Исследовательская работа по теме

«Влияние строительства плотин на гидрологическую и

геоморфологическую деятельность равнинных рек» ( 8 кл.)

Цель урока:

• Сформировать представление о работе рек и влияния строительства плотин на характер деятельности равнинных рек.

Задачи урока:

• Расширение и углубление знаний о реках.
• Развитие интереса к предмету.
• Знакомство с методикой проведения научно-исследовательских работ.

Оборудование: физическая карта России, карта Чувашской Республики, атласы, контурные каты, компьютеры и мультимедийный проектор

Ход урока

I. Мотивация познавательной деятельности

Сейчас вы ученики восьмого класса, но через несколько лет вы будете взрослыми людьми, когда вам придется решать различные вопросы: хозяйствования, экономики, как в своей жизни так и возможно в жизни государства.

Сегодняшний урок поможет вам составить представление о географических процессах связанных с деятельностью рек на земле, о хозяйственном использовании рек нашей страны. Строить ГЭС, орошать поля, водить корабли по рекам.

II. Знакомимся с научной литературой по данной теме.

1. На слайдах приводятся выдержки из учебника геологии (если есть мультипроектор)

2.Предлагается прочитать фрагменты из книги (если урок будет проходить в кабинете информатики, где у каждого ученика есть компьютер)

Гидродинамические особенности рек (Курс общей геологии)

Движение воды в реке обусловлено уклоном русла и постоянным поступлением воды.

Характер и интенсивность работы реки обусловливается живой силой потока, величина которого равна половине произведения массы на квадрат скорости:

Эта энергия (Е) в основном расходуется на передвижение поступающего в русло рыхлого материала (Т) и на разрушение горных пород (эрозию). Если E > Т, то происходит эрозия (скорость потока при данной массе воды становится размывающей); если Е = Т, то работа реки направлена в основном на перенос поступающего в русло рыхлого материала; если Е < Т, то происходит аккумуляция.

Перенос реками твердых частиц и обломков пород тесно связан со скоростью и характером течения. Рекам свойственно турбулентное (беспорядочное, вихревое) течение. Турбулентность движения речных вод имеет важные гидрологические и геоморфологические следствия.

По экспериментальным данным обломочный материал приходит в движение при следующих скоростях течения (м/сек): мелкий песок — 0,162; крупный песок — 0,216; мелкая галька — 0,312; средняя галька — 0,650; крупная галька — 0,975; камни объемом 82 см³ — 2,27; камни объемом 558 см³ — 3,25; камни объемом 1116 см³ — 4,87; камни объемом 5,6—8,4 дм³ — 11,69.

Падение скорости вниз по реке идет быстрее, чем нарастает масса воды, поэтому зависимость между уклоном и массой воды не линейная, а степенная. Речное русло на геологически однородной местности падает не однообразно наклонно, а по вогнутой линии, называемой профилем нормального падения или профилем равновесия.

Формирование продольного профиля начинается с низовьев реки, где больше масса воды. Эрозия идет назад, от низовьев к верховьям; ее называют регрессивной. До тех пор, пока река не выработала профиль нормального падения, она эродирует преимущественно в глубину. Глубинная эрозия не может идти ниже уровня воды в месте впадения реки в море. Этот уровень называется базисом эрозии. При понижении уровня водоема или при относительном поднятии суши, т. е. когда базис эрозии понижается, эрозионная деятельность реки усиливается. Поднятие уровня моря или опускание суши вызывает ее замедление.

По мере приближения продольного профиля реки к нормальному, в ней усиливается боковая эрозия. Река расширяет свою долину. Резко снижается кинетическая энергия потока, и хотя боковая эрозия не прекращается и река по-прежнему продолжает перемывать свои наносы и перемещать русло из стороны в сторону, расширения долины уже не происходит. Одновременно аллювиальные наносы аккумулируются как в долинах рек, так и особенно в их устьях - при впадении рек.

Взаимодействие текучих вод с геолого-геоморфологическими структурами земной коры

Выше описана работа рек независимо от характера местности, по которой они протекают. В действительности текучие воды взаимодействуют с геолого-геоморфологическими структурами земной коры.

В жизни каждой реки выделяют три стадии: юности, зрелости и старости.

В стадию юности реки еще не выработали профиля нормального падения. Показателем невыработанного продольного профиля являются водопады, каскады, пороги и быстрины.

