Научная статья на тему 'Натурные исследования пропускной способности рукавов русловых разветвлений и пойменных проток реки Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби'

Натурные исследования пропускной способности рукавов русловых разветвлений и пойменных проток реки Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби Текст научной статьи по специальности «Геофизика»

CC BY
73
9
Поделиться
Ключевые слова
ОБЬ / БАРНАУЛ / КАМЕНЬ-НА-ОБИ / РУСЛОВОЕ РАЗВЕТВЛЕНИЕ / ПОЙМЕННАЯ ПРОТОКА / РАСХОД ВОДЫ / ПОЛОВОДЬЕ / НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / OB RIVER / BARNAUL / KAMEN-NA-OBI / RIVER BRANCHING / FLOOD-PLANE STREAM / WATER DISCHARGE / FLOOD / FIELD STUDY

Аннотация научной статьи по геофизике, автор научной работы — Дьяченко Александр Владимирович, Марусин Константин Валерьевич, Коломейцев Андрей Алексеевич, Вагнер Анна Александровна

Пропускная способность доля от общего расхода речного потока, приходящаяся на каждый из рукавов руслового разветвления или протоку в заданных гидрологических условиях. Представлены результаты измерений расходов воды в рукавах трех крупных русловых разветвлений р. Обь на участке Барнаул Камень-на-Оби и в системе основное русло пойменные протоки на участке в пределах г. Барнаула. Определение расходов воды в русловых разветвлениях проводилось с 29 июля по 5 августа 2016 г., исследования на участке в г. Барнауле с 22 мая по 21 июля 2017 г. На основе полученных данных сделаны выводы о пропускной способности исследованных объектов и их роли в общей гидравлической системе реки.He relative capacity is defined as a part of total river discharge, which a river branch or its flood-plane stream can convey at given hydrological conditions. The results of water discharge measurements made over period July 29th August 5th, 2016 within three large Ob river branching sites are reported and discussed. Furthermore, the results of similar measurements performed in the system of Ob river flood-plane streams at Barnaul city during the flood period (May 22th July 21th, 2017) are presented. Based on the data obtained the relative capacity of the river branches and flood-plane streams under various hydrological conditions is estimated.

Похожие темы научных работ по геофизике , автор научной работы — Дьяченко Александр Владимирович, Марусин Константин Валерьевич, Коломейцев Андрей Алексеевич, Вагнер Анна Александровна,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Натурные исследования пропускной способности рукавов русловых разветвлений и пойменных проток реки Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби»

Раздел 3 Section 3

ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ HYDROLOGY. CLIMATE

УДК 556.535.3+556.536.2(571.15)

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

РУКАВОВ РУСЛОВЫХ РАЗВЕТВЛЕНИЙ И ПОЙМЕННЫХ ПРОТОК РЕКИ ОБЬ НА УЧАСТКЕ БАРНАУЛ - КАМЕНЬ-НА-ОБИ

А.В. Дьяченко, К.В. Марусин, А.А. Коломейцев, А.А. Вагнер

Институт водных и экологических проблем СО РАН, E-mail: kat@iwep.ru

Пропускная способность - доля от общего расхода речного потока, приходящаяся на каждый из рукавов руслового разветвления или протоку в заданных гидрологических условиях. Представлены результаты измерений расходов воды в рукавах трех крупных русловых разветвлений р. Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби и в системе основное русло - пойменные протоки на участке в пределах г. Барнаула. Определение расходов воды в русловых разветвлениях проводилось с 29 июля по 5 августа 2016 г., исследования на участке в г. Барнауле - с 22 мая по 21 июля 2017 г. На основе полученных данных сделаны выводы о пропускной способности исследованных объектов и их роли в общей гидравлической системе реки.

Ключевые слова: Обь, Барнаул, Камень-на-Оби, русловое разветвление, пойменная протока, расход воды, половодье, натурные исследования.

Дата поступления 24.08.2017

Пропускная способность - доля от общего расхода речного потока, приходящаяся на каждый из рукавов руслового разветвления или пойменную протоку в заданных гидрологических условиях. Рассматриваются три крупных русловых разветвления р. Обь на участке от Барнаула до Камня-на-Оби: Тараданов-ско-Давыдовское, Гоньбинско-Повали-хинское и Бельмесевско-Татарское, а также система основное русло - пойменные протоки на участке реки в пределах г. Барнаула между створом Бель-месево-Бобровка и новым автомобильным мостом (рис. 1). Наименования рассматриваемых русловых разветвлений предложены авторами исключительно для удобства дальнейшего изложения. Они образованы из названия

близлежащего населенного пункта и названия одного из рукавов разветвления. Названия самих рукавов и пойменных проток даны по действующим картам внутренних водных путей.

