Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований влияния русловых карьеров на ускорение темпов рельефообразующих процессов 11
1.1. Теоретические предпосылки типизации русловых процессов и формы проявления вертикальных деформаций 15
1.2. Величина "посадки" уровней как определяющий фактор объема годовой добычи НСМ 25
1.3. Существующие способы расчета расхода донных наносов 27
1.4. Возможности прогнозов русловых деформаций с использованием моделирования 41
2. Особенности формирования жидкого и твердого стока р.Томи и русловой процесс на участке исследования 47
2.1. Рельеф и геология 48
2.2. Общая характеристика водного режима бассейна р.Томи 52
2.3. Водный режим р.Томи у г.Томска 55
2.4. Русловой процесс на участке исследования 57
2.5. Виды воздействия хозяйственной деятельности на русловой и гидравлический режимы р.Томи 72
2.6. Общие сведения о добыче НСМ в руслах и поймах рек и водохранилищ 73
2.7. Краткая история добычи НСМ из русловых карьеров Томской области 77
2.8. Современное состояние русла реки Томи на участках отработанных карьеров на территории Томской области 78
3. Методика оценки влияния хозяйственной деятельности на изменения водного и гидравлического режимов и русловые деформации 89
3.1. Влияние добычи НСМ науровенный режим р.Томи 89
3.2. Изменения положения кривой расходов Q = f(H) 94
3.3. Анализ гидравлических характеристик на водомерном посту Томск-гидроствор 98
3.4. Влияние падения уровней на уклоны свободной поверхности 101
3.5. Исследование изменений продольного профиля и кривых свободной поверхности 104
3.6. Влияние хозяйственной деятельности на перераспределение стока по протокам 115
4. Исследование изменений гидравлических характеристик на компьютерных моделях 123
4.1. Теоретические подходы к моделированию взаимодействия потока и русла в моделях серии НЕС 123
4.2. Калибровка системы на примере модели р.Томи 133
4.3. Моделирование участка речной сети с учетом добычи НСМ 140
4.4. Исследование стока влекомых наносов инструментальными методами 159
Заключение 166
Список использованной литературы
- Теоретические предпосылки типизации русловых процессов и формы проявления вертикальных деформаций
- Рельеф и геология
- Влияние добычи НСМ науровенный режим р.Томи
- Теоретические подходы к моделированию взаимодействия потока и русла в моделях серии НЕС
Введение к работе
Актуальность работы. В современных представлениях о русловом процессе рек как формы взаимодействия потока и русла наибольшее внимание уделено плановым деформациям русла т.к. прогноз таких деформаций позволяет принимать решения о расположении различных объектов вблизи рек. Вертикальные деформации в данном контексте считаются вторичными и их расчет, в основном, основывается на проявлении их в естественных условиях. Аллювиальный материал рек, песок, песчано-гравийная смесь, гравий и галька в большом количестве используются в строительстве уже в течение многих десятков лет. Это и строительство дорог, а также различных жилых и промышленных зданий и сооружений и т.д. Добыча нерудных материалов плавучими техническими средствами на русловых затопленных месторождениях или обводненных непродуктивных пойменных землях и перевозка этих материалов водным транспортом, являются экономически эффективными. Многие реки России в течение длительного времени являлись поставщиками песчаного и гравийно-галечного материала и остаются ими по сей день. Естественно, выемка аллювия в количестве многократно превышающем естественный сток наносов не могла не отразится на их русловом режиме (деформации русла, стоке наносов) и гидравлических характеристиках (уклонов свободной поверхности, скоростей течения). Участки многих рек в результате длительной добычи песчано-гравийных материалов (ПГМ) из их русел необратимо преобразили свой облик. Это такие реки как Иртыш у г.Омска, Белая, Терек, Волга, Томь и т.д.
Кроме выемки ПГМ из русел рек немаловажным фактором, влияющим на гидравлический и русловой режимы реки является гидротехническое строительство на самой реке, ее притоках и главной по отношению к ней реке. Важно правильно определить возможное влияние и процессы, возникающие в результате такого строительства и мероприятия по предотвращению переформирования русла и разрушения самих гидротехнических сооружений.
