Содержание к диссертации
Введение
1. Основные закономерности гидрологоморфологических процессов в неприливных дельтахрек 10
1.1. Устьевая область реки как особый географический объект 10
1.2. Гидролого-морфологические процессы в дельте реки 12
1.3. Водный режим неприливных устьев рек 15 :
1.4. Природные и антропогенные факторы гидролого-морфологических процессов в дельтах. 18
2. Методика математического моделирования гидролого-морфологических процессов в дельтах рек 25
2.1. Понятие компьютерно-математической модели . , 25
2.2. Существующие модели для расчета распределения стока воды и русловых деформаций в водотоках дельт 26
2.3. Гидравлический блок модели, предложенной в диссертационной работе .34
2.4. Морфологический блок предлагаемой модели 57
2.5. Алгоритм моделирования 66:
2.6. Необходимые исходные данные . 67
2.7. Данные, позволяющие улучшить модель, провести ее верификацию
2.8. Варианты расчета 68
2.9. Применимость модели данного типа и ее возможности 69
2.10. Вопросы адаптации, настройки, верификации предлагаемой модели .70
3. Проверка математической модели на реальных объектах: дельтах рек яны, кубани и дуная 72
3.1. Объекты применения компьютерно-математической модели 72
3.2. Компьютерно-математическая модель дельты р. Яны . 74
3.3. Компьютерно-математическая модель дельты р. Кубани 87
3.4. Компьютерно-математическая модель дельты Дуная 106
4. Исследование гидролого-морфологических процессов в абстрактной неприливной дельте с помощью компьютерно-математической модели 122
4.1. Общие принципы применения компьютерно-математической модели неприливной дельты , 122
4.2; Компьютерно-математическая модель однорукавного устьевого участка
4.3. Компьютерно-математическая модель многорукавного устьевого участка
5. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельтах рек яны, волги, кубани и дуная с использованием математических моделей 199
5.1. Прикладные расчеты с использованием математических моделей гидролого-морфологических процессов в дельтах рек и выбор объектов 199
5.2. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Яны с использованием математической модели 200
5.3. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Волги с использованием математической модели 205
5.4. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Кубани с использованием математической модели 213
5.5. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Дуная с использованием математической модели 218'
Заключение 229
- Существующие модели для расчета распределения стока воды и русловых деформаций в водотоках дельт
- Компьютерно-математическая модель дельты р. Яны
- Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Яны с использованием математической модели
- Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Дуная с использованием математической модели
Введение к работе
Актуальность темы. Речные дельты представляют собой уникальные географические объекты, очень изменчивые и экологически уязвимые. Они обладают богатыми природными ресурсами, широко используемыми различными отраслями хозяйства. Особенности природного облика дельт и возможности их хозяйственного использования в основном определяются гидролого-морфологическими процессами, под которыми понимают совокупность динамики вод и наносов, рельефа дна и берегов. Изучение этих. процессов вследствие их сложности, многофакторности, значительной естественной и антропогенной изменчивости представляет большие трудности. В; этих условиях возникает необходимость в поиске дополнительных (помимо натурных наблюдений и исследований) путей изучения этих процессов, в том числе и с применением методов математического моделирования..
Математическое моделирование может стать одним из эффективных путей изучения и прогнозирования гидролого-морфологических процессов в дельтах рек. Оно позволяет, с одной стороны, более глубоко изучить эти процессы, а, с другой стороны, спрогнозировать воздействие на них как естественного, так и антропогенного изменения определяющих факторов. С помощью моделирования можно более точно рассчитать влияние на режим дельт проектируемых водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, предсказать их последствия и выбрать наиболее оптимальные варианты.
При исследовании речных дельт ранее уже применялись методы математического моделирования, в основном основанные на решении уравнений речной гидравлики (работы К.В. Гришанина [24], В.В. Иванова [31] и др.). С помощью математического моделирования изучались также и некоторые проявления русловых процессов в дельтовых водотоках (работы В.В. Иванова, М.А. Михалева, А.А. Пискуна [33, 34], Н.Й. Алексеевского [5], А.М. Алабяна, А.Ю. Сидорчука [2], В.Н. Михайлова [52, 55], В.Ф. Полонского [68] и др.). Выдвижение дельт в море моделировали С.С. Байдин [10], В.Н. Михайлов [52,60], В.Ф. Полонский [68] и др. Однако комплексной модели, позволяющей одновременно рассчитывать перераспределение стока воды и наносов по рукавам дельты, процессы активизации и отмирания рукавов, выдвижение и отступание дельты, а также воздействие морских факторов, разработано не было.
В настоящее время разработка и применение таких комплексных математических моделей приобретает особую актуальность в связи с необходимостью расчета и прогноза изменения строения и режима речных дельт. Такая необходимость обусловлена, во-первых, резким антропогенным уменьшением стока наносов многих рек мира, во-вторых, ускоряющимся повышением уровня Мирового океана и связанных с ним морей (подъем уровня моря не только приводит к затоплению дельт, но в усиливает разрушающее воздействие на морской край дельт волнения, нагонов и приливов), в-третьих, расширением освоения природных (водных, земельных, биологических) ресурсов дельт, в-четвертых, сокращением экспедиционных исследований и стационарных наблюдений в дельтах по экономическим причинам.