В стадию зрелости соотношение глубинной и боковой эрозии, транспортирующей и аккумулятивной работы рек таково, что в их долинах образуются широкие плоские днища, заливаемые полыми водами - пойма, а вдоль бортов находятся террасы-поймы прошлых стадий развития реки.

В стадию старости падение реки на всем протяжении соответствует нормальному профилю. Течение воды очень медленное. Эрозионная и транспортирующая деятельность воды ничтожна. Ее превосходят другие процессы - заполнение долины наносами с берегов и особенно зарастание.

Совместная работа глубинной и боковой эрозии приводит к образованию и поступлению в русло реки огромного количества обломочного материала.

Наполнение долины аллювием начинается одновременно с боковой эрозией, когда при образовании излучин русло удлиняется и выполаживается, а течение замедляется. Повышение русла в нижнем течения вызывает уменьшение уклона на вышележащем участке. Процесс заполнения долины осадками постепенно продвигается вверх по течению до верховьев. Накопление наносов прекратится, когда количество обломочного материала, поступающего в русло, будет примерно соответствовать - транспортирующей силе реки на каждом участке.

Заполнение долины наносами может быть связано и с местными повышениями базиса эрозии, которые отражаются, однако, только на вышележащей части бассейна реки.

Каждая стадия отражает не абсолютный, а относительный возраст реки. Жизнь земной коры, ее поднятия и опускания, колебания водности озер и уровней морей, изменения климата - словом развитие всей природы, частью которой являются реки, вносит в них непрерывные изменения. Они могут вызывать и усиление эрозионной деятельности, и ее замедление. Термины «юность», «зрелость», «старость» являются, следовательно, образными выражениями, удачно отражающими гидродинамику каждой реки, ее геоморфологическую деятельность и общий облик в данное время.

Независимо от типа реки в ней принято выделять 3 части: верхнее течение, или верховье, среднее течение и нижнее течение, или низовье. При этом, чем больше и многоводнее река, тем меньше ее уклон; чем меньше река, тем уклон круче. Здесь мы имеем ту же зависимость между уклоном русла и массой воды в реке, что и для оврагов, и продольные профили рек выглядят примерно так же, как и продольные профили оврагов. Их выработка подчинена тем же закономерностям, однако река выравнивает свое русло очень медленно. По характеру продольного профиля различают реки:

1) с невыработанным профилем равновесия (горные реки);

2) с профилем равновесия, выработанным на значительном протяжении (большинство рек);

3) с выработанным профилем равновесия от истоков до устья.[3]

III. Изучение нового материала.

1. На экране демонстрируется презентация изучаемого материала «Влияние строительства плотин на гидрологическую и геоморфологическую деятельность равнинных рек»

2. На экраны компьютеров выводятся фрагменты исследовательских работ Л.А.Карягина «Влияние водоподпорных сооружений на гидродинамическую и геоморфологическую деятельность равнинных рек» и «Экологическая тропа «Реликты нашего края»

Анализ гидродинамической и геоморфологической деятельности системы рек:

Була - Свияга – Волга после строительства Куйбышевской ГЭС

 и каскада водохранилищ на р.Була

Река Була одна из нескольких малых рек, протекающих по северной части Приволжской возвышенности, и впадающих в реку Свияга. Являясь рекой Волжской системы, она как прямыми, так и обратными связями связана Великой русской рекой. Если качество воды в реке Волга в той или иной степени зависит от качества воды в реке Була, то сама река Волга определяет разные виды работ выполняемых рекой Була. Это разрушительная работа реки - донная и боковая эрозия, а также и различная созидательная работа. Такая обратная связь связана с тем, что река Волга является основным базисом эрозии для реки Була. И крупные гидротехнические сооружения на Волге, не могут не отражаться на характере поведения ее притоков. Со строительством ГЭС на Волге базис эрозии реки Була значительно повысился. Какие же изменения можно ожидать от этого явления? В первую очередь это привело к прекращению донной эрозии и развитию боковой. Для доказательства этого необходимо проведение некоторых расчетов, опираясь на основные закономерности жизнедеятельности рек.

Предметом нашего исследования является часть Волжского бассейна состоящая из системы трех рек: Реки Була, реки Свияга, реки Волга в ее среднем течении до плотины Куйбышевской ГЭС. Этот водный путь имеет общую протяженность 564 км. Из которых 128 км приходится на реку Була, 91 км - на нижнее течение реки Свияга и 366 км проходит по реке Волга. Формирование продольного профиля начинается с низовьев реки, где больше масса воды: так называемая регрессивная эрозия идет назад, от низовьев к верховьям.