Тарадановско-Давыдовское русловое разветвление начинается в 8-ми км ниже с. Тараданово, где русло Оби разделяется на два рукава - протоки Духовая и Давыдовская. Последняя затем разделяется на собственно протоку Давыдовскую и протоку Чертово Горло. Кроме того, в Давыдовскую протоку впадает протока Старая Обь (рис. 2а). Эта протока отходит от основного русла реки в 15 км выше с. Тараданово - у с. Малышево и протекает по левобережному пойменному массиву на уда-

лении 5-7 км от основного русла. Ее протяженность - 40 км.

Гоньбинско-Повалихинское русловое разветвление состоит из двух рукавов: основного русла р. Обь и протоки Повалихинской, которая ответвляется от основного русла в 11 км ниже железнодорожного моста в г. Барнауле. Протяженность протоки - 16,5 км, а ее удаление от основного русла - 3-6 км. Кроме того, протока Повалихинская имеет промежуточное сообщение с основным руслом через протоку Питков-скую (рис. 2б).

Бельмесевско-Татарское русловое разветвление находится на южной окраине г. Барнаула. В 5 километрах выше пос. Бельмесево Обь разделяется на два рукава: протоки Тихая и Татарская (рис. 2в). В протоку Татарскую впадает и вытекает из нее протока Рас-сказихинская. В прошлом эта протока была единым целым, но вследствие плановых деформаций основного русла оказалась разорванной на два сегмента -верхний и нижний. Верхний сегмент протоки отходит от основного русла в 4 км выше разветвления. Его протяженность - 12 км, максимальное удаление от основного русла - 5 км. Нижний сег-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

мент, пройдя по правобережной пойме 10 км, впадает в основное русло в 3,5 км ниже разветвления в окрестности с. Бобровка.

Исследуемый участок русла и поймы Оби на территории г. Барнаула начинается в полутора километрах ниже Бельмесевско-Татарского разветвления и простирается до нового автомобильного моста. Его протяженность по руслу реки составляет 17,9 км (рис. 3). В верхней части участка в основное русло впадает нижний сегмент протоки Рас-сказихинской, от которого отходит протока Бобровская. Эта протока протекает по правобережному пойменному массиву на удалении 1 -4 км от основного русла и впадает в него через Шубин-ский затон вблизи нижней границы участка. Ее протяженность - 21,4 км. Протока Бобровская имеет промежуточное сообщение с основным руслом через старицу Айдаровскую и короткий (0,6 км) проток. Кроме Бобровской протоки, в пределах рассматриваемого участка по правобережной пойме проходят еще две протоки: Ерестнинская и Дрокинская. Их протяженность, соответственно, 3,8 и 0,9 км.

Рис. 1. Местоположение объектов исследования

%

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 ++

H H H I I I I I метры

Рис. 2. Схемы русловых разветвлений:

а - Тарадановско-Давыдовского; б - Гоньбинско-Повалихинского; в - Бельмесевско-Татарского.

Следует отметить, что изучение данного участка, по нашему мнению,

представляется весьма важным в практическом плане. Здесь располагаются оба городских водозабора, обеспечивающих водоснабжение города, а также поселок Затон, регулярно страдающий от затоплений в половодье. Кроме этого, в районе старицы Айдаровской планируется строительство еще одного автомобильного мостового перехода, изыскательские работы по которому уже идут полным ходом.

Пропускная способность определялась путем прямых измерений расхода воды в рукавах, протоках и основном русле реки. Для определения расходов воды использовался акустический до-плеровский профилограф-расходомер Sontek M9 River Surveyor Live. Данный прибор - аппаратно-программный комплекс, который включает акустический доплеровский измеритель скорости течения Sontek ADP M9, а также программное обеспечение для управления аппаратурой, сбора и обработки данных Sontek RiverSurveyor Live. Комплекс позволяет в динамическом режиме, при движении судна по створу наблюдений, получать практически мгновенную картину вертикального распределения скорости и направления течения с разрешением 0,1-0,4 м (в зависимости от глубины), а также значение глубины в точке измерений и пройденного расстояния по линии створа, и таким образом, производить автоматическое вычисление расхода воды. Пространственное позиционирование обеспечивается GPS-приемником повышенной точности и инерциальной системой, включающей магнитный компас и датчики линейных и угловых ускорений (рис. 4).