Большой интерес вызывает также оценка гидрологического состояния неизученных или слабоизученных дельт или их отдельных русловых систем. Кроме того, актуальным становится решение ряда более общих вопросов: например, каким образом уменьшение стока наносов скажется на развитии многорукавных дельтовых систем, ускорит ли оно отмирание боковых водотоков или нет; как скажется на режиме и развитии дельт повышение уровня моря и усиление абразии их морского края; как на процессы развития дельт влияют число водотоков, рельеф дна устьевого взморья и т.д. Решение этих вопросов возможно путем численных экспериментов с помощью методов математического моделирования.
Изначально в России сформировалось несколько научных подходов к изучению устьев рек. Первый из них делал упор прежде всего на геологию, тектонику, изучение дельтовых отложений и геоморфологию речных дельт. В это же время развивался подход, изучающий почвенный покров устьевых областей рек. Однако наиболее продуктивным оказался третий подход -гидрологический. В нем предпочтение отдавалось изучению устьевых процессов как основных факторов динамики дельт. При этом комплексный подход к изучению дельт как с гидравлической, так и с географической точки зрения был предложен ИЛ. Самойловым в \ его монографии "Устья рек", вышедшей в 1952 г [80].
Приоритет в изучении гидролого-морфологических процессов в дельтах рек принадлежит российской научной; школе. Основы теории устьевых процессов были заложены в ведущих российских научных учреждениях, занимающихся изучением устьев рек: в Государственном океанографическом институте (ГОИНе), на географическом факультете Московского государственного университета; им. М.В. Ломоносова, в Арктическом и антарктическом научно исследовательском институте, в Институте водных проблем Российской академии наук.
Значительную роль в развитии гидрологической науки сыграли региональные исследование гидролого-морфологических процессов в дельтах рек России и сопредельных стран. Наиболее детально исследованы дельты Волги [48, 46, 73, 78], Терека и Сулака [3, 12, 20], Дуная [18, 54], Куры [19], Яны [4,65, 66], Индигирки [86], Амударьи [71]. В США подобные исследования проводились в дельте Миссисипи [94,102].
Существует несколько научных подходов к исследованию гидролого-морфологических процессов в дельтах рек:
1) расчет распределения расходов воды по рукавам дельты (С.С. Байдин [11], В.В: Иванов [30-33]);
2) изучение процессов отмирания и активизации рукавов дельт (М.М. Рогов [60, 73], В Л. Михайлов [60,61], В.Ф. Полонский [69]);
3) изучение геоморфологических аспектов процессов дельтообразования (В.Н. Коротаев [39,41]); 4) изучение динамики морского края дельты, устьевых баров и взморья
(В.Н. Михайлов [47,49], В .К. Дебольский [27], В.Ф. Полонский [69]);
5) типизация и классификация устьев рек и характера гидролого морфологических процессов в дельтах рек (В.Н. Михайлов [47, 49, 50], В.В.
Иванов [32], В.Ф. Полонский [69]).
Развитие научных знаний и одновременный значительный прогресс в электронно-вычислительной технике позволил не только рассматривать гидролого-морфологические процессы в дельтах как объект исследования, но и начать на этой основе изучение дельт как единых комплексных систем.
Представления о дельте реки как единой системы предполагает комплексный подход к изучению как самого объекта - дельты реки, так и основных гидролого-морфологических процессов, формирующих данную систему. Такой комплексный подход предполагает наличия следующих основных условий:
1) объекты исследования должны быть изучены не только как статичные элементы, но ив динамике своего развития. Это, в свою очередь, предполагает проведение длительных и повторных полевых, так и лабораторных исследований устьев рек. Так, большой вклад в изучение дельт рек как динамических объектов внесли многие ведущие ученые - гидрологи, такие как С.С. Байдин[10, 11], М.М. Рогов [56, 59 72], В.Н. Михайлов [47,49, 53, 56] , В.Н. Коротаев [40, 41, 56], В.Ф. Полонский [69], ВВ. Иванов [30, 31], А.А. Чистяков [61] и др.;
2) гидролого-морфологические процессы в дельтах рек должны быть изучены, типизированы и рассмотрены как взаимодействующие компоненты системы поток-русло. В изучение этих процессов в последнее время внесли вклад такие ученые, как Н.И. Алексеевский [4, 5, 40],, В JC. Дебольский [27, 75], Р.С. Чалов [41,66] и др.;
3) должны быть разработаны алгоритмы компьютерно-математического моделирования, а также интерфейсы их практического применения на современных персональных ЭВМ.
При соблюдении этих условий математическое моделирование может стать одним из эффективных путей изучения и прогнозирования гидролого-морфологических процессов в дельтах рек. Оно позволяет, с одной стороны, более глубоко изучить эти процессы, а, с другой стороны, спрогнозировать воздействие на них как естественного, так и антропогенного изменения действующих факторов. С помощью моделирования можно более точно рассчитать влияние на режим дельт проектируемых водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, предсказать их последствия и выбрать наиболее оптимальные варианты.
