CC BY
14ecological aspects of water/economic activities
УДК 556.5 DOI: 10.35567/19994508_2022_5_4
Гидродинамическое моделирование последствий проведения крупномасштабных русловых работ
А.А. Тиунов12 ЕЗ ©, А.П. Лепихин12 , А.В. Богомолов1 , Ю.С. Ляхин1
ISI alexey.tiunov@gmail.com
1 Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь, Россия
2 ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Камский филиал, г. Пермь, Россия
АННОТАЦИЯ
Актуальность. С целью повышения устойчивости функционирования технического водозабор из р. Вятки в районе г. Кирово-Чепецка, весьма актуальной стала задача проведения руслорегулирующих работ. Ее выполнение значительно усложняется существенной подвижностью русло Вятки, угрозой прорыва пойменного перешейка и образования протоки по старице в обход водозабора встала актуальная задача. С этой целью был проведен гидродинамический анализ руслового процесса р. Вятки в районе о. Деветьяровский, даны оценка и прогноз развития русловых деформаций реки, на основе различных сценарных расчетов. Методы. Задача решалась в сценарной постановке и включала в себя: натурное обследование рассматриваемого водного объекта; обработку полученной исходной информации; гидродинамическое моделирование. Модельные расчеты выполнялись в программном комплексе SMS с использованием модуля RiverFlow2D, позволяющего имитировать транспорт наносов в условиях изменяющегося русла. Результаты. Выполненные расчеты позволили сформировать прогнозные оценки развития русловых процессов при реализации различных сценариев обеспечения устойчивой работы водозабора.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидродинамическая модель, русловые работы, устойчивость русла, р. Вятка.
Для цитирования: Тиунов А.А., Лепихин А.П., Богомолов А.В., Ляхин Ю.С. Гидродинамическое моделирование последствий проведения крупномасштабных русловых работ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 5. С. 45-62. DOI: 10.35567/19994508_2022_5_4.
Дата поступления 06.09.2022.
HYDRODYNAMIC MODELING OF THE CONSEQUENCES OF CONDUCTING LARGE-SCALE RIVER WORKS Aleksey A. Tiunov12 ISI ©, Anatoliy P. Lepikhin12 ©, Andrey V. Bogomolov1 ©, Yuriy S. Lyakhin1
13 alexey.tiunov@gmail.com
1 Perm Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russia
2 Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection, Kama branch, Perm, Russia
ABSTRACT
Relevance. In order to increase the stability of the functioning of the technical water intake from the Vyatka river in the Kirovo-Chepetsk area, the task of conducting channel-regulating
© Тиунов А.А., Лепихин А.П., Богомолов А.В., Ляхин Ю.С., 2022.
works has become very urgent. Its implementation is significantly complicated by the significant mobility of the Vyatka riverbed, the threat of a breakthrough of the floodplain isthmus and the formation of a channel along the staritsa, bypassing the water intake, an urgent task has arisen. For this purpose , a hydrodynamic analysis of the riverbed process of the Vyatka River in the area of Devetyarovsky Island, an assessment and forecast of the development of riverbed deformations are given, based on various scenario calculations. Methods. The task was solved in a scenario setting and included: full-scale survey of the water body under consideration; processing of the received initial information; hydrodynamic modeling. Model calculations were performed in the SMS software package using the RiverFlow2D module, which allows simulating sediment transport in conditions of instability of morphometric indicators of the riverbed. Results. The calculations made it possible to form predictive estimates of the development of riverbed processes in the implementation of various scenarios to ensure the stability of the water intake.
Keywords: hydrodynamic model; channel works; channel stability; the Vyatka River.
For citation: Tiunov A.A., Lepikhin A. P., Bogomolov A.V., Lyakhin Y.S. Hydrodynamic modeling of the consequences of conducting large-scale river works. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 5. P. 45-62. DOI: 10.35567/19994508_2022_5_4.
Received 06.09.2022.
ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью формирования русловых процессов является адаптация русла к протекающим по нему расходам воды. Стабильность русла реки может наблюдаться при постоянстве расходов воды, при транспортировке неизменного объема взвешенных и влекомых наносов. В то же время большинство рек характеризуется существенной как внутригодовой, так и междугодичной изменчивостью стока. В связи с этим, существенный интерес представляет анализ адаптации морфометрии русла к изменениям расходов воды, на примере естественных водотоков.
Современные компьютерные технологии в рамках вычислительных экспериментов позволяют имитировать динамику русел, учитывать разные гидрологические режимы водных объектов. Объектом данного исследования является участок р. Вятки в районе города Кирово-Чепецка Кировской области на северо-востоке Европейской части России в бассейне р. Камы и ее главного притока - Вятки, в лесной зоне. В районе города в р. Вятку впадает крупный приток - р. Чепца. На расстоянии около 2,7 км ниже впадения р. Чепца в русле р. Вятки сформировался Деветьяровский остров (рис. 1). Длина острова превышает 1 км, ширина - более 400 м. Основная протока в районе острова проходит вдоль правого берега. Интенсивные русловые деформации, происходящие в районе острова, являются причиной изменения динамических характеристик водного потока. Изменения связаны с увеличением скоростей течения вдоль правого берега, особенно в зимний период. Этот фактор в совокупности с определенными метеорологическими условиями способствует образованию полыньи на данном участке. В условиях отрицательных температур воздуха на открытом участке русла происходит переохлаждение водной массы, приводящее к образованию микрокристаллов льда. При переносе частиц льда водным потоком вниз по течению идет процесс их слипания, приводящий к образованию рыхлого льда, снежуры и сала - шуги. Изменение динамических характе-
ристик потока в районе Деветьяровского острова способствует активизации процессов переформирования дна и берегов на данном участке.
