Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные понятия и современное состояние вопроса 011
Глава 2. Методика исследований 022
2.1 Обоснование метода исследований 022
2.2. Описание математических моделей 024
2.3. Исходная информация для моделирования 028
2.4. Выбор типа модели 032
2.5. Основные этапы построения гидродинамической модели участка реки 035
2.6. Применение ГИС-технологий 037
2.7. Калибровка и верификация моделей 038
2.8. Выбор расчетных сценариев 041
Глава 3. Гидрологическая безопасность освоенных участков речных долин при наводнениях (на примере г. Великий Устюг) 044
3.1. Постановка задачи 034
3.2. Краткая гидрологическая характеристика района исследований 054
3.3. Построение компьютерных моделей узла слияния рек Сухоны и Юга 066
3.3.1. Одномерная модель установившегося движения для расчета кривых свободной поверхности потоков 066
3.3.2. Построение двумерной модели 068
3.4. Исследование уровней воды в районе г. Великий Устюг, формирующихся за счет стока воды, и оценка зон затопления 077
3.5. Исследование вклада подпорной составляющей уровней воды 083
3.6. Исследование заторной составляющей уровней воды 090
Глава 4. Гидрологическая безопасность отдельных участков рек при хозяйственной деятельности в руслах 100
4.1. Влияние русловых карьеров на гидрологическую безопасность участка реки Оби 100
4.1.1. Постановка задачи 100
4.1.2. Описание участка 103
4.1.3. Построение модели 106
4.1.4. Оценка посадки уровней при различных вариантах расположения карьеров 110
4.2 Исследование безопасности подводных переходов магистральных 116 трубопроводов
4.2.1. Постановка задачи 116
4.2.2. Описание участков переходов 118
4.2.3. Построение моделей участков рек в районе переходов трубопровода 127
4.2.4. Оценка характеристик водного режима, определяющих деформации дна и безопасность функционирования подводных переходов трубопровода 128
Глава 5. Гидрологическая безопасность зарегулированных водохранилищами участков рек в период прохождения весеннего половодья (на примере Горьковского и Чебоксарского водохранилищ) 139
5.1 .Постановка задачи 139
5.2. Краткая гидрологическая характеристика района исследований 142
5.3. Построение одномерной гидродинамической модели р. Волги на участке между Рыбинским и Чебоксарским гидроузлами
5.4. Исследование особенностей уровенного режима и зон затопления 155
Заключение 164
Список литературы 167
- Описание математических моделей
- Краткая гидрологическая характеристика района исследований
- Оценка посадки уровней при различных вариантах расположения карьеров
- Краткая гидрологическая характеристика района исследований
Введение к работе
В настоящее время как в географии в целом, так и в гидрологии большое внимание уделяется решению задач, связанных с безопасным взаимодействием населения, хозяйства и природных объектов. Выделилось отдельное направление - гидроэкология, предметом исследования которой является гидрологическая и гидроэкологическая безопасность - такое состояние отношений между населением, хозяйством, экосистемами и водными объектами, при котором возможно экономически эффективное и экологически безопасное природо- и водопользование [Алексеевский, 2004]. Минимизации экономических и экологических ущербов невозможно добиться без знания гидрологических процессов и методов управления ими. Закономерности водного режима являются научной основой для понимания всех других сторон гидрологического режима рек и решения большинства гидроэкологических задач.
Классические методы исследования водного режима во многих случаях не обеспечивают требуемой детальности для отдельных участков рек. Использование математических моделей движения водных потоков и ГИС-технологий позволяет значительно расширить представление об особенностях водного режима на отдельных участках речной сети. Математическое моделирование дает возможность количественно оценить важнейшие характеристики опасных гидрологических процессов: скорости перемещения паводочных волн, глубины и границы затопления территорий в результате повышения уровней воды, изменения отметок дна и водной поверхности при различных видах хозяйственной деятельности в руслах рек и т.д. При этом имеется возможность рассмотреть как реально наблюдавшиеся ситуации, так и гипотетические, связанные с прохождением расходов воды редкой повторяемости, изменением морфометрических параметров русел, регулированием водного режима водохранилищами, перемещением аварийных загрязнений и др.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен опыт по решению гидроэкологических задач методами математического моделирования, который, к сожалению, пока не получил широкого распространения. Основные проблемы связаны с разрозненностью опыта моделирования, недостаточной его формализацией и обобщением, нехваткой нормативного и методического обеспечения, позволяющего решать разноплановые гидроэкологические задачи.