Цель работы - разработать комплексную компьютерно-математическую модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек и применить ее для изучения и прогнозирования изменения гидрологического режима этих объектов.
Для этого потребовалось последовательно решить следующие задачи:
1) разработать алгоритм и компьютерную программу комплексной математической модели гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек на основе комбинации методов речной гидравлики (метод общих модулей гидравлического сопротивления), концепции "устойчивыхп гидролого-морфометрических характеристик, балансового подхода при расчете движения воды и наносов;
2) проверить модель на примере конкретных объектов;
3) применить модель для более углубленного исследования гидролого-морфологических процессов в дельтах Яны, Дуная, Кубани и Волги;
4) исследовать с помощью модели влияние на развитие и режим неприливных дельт воздействие таких внутренних и внешних факторов, как структура русловой сети дельты, уклоны дна взморья, сток воды и наносов реки, изменения уровня моря, разрушающее воздействие морского волнения;
5) использовать модель для расчета и прогноза возможных изменений строения и режима дельт Яны, Дуная, Кубани и Волги в случае осуществления различных вариантов гидротехнических работ (дноуглубления, русловыправления и др.);
6) разработать систему графического и текстового представления результатов расчетов и инструкцию для пользователей, позволяющих лицам, не имеющим специального образования, производить на ПЭВМ собственные расчеты по разработанной компьютерно-математической модели.
Методика исследования и исходные материалы. Исследование базируется на достижениях отечественной школы в изучении неприливных дельт и теории устьевых процессов, созданной в ГОИНе, МГУ, ААНИИ, ИВП РАН. В процессе выполнения работы применялись методы речной гидравлики, расчетов гидролого-морфометрических характеристик водотоков, балансовые методы. Результаты моделирования сравнивались с данными полевых исследований. В качестве программной основы применялись программный комплекс Microsoft Excel ХР и Visual Basic for Applications.
В качестве исходных материалов использованы карты и данные стационарных и экспедиционных полевых исследований Астраханского центра по гидрометеорологии, Астраханского комплексного проектно-изыскательского отдела Института Союзморниипроект (автор принимал участие в совместной экспедиции в дельте Волги), Дунайской гидрометеорологической обсерватории (Измаил, Украина), географического факультета МГУ (кафедры гидрологии суши и Лаборатории эрозии почв и русловых процессов), Кубанской устьевой гидрометстанции (г. Темрюк). Автор диссертации благодарит перечисленные организации за сотрудничество в совместных исследованиях и предоставленные материалы наблюдений.
Научная новизна работы и предмет защиты. Представлена комплексная компьютерно-математическая модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах, состоящая из гидравлического и морфологического блоков и позволяющая рассчитывать и прогнозировать изменения гидролого-морфометрических характеристик рукавов дельт под влиянием естественных и антропогенных факторов. С помощью модели получены новые данные о гидролого-морфологических процессах в дельтах Яны, Дуная, Кубани и Волги, выявлены основные закономерности реакции одно-, двух- и трехрукавных дельт на изменения стока воды и наносов реки, подъем уровня моря, устьевое удлинение русла, волновой размыв дельты и др.
Практическая значимость исследования. Разработан прогноз возможного воздействия на режим дельт Яны, Дуная и Волги различных вариантов дноуглубительных и русловыправительных работ для улучшения условий судоходства, регулирования распределения стока по рукавам дельты Кубани с использованием системы водозаборов и водосбросов. С помощью модели оценены последствия наводнения в дельте Кубани. Разработан качественный прогноз тенденции развития рукавов дельт Яны и Дуная. Результаты исследования переданы для использования Астраханскому комплексному проектно-изыскательскому отделу Института Союзморниипроект, Дунайской ГМО, Кубанской устьевой гидрометстанции. Результаты работы могут быть использованы при изучении и прогнозировании гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах других рек.
Апробация работы. Результаты исследования доложены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-98" (Москва, МГУ, 7-10 апреля 1998 г.), V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей" (Москва, ИВП РАН, 22-26 ноября 1999 г.), в весенней студенческой школе "Динамика атмосферы и океана" (Текос, 5-Ю мая 2000 г.), на Международной конференции Тидрометеорология и охрана окружающей среды - 2002" (Одесский государственный экологический университет, сентябрь 2002 г.), "XXI Конференции придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства" (Бухарест, Румыния, сентябрь 2002 г.), семинаре кафедры гидрологии суши (МГУ). По результатам исследования опубликовано 9 работ и 3 находятся в печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 149 страницах машинописного текста и включает 65 рисунков, 71 таблицу. Список литературы насчитывает 102 наименования, из них 13 на английском языке.
Автор выражает глубокую благодарность за полезные советы и помощь в работе научному руководителю профессору В.Н. Михайлову, а также сотрудникам кафедры профессору Н.И. Алексеевскому, доцентам В.А. Жуку и А.М. Алабяну.