Целью представленной в статье работы является оценка развития русловых деформаций после выполнения руслорегулирующих работ на р. Вятке в районе технического водозабора одного из предприятий г. Кирово-Чепецка на основе сценарного проведения вычислительных экспериментов.
Рис. 1. Местоположение исследуемого участка. Fig. 1. Location of the range under study.
Наиболее существенными факторами, влияющими на устойчивость его функционирования являются:
- попадание шуги в водозаборное устройство в зимний период;
- замывание водозаборного устройства наносами;
- вероятность осушения водозаборных устройств в результате прорыва пойменного перешейка и перенаправления части стока в старицу.
В связи с этим принципиальное значение имеет выработка комплекса мероприятий, направленных на снижение этих негативных факторов. Их отработку наиболее эффективно проводить с использованием современных гидродинамических моделей.
Описание динамики переформирования аллювиальных русел является одной из наиболее востребованных и сложных задач в гидравлике русловых потоков. В настоящее время численные гидродинамические модели динамики русел все более активно используются при решении актуальных водохозяйственных задач как в нашей стране [1-12], так и за рубежом [13-15].
В развитии технологии моделирования русловых процессов исторически выделяются три этапа [11]. На современном этапе математические модели по-
зволяют проводить оценку динамики русла, зон размыва и аккумуляции для заданных гидрологических условий. Данные модели в такой постановке становятся важным инструментом решения большого количества практических задач, связанных с динамикой русловых потоков. Поэтому существенное значение имеет освоение этих современных средств, исследование водных объектов, оценка их эффективности на примере решения практических задач.
Решение систем уравнений, описывающих динамику русловых процессов, требует задания начальных и граничных условий. Если гидрологические характеристики заданы сценарно, то потоки взвешенных и влекомых наносов из-за отсутствия регулярных наблюдений не могут быть корректно заданы. В связи с этим размеры расчетной области руслового потока по оценке динамики русловых процессов должны быть значительно больше размеров исследуемой области, для которых необходимы оценки изменения морфометрических параметров потока.
Для решения поставленной задачи разработана компьютерная гидродинамическая модель для участка р. Вятки в районе о. Деветьяровский в двухмерном приближении. Данная модель построена на основе лицензированного специализированного гидрологического программного пакета SMS v. 11.1 (Surface-water Modeling System) компании Aquaveo LLC с использованием модели RiverFlow2D GPU с модулем Sediment Transport компании Hydronia LLC. Данный программный пакет предназначен для моделирования в двухмерном приближении гидродинамики и распространения загрязнений, а также транспорта взвешенных и влекомых наносов в водном объекте.
Программный пакет SMS v.11.1 неоднократно использовался для решения актуальных задач: оценка зон затопления, скоростного и уровенного режимов в условиях добычи нерудных строительных материалов: в реках Вятка [12], Сылва [7], на Воткинском и Нижнекамском водохранилищах; распространение загрязнения в р. Вятка [12]; по защите берегов р. Дон в районе г. Павловска [3]; транспорт наносов (р. Кама - г. Пермь [8], р. Сылва в районе сел Посад и Усть-Кишерть, р. Чепца в районе пос. Балезино [11]). Подробное описание рассматриваемого программного продукта и опыт его использования приведены в работах [11, 16].
МЕТОДИКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАНОСОВ
Моделирование транспорта наносов можно разделить на несколько этапов. На первом этапе необходимо провести полное обследование местности, включая водный объект, его пойму и прилегающую территорию. В процессе выполнения первого этапа производятся подготовительные, топографо-геодезические, гидрологические и камеральные работы. Результатом первого этапа является составление картосхем распределения глубин и морфометриче-ских особенностей русла, получение цифровой модели рельефа (далее - ЦМР), которая будет использоваться при гидродинамическом моделировании.
На втором этапе осуществляется выбор сценария для проведения модельных расчетов, выбор подходящей расчетной модели и, собственно, построе-
ecological aspects of water/economic activities
ние гидродинамической модели. Для построения гидродинамической модели транспорта наносов в двумерном приближении для участка р. Вятки в районе о. Деветьяровский у г. Кирово-Чепецка в программном пакет SMS v.11.1 использовалась ЦМР, полученная на первом этапе работ, а также ЦМР, откорректированная с учетом возможных изменений русла.