В настоящее время остро встает вопрос о достижении максимума эколого-экономической эффективности добычи нерудных строительных материалов (НСМ) из русел рек. Следует отметить, что до сих пор методы исследования влияния карьеров имеют слабое теоретическое обоснование. Исследования гидравлики потока в речном карьере проводились лишь на лабораторных установках с небольшим количеством вариантов относительных размеров и гидравлических характеристик потока. Предлагаемые в различных руководствах и рекомендациях способы оценки влияния карьеров на режим потока и русла могут быть применены для одиночных карьеров в однорукавных руслах.
Предметом исследования данной работы является влияние техногенных воздействий на изменения гидравлических характеристик потока и морфометрических характеристик русла.
Объектом исследования является русло реки Томь на участке от устья до границы с Кемеровской областью, гидрологические и гидравлические характеристики потока.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка методики исследования и прогнозирования последствий техногенного воздействия на окружающую среду антропогенных нарушений системы поток-русло с точки зрения вертикальных деформаций.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1) исследование природных условий формирования долины реки Томи и ее строения в пределах Томской области;
2) анализ особенностей морфологии русла в нижнем течении реки Томи и определение типов руслового процесса на различных участках;
3) исследование динамики переформирований русла реки Томи в последнее столетие;
4) определение влияния карьеров ПГМ на гидравлические характеристики и русловые переформирования в реке;
5) определение динамики русловых переформирований в реке Томь выше и ниже по течению города Томска за период русловой добычи ПГМ и выявления влияния последней на русловой процесс;
6) исследование стока наносов по деформациям в карьерах, натурным измерениям и на физических и компьютерных моделях.
Исходные материалы. При выполнении автором работы использовались фондовые материалы Томского государственного университета, ОАО «Томская судоходная компания», ОЛО «Сибречпроект», а также материалы, полученные в результате полевых экспедиционных исследований в ходе собственной профессиональной деятельности (лоцманские карты 1959, 1975, 1990 годов, русловые съемки масштаба 1:5000 1983, 1987, 1991, 1997 годов, геологические карты, данные о бурении в местах месторождений ПГМ, кривые свободной поверхности и продольные профили за 1983, 1987, 1991, 1998 годы, гидрометрические данные).
Применялись следующие методы исследовании:
1) классификация участков р.Томи с учетом типизации различных авторов и ранее проведенных исследований на данном участке;
2) сравнение гидрологических, гидравлических и морфометрических характеристик потока и русла (уровней и расходов воды, скоростей течения, уклонов, площадей поперечного сечения, ширины, глубины) за многолетний период
3) компьютерное моделирование участков русловой сети и вариантов устройства карьеров в русле и протоках с оценкой их влияния на гидравлический и русловой режим речной системы в целом.
Научная новизна выражается в том, что в работе впервые: 1)на основе систематизации многочисленных материалов режимных и изыскательских работу количественно определено индивидуальное и кумулятивное воздействие множественных карьеров ПГМ на вертикальные русловые переформирования и гидравлический режим реки Томи;
2) выявленгенезис посадки уровней на исследуемом участке реки Томи в условиях различной техногенной нагрузки. На основе выполненных исследований разработана методика определения посадки уровней воды на любом временном промежутке в различные периоды водности потока;
3) созданы постоянно действующие модели участков реки Томи для прогнозирования последствий отработки карьеров ПГМ, деформаций многорукавных русел и изменений гидравлических условий, учитывающие синсргетический эффект воздействий. На этой основе предложена программа мониторинга и изысканий русловых месторождений ПГМ.
С практической точки зрения результаты моделирования стали основой решений проектов карьеров ПГМ и предложения по порядку и объемам отработки месторождения с максимальной эколого-экономической эффективностью. Проведены натурные измерения стока донных наносов и инструментальные наблюдения гранулометрического состава материала, слагающего речное русло приборами, разработанными коллективом кафедры гидрологии ТГУ и с использованием водолазной техники. Результаты исследований используются в преподавании курса «Динамика русловых потоков и русловые процессы» на кафедре гидрологии ТГУ.
Апробация работы. Основные положения и предложенная методика стали основой при составлении разделов ОВОС проектов: 1) Карьер ПГМ в пр.Светлая Лйдаковского месторождения 1999; 2) Ледозащитная дамба затона зимнего отстоя судов Томской судоходной компании 2003. 3) Карьер ПГМ Коларовского месторождения 2004. Кроме того, результаты моделирования. Результаты работы доложены на 13 научных конференциях, совещаниях и семинарах и опубликованы в 16 научных изданиях.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы основана на современных достижениях таких наук как гидрология, гидрометрия, гидроморфологическая теория руслового процесса и не противоречат их положениям, базируются на строго доказанных выводах этих научных дисциплин. При исследованиях автора применялась проверенная, тарированная техника и методики исследования.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, а также 6 приложений. Материал изложен на 188 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 56 рисунков, список литературы содержит 121 источник.