Существующие модели для расчета распределения стока воды и русловых деформаций в водотоках дельт
В процессе изучения устьев рек, как и в любом другом научном исследовании, обычно присутствует некоторая логическая последовательность. Сначала идет этап накопления знаний, затем обобщение и их структурирование, а потом и моделирование. Однако, при моделировании любой системы важно определиться, какой объект системы взять за основу модели. Если в качестве основы моделирования взять процессы, происходящие в потоке и при делении водотоков, то получаются гидравлические модели. Эти модели отличаются относительной простотой, однако они дают представление о дельте реки только на какой-то конкретный момент времени. Использовать их для прогноза или оценки состояния устьевой системы невозможно. Если в качестве основы моделирования взять систему поток - русло (а именно существование потока в границах русла, их взаимовлияние), то получившиеся модели будет правильнее считать гидролого-(или гидравлико)-морфологическими. Эти модели отличаются от упомянутых выше добавлением морфологического блока. Но это уже дает возможность оценить направленность гидролого-морфологических процессов в устьях рек, что позволяет дать хотя бы качественный прогноз изменений гидролого-морфометрических характеристик водотоков дельты. В отличие от первого класса статических моделей, данный тип моделей -динамический. Если в модели рассматривать дельту реки как систему [50], а целью исследования ставить модельное представление объекта, то получаются наиболее полные, но и наиболее сложные модели - системные. Они, в свою очередь, не только состоят из различных блоков (гидравлический, морфологический, гидрохимический, экологический, биологический и т.д.), но и отражают сложную систему взаимодействий в едином водном объекте. Однако сложность такого подхода приводит к созданию скорее моделей части дельты, отдельных ее систем и участков, отвечающим определенным требованиям (например, устойчивое русло, отсутствие приливов либо квазиравномерное движение воды в потоке). Т.е. модель для приливных дельт неприменима для неприливных в ее общем виде, и требует адаптации и настройки, а иногда, и целого нового расчетного блока. Поскольку бурное развитие вычислительной техники произошло только в последние 5-10 лет, то и возможность создания моделей простых для пользователя, но сложных по структуре, учитывающих развитие системы и влияние антропогенных факторов, следует отнести именно к этому периоду. С учетом вышесказанного, существующие модели будет удобнее рассмотреть по времени их создания (что, в общем, аналогично их развитию от гидравлических к системным).
I. Численные гидравлические модели русловой сети дельты Модель К.В. Гришанина 1967 г. [24]. В основу этой модели положены уравнения установившегося неравномерного движения воды. Суть методики моделирования заключается в том, что в области, непосредственно примыкающей к узлу соединения или деления потоков, выделяется зона влияния; узла длиной 1Ы, в которую входят участки водотоков, расположенные как выше узла по течению, так и ниже его (f= I, 2). Для каждого из участков определяют модуль сопротивления и составляют систему уравнений зависимости превышения отметки уровня в начале участка над отметкой уровня в его конце в зависимости от расхода воды и модуля сопротивления. Обозначив перепад уровней свободной поверхности на этой длине Агы и отнеся его к общему перепаду &гі7 полученному в предположении, что течение здесь равномерное с гидрологоморфометрическими характеристиками отделяющегося или присоединяющегося потока: Лг,=д ы, где Qt - расход в рукаве (или притоке); Fu = 1Ы?С?И1 - модуль сопротивления водотока в пределах участка Li nC R, - соответственно площадь поперечного сечения, коэффициент Шези и гидравлический радиус русла рукава. Модель отличается простотой расчета и применима к дельтам с несложным строением русловой сети. В этой модели для решения полученной системы уравнений был применен метод итераций.
Математическая модель В.В. Иванова 1968 г. [29]. Данная математическая модель является усовершенствованием модели К.В. Гришанина и полностью аналогична ей. Кроме метода релаксации, предложенного К.В. Гришаниным для решения системы уравнений, В.В. Иванов: предлагает также графоаналитический метод ПА. Войновича и итерационные методы А.И. Мордухай-Болтовского и В.М. Маккавеева. В отличие от модели К.В. Гришанина, данная модель пригодна как для ручного счета, так и для машинного, а отличительной чертой метода является то, что он не требует точного задания направления течения в протоках. Эта модель была применена к дельтам Оби и Колымы.