В качестве сценарных расчетов основных гидрологических характеристик водного объекта и расчетов распространения транспорта наносов были выбраны два сценарных расчета для двух этапов устройства прорези:
Этап 1 - оценка последствий создания «пионерной прорези». В расчетах использовались величины максимальных паводковых расходов воды характерного года, соответствующего среднемноголетним характеристикам 50 % обеспеченности и по среднемноголетнему расходу воды летне-осенней межени 50 % обеспеченности.
Этап 2 - оценка последствий создания «проектируемой прорези» в ее полном объеме. При расчетах использовались величины расчет для максимальных паводковых расходов воды характерного года, соответствующего средне-многолетним характеристикам 50 % обеспеченности и по среднемноголетне-му расходу воды летне-осенней межени 50 % обеспеченности.
При моделировании транспорта наносов использован гранулометрический состав проб грунта, отобранных на участке моделирования в ходе выполнения первого этапа работ.
На третьем этапе выполняются модельные расчеты по заданным сценариям на базе построенной ранее гидродинамической модели. Также осуществляется калибровка модели по материалам натурных наблюдений за гидрологическим режимом водотока. В случае отсутствия натурных наблюдений подбирается река-аналог. Для производства калибровки модели транспорта наносов необходимо несколько разновременных батиметрических съемок исследуемого участка водоема. При этом необходимо иметь ряды наблюдений за расходами и уровнями воды на данном участке за периоды времени между съемками.
Гидродинамическая модель транспорта наносов р. Вятки в районе о. Деветьяровский протяженностью 3870 м была использована для оценки динамики донных отложений и выявления зон аккумуляции и размыва при заданных сценарных расходах воды и уровнях воды в реке. Гидродинамическое моделирование транспорта наносов является эффективным инструментом прогнозирования состояния русла и берегов рек в долгосрочной перспективе, что позволяет заранее составить план мероприятий по ликвидации последствий значительных изменений русла и берегов рек в будущем. Построение гидродинамической модели участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка
Морфометрия участка гидродинамического моделирования для участка р. Вятки в районе о. Деветьяровский у г. Кирово-Чепецка представлена на рис. 2. Размеры модели: общая длина 3870 м, ширина варьирует от 250 до 700 м. Как отмечалось ранее, чтобы получить рабочую модель для участка в 3000 м, модель строится больше по размерам, в данном случае - 3870 м в длину.
Водозабор располагается в 950 м ниже о. Деветьяровский на р. Вятке в районе г. Кирово-Чепецка. Для наиболее полного и эффективного задания особенностей морфометрии участка р. Вятки в районе о. Деветьяровский на расчетной области построена неравномерная треугольная сетка, состоящая из 33 771 элементов со средней длиной ребра 10 м.
Моделирование выполнялось для трех сценариев: для условий естественного русла и для двух этапов устройства прорези р. Вятки в районе о. Деветья-ровский у г. Кирово-Чепецка. Сценарий 1. «Естественное русло»
Рис. 2. Морфометрия моделируемого участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «естественное русло» с нанесением сечения водозабора и трассы прорези. Fig. 2. The morpometry of the simulated range of the Vyatka River near Kirovo-Chepetsk "the natural channel" with designation of the water intake cross section and the ditch line.
Сценарий 1. Используется ЦМР участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «естественное русло» (рис. 2). Далее сценарий 1 разбивается на подсценарии 1а и 1б по гидрологическим характеристикам водного объекта.
Сценарий 1а. Для расчета по максимальным паводковым расходам характерного года, соответствующего среднемноголетним характеристикам 50 % обеспеченности, взяты гидрологические характеристики за период весеннего половодья 2005 г. (с 01.04.2005 по 01.07.2005), в котором наблюдается длительный период стояния руслоформирующего расхода воды на р. Вятке у г. Кирово-Чепецка. Гидрографы расходов воды и уровней воды весеннего половодья 2005 г. представлены далее.
Сценарий 1б. Для расчета по среднемноголетнему расходу воды за период летне-осенней межени 50 % обеспеченности взяты расход воды 126 м3/с и уровень воды 105,74 м.
Сценарий 2. «Последствия устройства пионерной прорези»
Сценарий 2. Используется ЦМР участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «после устройства пионерной прорези» (рис. 3). Далее сценарий 2 разбивается на подсценарии 2а и 2б по гидрологическим характеристикам водного объекта.
ecological aspects of water/economic activities
Сценарий 2а. Для расчета по максимальным паводковым расходам воды характерного года, соответствующего среднемноголетним характеристикам 50 % обеспеченности, взяты гидрологические характеристики за период весеннего половодья 2005 г. (с 01.04.2005 по 01.07.2005).
Сценарий 2б. Для расчета взяты среднемноголетний расход воды за период летне-осенней межени 50 % обеспеченности 126 м3/с и уровень воды 105,74 м.
Рис. 3. Морфометрия моделируемого участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка
«после устройства пионерной прорези». Fig. 3. The morphometry of the simulated range of the Vyatka River near Kirovo-Chepetsk "after arrangement of the pilot ditch".