Поэтому, на настоящем этапе, актуальным является дальнейшее исследование особенностей водного режима участков рек и речных долин и его взаимосвязи с гидрологической безопасностью и разработка единого комплекса методов и технологий решения прикладных задач. Цель и задачи работы Целью работы является исследование особенностей водного режима, определяющих гидрологическую безопасность освоенных участков речных долин, методами математического моделирования движения водных потоков.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
• Выявление опасных гидрологических процессов и явлений, наиболее значимых для природно-хозяйственных территориальных комплексов в пределах речных долин и количественных характеристик водного режима, необходимых для их описания.
• Разработка комплекса методов и технологий, обеспечивающих решение практических задач безопасного функционирования природно-хозяйственных территориальных комплексов в речных долинах.
• Выбор, обоснование и адаптация гидродинамических моделей для решения определенных классов практических задач. Разработка методики подготовки исходных данных, калибровки и верификации моделей.
• Имитационные расчеты на основе математических моделей движения водных потоков на участках рек для различных сценариев, связанных с гидрологической безопасностью:
? Гидрологическая безопасность освоенных участков речных долин при наводнениях (на примере г. Великий Устюг).
? Гидрологическая безопасность при хозяйственной деятельности в руслах рек:
-исследование влияния русловых карьеров (на примере р. Оби); -безопасность функционирования подводных переходов трубопроводов (на примере переходов газопровода через р. Волга, Мал. Сев. Двина).
Гидрологическая безопасность зарегулированных водохранилищами протяженных участков рек в период прохождения весеннего половодья (на примере Горьковского и Чебоксарского водохранилищ).
Методика исследований
• Анализ материалов режимных наблюдений за расходами и уровнями воды.
• Комплексная обработка картографических материалов на основе ГИС-технологий.
• Дешифрирование космических снимков для оценки зон затопления.
• Полевые исследования для получения батиметрической информации, высотных отметок пойм, характеристик подстилающей поверхности русел и пойм, скоростного режима участков рек, уклонов водной поверхности.
• Компьютерное моделирование движения водных потоков в одномерной и двумерной схематизации с использованием программных комплексов "River" (разработчики - В.В. Беликов, А.Н. Милитеев), "МІКЕП" (Датский гидравлический институт), программы для построения кривых свободной поверхности "Curve-V (авторская).
• Представление и анализ результатов моделирования с использованием ГИС-технологий.
Фактические материалы
В работе использованы справочные данные режимных наблюдений на гидрологических постах, фондовые и полевые материалы кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета МГУ, космические снимки, предоставленные ИТЦ "СканЭкс", данные о рельефе долин водохранилищ, сведения о сбросах и притоке воды в водохранилища р. Волги. Предмет защиты
• оценка влияния физико-географических и социально-экономических факторов на гидрологическую безопасность освоенных участков речных долин;
• особенности водного режима участков рек и их взаимосвязь с гидрологической безопасностью при наводнениях, хозяйственной деятельности в руслах, регулировании стока;
• комплекс методов гидрологического анализа и гидродинамического моделирования характеристик водного режима с привлечением ГИС-технологий.
Научная новизна
• Выработаны и формализованы подходы к выбору характеристик водного режима, определяющих гидрологическую безопасность для различных элементов природно-хозяйственных комплексов.
• Сформулирован и разработан полный цикл методов решения разноплановых задач исследования водного режима для обеспечения гидрологической безопасности освоенных участков речных долин, начиная от сбора и подготовки исходных данных, выбора и адаптации математических моделей до проведения численного моделирования по фактическим данным и имитационного - для различных сценариев, и анализа полученных результатов моделирования с помощью ГИС-технологий.
• Предложены, разработаны и апробированы методы калибровки и верификации моделей движения водных потоков по данным разновременных космических снимков.
• Разработаны методы моделирования отдельных составляющих уровней воды и проведен анализ стоковой, подпорной и заторной составляющих для узла слияния рек Сухоны и Юга.
• В ходе решения прикладных задач получены новые количественные характеристики водного режима для участков рек Сухоны, Юга, Малой Северной Двины, Волги и Оби и установлена их взаимосвязь с гидрологической безопасностью. Практическая значимость
Разработан комплекс методов и технологий, применимый для решения разнообразных задач, связанных с гидрологической безопасностью освоенных участков речных долин и планированием хозяйственной деятельности в их пределах.
