от истоков Амура до реки Амгунь. Рельеф представлен низко- и среднегорными хребтами и межгорными равнинами на месте наложенных прогибов - Верхнеамурского, Верхнебуреинского, Верхне-зейского и других. В горах преобладают терригенно-кремнисто-карбонатные отложения. Прогибы заполнены толщей осадков более молодого возраста - в основании залегают морские юрские песчано-сланцевые отложения, перекрытые континентальными меловыми и палеогеновыми песчаниками и галечниками. Для Монголо-Охотской геосинклинали характерно наличие многочисленных крупных разломов и относительно слабое проявление магматизма.
Южная и юго-восточная части бассейна Амура занимают крупные тектонические структуры Северо-Манчьжурского, Буреинского и Ханкайского массивов. Значительную площадь Северо-Маньчжурского массива занимает горст - антиклинорий хребта Большой Хинган. Хребет сложен осадочными палеозойскими и мезозойскими породами, прорванными гранитами и грано-диоритами. На большой площади залегают покровы эффузивов, представленные кварцевыми порфирами и риолитами.
Кристаллические породы Буреинского массива в западной части перекрыты рыхлыми меловыми и палеоген-неогеновыми отложениями Зейско-Буреинской межгорной впадины, а на остальной территории выходят на поверхность, где представлены протерозойскими метаморфизированными образованиями - гнейсами, кварцитами, сланцами, филлитами и мраморами.
В пределах Ханкайского массива широко распространены позднепротеро-зойские и раннепалеозойские породы, представленные песчаниками, сланцами и
12 известняками.
Самая восточная часть бассейна Амура расположена в пределах Сихотэ-Алиньской складчатой области, являющейся составным элементом Восточно-Азиатского подвижного пояса. Осадочные сильно дислоцированные отложения преимущественно юрского и мелового возраста представлены песчаниками, сланцами и прорваны многочисленными интрузиями разнообразного состава - от гранитов до пироксенитов. Широко распространены также эффузивные толщи порфиритов, базальтов, андезитов. В пределах зоны имеются обширные межгорные впадины - Среднеамурская, Удыль-Кизинская, Эворон-Чукчагирская, выполненные рыхлой толщей отложений палеоген - четвертичного возраста мощностью до 1400 м (Худяков и др., 1972, Варнавский, 1985).
Основные направления стока в бассейне Амура унаследованы с конца палеозоя - начала мезозоя. Долина реки Амур имеет сложное строение, определяемое геологическими и геоморфологическими условиями. Река на своем пути пересекает или огибает крупные горные массивы, протекает среди обширных равнинных территорий.
Невысокие водоразделы между водосборами притоков Амура, вулканизм, интенсивные тектонические движения обусловили крупные речные перестройки в бассейне Амура в течение неоген-четвертичного этапа развития речной сети. Длительное время бассейн Зеи и Верхнего Амура принадлежал бассейну Нонни, который соединялся с Ляохэ и имел сток в Желтое море (Варнавский, 1985). Лишь в конце плиоцена бассейн Амура приобрел свои современные очертания.
Однако в позднечетвертичное время в результате оледенения речная сеть в бассейне Амура испытывала преобразования. Так, например, верхнее течение реки Витим имело сток в бассейн Шилки. На отдельных этапах бассейн Амура увеличивался за счет рек верховьев Тугура, имеющих сейчас сток в Тугурский залив Охотского моря.
¦
В конце межледниковья и во время последнего оледенения (30-12 тысяч лет назад) долина нижнего и частично среднего течения р. Амур интенсивно за-
13
поднялась аллювиальными наносами. Уровень аккумуляции был наивысшим за всю историю долины Амура. Значительные площади в пределах нижнеамурских низменностей были заняты большими мелководными озерами. Аккумуляция регрессивно проникала в пределы горных территорий (Никольская, 1972, Махинов, 2003).
В конце верхнечетвертичного времени происходит врезание Амура на глубину 15-20 м, а на месте спущенных озер стали интенсивно формироваться болота.
Около 7 тысяч лет назад на протяжении 1200 км от устья реки вверх началось накопление наносов в долине Амура. Интенсивность его оценивается величиной до 1,2 мм/год (Махинов, 1990). Это обусловило образование множества озер в устьях притоков, играющих регулирующую роль в стоке воды.