Модель В.В. Иванова 1976 г. [30]. Данная модель аналогична вышеупомянутой и отличается от нее расчетом распределения стока по рукавам дельты, а также гидравлико-морфометрических характеристик при неустановившемся движении воды. За основу взяты методы численного интегрирования уравнений Сен-Венана. Расчет происходит методом итераций. При этом в данной модели учитываются как отводящие каналы и водозаборы, так и запруды и водопропускные сооружения. Одновременно можно учитывать влияние половодья, нагонов, сгонов и паводков, однако автор сам отмечает необходимость дальнейшего улучшения этого метода для получения достоверных результатов при расчетах, гидролого-морфометрических характеристик водотоков дельты. Модель Ф.М. Чернышева 1973 г. [87]. Данная модель аналогична модели В.В. Иванова 1968 г. Расчет распределения стока воды по рукавам происходит путем последовательного решения уравнений вида Az = FQ2 для каждого из участков разветвленного русла. Расчет делается один раз для фактической ситуации в разветвленном русле, но имеет варианты решения для учета влияния плотин и аналогичных сооружений. П. Численные гидравлические модели с учетом русловых деформаций
Компьютерно-математическая модель дельты р. Яны
Изученность арктических устьев рек в целом, их современного состояния и протекающих в них гидролого-морфологических процессов в настоящее время явно недостаточна, что связано, прежде всего, с многочисленными трудностями: при получении данных натурных наблюдений в этом регионе. В последние годы ситуация осложнилась в связи с резким сокращением количества гидрологических постов и полярных станций и ухудшением качества наблюдений на оставшихся. Дельта р. Яны неплохо изучена по сравнению с другими устьями рек арктической зоны прежде всего благодаря двум сериям пшрокомасштабных экспедиционных исследований географического факультета МГУ в 1971 -1973 и 1985 - 1988 гг. Важным результатом полевых изысканий явились планы русел магистральных рукавов дельты и съемки их устьевых баров, схемы распределения крупности донных отложений, данные многочисленных измерений расходов воды и взвешенных наносов в дельтовых рукавах и баровых бороздинах [8,41]. Устье Яны относится к дельтовому типу и включает дельту (рис. 10) площадью около 6600 км и открытое устьевое взморье площадью 800 км . Вершина дельты находится в месте ответвления вправо первого небольшого дельтового рукава Самандон в 140 км от устьевого створа основного рукава дельты - Главное Русло. В 17 км выше вершины дельты находится замыкающий створ Яны - полярная станция Юбилейная. Ниже вершины дельты вправо отходят другие небольшие дельтовые водотоки - Кочевая, Дурганова и; Камелек. В 50 км ниже вершины дельты основное русло в главном І узле разветвления — так называемой Развилке - разделяется на несколько крупных рукавов (слева направо): Ильин-Шар, Тарынгнаах, протока Правая (Куогастаах) и продолжение Яны - рукав Главное Русло. Длины рукавов Главное Русло и Правая.— 100 и 90 км соответственно. В устье рукавов Главное Русло, Камелек и; Дурганова при впадении их в; Янский залив формируется обширный общий устьевой бар, выдвинутый в море на 10 км. На этом баре хорошо выражены две бороздины - западная (Заманиха) и Восточная, в которой, начиная с 1975 г. и вплоть до конца 90-х, землечерпанием поддерживались глубины около 5 - 6 м. В дельте Яны имеется более 20 тыс. озер, занимающих около 1/3 ее поверхности.
Современная дельта Яны сформировалась в ходе заполнения аллювием устьевой лагуны. Заполнение этой лагуны речными наносами завершилось, по-видимому, около 2 тыс. лет назад. Наиболее крупные рукава прорвали блокирующую дельту барьерную террасу и стали строить устьевые бары на открытом отмелом устьевом взморье. В процессе формирования дельты произошло смещение основных рукавов дельты на запад (современный рукав Куогастаах — Правая) и восток (современный рукав Главное Русло). Из многочисленных рукавов дельты в настоящее время наиболее активны Правая и Главное Русло. Эти рукава развиваются и увеличивают свою долю стока. Многие небольшие рукава (Самандон, Кочевая, Дурганова, Камелек, Ильин-Шар, Тарынгнаах) имеют тенденцию к отмиранию. В настоящее время крупные устьевые бары сформировались в устьях наиболее водоносных рукавов дельты - Главного Русла и Правой. Устья небольших рукавов дельты (Охсуу, Киселева, Огоньор и др.) блокированы береговыми барами. На баре рукава Главное Русло отмечается постепенное смещение бороздины Заманиха на восток. Расстояние между ней и судоходной бороздиной Восточная постепенно уменьшается. Канал в судоходной бороздине подвержен сильной заносимое.
Имеющиеся данные полевых исследований (гидролого-морфометрические характеристики рукавов, данные о распределении расходов воды по рукавам дельты, гидролого-морфометрические характеристики бара рукава Главное Русло) были использованы при разработке математической модели для расчета расходов и уровней воды в рукавах дельты. Такая модель позволяет решать несколько задач: 1) проводить расчеты распределения стока воды реки по рукавам дельты при любых заданных величинах расхода воды в вершине дельты и в любые фазы гидрологического режима; 2) оценить влияние на перераспределение стока воды и изменение уровней воды в дельте как естественных переформирований ее русловой сети и баровых бороздин, так и проведенных или проектируемых дноуглубительных работ (приведено в главе 5 диссертационной работы); 3) оценить тенденцию развития отдельных рукавов. Актуальность подобных расчетов возрастает в связи с резким ухудшением навигационных условий как на устьевом баре протоки Главное Русло, наиболее лимитирующем судоходство, так и по реке в целом. Это в условиях крайне короткой арктической навигации и, прежде всего, периода «северного завоза», в последние годы нередко приводило к катастрофическим последствиям вплоть до «замораживания» находящихся в бассейне реки населенных пунктов и эвакуации их населения. Яна относится к рекам с восточно-сибирским типом водного режима. Для нее характерно высокое весеннее половодье, летне-осенние паводки и очень низкая зимняя межень. Преобладает снеговое и дождевое питание. Средний многолетний расход воды у Джангкы (38 Г км от устьевого створа рукава Главное Русло) составил за 1938 - 1988 гг. 929 м3/с (29,3 км3/год). В Юбилейной (157 км) за период 1938 - 1988 гг. средняя величина стока составила 32,4 км /год (1029 м /с). Сток воды в устье Яны распределен в году крайне неравномерно. На три месяца с июня по август приходится 82% годового стока (в июне 34, июле 27 и августе 21%). Суммарная доля стока в период зимней межени (ноябрь - апрель) менее 1% годового. Максимальные расходы воды обычно наблюдаются в июне. В Джангкы средний из максимальных расходов равен 8400 м/с, у Юбилейной — 8830 м3/с. Наибольший из наблюдавшихся расходов воды в половодье составил 18300 м3/с (Юбилейная, 1 июня 1989 г.). Минимальный расход воды в летне-осеннюю межень в среднем составляет около 460 м/с, наименьший у Джангкы зафиксирован 5 октября 1971 г. (109 м /с). Зимой и у Джангкы, и у Юбилейной расходы воды могут снизиться до нуля. На Яне ежегодно проходит в среднем три дождевых паводка; чаще всего паводки отмечаются в июле, реже - в августе и сентябре. Фактическое распределение стока воды по рукавам дельты Яны по данным экспедиционных исследований приведено в табл. 3.
