Содержание к диссертации
Введение
1. Изучение береговых деформаций на реках Томской области 13
1.1. История исследований горизонтальных русловых деформаций в регионе 13
1.2. Особенности существующей системы мониторинга береговых деформаций и необходимость повышения её эффективности 23
2. Факторы и условия развития береговых деформаций на реках области 26
2.1. Геолого-геоморфологические особенности территории 26
2.2. Климат 32
2.3. Гидрологический режим рек 36
2.4. Растительность 41
2.5. Хозяйственная деятельность 44
3. Гидроморфологическая теория руслового процесса как методическая база мониторинга береговых деформаций 50
3.1. Существующие подходы к исследованию и прогнозированию русловых процессов 50
3.2. Краткие сведения о типах русел и их распространенности на реках Томской области 60
4. Результаты специализированных исследований береговых деформаций на реках Обь, Чулым, Томь: мониторинг и контроль 68
4.1. Участок "р.Обь-г.Колпашево" 69
4.2. Участок "р.Обь-с.Каргасок" 74
4.3. Участок "р.Обь-с.Кривошеино " 79
4.4. Участок "р.Обь-с.Тымское" 82
4.5. Участок "р.Чулым-с.Комсомольск" 86
4.6. Участок "р.Чулым-с.Альмяково" 89
4.7. Участок "р.Томь-г.Томск" 92 4.8 Выводы 95
5. Разработка и апробация методик оперативного мониторинга береговых деформаций 97
5.1. Методика дистанционного измерения размыва берегов посредством интеграции цифровых аэрофотоснимков с локальными ГИС 97
5.1.1. Основные положения предлагаемой методики 97
5.1.2. Результаты апробации методики 104
5.2. Рациональный состав работ при осуществлении мониторинга береговых деформаций (для случая свободного меандрирования) 110
5.2.1. Обоснование необходимости разработки рационального состава полевых работ П0
5.2.2. Результаты экспериментальных исследований на участке "р.Чулым-с.Зырянское" 111
5.2.3. Предложения по рационализации полевых изысканий при осуществлении мониторинга береговых деформаций и оценка их экономической эффективности 122
5.3. Выводы 126
Заключение 128
Список использованной литературы 132
- Особенности существующей системы мониторинга береговых деформаций и необходимость повышения её эффективности
- Гидрологический режим рек
- Участок "р.Обь-с.Кривошеино
- Рациональный состав работ при осуществлении мониторинга береговых деформаций (для случая свободного меандрирования)
Особенности существующей системы мониторинга береговых деформаций и необходимость повышения её эффективности
Первые, самые общие сведения о реках территории современной Томской области стали известны от русских землепроходцев, использовавших реки для передвижения ещё в XVI в.
На разрушение берегов рек Западной Сибири обращали внимание многие путешественники. Например, р. Кеть в прошлом являлась составной частью "Великого водного пути" из г.Тобольска в Восточную Сибирь и Китай. В 1675-1678 гг. русский посланник Николай Милеску Спафарий во время своей посольской миссии в Китай пересёк Западную Сибирь по Великому водному пути. В своих дорожных заметках он отметил, что "берега Оби и Кети сложены рыхлыми отложениями и нигде нет выходов камней" (Земцов, Евсеева, 1983).
Несколько позже (1692-1695 гг.) его путь повторил московский посол Избрант Идее, который также вёл записи путевых наблюдений и оставил краткую характеристику р. Кеть (Земцов, Евсеева, 1983). Он писал, что "весной, когда лёд на реке вскрывается, сильный ледоход при полной воде подтачивает высокие берега так, что целые утёсы обрушиваются вниз" (Евсеева, Земцов, 1990).