Сценарий 3. «Последствия полной реализации проектируемой прорези»
Сценарий 3. Используется ЦМР участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «после устройства проектируемой прорези» (рис. 4). Сценарий 3 разбивается на подсценарии 3а и 3б по гидрологическим характеристикам водного объекта.
Рис. 4. Морфометрия моделируемого участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка
«после устройства проектируемой прорези». Fig. 4. The morphometry of the simulated range of the Vyatka River near Kirovo-Chepetsk "after arrangement of the designed ditch".
Сценарий 3а. Для расчета по максимальным паводковым расходам воды характерного года, соответствующего среднемноголетним характеристикам 50 % обеспеченности, взяты гидрологические характеристики за период весеннего половодья 2005 г. (с 01.04.2005 по 01.07.2005).
Сценарий 3б. Для расчета взяты данные среднемноголетнего расхода воды за период летне-осенней межени 50 % обеспеченности 126 м3/с и уровень воды 105,74 м.
Исходные данные при моделировании
Для моделирования транспорта наносов использованы характеристики гранулометрического состава проб грунта на участке моделирования (табл. 1). Таблица 1. Физико-механические свойства грунта на участке р. Вятка -
г. Кирово-Чепецк в районе о. Деветьяровский
Table 1. Physical/mechanical properties of the ground at the site the Vyatka River -Kirovo-Chepetsk near Devtyarovskiy Island
Лабораторный номер Вертикаль Глубина отбора пробы, м Гранулометрический состав, %
>10,0 2,010,0 1,0-2,0 0,5-1,0 0,50,25 0,10,25 0,10,05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 0,10 1,68 24,87 7,14 29,87 32,86 2,74 0,84
2 0,10 7,98 3,48 27,76 55,12 4,84 0,82
3 0,10 3,52 79,64 16,6 0,24
4 0,90 7,98 83,48 6,68 1,86
5 2,50 2,64 0,42 10,62 80,26 5,06 1
6 тальвег 3,60 13 5,73 1,48 14,16 51,99 13,14 0,5
7 0,10 1,6 49,6 44,39 4,41
Расчет по сценариям 1а, 2а и 3а производится по гидрологическим характеристикам р. Вятки у г. Кирово-Чепецка за период весеннего половодья 2005 г. (рис. 5 и рис. 6). Данная модель ограничена основным руслом, поэтому расход воды учитывается только по основному руслу. Расчетное время для всех сценариев - 91 сут.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Анализ проведенных расчетов показал, что вследствие характерного для данного участка реки гранулометрического состава донных отложений и скоростей течения, превышающих величину неразмывающих, скорости русла р. Вятки в районе о. Деветьяровский у г. Кирово-Чепецка являются весьма подвижными, что соответствует стадии свободно меандрирующего русла.
2500
2000
J 1500 .0
о со
¡5 1000
Q
ra
500
0
01.04.2005 16.04.2005 01.05.2005 16.05.2005 31.05.2005 15.06.2005 30.06.2005
Дата
Рис. 5. График изменения расходов воды по руслу в р. Вятке у г. Кирово-Чепецка за период весеннего половодья 2005 г. Fig. 5. Diagram of the water flow changing in the Vyatka River channel near Kirovo-Chepetsk during the 2005 spring flood.
113 112 111 J 110
-O
2 109
I
CD CO
о. 108
>
107 106
01.04.2005 16.04.2005 01.05.2005 16.05.2005 31.05.2005 15.06.2005 30.06.2005
Дата
Рис. 6. График изменения уровней воды в р. Вятке у г. Кирово-Чепецка за период весеннего половодья 2005 г. Fig. 6. Diagram of the water level changing in the Vyatka River near Kirovo-Chepetsk during the 2005 spring flood.
Рассмотрим картосхемы изменения отметок дна для сценариев 1а, 2а и 3а, т. к. они наиболее информативны. Результаты модельных расчетов по сценарий 1б, 2б и 3б были использованы оценки возможных изменений меженных уровней воды.
Сценарий 1а. Проведенный модельный расчет с использованием ЦМР участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «естественное русло» при гидрологических характеристиках весеннего половодья 2005 г. достаточно хорошо показы-
вает зоны, где происходят процессы аккумуляции и размыва наносов (рис. 7). Анализ проведенного расчета показал, что происходит движение отмелей вниз по течению со средней скоростью 100 м/мес., замыв основного русла в ухвостье острова и вдоль берегов, а также размыв вогнутого берега излучины и у приверха острова. При данных условиях в зоне водозабора у берега наблюдается размыв до 2 м, а на расстоянии около 55 м от берега - намыв небольшой отмели 0,5 м. Скоростной режим на р. Вятке в районе о. Деветьяровский в период весеннего половодья очень неоднороден.
10 суток 30 суток
60 суток 91 сутки
Рис. 7. Картосхемы изменения отметок дна в соответствующие расчетные моменты времени при сценарии 1а «естественное русло».
Fig. 7. Schematic maps of the bottom marks' changing at the corresponding calculated moments in case of scenario 1a "natural channel".