Для использования расчетного метода русловая сеть дельты была схематизирована (рис. 11); каждый участок Яны между узлами разветвления и каждый рукав получили номера (нумерация водотоков проведена сверху вниз от самого верхнего правого бокового рукава, и поэтому в данном случае справа - налево). Всего выделено 12 участков русла и отдельных рукавов (і — I, II ... XII) и 5 узлов разветвления (— 1,2 ...5). Для упрощения вычислений в расчетную схему дельты внесен ряд допущений. В частности, принято, что рукава XI и ХП (Тарынгнаах и Ильин-Шар) не сливаются вблизи моря, а впадают в него изолированно друг от друга; рукава (протоки) Дурганова и Камелек (V и VII) также впадают в море независимо, не сливаясь (длина каждой из них принята в связи с этим увеличенной на 10 км). Устьевые бары обозначены малыми русскими буквами (/ = а, б .. .з). Всего в пределах дельты существует 8 устьевых баров, однако при дальнейших расчетах учтены характеристики только самых крупных баров проток Правая и Главное Русло (рис.11).
Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Яны с использованием математической модели
Модель дельты Яны полностью приведена в третьей главе диссертации. Там; же доказана адекватность полученных в результате моделирования: результатов данным полевых измерений. Учитывая удовлетворительные результаты расчетов распределения расходов воды по рукавам, сделаны модельные оценки влияния на режим дельты дноуглубительных работ на устьевом баре рукава Главное Русло. Здесь к 1997 г. произошли коренные изменения, связанные с заилением: судоходного канала по Восточной бороздине, сопровождающиеся практически полной потерей ее навигационных качеств и переводом судового хода в бороздину Заманиха. В результате получено, что в случае полного заиления Восточной бороздины и сооружения даже капитальной глубоководной судоходной прорези (В = 150 м, h = 6 м) в бороздине Заманиха, где в настоящее время проводится лишь ремонтное землечерпание, доля стока воды рукава Главное Русло от стока всей реки увеличится менее чем на 1%. Проведенные расчеты в целом указывают на то, что гидравлическое сопротивление устьевых баров очень мало влияет на распределение стока по рукавам всей дельты Яны в связи с несоизмеримыми величинами длин баров и самих рукавов., Однако на самом баре распределение расходов воды по бороздинам и мелководным частям изменится довольно значительно (табл. 60) и (рис. 59). Данные табл. 60 показывают, что после искусственного углубления бороздины Заманиха до 6 м расход воды в ней в условиях межени возрастет с 194 до 233 м/с, т.е. на 39 м/с, или на 20%. Соответственно уменьшаться расходы воды в других частях бара, В бороздине Восточной это уменьшение составит 128-118=10 м3/с, или на 8%.