В первой главе производится анализ современного состояния исследований влияния карьеров ПГМ на русловой и гидравлический режим рек, исторического развития типизации руслового процесса и критериальных зависимостей типов руслового процесса, проанализированы теоретические подходы, на которых основаны разнообразные формулы для расчета расхода влекомых наносов, а также возможности прогнозов русловых деформаций с использованием моделирования.
Во второй главе приводится анализ факторов формирования водного стока р.Томи и, как следствие, стока наносов. Проанализировано геологическое строение бассейна реки в целом и более детально равнинной части бассейна и исследуемого участка, классифицированы отдельные участки русла р.Томи в Томской области на основании теоретических подходов ГТИ. Описаны основные виды антропогенных воздействий на русловой и гидравлический режимы р.Томи. Рассмотрена история освоения месторождений песчано-гравийных материалов, как основного вида нарушения строения русла и гидравлических характеристик
В третьей главе изложена методика определения воздействия хозяйственной деятельности на гидрологический режим р.Томи. Исследованы причины падения уровней в районе г.Томска и произошедшие вслед за этим изменения уклонов свободной поверхности выше и ниже по течению. Проанализированы изменения продольного профиля русла и кривой свободной поверхности вверх по течению от г.Томска. Обосновывается величина и происхождение посадки уровней на водомерных постах в г.Томске. Выявлены причины изменения распределения стока на многорукавных участках реки.
В четвертой главе приведены теоретические подходы к компьютерному моделированию речной сети, описаны опытно-методические работы, осуществленные автором, в результате которых разработана методика определения воздействий русловых карьеров ПГМ на гидравлический режим с использованием компьютерных моделей. Предлагается разработанная автором методика инструментальных измерений стока донных наносов с выводом формулы расчета их расхода для гравийного русла.
В заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. На участках рек, где существенное развитие получили факторы, ограничивающие развитие руслового процесса (общий и местные базисы _эрозии, трудно размываемые склоны долины) для выделения гидроморфологически однородных участков типизацию ГГИ необходимо дополнять элементами типизации других авторов.
2. В состав методики оценки многолетнего влияния русловых карьеров ПГМ на вертикальные деформации многорукавных русел и гидравлику потока должны входить: 1) многолетний анализ колебаний экстремальных уровней воды; 2) сравнение положения кривой связи расходов и уровней; 3) сопоставление поперечных и продольных профилей и кривых свободной поверхности; 4) анализ гидравлических характеристик потока; 5) сравнение распределения стока по протокам.
3. Использование одномерных компьютерных моделей для прогноза воздействий русловых карьеров ПГМ на гидравлический режим рек является результативным и дает достаточно точные результаты
Теоретические предпосылки типизации русловых процессов и формы проявления вертикальных деформаций
Под русловым процессом понимается изменение внешнего облика русла — его планового и высотного положения, т.е. процессы обуславливающие движение самого русла. Речные русла, как и любые природные объекты, можно типизировать и классифицировать по самым различным признакам: по форме поперечных сечений, по степени устойчивости, по плановым очертаниям, по степени кинетичности руслового потока и так далее.
Типизация любых процессов важна потому, что она содержит элемент прогноза. Действительно, зная начальные, промежуточные и конечные стадии развития процесса, сравнивая эту схему с наблюдающейся на данный момент стадией развития, можно предвидеть конечную, а, следовательно, и промежуточные стадии развития процесса и планировать воздействие на русло уже с учетом этого развития.
Поскольку макроформы определяют собой морфологический тип реки, наибольший интерес представляют именно их типизация. Таким образом, типизация макроформ и есть типизация руслового процесса. При этом речь идет и о внешнем виде макроформ и о типичных схемах их деформаций.
Существенную специфику в развитии форм транспорта наносов вносят ограничивающие условия — особенности геологического строения дна речной долины - выходы трудно размываемых пород, изменяющие средний уклон и, следовательно, среднюю скорость течения, что способствует изменению расхода донных наносов. Среди ограничивающих факторов особое место занимают положение базиса эрозии, определяющее общее падение реки.