Начало подлинно научному изучению природы Сибири положил Д.Г. Мессершмидт, специально приглашённый в Россию из Германии Петром I. Экспедицией Д.Г. Мессершмидта в 1719-1727 гг. дано одно из первых описаний среднего течения Оби и составлена её карта (Буренина, Земцов, 1978). Во время спуска по рекам Томи, Кети и Оби, им выполнялись подробные описания и съёмки русел этих рек, фиксировались многочисленные излучины и перекаты. Он измерил длину Кети от Маковского острога до г.Нарым, дал краткое описание направления течения, ширины и глубины (Евсеева, Земцов, 1978). Большую помощь Д.Г. Мессершмидту оказывал его ближайший помощник Ф.И. Табберт-Страленберг. В 1721 г. он выполнил описание и составил карту р.Оби на участке между устьями Томи и Кети (Льготина, 1990).
В 1724 г. Петр I снарядил Первую Камчатскую Экспедицию на Дальний Восток под командой капитан-командора Витуса Беринга для определения наличия или отсутствия пролива между Азией и Америкой. Участниками экспедиции попутно были описаны Обь и Кеть. В 1733 г. Академия наук направила вторую Камчатскую Экспедицию по комплексному изучению Сибири в составе учёных А.С. Чирикова, И.Г. Гмелина, И.Г.Фишера, Г.Ф. Миллера, Делиль Де Ля Кройера и др. (Зайченко, 1960). Эта экспедиция в течение десяти лет изучала географию, естественные богатства и другие вопросы.
В российской науке и культуре период 1768-1774 гг. известен как "время академических экспедиций". В связи с расширением границ русского государства, по приказу Елизаветы II, Академия наук снаряжает ряд экспедиций для обследования "восточных областей империи". В Западной Сибири важнейшими из них были: экспедиция П.С. Палласа с 1768 по 1773 гг., И.П. Фалька- с 1768 по 1774 гг., И.Г. Георги - с 1770 по 1774 гг. Экспедиция И.Г. Георги выполнила исследования рек Сибири от Томска до Нерчинска (Тобольска) (Соколов, 1952). Академик И.П. Фальк, известный натуралист того времени, в 1769-1774 гг. проплыл по Оби (от верховий до устья Томи), Чулыму и Томи. В его путевых дневниках содержатся сведения об исследованных реках, обращается внимание на разрушение и размыв берегов (Зайченко, 1960). При отсутствии водомерной сети съёмки в то время производились без приведения их к какому-либо определенному уровню, поэтому материалы этих исследований сохранили свою ценность главным образом для изучения плановых деформаций русел рек.
Богатый материал по эрозионной деятельности Оби собран членом С.-Петербургской Академии наук А.Ф. Миддендорфом в ходе его экспедиций по долинам рек Приобья с 1842 по 1845 гг. (Зайченко, 1960). А.Ф. Миддендорф отметил большие разрушения берегов во время половодья, впервые опубликовал данные о разрушениях населённых пунктов, расположенных по берегам Оби.
В конце XIX в. р. Кеть привлекла к себе внимание правительства в связи с изысканием, проектированием и строительством Обь-Енисейского (Кеть-Касского) канала. Летом 1875 г. Министерством путей сообщения была послана экспедиция на Обь-Енисейское междуречье, в задачу которой входило изучение этого междуречья, проведение глазомерной съёмки, детальный "осмотр" реки и берегов, характера её извилистости и распределения скоростей течения (Земцов, Евсеева, 1983). Участниками этой экспедиции, под руководством А.К. Сиденснера, выполнена глазомерная съёмка р. Кети и её верхних притоков, велись замеры глубины и ширины реки на различных участках. Двигаясь вверх по течению Кети, А.К. Сиденснер писал: "Река становится несколько уже и часто распадается на два русла, образуя рукава и протоки. Одна из проток - "Пушкарева", образовалась только весной 1875 г.; она идет напрямую и этим значительно сокращает реку. Ширина протоки сажен 20, но со временем грозит смыть д.Пушкареву, оказавшуюся теперь на самом берегу реки. Такие протоки образуются довольно часто". Предсказание сбылось - в 1940 г. часть деревни ещё существовала, а к 1953 г. она была смыта полностью (Евсеева, Земцов, 1990). А.К. Сиденсер сравнил составленную им карту Кети с картой описи 1797 г., хранящейся в архивах Генерального штаба, и пришёл к выводу, что "многие бывшие прежде излучины теперь полностью уничтожены" (Льготина, 1990).