Для детального изучения процессов, происходящих в этой системе, мы разделяем этот водный путь на следующие участки:

Первый участок наиболее протяженный (длина 366 км), он приходится на реку Волга от плотины Куйбышевской ГЭС до устья реки Свияга.

Второй участок приходится на нижнее течение реки Свияга протяженностью 91 км (от устья реки Свияга до впадения реки Була).

Третий участок. Река Була в нижнем течении от устья Булы до села Янтиково (протяженностью 58 км).

Четвертый участок. Река Була в среднем течении от села Янтиково до села Первомайское (протяженностью 46 км).

Пятый участок. Река Була в верхнем течении около 30 км от села Первомайское  до истоков.

На первом участке плотина Волжской ГЭС имени Ленина подняла уровень Волги на 26 метров, а максимальный уровень поднятия воды может достигать до 29 метров. Подпор воды Куйбышевского водохранилища поднимается по Волге соответственно на 476 км. (расстояние до Чебоксарской ГЭС), а до строительства Чебоксарской ГЭС - 550 км, достигая до села Большой Сундырь Моргаушского района ЧР. НПУ Куйбышевского водохранилища находится на отметке +53,0 метра (Балтийская система высот). Естественный уклон реки Волга от плотины Чебоксарской ГЭС до города Тольятти определяется величиной падения равной 26 метрам и расстоянием 550 км. (26 м / 550 км = 4,7 см./км). Из этого следует, что урез воды Волги у города Тольятти до строительства ГЭС составлял 53-26=27 м (БС).

Вторая часть начинается с устья реки Свияга (366 км от плотины Самарской ГЭС). Подъем воды у города Свияжска можно определить как разницу величины падения между плотиной Куйбышевской ГЭС и устьем реки Свияга [26 м - (4,7 см/км х 366 км)]= 8,79 м. Отсюда следует, что урез воды на Волге в устье Свияги до строительства Самарской ГЭС составлял  45,7 м  (53м – 8,79 м = 44,2 м).

Естественный уклон реки Свияга от ее устья (урез воды – 45,7 м) до г. Ульяновск (урез воды 100 м ) определяется 100м - 44,2м : 200 км = 27,0 см/км.

Новый уклон реки Свияга составляет 100м - 53м /198 км = 23,7 см/км. Для реки Свияга прирост уклона реки при этом будет составлять 27,0 см/км - 23,7 см/км = 3,7 см / км. Поднятие русла реки Свияга в устье реки Була со временем должно составить около 5 метров. [8,79 м - (3,7 см/км * 100км)] = 5,09м. Можно предположить, что с момента пуска в эксплуатацию Куйбышевской ГЭС в 1955 г., уже к 70-м годам река Свияга должна была выработать новый профиль равновесия.

Соответствующие процессы происходят и на реке Була. Как и на любой реке независимо от длины, долина ее состоит из трех основных участков: нижнего, среднего и верхнего течений. При общей длине 128 км нижняя часть реки составляет примерно 58 км от устья до с. Янтиково. Средняя часть реки составляет около 46 км. Нижний рубеж этой части образован водоподпорным сооружением у села Янтиково в Яльчикском районе. На этом участке кроме этого имеются еще три водоподпорных сооружения. Первое из них, между д. Ст. Тойси и с. Тойси; второе - в пределах с.Тойси, в фундаменте которой весной 2003 года образовалась брешь, и это водоподпорное сооружение в настоящее время не может препятствовать донной эрозии на отрезке с. Тойси – с. Батырево, в подтверждение тому, уже после весеннего половодья, в метрах 200 от этой плотины появились пороги высотой около 0,7 м.; третье - в пределах с. Батырево. Первые две из этих плотин на своем участке поднимают русло реки на 40 и 70 см. соответственно. Об этом свидетельствуют формирующиеся на них соответствующие водопады.