Первые попытки типизировать реки по степени устойчивости их русел осуществлены М.Л. Великановым (1955), который выделил пять типов русловых процессов: 1) слаборазмываемые русла, сложенные скальными породами или крупной галькой; 2) русла с закономерным чередованием во времени размывов и намывов каждого участка; 3) русла, изменяющие свои формы без строгой периодичности, но с устойчивыми очертаниями в плане; 4) русла с относительно неупорядоченными изменениями глубин и плановых очертаний; 5) русла, изменяющиеся со скоростью такого же порядка, что и скорость потока.
В основу данной типизации положен коэффициент устойчивости, который впервые был предложен В.М.Лохтиным (1897). Коэффициент имел размерность, поэтому М.Л.Великанов (1955) предложил иной, безразмерный коэффициент устойчивости: П = g Dcp/u2, (1.1) где g- ускорение свободного падения, м/с2; Dcp- средний диаметр донных наносов, м; и - средняя скорость потока, м/с. Вопросы морфологии русел оставались вне этой типизации. Однако некоторые авторы (Каменсков, 1987) считают ее прогрессивной для того времени в связи с тем, что впервые была сделана попытка увязать типы речных русел с темпами и характером русловых переформирований. В дальнейшем К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1958) предложили деление рек на три типа: 1) периодически расширяющиеся, 2) меандрирующие, 3) блуждающие (многорукавные) Подобную типизацию разработали также американские ученые Л.Б.Леопольд и М.Г.Уолмен. (1957) Они показали, что при разных комбинациях уклона потока и расходов воды четко выделяются три типа речных русел: прямые, извилистые и разветвленные. Наиболее полная классификация типов деформаций речных русел разработана в ГГИ Н.Е. Кондратьевым и И.В. Поповым (Рекомендации... 1973) при создании гидроморфологической теории руслового процесса. В основу данной типизации заложены идеи М.Л. Великанова, а также более ранняя типизация И.А. Кузьмина и К.И. Россинского. Типизация Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова включает в себя семь типов руслового процесса, в которых вертикальные деформации проявляются следующим образом: 1) ленточно-грядовый - вертикальные деформации заключаются в сползании гребней гряд и их подвальев, они полностью обратимые; 2) побочневый - так же, как и в предыдущем типе, сползающие вниз по течению гряды-побочни обуславливают знакопеременные вертикальные деформации; 3) ограниченное меандрирование - по мере сползания излучин перемещаются вниз по течению плесы и перекаты, которые, кроме того, ежегодно меняют свое высотное положение: в начале подъема уровней половодья начинается намыв гребней перекатов и размыв плесовых лощин, на спаде половодья и в межень происходит сработка перекатов и отложение наносов в плесовых лощинах; 4) свободное меандрирование — в отличие от ограниченного меандрирования в данном типе руслового процесса перекаты имеют стабильное положение, а смещение и удлинение размываемого берега приводит к удлинению и углублению плесовых лощин, а также перемещению их вверх по излучине по мере увеличения угла ее разворота, в целом, вертикальные деформации проявляются в относительно большем временном промежутке по сравнению с плановыми в виде нарастания песчаного пляжа и пойменного сегмента, сезонные деформации связаны с нарастанием в высоту перекатов и углублением плесовых лощин в период половодья, в период межени происходит обратный процесс; такие вертикальные деформации принято считать обратимыми; 5) незавершенное меандрирование характерно более ранним образованием спрямляющей протоки, которая врезается в пойменные отложения, образуя новое русло; 6) пойменная многорукавность объединяет в себе формы проявления вертикальных деформаций всех выше перечисленных типов руслового процесса, так как в отдельных рукавах может присутствовать тот или иной типы; 7) русловая многорукавность. - вертикальные деформации связаны со смещением островов-осередков и ростом их в высоту при однонаправленной аккумуляции наносов вблизи общего или местного базиса эрозии.
И.Ф.Карасев (1975) предлагает дополнить данную классификацию двумя типами: 1) глубинная эрозия русла при отсутствии руслоформируюпщх отложений; 2) необратимая аккумуляция наносов вблизи общего и местного базиса эрозии.