Гидрологический режим рек
Роль растительности при разрушении берегов рек на современном этапе не поддаётся количественному определению, и, как правило, значительно преуменьшается. Признание берегозащитной роли леса часто базируется на визуальных и фрагментарных наблюдениях, при которых не учитываются гидрологические условия и геологическое строение берегов, мощность корневой системы, тип и возраст растительности.
При высоте обрывистой части берега, сравнимой с мощностью корневой системы растений, размыв, как правило, незначительный. Богатые прибрежной растительностью участки русла остаются стабильными, несмотря на значительное увеличение твёрдого стока при размыве берегов выше по течению. Отмечено, что на берегах, сложенных рыхлыми породами, особенно значительно повышает противоэрозионную устойчивость ивняк (Kondolf, Сurry, 1986) . Такая картина повсеместно наблюдается на низкой пойме и пойменных протоках.
Например, при исследованиях автора в районе с. Зырянское, было обращено внимание на состояние протоки Старый Чулым. Эта протока спрямляет каскад излучин р.Чулыма. На длину протоки около 1,5 км перепад уровней между истоком и устьем составляет почти 2 м. Это более чем в 10 раз больший уклон, чем в главном русле (Чулым в нижнем течении имеет средний уклон около 1 см/км). Тем не менее, протока не "разрабатывается4 . Причина этого - высокая степень зарастания берегов и русла протоки тальником вровень с меженным уровнем воды (Крутовский, 2001).
Наблюдения Н.С.Евсеевой на пойме р. Тым в течение 1983-1984 гг. показали, что залесённые берега высотой более 1-2 м не препятствует боковой эрозии рек. Деревья в таких местах падают вниз по склону вместе с корневой системой и дерниной к урезу воды, частично засыпаются песком (Евсеева, Земцов, 1990).
По наблюдениям автора, на р. Чулым, при залесённых берегах с обрывистой частью склона высотой 1,5-2 м над меженным уровнем воды (как правило, такие условия соответствуют пойме или первой надпойменной террасе), лес действительно не препятствует боковой эрозии (рис.6), а если на берегу растут крупные деревья, то их падение даже интенсифицирует процесс. Густые заросли ивняка, наоборот, замедляют интенсивный размыв берега (Крутовский, Льготин, 2001)
При подмыве рекой облесённых поверхностей надпойменных террас, наблюдается иная картина. Благодаря скрепляющему действию растительности, верхняя часть откоса имеет повышенную связность. После вымывания грунта из-под корневой системы, береговой откос приобретает отрицательный уклон, образуя нависшие козырьки. Береговая кромка при этом образует в плане характерный фестончатый выступ. Подобное сдерживание деформации берега, проявляющееся в образовании фестонов, компенсируется затем более значительным его смещением после падения деревьев. В таких условиях берег отваливается значительными кусками, образовывая полуцирки (Земцов, Евсеева, 1987). Параметры фестонов и полуцирков зависят от размеров корневых систем, биомассы наземной части и расстояния между деревьями (рис. 7).
При подмыве рекой склонов долины и водораздельных равнин образуются высокие яры, высотой 30-60 м (Сарафановские горы у с. Нарга, Кривошеинский яр. Висков яр у п.Вертикос, берег у д. Прохоркино). Паводочные воды воздействуют только на нижнюю часть берегового откоса, верхние части разрушаются путем оползания-обваливания крупных блоков грунта. Роль деревьев в разрушении склона в этом случае незначительна. Деревья либо продолжают расти на оползневых телах, либо просто падают на поверхность склона (рис. 8). Изредка воронка от вывороченного дерева становится причиной для образования оврага, не оказывающего существенного влияния на общее разрушение склона.