Сценарий 2а. Анализ проведенного расчета с использованием ЦМР участка р. Вятки у г. Кирово-Чепецка «после устройства пионерной прорези» при гидрологических характеристиках весеннего половодья 2005 г. показал, что происходит движение отмелей (гидроотвала) далее вниз по течению со средней скоростью 100 м/мес., а также аккумуляция наносов в проектируемой прорези почти до 2,5 м, что соответствует свободно меандрирующему руслу в условиях двурукавного аллювиального русла реки (рис. 8).
Отметим, что «после устройства пионерной прорези» в период весеннего половодья наблюдается смыв наносов с гидроотвала и прилегающих мелей вдоль прорези и дальнейшая их аккумуляция в прорези. За период расчетного
10 суток 30 суток
60 суток 91 сутки
Рис. 8. Картосхемы изменения отметок дна в соответствующие расчетные моменты времени при сценарии 2а «после устройства пионерной прорези». Fig. 8. Schematic maps of the bottom marks' changing at the corresponding calculated moments in case of scenario 2a "after arrangement of the pilot ditch".
паводка ожидаемое переформирование прорези будет происходить с аккумуляцией донных отложений в объеме порядка 85 тыс. м3. При данных условиях в зоне водозабора у берега отмечается размыв до 2 м.
Сценарий 3а. Анализ гидродинамических расчетов с использованием ЦМР участка р. ВяткИ у г. Кирово-Чепецка для сценария «полной реализации проектируемой прорези» при гидрологических характеристиках весеннего половодья 2005 г. показал, что происходит движение отмелей (гидроотвала) далее вниз по течению со средней скоростью 100 м/мес., а также переформирование проектируемой прорези. Максимальная аккумуляция наносов отмечается с правой стороны прорези вдоль гидроотвала до 3,5 м, максимальный размыв - на левой бровке прорези напротив приверха гидроотвала до 2,5 м, что соответствует свободно меандрирующему руслу в условиях аллювиального русла реки (рис. 9).
Отметим, что «после устройства проектируемой прорези» в период весеннего половодья наблюдается смыв наносов с гидроотвала и прилегающих мелей вдоль прорези и дальнейшая их аккумуляция в прорези. За период расчетного паводка ожидаемое переформирование прорези будет происходить с аккумуляцией донных отложений в объеме порядка 150 тыс. м3. При данных условиях в зоне водозабора у берега происходит размыв до 2 м.
10 суток 30 суток
60 суток 91 сутки
Рис. 9. Картосхемы изменения отметок дна в соответствующие расчетные моменты времени при сценарии 3а «после устройства проектируемой прорези».
Fig. 9. Schematic maps of the bottom marks' changing at the corresponding calculated moments in case of scenario 3a "after arrangement of the designed ditch".
Анализ профилей по результатам расчетов
В ходе выполнения работ были построены поперечные сечения русла в контрольных створах. Возможные переформирования русла в контрольном створе, расположенном в центральной части гидроотвала, представлены на рис. 9. В естественных условиях (рис. 10 а) основное течение наблюдается по основному руслу у правого берега. За период весеннего половодья идет размыв склона русла у левого берега на 0,2-0,5 м, размыв островной части по середине сечения до ~ 2 м, размыв по основному руслу у правого берега на 0,2-0,5 м. На участке левобережного углубления наблюдается аккумуляция наносов и подъем отметок дна на величину ~ 0,8 м. За период летне-осенней межени происходит размыв по основному руслу у правого берега порядка 0,3-0,8 м.
В условиях «после устройства пионерной прорези» (рис. 10 б) основное течение делится на два рукава. За период весеннего половодья наблюдается размыв у склона русла левого берега на 0,2-0,5 м, размыв левого откоса прорези до ~ 2,5 м, размыв правого откоса прорези до ~ 1,5 м, размыв гидроотвала на 1-2 м, размыв по основному руслу у правого берега до ~ 0,1 м и размыв склона правого берега до ~ 1 м. В районе левобережного углубления отмечается подъем отметок дна до ~ 0,9 м по причине аккумуляции наносов, намыв в основной прорези на 1-3 м, намыв по основному руслу слева до ~ 1 м и намыв по основному руслу у правого берега до ~ 0,35 м. Наблюдается смещение прорези влево
lll llo lo9 lo8
107 106 lo5 104 103
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
а
в 111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Рис. 10. Анализ профилей по результатам расчетов. Гидроствор ГС-1: а - «естественное русло»; б - «после устройства пионерной прорези»; в - «после устройства проектируемой прорези».
Fig. 10. The profiles' analysis according to the calculation results. Hydro/range GS-1: а - "the natural channel"; б - "after arrangement of the pilot ditch"; в - "after arrangement of the designed ditch".
на ~ 50 м и ее занесение на 1,1 м. За период летне-осенней межени размыв по основному руслу слева достигает ~ 0,4 м, намыв центральной части прорези ~ 0,5 м, намыв по основному руслу у правого берега ~ 0,25 м. Происходит занесение прорези до ~ 0,5 м.