Рельеф и геология
Равнинная часть территории бассейна р. Томи представлена южной окраиной Западно-Сибирской равнины. Южный рубеж ее очерчивается, с одной стороны, предгорьями Кузнецкого Алатау, а с другой - заходящей из Кузнецкой котловины полосой невысоких возвышенностей Колывань-Томской зоны (Сокура), которая является переходной зоной от Салаирского кряжа к Западно-Сибирской равнине. Переходное положение этой территории между горными сооружениями Алтая и Саян и равнинными, покрытыми тайгой, пространствами Западно-Сибирской равнины предопределяет довольно сложное сочетание в рельефе этого района элементов горных и равнинных областей. (Трофимов, 1972).
Колывань-Томская складчатая зона представляет собой слабовсхолмленную приподнятую возвышенность с лесостепным ландшафтом.
Ниже по течению от города Томска, до впадения в Обь, бассейн р. Томи располагается уже на Западно-Сибирской равнине с лесостепным ландшафтом, постепенно переходящим в лесной. Это равнина, местами гривистая с многочисленными западинами и блюдцами.
В рельефе водораздельных равнин на Обь-Томском междуречье хорошо прослеживаются ложбины стока. Наиболее крупной является Черноречен-ская ложбина, на дне которой распространены песчаные дюны с чистым сосновым бором среди болот и мелких озер.
Современный рельеф преобразуется под влиянием экзогенных геоморфологических процессов, а также деятельности человека. На склонах между речий к речным долинам сосредоточены овраги. Только в Томске, в долинах Томи и Ушайки и на их междуречье, имеется 60 оврагов, глубина которых в устьевой части колеблется от 7 до 20 м, а длина от 10 до 1000 м. Большинство из них находится в стадии развития, что связано с интенсивной распашкой земель под сельскохозяйственные угодья, огороды, вырубкой лесов. (Земцов Л.А. и др. 1988)
В геологическом строении равнинной части бассейна Томи выделяют фундамент и рыхлый мезозойско-кайнозойский чехол. По литолого-фациальному составу фундамента плиты эта часть бассейна Томи находится в Приалатаусском регионе, примыкающем к структурам Кузнецкого Алатау, и лишь в нижнем течении - в Центрально-Сибирском. В окрестностях Томска и выше по течению Томи породы фундамента (палеозой) выходят на поверхность и часто встречаются в русле реки в виде трудно размываемых порогов -"бойцов", которые подвергаются разрушению лишь в период ледохода (Мару-сенко, 1958). Породы палеозоя представлены глинами, сланцами, песчаниками и известняками девона и карбона. В первом преобладают глинистые толщи, а во втором - песчаники и известняки. Палеозойские породы собраны в пологие складки и местами прорваны дайками магматических пород, которые являются практически не размываемыми. Примером такого выхода магматических пород является порог «Боец» в районе Лагерного сада. Мощность рыхлых осадочных пород мезозойско-кайнозойского чехла в пределах бассейна колеблется от нескольких метров, до 1 км при впадении в Обь. Отложения четвертичной системы заполняют сплошным чехлом междуречья и речные долины в нижнем течении, а там, где палеозойские и мезозойские породы выходят на поверхность, их мощность значительно сокращается.
Геологический разрез долины р.Томи от с.Казанка до с.Кандинка. Условные обозначения здесь и далее: Q IV - современные пой-менные отложения, Q III - отложения первой надпойменной террасы, Q III -отложения второй надпойменной террасы, Q3III - отложения третьей надпой-менной террасы, Q II—III - отложения древних ложбин стока, Q II - отложения четвертой надпойменной террасы, N2KC - неогеновая система, кочковская свита, Рзпт - палеогеновая система, новомихайловская свита, К-Р — мел-палеогеновая элювиальная кора выветривания, Cjlg - каменноугольная систе ма, лагерносадовская свита, Qbs - каменноугольная система, басандайская свита.
В отличие от предыдущего разреза здесь отложения поймы подстилаются глинистыми отложениями новомихаиловскои свиты, которые, в настоящее время, местами выходят к поверхности дна реки. В 4 км выше но течению расположен порог "Боец", сложенный трудноразмываемыми породами лагер-носадовской свиты и магматических пород, который представляет собой местный базис эрозии.
Еще один разрез (рис. 6) пересекает уже типичную аллювиальную часть долины р.Томи на 46-м км от устья. Отложения поймы представлены большей частью песком, с незначительными вкраплениями песчано-гравийной смеси, которая также наблюдается уже в большем количестве в нижних слоях отложений надпойменных террас. Ниже пойменных отложений песчаные и глинистые отложения новомихаиловскои свиты. Рис. 6. Геологический разрез долины р.Томи в районе г.Северска Условные обозначения см. Рис. 4.