Исследование особенностей водного режима и оценка зон затопления в районе г. Вел. Устюг проведено в рамках проекта «Исследования ледотермического режима и русловых процессов в устьях Сухоны, Юга, а также Малой Северной Двины для обоснования противопаводковой зашиты г. Вел. Устюг», выполнявшегося кафедрой гидрологии суши МГУ (2003г.). Оценка величины посадки уровней воды на участках строительства русловых карьеров проводилась при выполнении работ НИЛ эрозии почв и русловых процессов МГУ по теме «Русловые процессы в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС, их изменение под влиянием разработки месторождений строительных материалов при расположении карьеров в русле" (2003 г.). Методики моделирования скоростного режима и вертикальных деформаций дна использовались при выполнении работ, связанных со строительством переходов магистрального газопровода СРТО - Торжок через реки Волга (2004 г.), Мал. Сев. Двина (2006 г.). Разработка гидродинамической модели участка р.Волги между Рыбинским и Чебоксарским гидроузлами и исследование особенностей его уровенного режима выполнялась в процессе работы по проекту «Разработка методической и нормативной базы для применения автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) при решении задач ситуационного управления водными ресурсами на федеральном и бассейновом уровнях», предназначенного для Федерального агентства водных ресурсов МПР России.
Апробация работы
Результаты диссертационного исследования докладывались и были опубликованы в материалах следующих конференций: международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2001» (Москва, 2001г.) Международных научных конференциях «Великие реки - аттракторы локальных цивилизаций» (Дубна, 2002 г), «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование», (Москва, 2003 г.), "Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности" (Алматы, 2006г), "European Geosciences Union, EGU General Assembly 2004" (Ницца, 2004 г.), "European Geosciences Union, EGU General Assembly 2006" (Вена, 2006 г.), Международной Российско-Чешской выставке-семинаре "Мониторинг и автоматизированное управление водными ресурсами", (Прага, 2003г.) IV Научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций" (Москва, 2004г), VI научной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004г), II Всероссийской научно-практической конференции "Эколого-географические исследования в речных бассейнах" (Воронеж, 2004г.), научно-практической конференции молодых специалистов "Инженерные изыскания в строительстве" (Москва, 2005г), Всероссийской научно-практической конференции "Вузовская наука регионам" (Вологда, 2005 г.), 2-й международной конференции "Земля из космоса - наиболее эффективные решения" (Ватутинки, 2005г.), 7-м Международном Конгрессе «Вода: экология и технология ЭКВАТЭК-2006» (Москва, 2006г), научном семинаре кафедре гидрологии суши МГУ (2007г.), научно-образовательном семинаре "Математическое моделирование геофизических процессов: прямые и обратные задачи" (НИВЦ МГУ, 2007г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 4 статьи и 16 тезисов и материалов докладов. Структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 183 страницах машинописного текста, включающего 66 рисунков, 27 таблиц и 4 приложения. Список литературы состоит из 96 отечественных и зарубежных публикаций.
Автор выражает искреннюю признательность коллективам кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ за постоянную поддержку и помощь при сборе материалов, экспедиционных изысканиях и выполнении проектов, а особенно д.г.н., проф. Н.И.Алексеевскому, к.г.н., доц. Алабяну A.M., к.г.н., доц. Фроловой Н.Л., к.г.н. Иванову В.В. за неоценимую помощь и полезные советы на всех этапах проведения исследований. Особенную благодарность автор выражает автору двумерной модели "River" д.т.н. В.В. Беликову за помощь в освоении модели.
Описание математических моделей
В основу математических моделей движения водных потоков положено решение системы уравнений Сен-Венана, которые являются базовыми в вычислительной гидравлике открытых потоков. Различные варианты вывода уравнений Сен-Венана и их численного решения можно найти, например, в работах [Кюнж, 1985; Ляхтер, 1981; Беликов, 2005, и т.д.]. Водный поток, при записи системы уравнений Сен-Венана, может быть представлен в одномерной (характеристики потока осреднены по ширине и глубине и рассматриваются вдоль оси х), двумерной (поток рассматривается вдоль оси х и по ширине, по глубине потока характеристики осредняются) и трехмерной схематизации.
Для численного решения системы уравнений (2.1)-(2.2), (2.3) должны быть заданы граничные и начальные условия. В качестве граничных условий, для спокойных потоков (при числе Фруда Fr l), задаются расходы воды на верхней и уровни воды на нижней границе расчетного участка как функции времени, в качестве начальных - уровни водной поверхности в пределах расчетного участка на начало расчета.