При натурных исследованиях обеспечить полную неизменность гидрологических условий практически невозможно. Однако применение современной аппаратуры позволяет существенно, на порядок, сократить время измерений и тем самым добиться относительной стационарности условий в пределах фазы гидрологического цикла.

Рис. 3. Схема системы основное русло -пойменные протоки на исследуемом участке в пределах г. Барнаула:

протоки показаны внемасштабными линиями постоянной толщины; основное русло, затоны и старицы даны в масштабе.

В нашем случае продолжительность измерения расхода воды в одном створе зависела, в основном, от ширины русла и составляла от 10 до 30 минут. В ходе исследований относительная стационарность гидрологических условий контролировалась по значениям расхода воды на входе в разветвление и на выходе из него, а также по данным наблюдений за уровнем воды на гидрологических постах наблюдательной сети Росгидромета, расположенных на рассматриваемом участке (Барнаул, Шела-болиха, Камень-на-Оби).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Результаты исследований

Русловые разветвления. Измерения расходов воды в описанных выше русловых разветвлениях выполнялись с 29 июля по 5 августа 2016 г. в условиях спада половодья (рис. 5). Характерные

общие расходы воды составили 24003 „

2800 м /с. Результаты измерений приведены на рисунке 6, где показано пространственное положение створов, дано время начала измерения на створе (местное) и измеренное значение расхода воды (м3/с). Из приведенных результатов измерений можно заключить, что относительная стационарность гидрологических условий вполне обеспечивается, также выполняется фундаментальный закон сохранения массы: объем воды, втекающей в разветвление, равен объему воды, вытекающей из него. Невязка между входными и выходными расходами воды не превышает 4 %. Так для Бельмесевско-Татарского разветвления сумма расходов воды, следующей по основному руслу (2371) и втекающей из верхнего сегмента протоки Расскази-

«-» 3

хинской (76), составляет 2447 м3/с, а сумма расходов по створам в обоих рукавах разветвления - 2531 м/с. Раз-

о

ность была 84 м /с. По Тарадановско-Давыдовскому разветвлению ситуация выглядит еще лучше. Суммарный входной расход (основное русло и протока Старая Обь) составляет 2809 м3/с, а на выходе из разветвления имеем 2795 м3/с, тогда разность - 14 м /с, т.е. менее 1 %.

В Тарадановско-Давыдовском разветвлении основной магистралью речного потока является протока Давыдовская, сюда направляется 76 % общего расхода воды. При этом во вторичном разветвлении собственно протока Давыдовская и протока Чертово Горло по своей пропускной способности практически равноценны. Для Гоньбинско-Повалихинского разветвления, как видно из рисунка 6б, измерения в протоках не производились.

Рис. 4. Аппаратно-программный комплекс Sontek RiverSurveyor Live:

а - аппаратура комплекса; б - комплекс в рабочем положении; в - окно программы сбора и обработки данных.

133 -

о Ш • 132 - \

л ш 1 131 - ш о о. 1 J \

ч Г\ / кЛ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

\

го £ 130 - /

Ф 5 1- о 129 - 1 OQ /

а. а <0 Э. О- 2 (0 см т" 1 i 1 < о 1 < с 2 Ess О с т- О с с с с с С S I с f 9 авг - 19 авг - I о с о 3 о 28 сен J

Рис. 5. Динамика отметки уровня воды на гидропосту Барнаул с 1 апреля по 1 октября 2016 г.

Источник данных: http://gis.vodinfo.ru, http://www.meteo22.ru

Рис. 6. Результаты измерения расходов воды в рукавах русловых разветвлений, 2016 г.:

а - Тарадановско-Давыдовское, 5 августа; б - Гоньбинско-Повалихинское, 31 июля; в - Бельмесевско-Татарское, 29 июля.

Однако исходя из расположения створов в основном русле реки, можно сделать вполне однозначный вывод о том, что протока Повалихинская в данных гидрологических условиях пропускает около 200 м3/с, а протока Питков-ская не функционирует совсем. В Бель-месевско-Татарском разветвлении основная доля общего расхода реки (84 %) приходится на протоку Татарская. Также следует отметить весьма малую пропускную способность нижнего сегмента Рассказихинской протоки. Результаты проведенных измерений показывают, что пойменные протоки Старая Обь и Повалихинская принимают на себя 811 % общего расхода реки. Для сравнения укажем, что р. Чумыш, являющийся единственным крупным притоком Оби на участке от Барнаула до Камня-на-Оби, в своем устье в тех же условиях по результатам измерений 1 августа 2016 г. имеет расход воды всего 86 м3/с, т.е. около 3 % от расхода Оби.