В условиях «после устройства проектируемой прорези» (рис. 10 в) течение воды идет по прорези. За период весеннего половодья размыв у левого берега составит 0,2-0,5 м, размыв левого откоса прорези ~ 2 м, размыв основания прорези ~ 0,75 м и размыв левого края гидроотвала ~ 2 м, намыв (замывание углубления) у левого берега достигнет отметки ~ 0,6 м, намыв у правого откоса прорези ~ 1,5 м. Наблюдается смещение прорези влево на ~ 40 м и ее углубление на ~ 0,75 м. За период летне-осенней межени будет происходить заиление основания прорези до ~ 0,1 м и намыв в нижней части правого откоса прорези до ~ 0,2 м, произойдет смещение нижней части правого откоса прорези влево на ~ 1 м.
Просадки меженных уровней воды в р. Вятке
Влияние руслорегулирующих работ на просадки меженных уровней воды на исследуемом участке в р. Вятке у г. Кирово-Чепецка определяется величиной прорези. По материалам выполненного гидродинамического моделирования максимальная просадка уровня в случае сценария, при котором будет реализована проектируемая прорезь, составит около 23 см. В то же время русло при руслорегулирующих работах становится более глубоким (рис. 11, рис. 12).
Показатель устойчивости русла (прорези) по В.М. Лохтину для сценария 3 составляет 11,4, что характеризует русло как «сравнительно устойчивое». Для сценария 1 этот показатель равен 3,9, что соответствует «неустойчивому» руслу. Таким образом, реализация «проектируемой прорези» повышает устойчивость русла в 2,9 раза.
Расстояние от левого берега, м
Рис. 11. Расчетный уровень воды по сечению в районе водозабора для сценариев 1б, 2б и 3б. Fig. 11. Calculated water level in the cross section near the water intake f or scenarios 1б, 2б, and 3б.
Расстояние, м
Рис. 12. Расчетный уровень воды по трассе прорези в р. Вятке у г. Кирово-Чепецка для сценариев и 1б, 2б и 3б.
Fig. 12. Calculated water level along the ditch line in the Vyatka River near Kirovo-Chepetsk for scenarios 1б, 2б, and 3б.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ проведенных исследований показал, что на рассматриваемом участке р. Вятки наблюдается весьма высокая подвижность русла, обусловленная особенностью гранулометрического состава донных отложений и динамическим режимом водотока. Наибольшая интенсивность изменения морфометрии русла происходит во время прохождения пика половодья, когда наблюдаются наибольшие расходы воды.
Оценка эффективности проектируемых мероприятий выполнена на основе вычислительных экспериментов, основанных на гидродинамическом моделировании. Выполненные расчеты показали, что наиболее эффективным является сценарий 3 «полная реализация проектируемой прорези». В случае реализации данного сценария скоростной режим на исследуемом участке р. Вятки будет более однородным, что позволит уменьшить вероятность негативных переформирований русла, в т. ч. исключит возможность прорыва перешейка напротив Деветьяровского острова и «ухода» р. Вятки в старицу. Это будет способствовать повышению надежности и безаварийности эксплуатации водозабора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беликов В.В., Алексюк А.И., Борисова Н.М. Численная гидроморфологическая модель деформаций речных русел с учетом неоднородного состава грунта // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: сб. научных трудов IV международной научно-практической конференции / под ред. Г.Л. Гладкова, К.П. Моргунова, 2019. С. 62-79.
2. Беликов В.В., Колесников Ю.М. Оценка эффективности мероприятий по защите от разрушения участка левого берега р. Оки // Гидротехническое строительство. 2022. № 4. С. 20-25.
3. Богомолов А.В., Лепихин А.П., Тиунов А.А. Использование численных гидродинамических моделей для оценки эффективности проектных решений по защите берегов (на примере реки Дон в районе города Павловска) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2014. № 1. С. 50-57. DOI: 10.35567/1999-4508-2014-1-4.
4. Зиновьев А.Т., Кошелев К.Б., Марусин К.В., Кошелева Е.Д. Математическое моделирование руслового потока для прогнозов влияния строительства в поймах на гидрологический режим крупных рек (на примере реки Обь) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2017. № 2. С. 54-72. DOI: 10.35567/1999-4508-2017-2-5.
5. Зиновьев А.Т., Дьяченко А.В., Кошелев К.Б., Марусин К.В. Натурные наблюдения и математическое моделирование динамики руслового потока на участке реки Обь у водозабора №1 города Барнаула // Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития: труды III Всероссийской конференции. Санкт-Петербург, 2019. С. 388-391.
6. Zinoviev A., Dyachenko A., Koshelev K., Marusin K. Modeling of channel processes in large rivers with the use of field data // Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications. 2021. Vol. 9. № 1. С. 87-102.
7. Лепихин А.П., Перепелица Д.И., Тиунов А.А. Анализ и обоснование возможных схем защиты г. Кунгура от наводнений // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2007. № 2. С. 80-94.
8. Лепихин А.П., Любимова Т.П., Лепешкин С.А., Тиунов А.А., Паршакова Я.Н., Перепелиц Д.И. К проблеме оценки последствий крупномасштабной добычи нерудных строительных материалов на поверхностные водные объекты // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2014. № 3. С. 108-119. DOI: 10.35567/1999-4508-2014-3-9.