Реализация численных методов решения системы Сен-Венана является основой компьютерных моделей движения водных потоков. В связи с развитием быстродействующей вычислительной техники к настоящему время в разных странах разработано и применяется в практических расчетах большое количество таких моделей: российские программные комплексы "Flood" и "River", разработанные В.В. Беликовым, А.Н. Милитеевым и др. [Беликов, 2002; Беликов, 2003], "Mike 11", "Mike 21" Датского гидрологического института [Modeling.. , 2005], "Delft 3D" (многослойная двумерная модель) Института гидравлики г. Дельфт (Нидерланды) [Delft3D-FLOW.., 2001], американские "HEC-RAS" Американского корпуса военных инженеров [НЕС-RAS.., 2002], "FLO-2D" [FLO-2D, 2006], французский "TELEMAC", британские "ISIS" и "HYDROLOG" и др. Модели одного класса (одномерные или двумерные) отличаются между собой, в основном, способами схематизации расчетной области, применяемыми расчетными схемами и набором дополнительных блоков, основой которых являются результаты одномерного или двумерного моделирования движения воды.
В нашей работе используется авторская одномерная модель установившегося движения водного потока [Крыленко, 2003], одномерную модель неустановившегося движения "Mike 11" Датского гидрологического института и двумерную модель "River", разработанную В.В. Беликовым, А.Н. Милитеевым и др.
Одномерная модель установившегося движения водного потока базируется на решении уравнения движения воды (2.1) в упрощенном виде методом последовательных приближений [Караушев, 1969; Чугаев, 1982]. Исходными данными для расчетов является морфометрия речных долин, представленная в виде поперечных профилей, а результат моделирования -кривые свободной поверхности потока для заданного расхода воды и уровня на нижней границы участка.
Одномерная модель "Mike 11" основана на решении полной системы Сен-Венана (2.1, 2.2) на основе неявной конечно-разностной схемы. Она позволяет на основе данных о морфометрии долин, представленных в виде поперечных профилей рассчитывать ход уровней водной поверхности и расходов воды по времени в пределах расчетного участка.
В основу двумерной модели "River" положено решение системы Сен-Венана в приближении «мелкой воды» методом конечных элементов на треугольных сетках, имеющих нерегулярную топологическую структуру [Беликов, 1984]. Они весьма удобны для расчета потоков в областях сложной формы при необходимости сильных сгущений расчетных полей. Шаг расчетной сетки выбирается в зависимости от размера расчетной области и детальности информации о рельефе территории. Решение системы уравнений производится на основе безусловно устойчивой неявной схемы. Исходными данными для моделирования является информация о морфометрии речных долин, представленная в виде поля точек (х, у, zo), а результатами - плановая картина распределения уровней водной поверхности и глубин воды в пределах участка речной долины и векторное поле осредненных по вертикали скоростей течения потока. Также в модели реализован блок расчета вертикальных деформаций дна, основанный на совместном решении (2.3) и (2.4). 2.3. Исходная информация для моделирования
В качестве исходных данных для. построения гидродинамических моделей участков речных долин необходима информация о рельефе территории. Она может быть получена на основе крупномасштабных топографических карт и планов, а для русел рек - на основе данных батиметрических съемок.
Батиметрические данные могут быть получены в процессе экспедиционных исследований при выполнении промеров глубин. Современные промерные технологии используют системы спутникового позиционирования (GPS) и вертикальной привязки на местности (в этом случае абсолютные отметки дна русла сразу получаются в виде цифровых файлов в глобальной системе географических координат). Также может проводиться векторизация лоцманских карт и русловых съемок с их последующей привязкой к глобальной системе координат и абсолютной системе высот.
Для одномерных моделей информация о рельефе должна быть представлена в виде поперечных профилей через долину реки (рис. 2.1) с плановой и высотной привязкой. Расстояние между профилями назначается в зависимости от протяженности моделируемого участка и точности разрабатываемой модели. Между смежными створами геометрические и гидравлические характеристики при вычислениях интерполируются.
Краткая гидрологическая характеристика района исследований
Бассейны рек Сухоны и Юга и Малой Северной Двины располагаются в северной части Восточно - Европейской равнины и относятся к бассейну Белого моря. В административном отношении бассейны, в основном, относятся к Вологодской области.
Сухона вытекает из Кубенского озера. Площадь ее водосбора, по разным источникам, 50500-52400 км", длина реки около 560 км. Бассейн Сухоны вытянут в направлении с запада на восток и относительно симметричен.
Река Юг - вторая составляющая Малой Северной Двины. Площадь ее водосбора составляет 36185 км2, длина, по разным источникам, от 491 до 574 км. Юг берет начало на Северных Увалах, поднимающихся до отметок 297 м. Основным (однопорядковым) притоком Юга является р. Луза -площадь около 17700км2, длина, по разным источникам, от 442 до 570км. Наблюдения за водным режимом рек на рассматриваемой территории ведутся на следующих гидрологических постах: г/п. р. Сухона - д. Каликино (39 км выше устья) и водомерный пост р. Сухона - г. Вел. Устюг (3 км выше устья), г/п р. Юг -Гаврино (35 км выше устья), на Мал. Сев. Двине -водомерный пост д. Медведки (27 км ниже слияния Юга и Сухоны) (табл. 3.2). Имеющиеся в наличии длинные ряды наблюдений по указанным гидрологическим постам позволяют анализировать различные гидрологические ситуации в узле слияния.