Участок в г. Барнауле. Измерения расходов воды в основном русле р. Обь и правобережных пойменных протоках на исследуемом участке, расположенном в пределах г. Барнаула, выполнялись трижды в период пика половодья и последующего его спада: 22 мая, 11 июня и 21 июля 2017 г. Характерные общие расходы воды: 5000, 3000 и 2250 м3/с, соответственно. Максимум уровня воды на гидропосту Барнаул в 2017 г. был зарегистрирован 24 мая -133,36 м БС (547 см над нулем поста). По нашим наблюдениям в пик половодья правобережная пойма была затоплена в среднем на глубину 0,2-0,5 м в зависимости от локальных особенностей рельефа. Однако ее возвышенные участки с высотами 134,5 м БС и более оставались сухими.

Результаты проведенных измерений представлены на рисунке 7. Из них, в частности, видно, что и в данном случае невязка между входными и выходными расходами не превышает 4 %. Данные о динамике уровня воды по гидропосту Барнаул приведены на рисунке 8.

БАРНАУЛ / <,

Условные обозначения створы измерения расхода воды

1 новый автомобильный мост 4 протока Дрокинская -► направление течения

(2 водозабор №1 5 затон Шубинский 53 измеренное значение расхода, ьАс

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3 водозабор №2 17:48 время начала измерения (местное)

Рис. 8. Результаты измерений расходов воды в основном русле и пойменных протоках р. Обь на территории г. Барнаула, 2017 г:

а - 22 мая; б -11 июня; е - 21 июля.

1 33

= 1 32 -

со

I 131 '

ш —

03

н 1 30 -

ш 1 ои /\

О

1 29 -

1 28 -

2. О. с (О ^ о >: >2 СО 5 ' Т- с >5 С 2 2 2 £ О О С ) Т- (М С С Т- с; 2 г : о с С4 с ££ СС О-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 8. Динамика отметки уровня воды на гидропосту Барнаул 1 апреля по 20 августа 2017 г.

Источник данных: http://gis.vodinfo.ru, http://www.meteo22.ru

По результатам проведенных исследований можно отметить следующее. Наиболее крупная и длинная из рассмотренных пойменных проток - Бобровская в условиях пика половодья пропускает около 8 % от общего расхода реки. При этом основное питание протоки во всех рассмотренных ситуациях осуществляется через старицу Ай-даровскую.

При снижении водности реки в период спада половодья протоки достаточно быстро деградируют. Так при

о

общем расходе реки 2200-2300 м /с течение в протоке Рассказихинской и на верхнем участке протоки Бобровская практически прекращается.

Заключение

В результате выполненных натурных исследований получены фактиче-

ские данные о пропускной способности (расходах воды) в рукавах крупных русловых разветвлений и пойменных протоках р. Обь на участке от Барнаула до Камня-на-Оби в различных гидрологических условиях. Эти данные могут быть использованы для калибровки и верификации математических моделей руслового потока. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют, что пойменные протоки могут играть значимую роль в общей гидравлической системе реки и, следовательно, должны адекватным образом учитываться при моделировании. А поскольку о таких протоках имеется весьма мало информации, то необходимы дальнейшие исследования их морфометрических и гидравлических характеристик.

Работа выполнена при поддержке СО РАН (проект II.2П/IX.134-1 «Исследования современного экологического состояния реки Оби»), ФАНО (Сводный план экспедиционных исследований на научно-исследовательских судах), а также Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук.

FIELD STUDY OF RELATIVE CAPACITY OF OB RIVER BRANCHES AND FLOOD-PLANE STREAMS BETWEEN BARNAUL

AND KAMEN-NA-OBI

A.V. Dyachenko, K.V. Marusin, A.A. Kolomeytsev, A.A. Wagner

Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: kat@iwep.ru

The relative capacity is defined as a part of total river discharge, which a river branch or its flood-plane stream can convey at given hydrological conditions. The results of water discharge measurements made over period July 29th - August 5th, 2016 within three large Ob river branching sites are reported and discussed. Furthermore, the results of similar measurements performed in the system of Ob river flood-plane streams at Barnaul city during the floodperiod (May 22th - July 21th, 2017) are presented. Based on the data obtained the relative capacity of the river branches and flood-plane streams under various hydrological conditions is estimated.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Key words: Ob river, Barnaul, Kamen-na-Obi, river branching, flood-plane stream, water discharge, flood, field study.

Received August 24, 2017