По особенностям протекания современных эрозионно-аккумулятивных процессов и строения русла в долине Амура выделяется несколько морфологически и динамически однородных отрезков.
1. Русло р. Амур в верхнем течении от слияния рек Шилка и Аргунь до устья р. Зеи характеризуется ярко выраженной глубинной эрозией. Русловой аллювий повсеместно представлен галечно-гравийным материалом, легко переносимым во время летних паводков и весеннего ледохода. Преобладает прямолинейное или слабоизвилистое русло с галечно-гравийными побочня-ми, перекатами и редкими островами. В расширениях долины основным типом руслового процесса является русловая многорукавность. Наиболее динамично преобразуются острова. Они смещаются вниз по течению со скоростью до 20 м/год (Гусев, 2002). На отдельных участках острова растут вверх за счет интенсивной ледовой аккумуляции. Максимальный размыв вогнутых берегов достигает 12 м/год (Антроповский, 1997). Нередко острова причленяются к берегу и протоки между ними заносятся, образуя старичные понижения (Сурков, Чалов, 2002).
2. Среднее течение р. Амур от устья Зеи до Малого Хингана. На этом отрезке река испытывает медленную глубинную эрозию в пределах широкой
«
террасированной долины, днище которой сложено галечно-песчаными осад-
14
ками. Русло реки слабоизвилистое, местами меандрирующее, на большой части с четко выраженной русловой и пойменной многорукавностью. Ниже впадения р. Бурей отмечается повышенная активность горизонтальных деформаций русла, следствием которых является интенсивный размыв берегов и формирование молодой поймы.
Следует отметить заметное влияние строительства Зейской ГЭС на характер русловых процессов. После начала эксплуатации ГЭС (1974-76 гг.) на среднем Амуре, также в нижнем течении р. Зеи резко замедлились горизон-тальные смещения русла, стали заноситься второстепенные протоки и многие острова присоединились к береговым массивам поймы.
3. В ущелье Малого Хингана на всем протяжении Амур имеет врезанное русло, характеризующееся слабой извилистостью и отсутствием островов. Пойма представлена лишь узкими небольшими фрагментами, расположенными вдоль берегов. При больших уклонах потока река выносит за пределы отрезка весь поступающий аллювиальный материал. На дне Амура во многих местах фиксируются скальные грунты. Отсутствие условий для накопления наносов обеспечивает устойчивость русла. Даже на излучинах река не подрезает склоны долины, что характерно для отрезка Верхнего Амура.
4. Морфологические особенности русла на отрезке нижнего течения р. Амур протяженностью более 1200 км (от впадения р. Сунгари до устья) определяются современной направленной аккумуляцией. На этом отрезке река образует чередующиеся сужения и расширения, обусловленные геологическим строением территории. Характер русловых деформаций в первую очередь зависит от ширины долины (Махинов, Чалов, Чернов, 1994).
В расширениях долины русло Амура формируется в условиях свободного проявления русловых деформаций. В результате на этих участках образовались серии внутренних дельт, следующих друг за другом через 40-50 км. В пределах внутренних дельт русло Амура разбивается на множество крупных и мелких рукавов, веерообразно расходящихся в направлении вниз по течению и образующих исключительно сложную гидрографическую сеть. Здесь формиру-
15
ются сложные поименно-русловые разветвления (Махинов, Чалов, Чернов, 1994). Крупные рукава, шириной обычно 0,8-1,5 км, в пределах внутренних дельт образуют довольно устойчивый во времени каркас речной сети разветв-ленно-дельтового типа. Эти рукава дробятся и сливаются с десятками более мелких постоянных или временно действующих проток. Большинство из них на значительном протяжении свободно меандрируют, однако кривизна излучин невелика. Изредка крупные рукава развиваются по схеме незавершенного меандрирования, образуя прорванные излучины.
Внутренние дельты соединены между собой участками реки с менее развитым разветвлением русла, в котором всегда отчетливо выражен главный поток, характеризующийся русловой многорукавностью. Острова в русле реки весьма динамичны и имеют разную направленность развития: смещаются вниз или вверх по течению, увеличиваются в размерах, а нередко полностью разрушаются в результате размыва. В любом случае высокая степень динамичности островов обусловливает плановые преобразования русла, а соответственно размыв берегов, смещение фарватеров и перераспределение стока между рукавами.