Уровенный режим. Основные черты уровенного режима рек связаны с хорошо выраженным максимумом уровней в весенний период и низкими отметками уровней в период летней и зимней межени. В период весеннего половодья также отмечаются колебания уровня, связанные с заторами. Весеннее половодье начинается в среднем 10-15 апреля и продолжается 1.5-3 месяца. В годы с ранней или поздней весной сроки наступления половодья могут сдвигаться относительно средних на 15 - 20 дней. Средний максимальный уровень р. Юг по г/п д. Гаврино - 499 см, максимальный наблюдавшийся - 680 см. Средний максимальный уровень р. Сухоны по г/п г. Великий Устюг - 626 см, максимальные наблюдавшиеся - 969 см (19.04.1953) [Ресурсы.., 1975], 980см (05.05.1998) [Весеннее половодье, 2005 ]. Максимальные уровни по г/п Великий Устюг, как правило, связаны с заторами в узле слияния рек Сухоны и Юга и на Мал. Сев. Двине ниже города.
В летне-осенний период режим уровня воды определяется суммой выпадающих осадков и их продолжительностью. В засушливые годы низкие уровни воды в реках удерживаются в течение 3-4 месяцев. В годы с большим количеством осадков продолжительность периода низких уровней сокращается до 0.5-1.0 месяца. Вызываемые паводками подъемы уровня составляют от 0.3-0.5 до 1.0-1.5 м и более. Наивысшие уровни при паводках обычно в два-три раза ниже весенних.
Самые низкие уровни обычно бывают в августе. Время летнее -осеннего минимума уровней р. Сухоны при большой зарегулированное проточным Кубенским озером смещается на сентябрь. Минимальные летние уровни мало отличаются от зимних. Средний минимальный уровень р. Сухоны (по г/п Вел. Устюг) за период открытого русла - 65 см над "О", за зимний период - 88 см, средний уровень начала осеннего ледохода - 139 см.
Зимняя межень начинается с первыми ледовыми явлениями и заканчивается с началом весеннего подъема воды, еще до вскрытия реки. До начала ледостава уровни низкие, и обычно они являются минимальными за зимний период.
Водный режим и питание. По характеру питания и особенностям водного режима реки Сухона, Юг и Малая Сев. Двина относятся к восточноевропейскому типу (по Б.А. Зайкову). Водный режим рек определяется преимущественно снеговым питанием и характеризуется высоким весенним половодьем и низкой зимней меженью. В летне-осенний период нередки дождевые паводки, что обусловливает большую водность рек в летне-осенний период по сравнению с зимним сезоном. В период половодья формируются максимальные расходы воды, проходит 40 - 60% годового стока.
Летне-осенняя межень начинается в конце мая - в середине июня. Меженный сток составляет 5 - 8% годового стока. Летние дождевые паводки формируются эпизодически (их продолжительность колеблется от 1 - 2 недель), осенью формируются серии паводков (продолжительностью до 3 - 6 недель). В летне-осенний сезон наибольший сток проходит в октябре (6 - 10% годового), а наименьший (2 - 4%) - в августе (рис. 3.8).
Удельный вес стока летних месяцев (июнь-сентябрь) несколько меняется в годы разной водности. Чаще всего в многоводные годы наибольшей является доля стока за сентябрь, а в годы средней и малой водности - за июль. В летние месяцы наблюдается постепенное уменьшение стока к концу лета. Зимняя межень начинается в конце октября-ноября и продолжается 4,5-6 месяцев. Зимний меженный сток составляет 8-10% годового стока. Для зимнего стока (декабрь-март) характерно снижение стока к концу периода, причем более интенсивное в начале зимы (от декабря к январю - в 1,3 раза) вследствие быстрого истощения запасов воды в русловой сети и отсутствии поверхностного питания.