Одновременно проведен анализ расположения зон размыва и аккумуляции наносов в рукавах дельты Яны в две фазы водного режима: межень и половодье. В результате моделирования получено, что в межень у ряда рукавов отношение V/VH меньше 1,4, что указывает на общую тенденцию к аккумуляции наносов в этих рукавах (рук. Главное Русло, рук. Правая и др.) в данную фазу водного режима, а у других рукавов V/VH 1,4, что указывает на размыв в этих рукавах (Тарынгнаах, Кочевая) (табл. 61). В половодье картина изменяется, и у всех рукавов V/VH 1,4, что говорит об общей тенденции к размыву русел рукавов дельты в период половодья (табл. 62). Это подтверждают и данные полевых исследований [66]. Дельта Волги находится на юго-востоке европейской части России при впадении Волги в Каспийское море. Она подразделяется на собственно дельту (8600 км2) и район западных подстепных ильменей (2400 км2);. собственно дельта делится на западную (3900 км2) и восточную (4700 км2) части. Вершиной современной дельты Волги служит узел отделения от реки Волги левого крупного дельтового рукава Бузана в 50 км выше г. Астрахани. Протяженность дельты от ее вершины до устьев Иголкинского, Белинского и Гандуринского банков составляет соответственно 125; 135 и 150 км. Длина морского края дельты (МКД) равна 175 км. Восточная граница дельты проходит по левому берегу Бузана, далее по Ахтубе, Кигачу и Утеренскому банку с выходом к морскому краю дельты. Западная граница проходит по правому берегу Волги, а затем рукава Бахтемир [50]. Современная: дельта, Волги, сформирована в течении последнего тысячелетия в условиях существенных колебаний уровня Каспийского моря. При этом в периоды относительной стабильности уровня моря преобладало выдвижение дельты, что обусловило наличие дельтовых террас в пределах как надводной, так и подводной частей конуса выноса реки Волги. В период наиболее резкого последнего падения уровня моря (30-е годы XX в.) скорость нарастания дельты составила более 500 м/год. Наличие обширной мелководной авандельты с террасой в ее мористой части также задерживает пассивное отступание морского края дельты при подъеме уровня вслед за его падением. Территория дельты находится в среднем на 22—27 м ниже уровня Мирового океана и представляет собой понижающуюся к Каспийскому морю равнину, поверхность которой изрезана густой сетью рукавов и проток; общая длина водотоков достигает 75 000 км при густоте 10-15 км/ км2 в приморской части. Рукава занимают до 10% площади дельты (в межень). Водотоки дельты представлены крупными магистральными рукавами, более мелкими рукавами, протоками и ериками, банками (крупными устьевыми водотоками, прорезающими террасу у морского края дельты и сосредотачивающими сток рукавов и проток при выходе на устьевое взморье). Русловая сеть дельты Волги необычайно густа и изменчива. Количество водотоков дельты также постоянно изменяется.
Выделяют пять основных систем рукавов Волги: Бузана, Болды, Кизани (Камызяка), Старой Волги и Бахтемира [78]. Система- Бузана наиболее крупная из частных русловых систем дельты Волги. На долю этой системы приходится почти половина площади всей дельты и половина всех ее водотоков. Система Бузана питается водой через начинающийся в вершине дельты рукав Бузан, а также через Ахтубу и временные водотоки Волго-Ахтубинской поймы. Система Болды по площади занимает второе место в дельте Волги после Бузана.. Однако ее гидрографическая сеть в связи с отмиранием многих водотоков, менее сложна. Система Кизани занимает узкую полосу в западной части дельты. Система Старой Волги включает в себя основные водотоки: Старая Волга — Каныча — Иванчуг — Гандурино — Гандуринский банк. Рукав Бахтемир, начинающийся ниже ответвления от основного русла Волги рукава Старая Волга, является продолжением Волги. Русловая сеть Бахтемира довольно редка в связи со средоточением стока по основному направлению, продолжением которого на устьевом взморье служит Волго-Каспийский канал (ВКК) - главный судоходный; выход из Волги в Каспийское море. Сток воды Кизани и его распределение по водотокам этой системы. В качестве расчетных участков избраны (рис. 60): 1) исток Кизани (10 км) — исток пр. Таболы (29,6 км) (длина участка 19,6 км); 2) исток пр..Таболы — исток пр. Калиновки (45,5 км) (длина участка 15, 9 км);. 3) исток пр. Калиновки — исток пр. Бакланьей (54,8 км) (длина участка 9,3 км); 4) исток пр. Бакланьей.— истоки банков Рытого, Кулагинского и Никитинского (65,9 км) (длина участка 11,1 км); 5) истоки банков - морской край дельты (приблизительно 87 км по Никитинскому направлению) (длина участка по этому направлению 21,1 км). Все расстояния взяты по лоцманской карте (они измерены от 17 пристани в Астрахани).
Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Дуная с использованием математической модели
Правдоподобность полученных модельных результатов (гл. 3) подтвердила работоспособность разработанной модели. Это дает основание применить ее для приближенной оценки распределения стока воды по рукавам дельты Дуная при некоторых гипотетических (в том числе проектных) условиях. С помощью модели получены следующие выводы: 1. Подтверждено расчетным путем существенное влияние на распределение стока воды по основным рукавам дельты спрямления излучин в Георгиевском рукаве (табл. 67). Гидравлический расчет показал, что сокращение длины Георгиевского рукава должно было привести к увеличению доли стока этого рукава, а также Тульчинского рукава на 2—3% от стока Дуная. Результаты расчета, хорошо соответствуют данным наблюдений. В процессе расчета были откорректированы морфометрические характеристики (В и А) Георгиевского рукава, так как.имеющиеся данные относятся лишь к истоку рукава. Эта корректировка учтена в табл. 67. Примечание: 1 период — после спрямления излучины на 16-19 км (3,7-1,5), 2 период — после спрямления излучины на 29-37 км (8,55—1,2), 3 период после спрямления излучины на 38-43 км (5,5—2,4), 4 период после спрямления излучины на 49-53 км (4,35-1,67), 5 период после спрямления излучины на 54-58 км (3,4-1,65), 6 период после спрямления излучины на 64—84 км (20-4,5); в скобках указана длина участка до и после спрямления излучины. 2. Проведены расчеты влияния возможного в будущем выдвижения в море Потаповского рукава со средней интенсивностью 50 м/год (табл. 68). Расчеты для условий межени: показали,, что сколько-нибудь заметное перераспределение стока воды между рукавами в нижней части Очаковской русловой системы произойдет лишь при выдвижении Потаповского рукава не менее, чем на 1 -1,5 км, т.е. через 20 - 30 лет. При этом уменьшится доля стока Потаповского рукава и соответственно увеличится у рукавов Прорвы и Гнеушева. Доля стока всей Очаковской и тем более всей Старостамбульской систем практически не изменится.