Растительность оказывает также косвенное влияние на русловой процесс, определяя количество наносов, которое поступает в реку с водосбора.
По замыслу авторов этого проекта русло реки должно было разделиться на два рукава, что привело бы к уменьшению размыва берегов у села. Однако река практически полностью переместилась в новое русло и за короткое время выработала его до глубины 6-8 м. Село с крупным деревообрабатывающим комбинатом оказалось оторванным от судоходных речных путей (Льготин, 1990).
Выше по течению р. Чулым расположено с. Альмяково, где в результате хозяйственной деятельности также был получен негативный результат (Лшгаш, 1991). Здесь в 1980-е гг. была сделана искусственная прорезь на песчаной отмели, сдерживающей русловой поток от воздействия на береговой склон в пределах села. В итоге, постепенно расширяя и углубляя прорезь, река разрушила песчаную отмель и начался активный размыв склона надпойменной террасы, на которой расположено село (рис. 10). Всё это привело к тому, что возникла угроза уничтожения существенной части населённого пункта (Колегов, 1984). Каждую весну в с.Альмяково, расположенном на правом берегу Чулыма, огромная масса грунта обваливается с 20-метрового яра на протяжении полутора километров и оседает на первых двух перекатах, делая их опасными для судоходства. Техучасток вынужден ежегодно углублять фарватер реки, затрачивая на это много средств (Колянова, 1986).
Участок "р.Обь-с.Кривошеино
Из таблицы 7 видно, что примерно с середины XX в. по настоящее время у р.п. Каргасок наблюдается снижение темпов берегопереработки. Причинами снижения эрозионной активности реки напротив поселка, является комплекс природных и техногенных факторов. Излучина реки постепенно перемещает центр размыва вниз по течению, уменьшая размыв у посёлка (рис. 29). Также, возможно, что речная эрозия затормаживается постепенной разработкой пойменной протоки Лозольга. Средняя ширина меженного русла пр. Лозольга изменилась с 85 м в 1929 г. до 250 м в 1991 г., что косвенно свидетельствовует об увеличении доли отвлекаемого расхода воды из главного русла.
Уменьшение размыва в пределах посёлка связано также с проведением здесь локальных берегоукрепительных работ - отсыпки берегового откоса гравийно-галечной смесью (рис. 30). Кроме того, на наиболее размываемых участках в половодье устанавливаются баржи и боны.
Анализ полевых и картографических материалов позволил с высокой точностью установить среднемноголетнюю скорость размыва берега в районе посёлка за последние годы и, учитывая общую тенденцию к уменьшению берегопереработки, прогнозировать его будущее положение к 2010 г. (рис. 31).
Село Кривошеино крупный населённый пункт, расположенный на левом берегу р. Оби несколько выше устья р. Чулым (рис. 32). Рис. 32. Село Кривошеино на берегу р. Оби
Один из рукавов р. Оби в районе села образует развитую излучину, нижнее крыло которой подмывает северную окраину населённого пункта. В пределах опасной зоны села расположены одноэтажные жилые дома.
Обрывистый берег (Кривошеинский Яр) достигает в межень высоты 35-44 м. В геоморфологическом отношении размываемый берег представляет собой водораздельную равнину. Вверх от уреза воды в межень обнажаются плотные глины, а также средние и тяжёлые суглинки, перекрытые сверху слоями мелкозернистых песков (рис. 33). Размыв суглинистых грунтов начинается при достижении скорости воды у берега около 0,8-1,2 м/с. В половодье скорости течения воды у берега напротив села достигают 0,7-0,8 м/с, Таким образом, сопротивляемость фунтов Кривошеинского Яра можно охарактеризовать как значительную.
Ситуационная схема участка "Кривошеино 82 Разрушение коренных берегов идет за счёт оползневых, обвальных, осыпных явлений, подготовленных боковой эрозией в подводной части склона и процессами выветривания - в надводной. Обычно обрушение и обваливание горных пород происходит во время половодья или сразу после его окончания, а затем обвалившиеся массы сползают вниз по склону (Льготин, 1989).