Такое разнообразие геологического строения долины р.Томи вносит определенные условия на существование различных схем русловых переформирований и типов руслового процесса на относительно коротком участке реки.
Основными источниками питания рек служат атмосферные осадки (твердые и жидкие) и подземные воды. Соотношение между различными типами питания отдельных рек зависит от физико-географических и климатических условий.
Влияние добычи НСМ науровенный режим р.Томи
В районе Томска уровни воды в реке измеряются на двух постах Росгидромета: первый (Томск-гидроствор) расположен у водозабора ГРЭС-2 (на правом берегу реки в 2 км выше коммунального моста, в 7 км выше по течению от пристани) и имеет отметку "О" графика поста 69,25 м абс, или 69,99 м в Балтийской системе высот (БС); второй (Томск-пристань) - в районе пассажирской пристани (на правом берегу реки в городе, в 0,6 км ниже впадения р.Ушайки), его "0" поста равен 68,74 м абс или 69,48 м БС. На первом посту наблюдения уровней ведутся с 1964, а на втором - с 1918 г.
Видимые изменения гидравлических характеристик русла реки Томи в результате добычи НСМ у г.Томска сводятся к тому, что при слабо изменившейся водности реки произошло существенное падение уровней воды во все сезоны года. Минимальные уровни воды в период открытого русла (летне-осенняя межень) изменяются следующим образом: 1) до середины 1960-х гг. - ежегодные уровни колебались относительно устойчивого среднемноголетнего значения и не испытывали однонаправленных изменений; 2) с середины 1960-х до начала 1980-х гг. - наблюдается резкое уменьшение уровней приблизительно на 2,5 м, что связано с добычей гравия в русле Томи в районе г.Томска, наибольшая "просадка" уровня наблюдается для водпоста Томск-пристань - 2,5 м (водность реки за это время практически не изменилась); 3) на посту Томск-гидроствор уровни понизились на 2 м; 4) с начала 1980-х годов - в результате сокращения объемов добычи гравия ниже г.Томска "просадка" уровней воды прекратилась, и можно отметить некоторую их стабилизацию.
Максимальные уровни р.Томи у г.Томска с 1918 г уменьшились в среднем на 3,4 м. Для сравнения - максимальные уровни воды р.Томи у с.Поломошного, расположенного приблизительно в 100 км выше по течению от г.Томска, за весь период наблюдений с 1894 г. также, приблизительно с середины 1920-х годов, понизились, на величину около 1,2 м (см. рис 26).
Анализируя графики хода максимальных уровней на рис. 25, 26, оказывается достаточно трудно определить величину "просадки" максимальных уровней, происшедшей в результате добычи ПГМ. Очевидно, что снижение максимальных уровней воды на 1,5 м до начала 1960-х годов не связано с посадкой уровней от влияния выемки гравия, т.к. объемы добычи не превышали годовой сток донных наносов. В этом можно убедиться, построив совмещенный график хода максимальных уровней по водомерным постам Томск-пристань и Поломошное за период до начала активной добычи ПГМ (рис. 27). Здесь по падению линии тренда можно определить посадку уровней на обоих постах порядка 1,5 м. Продолжающееся падение максимальных уровней после 1960 г. на 1,9 м совпадает по времени с периодом активной разработки русловых месторождений песчано-гравийной смеси у г. Томска, при этом максимальные уровни на водпосту Поломошное, где НСМ из русла не добывались, снизились на 0,8 м.
Стабилизация максимальных уровней после прекращения добычи НСМ в районе г.Томска и ниже по течению отчасти подтверждает, что выборка гравия влияет также и на максимальные уровни воды. Следует отметить, что до 1960 г. почти половина максимальных уровней связаны с ледовыми заторами ниже по течению, тогда как после 1960 г. максимумы уровней только в двух случаях совпадают с заторами льда. Однако это не говорит о том, что заторы перестали наблюдаться, но величина уровня при заторах за счет посадки чаще оказывается ниже максимумов половодья.