При протяженности нижней и средней части реки 100 км, величина уклона естественного профиля на этом участке составляла 117м - 56м / 100 км = 61 см/км. После образования Куйбышевского водохранилища, с поднятием уровня воды на реке Свияга, уклон естественного профиля составил 57 см/км. Если признать, что профиль равновесия реки Була, сформированным до строительства Куйбышевской ГЭС, то поднятие профиля реки осуществляется градиентом уклона (61см/км - 57 см/км = 4 см/км.). При этом поднятие профиля русла р.Була распространится вверх, и у с.Тойси достигает ( 4м - 4 см/км * 66 км =1,36 м.). В 80-е годы со строительством трех плотин на этих участках реки, профиль реки поднялся еще на 1,5 м. В результате этого в настоящее время река Була в своем среднем течении у с. Тойси протекает выше своего естественного профиля на 2м 86 см., а у с. Батырева до строящейся плотины составляет (2,86м - 15 км * 4 см/км =2,6м.).

Выводы из научной статьи

Когда наши деды строили водяные мельницы они забивали сваи на дно реки, которые оставались здесь и на зимнее время, но они не создавали постоянно действующих водопадов, весенняя вода свободно протекала между сваями не очень сильно деформируя профиль реки и фактически полностью очищая дно русла реки от илистых отложений сформированных в летнее время. Из этого можно сделать первый вывод, что при строительстве плотин не следует пользоваться монолитными бетонными основаниями, которые создают водопады и вызывают подъем русла реки.

По нашему мнению, для любых рек: крупных, средних и даже таких малых рек, как река Була, плотины являются нежелательным инородным телом, особенно конструкции с железобетонным фундаментом.

Малые реки это основные оси расселения сельского населения, их конфигурация определяет географию сельских поселений. Кроме этого сельские населенные пункты вместе с рекой образуют единую экосистему, в рамках которой эти компоненты оказывают взаимное притяжение и испытывают взаимовлияние. Большинство сел европейской части России размещаются вдоль берегов малых рек. То же самое характерно для сел Батыревского района, 90% из них располагаются вдоль реки Була и реки Карла. Экосистемная связь населенных пунктов с рекой выражается в исключительно сложных переплетениях взаимодействий в формирующихся круговоротах вещества и энергии.

В отличие от рек менее крупные компоненты речной долины, такие как овраги, балки и ручьи, наоборот, проявляют природную терпимость к водоподпорным сооружениям. И мы рекомендовали бы строить плотины только на ручьях и оврагах и ни в коем случае не на реках, не только на крупных, но и на малых.[1]

IV. Работа на компьютере по моделированию профиля равновесия речной системы: Волга-Свияга-Була

В программе Excel составляется компьютерная модель по заданным формулам:

1) = 26 – (26 / 500) х L (по р. Волга)

2)  = 26 – (26 / 2500) х L (по р. Волга)

3) = 8 – (8 / 200) х L (по р. Свияга)

4) = 4 – (4 / 100) х L (по р. Була)

V. Закрепление пройденного материала.

Учащимся в начале урока раздаются карточки с индивидуальными заданиями, которые они должны будут выполнить в течении урока и сдать учителю в конце урока.

Ф.И.О. ученика

Соотнесите термины и определения, подберите формулы:

1. (Н₁ – Н₂ / L =Х _см/км )_;          2.  (S _м2 * V _км/ч = Q _км3)_;           3.  (Н₁ – Н₂=∆H_м)_;          4. (S _м2 * V_м/с = Q_м3)

1. К какому типу рек по выработке продольного профиля и по возрасту относятся р.Волга и р.Обь?

VI. Подведение итогов урока.

Проверка письменной работы осуществляется самопроверкой, (второй экземпляр работы остается у учителя для проверки).

Работа по коррекции знаний учащихся по итогам самопроверки.

VII. Домашнее задание.

Написать научно-популярную или научно-исследовательскую статью о реках Чувашской республики, используя полученные на уроке знания.

Литература:

1.Карягин Л.А. Влияние водоподпорных сооружений на гидродинамическую и геоморфологическую деятельность равнинных рек / Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность современных социально-экономических систем». М.: ООО «Глобус», 2009, С 201-207.

2.Карягин Л.А. «Экологическая тропа «Реликты нашего края» [Электронное пособие]/ Чувашский республиканский институт образования. Центр дистанционного обучения.- Чебоксары, 2006. Неклюкова Н.П. Общее землеведение: В2ч. М., 1975, 1976

3.Серпухов В.И., Билибина Т.В., Шалимов А.И. «Курс общей геологии» /Л., Издательство «Недра», 1976г., С. 196-216