Скорость берегопереработки площадки водораздельного плато, на котором расположено село, постепенно уменьшается (табл. 8).
"Затухание" берегопереработки в последние десятилетия можно как связать с достижением излучины критических значений развитости (в настоящее время SA,=2,2) и со значительной сопротивляемостью грунтов коренного берега к размыву, так и с завышенными оценками размыва по лоцманским картам в ранние годы изучения.
Несколько выше устья р. Тым расположен п. Тымск. Река Обь в данном районе разделяется на два рукава - протоки Каргинскую и Тымскую (рис. 35). В настоящее время основной объём воды проходит в русле Каргинской протоки, протока Тымская постепенно заносится наносами и "отмирает". Тем не менее, в половодье, когда по Тымской протоке проходит значительный объём воды, одна из её излучин, закономерно развиваясь, своей вершиной подмывает берег у посёлка.
В пределах зоны разрушения расположены жилые дома, приусадебные постройки, а также производственные и вспомогательные сооружения рыбпункта.
Берег на всём протяжении участка высокий, обрывистый. Высота яра над низким меженным уровнем воды в Оби достигает 15 м. Береговая линия в плане имеет волнистую линию, образуя серию хорошо выраженных полуцирков (рис.36). Размываемые берега с фестонами и полуцирками типичны для Оби, дно которой сложено песчаным и песчано-гравелистым аллювием. Полуцирки образуются за счёт закономерного блочного обрушения берегового откоса в результате вымывания русловой фации аллювия в его основании (Каменсков, 1990).
В геоморфологическом отношении территория участка представляет собой останец II надпойменной террасы р. Оби с пологоволнистым характером поверхности. Пойма р. Оби примыкает к посёлку с юго-востока, востока и северо-востока.
Отложения, слагающие береговой уступ, представлены однородной толщей мелкозернистых песков, лишь в верхней части разреза содержащей маломощные прослои слабосцементированных песчаников (ДНОО,17-0,4 м/с). В половодье скорости воды в реке напротив посёлка достигают 0,5-0,8 м/с, предопределяя слабую сопротивляемость отложений к размыву.
Рациональный состав работ при осуществлении мониторинга береговых деформаций (для случая свободного меандрирования)
В результате проведённых работ на участке "Зырянское" получены методически важные выводы о целесообразности проведения ряда полевых работ при осуществлении мониторинга горизонтальных русловых деформаций, предложена рационализация технологии их производства.
Рекогносцировоччое обследование участка "Зырянское" в половодье позволило выявить особенности руслового процесса на участке, которые невозможно было получить камеральным путём, такие как современное состояние пр.Старый Чулым, армированность берегов растительностью, состав грунтов и рельеф на трассе предполагаемого спрямления и т.п. Таким образом, проведение рекогносцировочных работ целесообразно проводить на участках мониторинга, по которым поиск варианта защиты вызывает трудности и не может быть обоснованно предложен на основе анализа картографического и аэросъёмочного материала в камеральных условиях. В этом случае представляется желательным изучить непосредственно на месте в разные фазы водности участок реки включающий 3-4 излучины, расположенные выше исследуемой, и 2-3 излучины ниже её или длиной не менее 20-30-кратной ширины русла.
Наблюдения за скоростной структурой потока на участке (поверхностными поплавками, гидрометрической вертушкой и измерителем направления течений ГР-42) позволили получить значения скоростей и направления струй на поверхности и в толще потока. Полученная картина распределения скоростей соответствует классическим представлениям о движении потока на изгибе русла. Скорости вдольбереговых течений потока в половодье превышают ДНС одного из слоев, слагающих берег, приводя к его механическому размыву. Размытый материал уносится придонными течениями и переотлагается ниже по течению.