Внутригодовое распределение стока рек Сухоны и Юга Средний годовой расход р. Сухоны-г/п. Каликино - 428 м3/с, что соответствует годовому слою стока в 275 мм или модулю в 8.7 л/(с км ). Максимальный наблюдавшийся расход р. Сухоны по г/п. Каликино 6520 м /с (18/V1961). Средний минимальный расход по этому же посту зимний -58.5 м3/с, летний - 166м3/с, минимальный наблюдавшийся - 17.6 м/с (3-7/Ш 1950). Средний годовой расход р. Юг по г/п. Гаврино - 288 м3/с, что соответствует годовому слою стока в 261 мм или модулю стока в 8.3 л/(с км2). Максимальный наблюдавшийся расход р. Юг по г/п. Гаврино - 4940 м /с (13/V 1974). Средний минимальный летний расход р. Юг по этому посту -76.1 м3/с, зимний - 50.9 м3/с, минимальный наблюдавшийся - 25.5 м /с (25/XI 1967) [Ресурсы.., 1975].
На основе данных о максимальных расходах половодья р. Сухоны -Каликино за 1933 - 1999 гг. и р. Юг - Гаврино за 1936 - 1989 гг. методом моментов [Евстигнеев, 1991] было рассчитано также среднее, Cv и Cs для максимальных среднесуточных расходов и на основе аналитических кривых трехпараметри чес кого гамма-распределения при Cs=2Cv определили расходы 1% обеспеченности рек Сухоны и Юга (табл. 3.3), которые послужили основой для оценки затопления территорий в районе г. В. Устюг в период максимальных расходов половодья.
Максимальной мощности ледяной покров достигает обычно в марте-апреле. Наибольшая за многолетний период толщина льда на реках бассейна Сухоны 70-100 см. На порожистых участках Сухоны она обычно не превышает 50-70 см. В мягкие многоснежные зимы толщина льда составляет в среднем около 40-50 см, а на порожистых участках снижается до 10-30 см [Ресурсы.., 1972].
Весенние процессы на реках начинаются с таяния снега на льду. Под напором прибывающей с водосбора воды в ледяном покрове появляются трещины, закраины; отдельные поля всплывают, происходят подвижки льда, переходящие затем в ледоход.
Оценка посадки уровней при различных вариантах расположения карьеров
Для проведения имитационных расчетов исходная цифровая модель рельефа изменялась согласно схеме планируемых карьеров. Рассчитанные для каждого варианта отметки водной поверхности сопоставлялись с отметками, рассчитанными для бытовых условий, на основе чего определялась величина посадки уровней (без учета дальнейших русловых деформаций). Рассматривалось прохождение расходов воды половодья (3336 м/с -соответствует измеренному в ходе полевых работ летом 2002 г, срезка - 2.13 м) и межени (1410 м3/с - низкая межень, соответствует измеренному осенью 2002 г. при уровнях воды, близких к проектному). Моделирование выполнялось для следующих сценариев: ? бытовые условия; ? карьер в нижней части несудоходного правого рукава. Рассмотрены варианты различной глубины карьера - от 1 до 6 м; ? системы из двух карьеров с разработкой побочней у приверха и ухвостья острова в судоходном левом рукаве до глубины 2.3 м от проектного уровня. При увеличении глубины карьера посадка уровней увеличивается незначительно (табл. 4.3). У верхней границы карьера величина посадки уровней в межень составляет до 30 см, в начале разветвления у оголовка острова -10-13 см и на ближайшем перекате (на верхней границе участка) 2-3 см. При максимальной глубине на входе в правый рукав 1,7м величина посадки составляет около 6-7 % от глубины при проектном уровне воды. На входе в судоходный левый рукав глубины по фарватеру судового хода составляют 3-3,5 м и вклад посадки в уменьшение глубин при проектном уровне воды не превышает 4 %. Глубины на вышележащем перекате составляют 2,7 м, а гарантированные глубины для судоходства на этом участке р. Оби должны быть не менее 2,3 м. Вторым неблагоприятным фактором влияния карьера на гидравлический режим реки является изменение распределения стока воды по рукавам. Если в бытовых условиях в правый второстепенный рукав идет 10-11% стока в межень и 21% - в половодье, то в случае организации карьера в рукаве эта доля увеличивается до 17% в межень и 26% в половодье.
Проведенный совместно с исследованием гидравлико морфометрических изменений анализ направленности развития русловых деформаций на участке [Ботеинков, Рулева, 2005; Беркович и др. 2005] показал, что результатом такого перераспределения может явиться активизация развития второстепенного несудоходного рукава и изменения структуры сопряженных разветвлений на протяженном участке реки. А так как объем изымаемого из карьера грунта сопоставим с годовым стоком влекомых наносов р. Оби на этом участке, то значительным будет и его воздействие на массообмен в системе поток-русло и усиление глубинной эрозии ниже карьера. Одним из возможных вариантов снижения негативных последствий от организации карьера в правом рукаве в этом случае является организация ограждающих сооружений, частично перекрывающих заход в рукав (полузапруд), что предотвратит перераспределение стока воды и наносов.