9. Потапов И.И., Снигур К.С. Исследование эволюции поперечной русловой прорези под действием транзитного гидродинамического потока // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2014. № 2. С. 146-152.
10. Потапов Д.И., Потапов И.И. Анализ русловых деформаций р. Амур на участке хабаровского водного узла // Информатика и системы управления. 2020. № 2 (64). С. 68-74.
11. Лепихин А.П., Тиунов А.А. Современные гидродинамические модели русловых процессов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 4. С. 114-143. DOI: 10.35567/1999-4508-2019-4-6.
12. Лепихин А.П., Любимова Т.П., Ляхин Ю.С., Тиунов А.А., Богомолов А.В., Перепелица Д.И., Паршакова Я.Н. Гидродинамическое моделирование реки Вятки в среднем течении: постановка задачи, результаты расчетов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2013. № 3. С. 16-32. DOI: 10.35567/1999-4508-2013-3-2.
13. Sanjay Giri, Satomi Yamaguchi, Mohamed Nabi, Yasuyuki Shimizu Modelling river bed form dynamics: Large scale application // August. 2014 DOI: 10.1201/b17133-163, URL: https://www. researchgate.net/publication/287716191_Modelling_river_bed_form_dynamics_Large_scale_ application (дата обращения: 31.08.2022).
14. Adrien Peytavie, Thibault Dupont, Eric Guerin, Yann Cortial, Benes Benes, James Gain, Eric Galin Procedural Riverscapes // HAL Id: hal-02281637. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/ hal-02281637 (дата обращения: 31.08.2022).
15. Filip Bujakowski, Tomasz Falkowski and Anna Podlasek Geomorphological immaturity as a factor conditioning the dynamics of channel processes in Rz^dza River // From the journal Open Geosciences. https://doi.org/10.1515/geo-2020-0209.
16. Reference Manual "RiverFlow2D Two-Dimensional Flood and River Dynamics Model" // March, 2018, Hydronia LLC., URL: http://www.hydronia.com (дата обращения: 31.08.2022).
REFERENCES
1. Belikov V.V., Aleksyuk A.I., Borisova N.M. Digital hydro/morphological model of the river channels deformations with taking into consideration soil structure heterogenity. Vodnye puti i rus-lovye processy. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya vodnyh putej: sbornik nauchnyh trudov IV mezh-dunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsyi. [Water routs and channel processes. Hydraulic
ecological aspects of water/economic activities
works of water routs; collection of proceedings of IV international scientific/practical conference]. Edited by G.L. Gladkova, K.P. Morgunova. 2019. p. 62-79 (In Russ.).
2. Belikov V.V., Kolesnikov YU.M. Assessment of effectiveness of measures aimed at the Oka River left bank part protection against destruction. Gidrotekhnicheskoe stroitelstvo. [Hydro/engineering construction] 2022. No. 4. P. 20-25 (In Russ.).
3. Bogomolov A.V., Lepihin A.P., Tiunov A.A. The digital hydrodynamic models application for assessment of effectiveness of design solution concerning bank protection (the Don River near Pav-lovsk as a study case). Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2014. No. 1. P. 50-57. DOI: 10.35567/1999-4508-2014-1-4 (In Russ.).
4. Zinovyev A.T., Koshelev K.B., Marusin K.V., Kosheleva E.D. Mathematic simulation of a channel flow in order to forecast any impacts of building at the flood plain upon river hydrological regime (the Ob River as a study case). Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2017. No. 2. P. 54-72. DOI: 10.35567/1999-4508-2017-2-5 (In Russ.).
5. Zinovyev A.T., Dyachenko A.V., Koshelev K.B., Marusin K.V. Field observations and mathematical simulation of the channel flow dynamics at the range of the Ob River and Barnaul water intake No. 1. Gidrometeorologiya i ekologiya:dostizheniya i perspektivy razvitiya: trudy III Vserossiyskoy konferentsiyi. [Hydro/meteorology and ecology: achievements and prospects of development: proceedings of III all-Russian Conference] Sankt-Petersburg, 2019. P. 388-391 (In Russ.).
6. Zinoviev A., Dyachenko A., Koshelev K., Marusin K. Modeling of channel processes in large rivers with the use of field data. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications. 2021. Vol. 9. № 1. P. 87-102.
7. Lepihin A.P., Perepelica D.I., Tiunov A.A. Analysis and substantiation of possibilities of protection of the city of Kungur against floods. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2007. No. 2. P. 80-94 (In Russ.).
8. Lepihin A.P., Lyubimova T.P., Lepeshkin S.A., Tiunov A.A., Parshakova Y.N., Perepe-lic D.I. On the problem of assessment of consequences of large-scale nonmetallic mining impact upon surface water bodies. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2014. No. 3. P. 108-119. DOI: 10.35567/1999-4508-2014-3-9 (In Russ.).