На горных участках долина Амура сужается, и развитие русловых деформаций ограничено склонами, сложенными прочными коренными породами. Наряду с пологими врезанными излучинами здесь распространены одиночные и односторонние разветвления. Впадающее в Амур горные реки образуют конусы выноса, отклоняющие поток Амура и способствующие образованию слабоизвилистого русла.
В пределах пересечения горных территорий положение русла характеризуется стабильностью, однако вследствие значительного стока наносов и их переотложения динамическая ось потока часто блуждает, изменяя положение фарватера. При этом берега реки почти не подвергаются размыву, поскольку процесс их разрушения контролируется интенсивностью денудации коренных пород.
Таким образом, наиболее динамичные естественные преобразования
16
русла происходят в расширениях долины, приуроченных к крупным межгорным впадинам: Среднеамурской, Удыль-Кизинской и Нижнеамурской. В их пределах на отдельных участках развитие русла приводит к формированию примерно равных по величине рукавов. Одно из наиболее крупных таких разветвлений находится в Удыль-Кизинской низменности - протоки Старый и Новый Амуры, протяженностью более 80 км каждая. Перераспределение стока воды между ними может быть легко нарушено даже незначительным воздействием человека и приведет к необратимым последствиям — прогрессирующему увеличению водности одного рукава за счет другого.
1.2. Климат
Промежуточное географическое положение между двумя областями с совершенно различными физико-географическими условиями - влажными прибрежными районами Тихого океана на востоке и континентальными пространствами Восточной Сибири и Монголии на западе, определяет неоднородность климатических условий в бассейне Амура. Климат формируется под воздействием как океанических, так и континентальных факторов. Вследствие этого он изменяется от резко континентального в западной части бассейна до умеренно-континентального с муссонными чертами в восточной (Ресурсы..., 1966).
Бассейн Амура благодаря своему географическому положению подвергается воздействию разнородных по своему происхождению воздушных масс, формирующихся за его пределами и вызывающих различное направление ветров в разные сезоны года. Такая смена воздушных течений определяется взаимодействием воздушных масс над материковой частью и Тихим океаном (Тихий океан, 1966).
Зимой в результате взаимодействия области высокого давления над континентом (азиатский антициклон) и области низкого давления над северо-западной частью Тихого океана (алеутская депрессия) в бассейне форми-
17
руется континентальный климат, для которого характерны низкие температуры и влажность воздуха. Азиатский антициклон занимает почти весь континент. Его центр располагается над Тувинской автономной областью и северной частью Монголии. Один из двух основных восточных отрогов этого антициклона направлен на бассейн Амура и далее на Восточный Китай, второй - на Якутию, бассейн Колымы и Чукотку. Для циркуляции нижних слоев воздуха в бассейне р. Амур имеет значение не сама алеутская депрессия, а та непрерывная циклоническая деятельность на тихоокеанском полярном фронте, которая поддерживает ее существование в зимние месяцы. Поэтому при установившемся азиатском антициклоне погода бывает холодной, солнечной и сухой.
При переходе от зимы к лету благодаря довольно быстрому потеплению зимняя высотная ложбина ослабевает и перемещается к востоку, так как водные пространства северо-западной части Тихого океана оказываются холоднее суши. Таким образом, распределение приземного давления над бассейном постепенно меняется на противоположное, и летом становится высоким над океаном и низким над материком, что определяет передвижение влажных тропических масс с океана на сушу. Теплые и влажные тропические массы достаточно далеко проникают вглубь континента, обусловливая обильные, порой катастрофические осадки, которые в свою очередь вызывают высокие многопиковые паводки, проходящие по Амуру во второй половине лета - начале осени.
В течение осени происходит постепенный переход от летнего типа циркуляции к зимнему, в ноябре уже окончательно устанавливается типично зимняя циркуляция на всей территории бассейна Амура (Новороцкий, 1999, Петров, Новороцкий, Леншин, 2000).
Вместе с тем, значительная протяженность бассейна и разнообразие строения поверхности также обусловливает различие климата в его пределах. Огромную роль при этом играют водораздельные хребты: Яблоновый, Черского и Становой, являющиеся северной климатической границей. С юга |