В случае организации системы из двух карьеров с разработкой побочней у приверха и ухвостья острова в левом рукаве посадки уровня также незначительные (при меженных расходах - до 2 см у нижнего карьера, до 6 см у верхнего карьера). Посадка уровней величиной от 2 до 4 см распространяется в этом случае на 2км вверх от оголовка острова, а на верхней границе расчетного участка (в Зкм выше начала разветвления) составляет 2 -3 см (рис. 4.76).
Аналогичные расчеты для вышележащего узла разветвления (участка А), проводившиеся A.M. Алабяном [Алабян, 2004] показали, что при организации карьера в низовьях правобережной системы рукавов этого разветвления, посадка уровней в верхней части узла разветвления составит 15 см в межень и 11 см в половодье. Наименьшие глубины по фарватеру судового хода в меженный период здесь составляют 2,5-3 м, т.е. вклад посадки уровней в уменьшение глубин по судовому ходу составляет до 6%. На входе же в правобережную несудоходную систему рукавов глубины невелики (1 м), поэтому при посадке уровней на 20-30 см (20-30% от глубины) режим отмирающих рукавов будет нарушен значительно, что приведет к их дальнейшему обмелению. Поэтому, наиболее оптимальным здесь является дополнительная организация дамбы на входе в правобережный рукав. При этом на верхней границе участка будет наблюдаться повышение уровней на 2-3 см в межень и на 14 см в половодье.
Полученные нами результаты моделирования, с учетом анализа направленности русловых процессов на участке [Ботвинков, Рулева, 2005], позволили сделать следующие выводы: наибольшее влияние карьеров на уровенный режим реки выше по течению проявляется в меженных условиях. Заметное влияние карьеров на состояние уровней локализуется участком, прилегающим к началу подлежащего карьерной разработке рукава, и полностью выклинивается вверх по течению на расстоянии 6-Ю км. Величина посадки уровней с увеличением глубины карьера увеличивается незначительно. Однако предотвращение неблагоприятного воздействия карьеров на русловой режим реки требует применения комплекса мер организационного (регулирование мест, объемов и способов добычи ПГС) и инженерного (строительство гидротехнических сооружений) характера.
Краткая гидрологическая характеристика района исследований
Створ Горьковского гидроузла расположен выше г. Городда в 2288 км от устья р. Волги. Начало строительства Горьковского гидроузла - 1948 г., окончание - 1956 г., русло р. Волги перекрыто в августе 1955г. До НПУ 84,0 м водохранилище впервые наполнено в половодье 1957г. Горьковское водохранилище осуществляет сезонное регулирование боковой приточности на участке между створами Рыбинского и Горьковского гидроузлов.
Горьковское водохранилище представляет собой относительно вытянутый и неширокий водоем, образовавшийся в результате затопления дна долины Волги и ряда ее притоков. Длина его - 430 км, средняя ширина при НПУ 3,5 км, максимальная - 16 км в озеровидной нижней части. Площадь зеркала водохранилища 1590 км2, водосбора - 229 тыс. км2, в т.ч. на участке ниже Рыбинского гидроузла - 79 тыс. км . Полный объем водохранилища -8,8 км3, полезный - 3,9 км3. На участке водоема от Рыбинского гидроузла до г. Кинешмы протяженностью около 300 км (за исключением Костромского расширения) воды водохранилища практически не выходят за пределы бровок старого русла Волги, поэтому водохранилище здесь сохранило внешние черты реки, ширина его на этом участке - 600 - 700 м. Ниже Столпино (43 км ниже г. Кинешмы) начинается озерная часть Горьковского водохранилища с шириной от 5 км до 15 - 22 км на отдельных участках. Наибольшие глубины в водохранилище находятся в затопленном русле Волги и возрастают от 3 - 6 м у г. Рыбинск до 12 - 17 м ниже Кинешмы, достигая у плотины максимальных значений - 22 м.
Наиболее крупные притоки Горьковского водохранилища - реки Унжа (протяженность 468 км, водосборная площадь 27,4 тыс. км2), Кострома (протяженность 358 км, водосборная площадь 17,1 тыс. км2), Которосль (протяженность ПО км, водосборная площадь 6 тыс. км2).