Из общего снижения уровней воды в р. Томи у Томска падение минимальных уровней на 2-2,5 м и максимальных примерно на 1,1 м вызвано разработкой месторождений песчано-гравийной смеси в русле реки.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что выборка ПГС неоднозначно влияет на величину посадки уровней воды в межень и половодье. В связи с тем, что величина посадки уровня меняется в течение одного года, - максимальные уровни (за счет выборки гравия) понизились на меньшую величину, более точно определить посадку уровней во всем диапазоне их изменений можно, используя совмещенные кривые зависимости расходов воды в реке Q от уровней воды Н в створе измерения.
Как уже говорилось выше (п. 3.1), используя только экстремальные ежегодные уровни, оказывается затруднительным определить величину их посадки под влиянием антропогенного воздействия на русло. Если по хронологическому графику хода минимальных уровней (рис. 24) можно с точностью 10-20 см определить, насколько они снизились, то по такому же графику хода максимальных уровней весеннего половодья (рис. 25), при условии их снижения на вышележащем посту (рис. 26), величину их посадки от влияния карьеров НСМ вычленить практически невозможно. Данную задачу можно решить совместным построением кривых связи расходов и уровней Q=f(H) за период воздействия на русло реки. Такие исследования, например, были проведены также на р.Оке у г.Кашира (Гришанин и др. 1988), на которой объемы стока руслообразующих наносов и их добычи сопоставимы с р.Томыо у г.Томска.
На рис. 28 приведены кривые зависимости расходов от уровней воды для поста Томск-гидроствор за следующие годы: 1) в самом начале падения уровней (1965 г.), (кроме того, это связано с началом измерения расходов на данном створе); 2) в период максимального падения уровней (1985 г.) и в период стабилизации экстремальных уровней (1999 г.).
Теоретические подходы к моделированию взаимодействия потока и русла в моделях серии НЕС
Неизвестный профиль водной поверхности в поперечном сечении определяется путем решения уравнений (4.1) и (4.2) методом последовательных приближений. Алгоритм расчета следующий: 1. Задается высотная отметка (уровень) водной поверхности в верхнем сечении (или нижнем, если вычисляется профиль для бурного потока). 2. Основываясь на этой отметке, определяются соответствующие ей общие пропускные способности в верхнем и нижнем поперечных сечениях участка и скоростные напоры. 3. По значениям, вычисленным в п.2, рассчитывается уклон трения Sf и решается уравнение (5.2) для he. 4. По значениям, вычисленным в пп. 2 и 3, решается уравнение (4.1) для геометрического напора WS2. 5. Вычисленное значение WS2 сравнивается со значением, заданным в п.1, и цикл вычислений с п.1 по п.5 повторяется, пока разница между этими значениями не достигнет 0.003 м или другого заданного допустимого предела. Критерий, используемый, для принятия отметки водной поверхности в методе последовательных приближений, меняется от вычисления к вычислению. Отметка водной поверхности в первом цикле вычислений связана с проектируемой глубиной предыдущего поперечного сечения. Отметка водной поверхности во втором цикле вычислений равна отметке водной поверхности, рассчитанной в первом цикле, плюс 70% ошибки из первого вычисления (WS вычисленная - WS предыдущая). Третий и последующие циклы основаны на назначении степени изменения разности 128 между вычисленными и принятыми отметками для двух предыдущих испытаний (методом секущей). В аналитических выражениях в используемой версии программы (HEC-RAS 2.1) неявно заложены следующие предположения: 1. Течение установившееся, потому что в уравнение энергии (4.1) не включены условия зависимости от времени. 2. Течение медленно изменяющееся (за исключением таких гидравлических структур как мосты, трубы и плотины), потому что уравнение (4.1) основано на предпосылке, что в каждом поперечном сечении распределение давления распределяется по гидростатическому закону. В тех местах, где течение быстро изменяющееся, используется уравнение импульса силы, или другие эмпирические уравнения. 3. Поток одномерный, т.к. уравнение (4.5) основано на предпосылке, что полная энергия одинакова во всех точках поперечного сечения. 4. Русла рек имеют уклоны меньше 1:10 потому, что гидростатический напор, будучи частью слагаемого WS в уравнении (4.1), представлен глубиной воды, измеряемой по вертикали. Для вычисления отметок водной поверхности в заданных сечениях необходимы геометрические параметры русла и поймы и характеристики потока при установившемся режиме. Основные геометрические данные состоят из: - схемы русловой сети; - данных о размерах и форме поперечного сечения потоков; - длин участков; - коэффициентов сопротивления (для расчета потерь энергии на преодоление сил трения и потерь при сжатии или расширении потока) - информации о слиянии (разделении) потоков.