Анализ информации о скоростной структуре потока при проведении камеральных работ показали невысокую степень востребованности столь детальных исследований скоростной структуры потока применительно к решению поставленных задач. При осуществлении мониторинга горизонтальных деформаций практически достаточно знания только скоростей и направлений поверхностных течений в прибрежной зоне вогнутого берега, получаемые с помощью поплавков. Так, участки берега, к которым струи подходят под наибольшим углом, позволяют оценивать их как наиболее подверженные размыву, служат индикатором расположения плёсов. В половодье, когда вода выходит на пойму, поверхностные течения у размываемых берегов могут иметь несколько другое направление, чем в межень, поэтому их наблюдение позволяет лучше оценить особенности размыва в пределах излучины. Соотнесение значений скорости течения у подмываемого берега с ДНС слагающих его грунтов позволяет получить качественную оценку сопротивляемости берега речной эрозии.
Таким образом, поплавочные наблюдения за скоростью и направлениями течений позволяют получать ценную аналитическую информацию. Проведение поплавочных наблюдений для целей мониторинга береговых деформаций целесообразно проводить в упрощенном варианте, в форме визуального слежения за движением льдин, плывущих предметов, пены и т.п.
Русловые съёмки ин ачастке еЗырянское", проведённые е вимнюю меженн и на спаде половодья 2000 г., позволили получить ценную информацию. Анализ морфологии дна русла позволил точно определить наиболее опасные направления размыва берега, примыкающие к плёсовым лощинам, получить количественную информацию для расчёта будущего размыва аналитическим методом, выявить величину сезонных вертикальных деформаций системы "плёс-перекат".
В случае длительного однонаправленного развития излучины русла, изучением сезонных изменений отметок дна (вертикальных деформаций) целесообразно пренебречь, поскольку в настоящее время отсутствуют нормативные зависимости горизонтальных деформаций русла от глубинных.
При прогнозных расчётах целесообразно пользоваться только результатами русловой съёмки, сделанной на спаде половодья. В эту фазу водного режима плёсы максимально размыты, а перекаты - намыты, что облегчает их морфологическое выделение.
Кардинально позволит уменьщить время и улучшить качество проведения русловой съёмки современная гидролокационная техника -эхолоты, совмещенные с GPS-приёмниками. Примерами таких приборов могут служить эхолоты серии GARMIN GPSMAP Sounder, Lowrence LCX-15MT, HUMMrNBIRD NS25 (точность спутникового позиционирования 5-10 м, точность определения глубин ±10 см) или аналогичные. Применение такого оборудования не требует применения геодезических засечек движущейся лодки уменьшая количество задействованного персонала до минимума Координаты промерных точек вместе с глубинами импортируются непосредственно в компьютер и, в дальнейшем, могут обрабатываться средствами ГИС-приложений.
Основная цель изучения геологического отроения изучаемого очастка-получить материал по особенностям строения речного аллювия, особенностям накопления наносов и их размыва, составить представление о наличии участков речной долины, поймы и русла реки, на которых имеются выходы трудноразмываемых пород и русловой процесс не может по этой причине получить свободного развития, а транспорт наносов принимает специфические формы.
Отбор проб донного грунта на участке "Зырянское" выполнялся с применением пробоотборника ГР-86, гранулометрический анализ производился ситовым способом. В русле р.Чулым у с.Зырянского выходов неразмываемых горизонтов не обнаружено, ложе выполнено песком с примесью мелкого гравия.
При изучении донных отложений для задач мониторинга береговых деформаций целесообразно использовать современные эхолоты. После предварительной тарировки характера и толщины "линии дна" на дисплее эхолота можно оценивать структуру и плотность руслового аллювия, не прибегая к пробоотборникам и лабораторным исследованиям.
Топографическая съёмка на участке производилась с целью отражения всех современных изменений ситуации. При мониторинге горизонтальных речных деформаций топографические работы целесообразно заменять площадной плановой аэрофотовидеосъёмкой по методике, описанной в главе 5.1.1. В качестве модели ориентиров в этом случае можно использовать характерные детали местности.