9. Potapov I.I., Snigur K.S. The study of a transverse channel ditch evolution under the influence of the transit hydro/dynamic flow. Vestnik Udmurtskogo universiteta. Matematika. Mekhanika. Komp'yuternye nauki [The Udmurt University bulletin. Mathematica, Mechanics. Computer sciences] 2014. No. 2. P. 146-152 (In Russ.).
10. Potapov D.I., Potapov I.I. Analysis of the Amur River channel deformations at the range of the Khabarovsk water hub. Informatika i sistemy upravleniya. [Informatics and management systems]. 2020. No. 2 (64). P. 68-74 (In Russ.).
11. Lepihin A.P., Tiunov A.A. Modern hydro/dynamic models of channel processes. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2019. No. 4. P. 114-143. DOI: 10.35567/1999-45082019-4-6 (In Russ.).
12. Lepihin A.P., Lyubimova T.P., Lyahin Y.S., Tiunov A.A., Bogomolov A.V., Perepelitsa D.I., Parsha-kova YA.N. The Vyatka River hydro/dynamic modelling in its middle range: setting of the task and the calculations outcomes. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2013. No. 3. P. 16-32. DOI: 10.35567/1999-4508-2013-3-2 (In Russ.).
13. Sanjay Giri, Satomi Yamaguchi, Mohamed Nabi, Yasuyuki Shimizu. Modelling riverbed form dynamics: Large scale application. August. 2014, DOI: 10.1201/b17133-163, URL: https://www. researchgate.net/publication/287716191_Modelling_river_bed_form_dynamics_Large_scale_ap-plication (accessed: 31.08.2022).
14. Adrien Peytavie, Thibault Dupont, Eric Guérin, Yann Cortial, Benes Benes, James Gain, Eric Galin Procedural Riverscapes. HAL Id: hal-02281637, URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02281637 (accessed: 31.08.2022).
15. Filip Buyakowski, Tomasz Falkowski and Anna Podlasek Geomorphological immaturity as a factor conditioning the dynamics of channel processes in Rz^dza River. From the Journal Open Geo-sciences. https://doi.org/10.1515/geo-2020-0209.
16. Reference Manual "RiverFlow2D Two-Dimensional Flood and River Dynamics Model" March. 2018, Hydronia LLC., URL: http://www.hydronia.com (accessed: 31.08.2022).
Сведения об авторах:
Тиунов Алексей Александрович, ведущий инженер-программист, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Камский филиал, Россия, 614002, г. Пермь, ул. Николая Островского, 113; ведущий инженер, лаборатория проблем гидрологии суши, «Горный институт Уральского отделения Российской академии наук» - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78А; ORCID:0000-0003-2015-8828; email: alexey.tiunov@gmail.com
Лепихин Анатолий Павлович, д-р геогр. наук, профессор, главный научный сотрудник, ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», Камский филиал, Россия, 614002, г. Пермь, ул. Николая Островского, 113; заведующий лабораторией проблем гидрологии суши, «Горный институт Уральского отделения Российской академии наук» - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78А; ORCID:0000-0001-9874-3424; email: lepihin49@mail.ru Богомолов Андрей Владимирович, канд. техн. наук, научный сотрудник, лаборатория проблем гидрологии суши, «Горный институт Уральского отделения Российской академии наук» - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78А; ORCID: 0000-0003-0626-4069; email: whitewing85@mail.ru
Ляхин Юрий Сергеевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, лаборатория проблем гидрологии суши, «Горный институт Уральского отделения Российской академии наук» - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук, Россия, 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78А; ORCID: 0000-00018058-5587; e-mail: ljahin85@mail.ru About the authors:
Aleksey A. Tiunov, Leading Software Engineer, Russian Research Institute for the Integrated Water Use and Protection Kama Branch, ul. Nikolai Ostrovsky, 113, Perm, 614002, Russia; Lead Engineer, Laboratory of Land Hydrology Problems, "Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences", a branch of the Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Sibirskaya, 78A, Perm, 614007, Russia; ORCID: 0000-00032015-8828; email: alexey.tiunov@gmail.com
Anatoly P. Lepikhin, Doctor of Geographical Sciences, Professor, ^ief Researcher, Russian Research Institute for the Integrated Water Use and Protection Kama Branch, ul. Nikolai Ostrovsky, 113, Perm, 614002, Russia; Head, Laboratory of Land Hydrology Problems, "Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences", a branch of the Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Sibirskaya, 78A, Perm, 614007, Russia; ORCID: 0000-0003-0626-4069; email: lepihin49@mail.ru
Andrey V. Bogomolov, Candidate of Technical Sciences, Researcher, Laboratory of Land Hydrology Problems, "Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences" - a branch of the Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Sibirskaya, 78A, Perm, 614007, Russia; ORCID: 0000-0003-0626-4069; email: whitewing85@mail.ru
Yuri S. Lyakhin, Candidate of Technical Sciences, Researcher, Laboratory of Land Hydrology Problems, "Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences"- a branch of the Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Sibirskaya, 78A, Perm, 614007, Russia; ORCID: 0000-0001-8058-5587; email: ljahin85@mail.ru