Роль бокового притока к водохранилищу в среднемноголетнем разрезе примерно в 2 раза меньше, чем сбросы с Рыбинской ГЭС. Однако она существенно меняется от сезона к сезону: в период половодья боковая приточность в среднем дает вдвое больше воды, чем объемы сбросов из Рыбинского водохранилища. Средний многолетний сток , поступающий через плотину Горьковской ГЭС в нижележащее Чебоксарское водохранилище -52,7 км3, в самый многоводный год за период наблюдений - 81,8 км , в маловодный - 25,5 км3. Средний максимальный сбросной расход в нижний бьеф Горьковского гидроузла -10700 м3/с (табл. 5.1). Чебоксарский гидроузел расположен в 1950 км от устья р. Волги. Период начальной эксплуатации гидроузла характеризуется пониженной отметкой подпора - 63,0 м (нормальный ПУ - 68,0 м). Длина водохранилища 340 км, площадь зеркала - 1080 км , водосбора - 604 тыс. км , в т.ч. на участке ниже Горьковского гидроузла - 375 тыс. км . Объем водохранилища 4,6 км . Основные притоки Чебоксарского водохранилища - р. Ока (протяженность 1500 км, водосборная площадь 245 тыс. км), р. Сура (протяженность 841 км, водосборная площадь 67,5 тыс. км), р. Ветлуга (протяженность 889 км, водосборная площадь 39,4 тыс. км ). Боковой приток этих рек составляет в среднегодоговом разрезе 80 - 90% от всего бокового притока к Чебоксарскому водохранилищу. Суммарный объем бокового притока к водохранилищу превышает объем сбросов с Горьковского гидроузла как в период половодья, так и в среднем за год. Средний многолетний сток, поступающий через плотину Чебоксарской ГЭС в нижележащее Куйбышевское водохранилище - 111,8 км3, в самый многоводный год за период наблюдений - 164,6 км3, в маловодный - 63,9 км3. Средний максимальный сбросной расход в нижний бьеф Чебоксарского гидроузла - 22200 м /с (табл. 5.1.). Основные параметры гидроузлов приведены в прил. 4. Главными водопользователями Рыбинского, Горьковского и Чебоксарского водохранилищ являются энергетика, водный транспорт, водоснабжение и рыбное хозяйство. Наиболее сложная гидроэкологическая и социально-экономическая ситуация на рассматриваемом участке наблюдается на Чебоксарском водохранилище в связи с приостановкой его заполнения до первоначальной проектной отметки. В связи с неполной готовностью зоны затопления и незавершенными работами по защите земель и населенных пунктов в 1981 г. было решено заполнить году водохранилище на 2 - 3 года до промежуточной отметки 63,0 м. Однако, по ряду причин, гидроузел до настоящего времени продолжает работать при промежуточной отметке 63,0 метра в неустойчивом режиме. Строительство объектов инженерной защиты в зоне водохранилища полностью не было завершено (в т.ч. и для отметки 63,0 м), гидроузел не сдан в постоянную эксплуатацию. В результате осталась нереализованной задача создания глубоководного пути на участке р. Волги между шлюзами Нижегородской и Чебоксарской ГЭС с гарантированной глубиной судового хода 4,0 м, принятой для Единой глубоководной системы Европейской части России. Подпор Чебоксарского водохранилища на отметке 63,0 м не достиг Нижегородской ГЭС, и на 60-километровом участке от г. Городец до г. Н. Новгорода сохранился речной режим стока и уровней воды [Александровский, 2005]. За время эксплуатации Нижегородской ГЭС в ее нижнем бьефе произошла глубинная эрозия русла р. Волги на 1,0 - 0,5 м [Векслер, 1983], что привело к падению судоходных глубин в камерах шлюза и на перекатах - в результате гарантированная судоходная глубина выдерживается в период навигации лишь 2-3 часа в сутки; суточные колебания уровня и волновые воздействия в верхнем бьефе Чебоксарского гидроузла уменьшают глубину на порогах верхних голов камер судоходного шлюза Чебоксарской ГЭС и суда (с осадкой более 2,7 метров) вынуждены простаивать в ожидании стабилизации уровня водохранилища [Александровский, 2005]. Из-за приостановки строительства дренажно-осушительной сети на защищаемых территориях в настоящее время в состоянии подтопления находится 3500 га территорий и 526 жилых строений (без г. Н. Новгород).
До настоящего времени управление водными ресурсами на участке осуществляется в соответствии с [Основные правила.., 1983, Временные основные правила.., 1982]. Указанные правила в значительной степени устарели из-за изменившейся водохозяйственной обстановки, в частности, в связи с изменениями допустимых максимальных и минимальных уровней воды в нижнем бьефе Горьковского (Нижегородского) гидроузла, изменениями уровенного режима и навигационных попусков Горьковского гидроузла для обеспечения условий для судохоства в верхней части Горьковского вдхр. в период межени.