Схема речной сети необходима для любого геометрического набора данных в системе HEC-RAS. Схема характеризует поведение реки на различных участках и наименования этих участков. Наличие схемы очень важно, чтобы понять, какие вычисления должны быть проведены при переходе от одного участка к другому. Соединения участков рассматриваются как узлы потока.
Исходная информация для анализа естественного потока состоит из условных отметок поперечных сечений и измеренных между поперечными сечениями расстояний (длины в пределах участка). Поперечные сечения должны быть расположены на таких расстояниях друг от друга, чтобы как можно более полно охарактеризовать рельеф русла. Однако недействующие части площади сечения пойменного потока типа проток, малых водоемов или понижений долин вообще не должны включаться в поперечное сечение.
Поперечные сечения необходимо задавать на тех участках потока, где встречаются изменения расходов воды, уклонов, формы поперечного сечения русла или шероховатости, в местах начала или конца дамб, мостов, плотин и т.д. независимо то расстояний между сечениями. Расстояние между поперечными сечениями также является функцией длины потока, уклона и однородности формы поперечного сечения. Большие однородные реки с малыми уклонами обычно требуют наименьшего количества числа поперечных сечений на километр.
Измеряемые расстояния между поперечными сечениями называются длинами участков. Длины участка в пределах левобережной, правобережной поймы и основного русла вводятся в редакторе данных поперечного сечения. Длина русла обычно измеряется по тальвегу. Коэффициенты сопротивления, которые применяются между поперечными сечениями, определены как часть данных поперечного сечения на входе. Там, где изменение поперечного сечения реки мало, коэффициенты сопротивления на сжатие или расширение потока обычно равны 0,1 и 0,3 соответственно. Когда изменения в действующей площади поперечного сечения резкие - коэффициенты сопротивления составляют 0,3 и 0,5 соответственно. Иногда они могут достигать соответственно значений 0,6 и 0,8. Эти значения могут быть изменены в любом поперечном сечении потока при задании исходных данных для расчета.
Кроме геометрических данных для вычисления профилей водной поверхности требуются характеристики потока при установившемся режиме. Данные при установившемся режиме потока состоят из: - данных о режиме потока, - граничных условий, - данных о расходе воды.
Вычисления профилей начинаются в поперечном сечении с известных или принятых начальных состояний потока и продолжаются до входа в спокойный режим потока или выхода в бурный режим потока.
Граничные условия устанавливают начальное положение водной поверхности на входе и выходе речной системы. Начальная отметка водной поверхности необходима программе для того, чтобы начать вычисления. При спокойном режиме потока, граничные условия необходимы только на выходе системы (в ее нижнем сечении). Если рассчитывается бурный режим потока, то граничные условия необходимы только на входе системы. Если рассматривается смешанный режим потока, то граничные условия должны быть введены на входе и выходе системы.
В программе используются четыре типа граничных условий: - отметки водной поверхности; - критическая глубина; - нормальная глубина; - кривая расходов.
Когда отметки водной поверхности на границах неизвестны, можно приблизительно оценив характер профиля водной поверхности выбрать в качестве граничного условия либо нормальную, либо критическую глубину. Данные о расходе вводятся на входе и выходе каждого участка речной сети.
Расчет наносов и русловых деформаций осуществляется программой НЕС-6. НЕС-6 - одномерная численная модель течения в открытом русле с подвижными границами, созданная для того, чтобы моделировать и предсказывать изменения профилей реки, происходящие в результате размыва и (или) отложения наносов в течение периодов времени, обычно составляющих несколько лет. Расчет продольных профилей выполняется подобно программе HEC-RAS. Затем вычисляется транспортирующая способность потока для каждого поперечного сечения. Её значения, в сочетании с продолжительностями стояния расходов, позволяют в объемном виде оценить размыв и отложение наносов на каждом участке, и соответственно корректируется поперечное сечение. Расчеты продолжаются с другим расходом в последовательности (согласно заданному гидрографу стока) и цикл повторяется, начинаясь с обновленной геометрии русла. Расчеты переотложения наносов осуществляются по фракциям с разным размером зерен, тем самым позволяя моделировать гидравлическую сортировку и отложение.
