CC BY
35
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-
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).
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
\
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
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-
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.
Key words: Ob river, Barnaul, Kamen-na-Obi, river branching, flood-plane stream, water discharge, flood, field study.
Received August 24, 2017