3.Сделан расчет перераспределения стока воды в Килийской дельте; в случае реанимации судового хода через рукав Прорву и его устьевой бар. При углублении судового хода через бар до 5 м в узлах Прорва—Потаповский и Прорва-Соединительный канал произойдет небольшое перераспределение стока воды в пользу рукава Прорвы. Выше по течению влияние углубления бара Прорвы практически не распространится. 4.Специальному расчету подвергнуты возможные гидрологические последствия углубления бара рукава Быстрого (рис. 64-65) для целей судоходства.. Рассмотрены такие основные варианты: углубление левой бороздины до 5, 7, и9м, углубление правойбороздины до 5,7 и 9 м.Расчеты выявили следующие возможные изменения распределения расходов воды: а) на баре в результате дноуглубительных работ произойдет существенное перераспределение стока между основными элементами бара - двумя бороздинами и тремя мелководными частями (табл. 69). Так, в современных условиях (до начала дноуглубительных работ) доли стока воды в левой и правой бороздинах от стока всего рукава составляют в межень 16,5 и 13,6%. При углублении правой бороздины до 7 и 9 м, доля стока воды в ней возрастет до 26,2 и 35,0%; при углублении левой бороздины до 7 и.9 м ее доля стока возрастет до 31,7 и 41,4 % стока рукава. В других частях бара доля стока соответственно уменьшится; б) углубление бара рукава Быстрого очень слабо скажется на распределении стока воды в Килийской дельте (табл. 70). В межень сток самого рукава даже при углублении бара до 7 и 9 м возрастает всего на 1—2 м /с. На стоке других рукавов углубление бара практически не скажется. 5.Расчет показал, что удлинение молов в устье Сулинского рукава (и соответственно увеличение полной длины этого рукава) на 1 км приведет лишь к очень небольшому (до 3 м/с в межень) уменьшению стока этого рукава. Увеличение меженного расхода смежного Георгиевского рукава составит всего 1 м /с. 6.Показано, что большее воздействие на распределение во всей дельте может оказать продолжающийся размыв Георгиевского рукава, стимулированный значительным сокращением его длины. Согласно расчетам, дополнительное увеличение из-за размыва глубины рукава на 0,2 м приведет в межень к увеличению его стока воды на 40 м /с, что составит 1,3 % меженного стока Дуная (3000 м /с). Это усилит происходящий в настоящее время процесс перераспределения стока в Тульчинскую систему в ущерб Килийской.. 7.Расчеты показали, что существенное перераспределение стока между рукавами возможно в случае углубления ряда перекатов (на 1—3 м) в Килийском рукаве в процессе реализации проекта глубоководного судового хода Дунай - Черное море. Гидравлический расчет проведен путем разбивки углубляемых рукавов на дополнительные участки (с углублением и без углубления). Ориентировочные модельные расчеты обнаружили, что если в пределах Килийского рукава на участке от Измаильского Чатала до вершины Килийской дельты будут углублены 12 перекатов, то расход воды Килийского рукава в межень ({?0=3000 м/с) возрастет на 24 м/с, что составит 0,80 % стока Дуная. 8.Путем расчетов выяснено, что одновременное увеличение глубин Георгиевского рукава на 0,2 м (в результате размыва) и углубление перекатов в Килийском рукаве окажут на перераспределение стока воды по рукавам всей дельты Дуная противоположенное воздействие. В результате все же более сильное влияние должен оказать размыв в Георгиевском рукаве. В меженных условиях (?0 =3000 м3/с) расход воды в Георгиевском рукаве увеличится по сравнению с современным на 25 м/с (0,83% стока Дуная), смежного Сулинского рукава - уменьшится на 22 м /с (0,73%). Соответственно, расход воды в Тульчинском рукаве возрастет всего на 3 м /с (0,10% стока Дуная), а Килийского уменьшится на эту же величину. Искусственное углубление перекатов Килийского рукава не изменит общую тенденцию перераспределения стока в пользу рукавов Тульчинский— Георгиевский, а только несколько замедлит этот процесс. Сводка результатов модельных расчетов возможного перераспределения стока воды по рукавам дельты Дуная при разных сценариях изменения морфометрических характеристик рукавов и баров приведены в табл. 71. Таким образом, многовариантные расчеты возможного естественного и антропогенного перераспределения стока воды между рукавами дельты Дуная показали следующее: 1)дельта Дуная (как и другие многорукавные дельты) представляет собой сложную гидравлико-морфологическую систему; любые изменения в каком-либо звене этой системы передаются на всю систему, причем как вниз, так и вверх по течению (вплоть до вершины дельты) и распределяются в смежные русловые системы;
Похожие диссертации на Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек
