CC BY
3УДК 532.5; 574.58 DOI: 10.35567/19994508_2022_6_2
Натурные наблюдения и компьютерное моделирование морфодинамики русла Оби для обеспечения в среднесрочной перспективе работоспособности Барнаульского водозабора
А.Т. Зиновьев, А.В. Дьяченко, А.А. Коломейцев, К.В. Марусин El
ISI kat@iwep.ru
ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук», г. Барнаул, Россия
АННОТАЦИЯ
Актуальность. Исследован меандрирующий участок р. Оби в районе водозабора, являющегося основным источником питьевого водоснабжения г. Барнаула. На основе натурных наблюдений последних лет с привлечением данных космической съемки дана оценка современного состояния и тенденций развития русла. Показано, что в среднесрочной перспективе развитие русловых деформаций может привести к прекращению функционирования водозабора. Методы. На базе программного комплекса Delft3D построена компьютерная модель морфодинамики русла на рассматриваемом участке. Выполнено компьютерное моделирование течения и русловых деформаций в реальных нестационарных гидрологических условиях периода открытой воды - от половодья до межени. Результаты расчетов русловых деформаций верифицированы данными натурных наблюдений. Результаты. В целом результаты моделирования продемонстрировали удовлетворительное соответствие с данными наблюдений, вместе с тем, некоторые существенные детали вертикальных и плановых деформаций русла не воспроизводятся корректно. Средствами компьютерного моделирования изучен один из возможных вариантов противодействия негативному ходу руслового процесса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: морфодинамика русла, русловой процесс, русловые деформации, натурные наблюдения, компьютерное моделирование, р. Обь, г. Барнаул, водозабор.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ИВЭП СО РАН при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ «Прогнозирование опасных гидрологических ситуаций на участках речных водозаборов на основе математического моделирования и натурных исследований русловых процессов (на примере реки Обь у г. Барнаула)», (19-41-220001).
Для цитирования: Зиновьев А.Т., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Марусин К.В. Натурные наблюдения и компьютерное моделирование морфодинамики русла Оби для обеспечения в среднесрочной перспективе работоспособности Барнаульского водозабора // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 6. С. 26-44. DOI: 10.35567/19994508_2022_6_2.
Дата поступления 28.09.2022.
Field study and computer modeling of the Ob River channel morphodynamics to ensure the Barnaul water intake operability in the medium-term future
Aleksandr T. Zinoviev, Aleksandr V. Dyachenko, Andrey A. Kolomeytsev, Konstantin V. Marusin ISI
© Зиновьев А.Т., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Марусин К.В., 2022.
ISI kat@iwep.ru
Institute for Water and Environmental Problems Siberian Branch of the Russian Academy of
Sciences, Barnaul, Russia
ABSTRACT
Relevance. We investigated the meandering section of Ob River at the Barnaul municipal water intake No 2 as the main source of water supply for Barnaul. Current state of the section and governing trends of its morphodynamics are evaluated using field data collected at the site for the past years. It is shown that now the section is at such a stage of its evolution after which the meander cutoff process would start. Methods. A channel morphodynamic computer model based on Delft3D program suite has been developed. The time of modeling covers the period from the flood peak to the low water stage in real non-stationary hydrological conditions. The simulation results are verified by the field data. Results. In general, the results show acceptable agreement with the field observations. However, some features of the sediment erosion\deposition process are not reproduced correctly. One of the possible engineering actions to ensure the future intake operability is investigated by the computer model developed.
Keywords: river morphodynamics, river meanders, channel bed deformations, field observations, computer modeling, Ob River, Barnaul, municipal water intake.
For citation: Zinovyev A.T., Dyachenko A.V., Kolomeytsev A.A., Marusin K.V. Field study and computer modeling of the Ob River channel morphodynamics to ensure the Barnaul water intake operability in the medium-term future. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 6. P. 26-44. DOI: 10.35567/19994508_2022_6_2.
Received 28.09.2022.
ВВЕДЕНИЕ
Морфодинамика речного русла - это непрерывные изменения (деформации) его рельефа и плановых очертаний, обусловленные перемещением водным потоком слагающего русло рыхлого материала (русловых наносов). Русловые деформации оказывают негативное влияние на социально-экономическую деятельность, особенно на участках крупных рек, расположенных на урбанизированных территориях. В частности, они могут затруднять работу речных водозаборов вследствие заполнения наносами водоприемных устройств или создания препятствий для доступа к ним речного потока. С учетом актуальности этих вопросов, перед учеными и инженерами стоят задачи по прогнозированию русловых деформаций на различные сроки (от года до нескольких десятилетий) и разработке мер противодействия их негативному влиянию. Одним из инструментов для решения этих задач является компьютерное (математическое) моделирование.
Цели работы, результаты которой излагаются в данной статье, состояли в том, чтобы, во-первых, выявить основные тенденции русловых деформаций на рассматриваемом участке реки и возможность их негативного влияния на работу водозабора. Во-вторых, построить компьютерную модель морфодина-мики русла, выполнить компьютерное моделирование течения, транспорта наносов и русловых деформаций в реальных нестационарных гидрологических условиях и верифицировать результаты расчетов данными натурных наблюдений. В дальнейшем такая модель может быть использована для разработки мер противодействия негативному ходу руслового процесса.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
В Барнауле действуют два речных водозабора, обеспечивающих более 90 % потребностей города в питьевой воде. Водозаборы № 1 и № 2 введены в эксплуатацию в 1965 и 1983 г. соответственно (рис. 1). Водозабор № 1 является весьма показательным примером негативного воздействия русловых деформаций. Настолько показательным, что данный объект не раз упоминается в трудах классиков отечественного русловедения [1-5]. В результате этого воздействия водозабор может работать лишь в половодье и то при условии ежегодной разработки подходного канала к его ковшу. Кроме того, существует проблема размыва правого берега, угрожающая опорам высоковольтной ЛЭП [6].
Объектом данного исследования является участок р. Оби в районе городского речного водозабора № 2, который в настоящее время несет основную нагрузку по водоснабжению города (рис. 1).
По морфодинамической классификации Р.С. Чалова [3], русло реки на данном участке образует систему двух сопряженных излучин: верхней - свободной
Рис. 1. Местоположение и морфологическое строение исследуемого участка русла р. Оби в районе Барнаульского водозабора № 2: а - местоположение участка; б - морфология русла (подложка - снимок спутника Ресурс-П, дата съемки 30.09.2018). Fig. 1. The study site and the river channel morphology: а - the site location; б - the channel morphological structure (the background - Resurs-P satellite image, the date of shooting 30.09.2018).
и нижней - вынужденной (рис. 1). В вынужденной излучине правый пойменный берег - выпуклый, вершина излучины находится напротив сооружений водозабора, левый берег в нижнем ее крыле - трудноразмываемый коренной склон долины реки. В верхней свободной излучине - оба берега пойменные.
Процесс развития вынужденной излучины заключается в постепенном увеличении крутизны ее верхнего крыла относительно коренного берега с дальнейшим его заваливанием и итоговым спрямлении излучины (рис. 2). Причем возможность такого спрямления возникает уже на третьей стадии ее развития, когда значение угла встречи (а) превышает 75°.
in
Пологая Развитая Крутая
1.1S<¿'L<],40 -*• 1,40< l/L< 1,70 1,70<//í,<2,00
30-75° а=75-100" a
IV
////////////// ///////У//////
Заваленная
££>3,00 1-2,1 h г=2,7В а = 100-135"
III
/У//////////// /////////////S ■ ..Ya] • Vríb____-_
Гипертрофированная
//¿>3,00 К2.5Й 1,0В «>135°
б
НИ
////////Л///////
Рис. 2. Эволюция вынужденной излучины по Р.С. Чалову [3]: а - стадии развития вынужденной излучины (параметры: а - угол встречи потока с коренным берегом; L - шаг излучины, l - длина излучины; h - стрела прогиба излучины; r - радиус кривизны излучины; В - ширина русла в вершине излучины; l/L - степень выраженности излучины); б - схема для определения параметров вынужденной излучины (ВИ - вынужденная излучина, СИ - свободная излучина, Пр - прямолинейный участок русла, 1 - коренной берег, 2 - пойма, 3 - границы вынужденной излучины, 4 - геометрическая ось русла). Fig. 2. Evolution of a forced meander according to R.S. Chalov [3]: а - the basic stages of a forced meander evolution (а forced meander parameters: а - approach angle; L - step, l - length; h - bend
height; r - curvature; В - channel width at the meander apex; l/L - sinuosity); б - the schematic for definition of the forced meander parameters (ВИ - the forced meander, СИ - the free meander, Пр - the rectilinear section, 1 - the river valley hillside, 2 - the floodplain, 3 - the forced meander boundaries, 4 - the channel geometric axis).
а
Выполненный ранее анализ ретроспективных топографических материалов, данных космической съемки и рекогносцировочных обследований позволил заключить, что развитие русла на рассматриваемом участке вполне соответствует представленной выше общей схеме (рис. 3).
Рис. 3. Эволюция вынужденной излучины у водозабора № 2 за 1998-2018 гг.
Изменения пространственного положения и величины угла встречи (а) [7].
Fig. 3. Evolution of the forced meander at the study site over 1998 - 2018.
The changes of the approach angle (а) value and spatial position [7].
Натурные наблюдения
Для детального изучения морфодинамики русла на рассматриваемом участке в 2018 - 2021 гг. был проведен комплекс полевых исследований, включавший русловые съемки, наблюдения за уровнем воды на постах, рассредоточенных по длине участка, измерения расходов воды.
Следует отметить, что при изложении результатов как натурных наблюдений, так и компьютерного моделирования, применяется условная система высот (усл.), нуль которой совпадает с нулем гидрологического поста Барнаул Росгидромета. Все приводимые далее вертикальные отметки уровня воды, рельефа русла и т. п., если не оговорено иное, представлены в метрах в этой условной системе (м усл.).
Результаты наблюдений показывают, что за три года (с осени 2018 по осень 2021 гг.) значение угла встречи (а) увеличилось на четыре градуса (с 104 до 108), т. е. процесс «заваливания» верхнего крыла излучины, приближающий момент ее спрямления, продолжается (рис. 4).
Как отражено на рис. 4, возрастание значения угла встречи (а) обеспечивается процессом неуклонного размыва правого берега в смежных крыльях свободной и вынужденной излучин. Наибольшее отступание правого берега наблюдается на конечном участке нижнего крыла свободной излучины, приле-
гающем к границе с вынужденной излучиной. Здесь за пять лет (2016-2021 гг.) береговая линия сместилась вглубь поймы на 130 м, что дает среднегодовую скорость отступания 26 м/год. За три последних года (2018-2021 гг.) отступание берега составило 80 м, при средней скорости 27 м/год. В то же время в середине верхнего крыла вынужденной излучины за те же пять лет берег отступил на 80 м (16 м/год), причем за 2018-2021 гг. - на 40 м (13 м/год).
а б в
Рис. 4. Конфигурация русла р. Оби в районе водозабора № 2: а - 2016 г. (подложка - космический снимок из коллекции Google Digital Globe, дата съемки 07.09.2016)1; б - 2018 г. (подложка - снимок спутника Ресурс-П, 30.09.2018); в - 2021 г. (подложка - снимок спутника Канопус-В5, дата съемки 03.09.2021). Fig. 4. The river channel plane shape at the study site: а - 2016 (background - the satellite image from Google Digital Globe collection, the date of shooting 07.09.2016)1; б - 2018 (background - Resurs-P satellite image, the date of shooting 30.09.2018); в - 2021 (background - Kanopus-V5 satellite image, the date of shooting 03.09.2021).
Одновременно на противоположном берегу наблюдается весьма значительная аккумуляция наносов, причем участок максимального размыва правого берега соответствует зоне их наибольшего отложения (рис. 5). Так, в представленной на рис. 5 левобережной области русла, площадь которой составляет 15,6 га, за период с июня 2017 г. по июнь 2021 г. было накоплено 614 тыс. м3 наносов.
Источником этих наносов, вероятно, служит размываемый левый берег в свободной излучине, лежащей выше по течению. Исходя из данных наблюдений, суммарный объем материала, изъятого с этого берега с 2016 по 2021 гг., можно оценить в 665 тыс. м3, что соответствует значению объема накопленных в левобережной зоне наносов примерно за аналогичный интервал времени.
Следует отметить, что период 2017-2021 гг. не отличался мощным и длительным половодьем, максимум расхода воды не превышал 4650 м3/с, затопление поймы на участке наблюдалось лишь кратковременно и на небольшую глубину2.
1 Google Earth. Самый подробный глобус. Режим доступа: https://www.google.com/earth/ (дата обращения 23.12. 2021).
2 Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО). Режим доступа: https://gmvo.skniivh.ru (дата обращения 25.12. 2021).
Изменение вертикальных отметок
рельефа русла за период {плюс - намыв, минус - размыв)
100 200 300 400 900 600 700 SCO 900 1 000
метры
-о.вв - 0 00 ID
+0.01 - +0.50
+0,51 - +1.50
+1 51 -+2 50
+2.51 -+3.50
+4.51 - +5.50 +5 51 -+е.5С +6.51 - +7.50 +7.51 - +8.88
Рис. 5. Изменение рельефа русла в ограниченной зоне при вершине выпуклого берега выше водозабора № 2: а - за период 2017- 2019 гг.; б - за 2019-2021 гг.;
в - за период 2017-2021 гг. Fig. 5. The channel bed elevation changes in the zone at the convex left bank apex: а - 2017-2019; б - 2019-2021; в - 2017-2021.
Подводя итоги анализа данных натурных наблюдений, можно утверждать, что хотя в настоящее время русловые деформации и не оказывают непосредственного влияния на функционирование водозабора, общая тенденция в эволюции русла реки на данном участке крайне негативна.
Очевидно, что спрямление вынужденной излучины, которое может произойти уже в среднесрочной перспективе, приведет к прекращению функционирования водозабора № 2. Более того, одним из возможных сценариев спрямления является перемещение основного руслового потока в протоку, берущую начало в конце нижнего крыла свободной излучины (рис. 1). Эта протока впадает в основное русло около водозабора № 1. При размыве пойменного массива в ходе разработки протоки будут высвобождаться значительные объемы наносов. Наиболее вероятное место их последующего отложения - устье протоки, т. е. район водозабора № 1, который и без этого испытывает существенные трудности в работе.
Таким образом, на наш взгляд, уже сегодня следует подумать над разработкой инженерных мероприятий, которые могли бы предотвратить или существенно отсрочить спрямление вынужденной излучины. В этой связи разработка компьютерной модели морфодинамики русла для данного участка является актуальной задачей с чисто практической точки зрения.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРФОДИНАМИКИ РУСЛА
Моделирование выполнялось с применением программного комплекса с открытым исходным кодом Delft3D3. В рамках этого комплекса для описания гидро- и морфодинамических процессов в речном русле использована математическая модель на основе нестационарных трехмерных (3D) гидродинамических уравнений совместно с плановой (2DH) моделью транспорта русловых наносов. Гидродинамическая модель базируется на уравнениях турбулентного движения несжимаемой жидкости в гидростатическом приближении. Коэффициенты турбулентного обмена рассчитываются по двухпараметрической (к-е)-модели турбулентности. Расходы взвешенных и влекомых наносов определяли по формулам Ван Рейна 1984 г. [8]. Такой подход уже прошел апробацию при компьютерном моделировании гидродинамики, транспорта наносов и русловых деформаций на сопредельных участках р. Оби [9, 10].
Общая протяженность области моделирования по геометрической оси русла составляет 9,6 км. Нижняя (выходная) граница области моделирования располагается в створе наблюдений за уровнями и расходами воды. Верхняя граница - на коротком прямолинейном участке русла в месте сопряжения двух свободных излучин (рис. 6).
Гидрологический сценарий моделирования составлен на основе проведенных в рамках данного исследования наблюдений в выходном створе расчетной области за 2020 г., охватывающих период постепенного спада половодья и перехода к осенней межени (рис. 6). При таких условиях речной поток гарантированно остается в границах русла, а расходы воды в пролегающих по пойменному массиву протоках составляют в сумме не более 2 % от расходов воды основного русла реки [11, 12].
Цифровая модель рельефа русла построена по данным собственных русловых съемок, выполненных в 2019 г. (рис. 7). Рельеф пойменного массива отражен в модели схематично - двумя плоскостями, которые постепенно понижаются вниз по течению и имеют малый наклон от боковой границы области к бровке берега. Пойменные протоки, старицы и затоны перекрывались. Поскольку гидрологические условия моделирования не предполагают выход речного потока из берегов, такие упрощения вполне правомерны.
Разумеется, цифровая модель рельефа не соответствует по времени гидрологическим условиям. Тем не менее, она отражает основные черты морфологии русла на рассматриваемом участке. Следует также отметить, что промеры глубин, на основе которых строилась модель, выполнялись при высокой воде (в мае - июне). Таким образом, модель описывает состояние рельефа русла именно в период пика половодья и начала его спада и в этом отношении согласуется с принятым гидрологическим сценарием.
На основе анализа отобранных проб русловых наносов [13] предполагается, что русло в расчетной области сложено однородным материалом - песком с медианным диаметром (d50) 0,25 мм. Толщина донного слоя русловых наносов принята равной 20 м.
3 Delft3D-FLOW User Manual. WL / Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands, 2013. 706 p.
компьютерной модели дата
--геометрическая ось русла
- - - - границы излучин
Рис. 6. Границы области и гидрологический сценарий компьютерного моделирования морфодинамики русла р. Оби в районе Барнаульского водозабора № 2: а - границы области моделирования; б - расходы и уровни воды в выходном створе за период 19 мая - 4 октября 2020 г.
Fig. 6. The Ob River channel morphodynamic computer model set-up: а - the upstream and downstream boundaries of the area of modeling; б - the hydrological scenario: the water discharge across the upstream boundary (at the top) and the water level at the downstream boundary (at the bottom) as functions of time.
Чтобы устранить влияние неизбежных неопределенностей в описании потока и расхода наносов во входном створе цифровая модель была дополнена искусственной двухкилометровой компенсационной зоной. Цифровая модель рельефа в этой зоне построена путем клонирования рельефа входного створа с постепенным повышением отметок дна из расчета 5 см на километр (рис. 7).
Задача решалась в трехмерной (3D) постановке. Расчеты выполнены на регулярной пространственной сетке 774х274х5, построенной с учетом цифровой модели рельефа исследуемой области, со средними размерами ячейки в плане 10х10 м (рис. 7). Калибровка гидродинамической компоненты модели осуществлялась по данным наблюдений за уровнем воды на промежуточных постах, рассредоточенных по длине участка. Общая продолжительность мо-
б
HHfflsr SSi
SiSSK
№яг
№г к ■p
¡g;¡> I? у № ■Bay
S «s
sss.
isUui»
iiiïH4!
•S
ШБН ШИН
'ÏHBH iSw
■ SI ■■ и
■ ■ iSSS
Ян !SSâ шяеН
¡M
BdSB isSSffi
0 M Л0 60 № 100 120 140 1$0 ISO ÎOO
EHE
■II—I I—I I—j [_I
о пункт наблюдений за уровнем воды ! зона компенсации граничного условий ] область фрагмента расчетной сетки (6)
Рис. 7. Цифровая модель рельефа и расчетная сетка компьютерной модели: а - визуализация цифровой модели рельефа; б - фрагмент расчетной сетки.
Fig. 7. The digital elevation model (DEM) and the computational grid of the computer model: а - the DEM visual representation; б - the portion of the computational grid.
делируемого периода - 139 дней (19 мая - 4 октября). Шаг по времени равен 6 с. Продолжительность расчета - 258 ч. На рис. 8 представлены исходный и конечный виды рельефа русла на рассматриваемом участке, а также динамика его изменений за моделируемый период.
Следует отметить, что по результатам моделирования рельеф русла на рассматриваемом участке не претерпел кардинальных изменений. В нем сохранились все основные морфологические элементы - плесовые ложбины, перекаты, побочни, которые и в натурных условиях являются устойчивыми образованиями. Зафиксирован также значительный размыв русла у правого берега в смежных крыльях вынужденной и свободной излучин, а также аккумуляция наносов у левого берега. Амплитуды вертикальных деформаций рельефа русла по порядку величин согласуются с натурными данными.
Рассмотрим более подробно ключевой участок области моделирования -на стыке вынужденной и свободной излучин (рис. 9). В целом по левобережной зоне, отраженной на рис. 5, процесс аккумуляции наносов доминирует (рис. 10). Вместе с тем, картина расчетных итоговых изменений рельефа в этой зоне несколько отличается от реальной ситуации. В ее центральной части (в вершине изгиба формы в плане) происходит процесс постоянного размыва дна, а общий положительный баланс наносов в зоне обеспечивается их накоплением на периферийных участках (крыльях изгиба).
а
Детальный анализ процесса отступания бровки правого берега по набору поперечных профилей (см. рис. 9) показывает, что смещение берегового склона в сторону суши для профилей 1-3, расположенных в верхнем крыле вынужденной излучины, составляет 4-5 м. В верхних створах (профили 4-6), где в натурных условиях и происходит максимальный размыв, значение отступания берега остается на том же уровне или меньше (рис. 11).
а б в
изменение рельефа русла
рельеф русла 19 мая рельеф русла 04 октября за период 19 мая - 04 октября
Рис. 8. Результаты компьютерного моделирования морфодинамики русла р. Оби в районе водозабора № 2: а - исходный рельеф русла; б - рельеф русла в конце моделируемого период; в - изменение рельефа русла за период моделирования.
Fig. 8. The computer simulation results: а - the channel bed elevation at the model start; б - the computed channel bed elevation at the end of the modeling period.
Таким образом, при заданном гидрологическом сценарии результаты моделирования не показывают имеющего места в натуре эффекта «заваливания» верхнего крыла вынужденной излучины, т. е. усиленного размыва берега в районе створов № 4 - № 6. Напротив, в данном случае максимум разрушения
г-1 область отображения результатов
'-' моделирования
| зона русла с рисунка 5 1 линии поперечных профилей русла * и номера профилей Горизонталь рельефа русла 0 и усл.:
Изменение вертикальны* отметок рельефа русла (м) за период 19 мая - 04 октября
|-4.09--3.01 0.11-0.60
1-6.61.-4 01 0.51 -1,00
■0.10-0.10 101-2.00 2 01 -3 00
I 3 01 -4.00 I 4 01 - 5.5Э
Рис. 9. Итоговые изменения рельефа русла в смежных крыльях вынужденной и свободной излучин у водозабора № 2 по результатам моделирования. Fig. 9. The computed channel bed elevation change over the modeling period in the forced meander and in the free meander.
3200. ST 3000 — 2800 о 2600. m 2400
ca
о m
о
X
о ш а.
1000 800 600. 400 200.
g 2200 00 га 2000.00 S 1800.00
J 1600.00
1400,00 ig 1200.00
0.00
\
f-
У s \
\
r
/
— >асход воды )бъем наносов
—•—с
Дата
Рис. 10. Объем наносов, накопленный в левобережной зоне (см. рис. 5, рис. 9) за период моделирования (19 мая - 4 октября). Fig. 10. The sediment volume deposited in the in the zone at the convex left bank apex (shown in fig. 5, 9) during the modelling period.
Профиль 1
Профиль 4
Рис. 11. Итоговые расчетные изменения рельефа русла по линиям поперечных профилей (рис. 9): а, б, в - профили 1-3; г, д, е - профили 4-6.
Черная линия - исходный профиль, красная линия - конечный профиль.
Fig. 11. The channel cross-section profiles at the start (black line) and at the end (red line) of the modelling period. The profile positions are shown in fig. 9. а, б, в - profiles 1 - 3; г, д, е - profiles 4-6.
сдвинут вниз по течению ближе к вершине вынужденной излучины. При этом рост крутизны склона, свойственный размываемому берегу, проявляется во всех рассмотренных профилях.
В целом по результатам моделирования можно утверждать, что полного качественного соответствия модели реальной морфодинамике русла пока добиться не удалось. Вместе с тем, полученные расчетные значения отступания бровки берега и объема накопленных наносов при данном гидрологическом сценарии (для периода спада половодья и перехода к межени) можно считать вполне реалистичными.
а
г
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ НЕГАТИВНОМУ ВЛИЯНИЮ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
Предложенная компьютерная модель, безусловно, нуждается в дальнейшем совершенствовании, но, тем не менее, она может быть использована при разработке мер по противодействию негативной тенденции морфодинамики русла в районе водозабора № 2.
Первым и наиболее очевидным решением проблемы является превращение размываемого берега в заваливающемся крыле вынужденной излучины в «неразмываемый» путем создания берегозащитного сооружения. Однако для того, чтобы обеспечить действительную неразрушаемость берега на достаточно длительный период, это сооружение должно иметь значительную прочность (высокий класс капитальности). Создание такой конструкции в условиях рассматриваемого участка является технически и технологически сложным и весьма дорогостоящим мероприятием [14, 15]. Применение обычных для практики берегоукрепления на реках более простых и дешевых каменно-набросных банкетов, как показывает опыт подобных работ у водозабора № 1, может и не дать необходимого эффекта [6].
Другой способ подсказывает сама природа. В тыльной части левобережного побочня вдоль бровки берега пойменного массива пролегает ложбина (см. рис. 4). Как показывают наблюдения, в период половодья по ней осуществляется активный сток воды со скоростями течения 0,6 - 0,8 м/с [14]. Идея состоит в том, чтобы частично спрямить изгиб русла реки выше водозабора, проложив канал (прорезь) через левобережные песчаные отложения по направлению этой ложбины (рис. 12). Весьма маловероятно, что в проложенный канал со временем переместится основной поток, а изгиб русла отомрет. Тем не менее, он будет принимать на себя часть расхода воды, снижая скорости течения в изгибе русла, а значит, уменьшая интенсивность размыва берега.
Как показывает практика, применение русловыправительных мероприятий для защиты территории от негативного воздействия вод (и от размыва берегов) существенно дешевле возведения капитальных защитных сооружений [15].
Необходимые для разработки канала технические средства (рефулеры, землечерпальные снаряды, баржи и буксирные суда) имеются в местных органах, ответственных за состояние водного пути, и в Барнаульском речном порту. Кроме того, в процессе строительства канала фактически производится добыча ценного строительного материала - речного песка.
Рассматривается прямолинейный канал постоянного поперечного трапецеидального сечения (рис. 12). Он берет свое начало у подножия напорного склона переката в свободной излучине и выходит к ложбине русла, расположенной у вершины вынужденной излучины. Длина канала - 1697 м, ширина по дну -50 м, ширина по поверхности - 70 м. Глубина, считая от поверхности - 7 м. Площадь поперечного сечения - 420 м2. Прямолинейность и призматичность канала призваны обеспечить условия для относительно равномерного течения, следовательно, и для устойчивости его формы. Значительный продольный уклон дна канала должен способствовать притоку воды и поддерживать высокие скорости течения, предотвращая его заносимость. Кроме того, такая конфигурация канала существенно упрощает технологические операции по его разработке.
о 100 ^uu aju дю JUU ЙИ ш вии «й 1000 1100 im LISOO i«tt i ioo ISOJ 1 TOO расстояние по гинии профиля, м
0 10 20 30 40 30 Й0 70 М М 100 110 120 130 140 130 160 170 ISO 190 200 расстояние по линии профиля, м
Рис. 12. Канал, спрямляющий изгиб русла р. Оби у водозабора № 2: а - местоположение канала; б - визуализация цифровой модели рельефа; в - продольный профиль канала по линии Аа; г - поперечный профиль канала по линии Бб. Fig. 12. The meander cutoff artificial canal. а - the canal location; б - the DEM visual representation; в - the canal longitudinal profile along Line Aa; г - the canal cross-section profile along Line Бб.
Глубина, м
0 05- 1.50 1.51 -3 00 Ш 3.01-4 50 H 4.51 - 6.00 ■ 6.01 - 7.50 Ш 7.51 - 9.00 H 9.01 - 10.50 H 10.51 - 12.00 Ш 12 01-13 50 H 13.61 -15 35
_ ковш водозабора
трасса канала
линии поперечных профилей русла и номера профилей
Рис. 13. Результаты компьютерного моделирования течения и русловых деформаций р. Оби у водозабора № 2 в условиях модельного половодья (постоянный расход воды 4434 м3/с 9 мая по 20 июня) в естественных условиях (1) и при наличии спрямляющего канала (2): а - глубина воды, 9 мая; б - осредненная по глубине скорость течения, 23 мая; в - итоговые изменения вертикальных отметок рельефа русла за период моделирования. Fig. 13. The computed river flow parameters and the channel bed deformations under generic flood conditions (steady water discharge 4434 m3/s, the flood period May 9 - June 20): 1 - natural conditions; 2 - at presence of the cutoff canal. a - the water depth on May 9; б - the depth averaged flow velocity on May 23; в - the bed elevation change over the modeling period (May 9 - June 20).
Для создания канала с указанными выше параметрами необходимо будет изъять из надводной части побочня и подводных склонов русла около 714 тыс. м3 песка. Это, безусловно, значительные объемы, однако для практики русловы-правительных работ на крупных реках они не являются необычными [16].
Результаты расчетов для условий модельного половодья показывают, что наличие спрямляющего канала существенно снижает скорость течения в смежных крыльях свободной и вынужденной излучин (рис. 13). Как следствие, величина отступания бровки на размываемых участках правого берега уменьшается на 25-50 %.
При длительном воздействии высоких расходов воды канал в целом сохраняет свою форму. Наблюдается даже некоторый размыв его дна.
Вместе с тем, во входной части канала имеет место мощная аккумуляция наносов. Здесь рост отметок дна столь значителен, что в условиях межени (при низких уровнях воды) вход в канал будет полностью осушен. Такой эффект обусловлен тем, что вход в спрямляющий канал расположен под значительным углом к направлению основного течения. Торможение потока при повороте и приводит к интенсивной аккумуляции наносов. Вероятно, следует не делать весь канал прямолинейным, а несколько повернуть его входную часть, чтобы уменьшить угол входа потока.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках проведенного исследования на основе собственных натурных наблюдений последних лет с привлечением данных космической съемки дана оценка современного состояния и тенденций развития русла р. Оби в районе Барнаульского водозабора № 2. Показано, что в среднесрочной перспективе естественный ход русловых деформаций может привести к прекращению функционирования водозабора.
На базе программного комплекса ЭеЙЗЭ построена компьютерная модель морфодинамики русла на рассматриваемом участке. Выполнено компьютерное моделирование течения и русловых деформаций в реальных нестационарных гидрологических условиях периода открытой воды - от половодья до межени. Результаты расчетов русловых деформаций верифицированы данными натурных наблюдений. В целом результаты моделирования показывают удовлетворительное соответствие с данными наблюдений, вместе с тем, некоторые существенные детали вертикальных и плановых деформаций русла не воспроизводятся корректно.
Разработанная компьютерная модель использована для изучения одного из возможных вариантов противодействия негативному влиянию руслового процесса на рассматриваемом участке, суть которого заключается в прокладке канала, спрямляющего изгиб русла. Результаты расчетов показывают, что наличие такого канала позволило бы существенно снизить темпы размыва берегов основного русла и затормозить катастрофическое развитие русловой ситуации. Разумеется, рассмотренный выше вариант инженерных мероприятий не является окончательным. Он лишь обозначает направление, в котором, на наш взгляд, следует двигаться, а также демонстрирует возможности компьютерного моделирования для решения таких задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов И.В. Загадки речного русла. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 168 с.
2. Русловые процессы на реках Алтайского региона / под ред. проф. Р.С. Чалова. М.: Изд-во МГУ, 1996. 244 с.
3. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. М.: Изд-во МГУ, 2004. 371 с.
4. Клавен А.Б., Копалиани З.Д. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса. СПб.: Нестор-История, 2011. 504 с.
5. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Т. 2: Морфодинамика речных русел. М: КРАСАНД, 2011. 960 с.
6. Марусин К.В., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Современная динамика русла реки Обь в районе Барнаульского водозабора № 1 по данным натурных наблюдений // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2017. № 4(47). С. 52-61.
7. Марусин К.В., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Современное состояние и динамика излучины реки Обь в районе Барнаульского водозабора № 2 // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2018. №4 (51). С. 63-71.
8. Van Rijn L.C. Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas // Aqua Publications. The Netherlands, 1993. 689 p.
9. Zinoviev А.Т., Dyachenko A.V., Koshelev К.В., Marusin K.V. Modeling of channel processes in large rivers with the use of field data // Eurasian Journal of mathematical and computer applications. Vol. 9. Iss. 1 (2021). Р. 87-102.
10. Зиновьев А.Т., Дьяченко А.В., Кошелев К.Б., Марусин К.В. Моделирование и наблюдения русловых процессов на реках Сибири на примере реки Обь у города Барнаула // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. XVII Межд. науч. конгр. 19-21 мая 2021 г., Новосибирск: сб. материалов в 8 т. Т. 4: «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология». Новосибирск: СГУГиТ, 2021. С. 126-136.
11. Дьяченко А.В., Марусин К.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Натурные исследования поля скоростей течения в излучинах реки Обь на территории города Барнаула // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2018. № 2(49). С. 58-66.
12. Дьяченко А.В., Марусин К.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Натурные исследования пропускной способности рукавов русловых разветвлений и пойменных проток реки Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2017. № 3(46). С. 54-63.
13. Марусин К.В., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Гранулометрический состав русловых наносов реки Обь на территории города Барнаула // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2022. №1(64). С. 45-65.
14. Даревский В.Э, Романов А.М. Проектирование сооружений, обеспечивающих устойчивость грунтовых массивов (набережные, берегоукрепления, подпорные стены, защита от оползней и пр.). М.: ООО «Издательство Мастер», 2011. 596 с.
15. Методика оценки вероятностного ущерба от вредного воздействия вод и оценки эффективности осуществления превентивных водохозяйственных мероприятий. ФГУП «ВИЭМС». М., 2006. 98 с.
16. Дегтярев В.В. Информационно-справочные материалы по водным путям Сибири и Якутии. Новосибирск: НГАВТ, 2008. 74 с.
REFERENCES
1. Popov I.V. Riddles of a river channel. L.: Gidrometeoizdat, 1977. 168 s. (In Russ.).
2. Channel processes at the Altay Region rivers. Pod red. prof. R.S. Chalova. M.: Izd-vo Moskovskogo gos-udarstvennogo universiteta [Moscow State University Publishing House], 1996. 244 p. (In Russ.).
3. Chalov R.S., Zavadskiy A.S., Panin A.V. River bends. M.: izd-vo MGU [Moscow State University Publishing House], 2004. 371 p. (In Russ.).
4. Klaven A.B., Kopaliani Z.D. Experimental studies and hydraulic modeling of river streams and channel processes. SPb.: Nestor-Istoriya, 2011. 504 p. (In Russ.).
5. Chalov R.S. Channel science: theory, geography, practice. Vol. 2: River channels' morphodynamics. M: KRASAND, 2011. 960 p. (In Russ.).
6. Marusin K.V., Dyachenko A.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. The Ob River current dynamics near Barnaul water intake No 1 according to the field observation data. Izvestiya Altayskogo otdeleniya Russkogo geograficheskogo obshhestva [Russian Geographic Society Altay Section Bulletin]. 2017. № 4 (47). Рр. 52-61 (In Russ.).
7. Marusin K.V., Dyachenko A.V, Kolomejcev A.A., Vagner A.A. The Ob River bend current state and dynamics near Barnaul water intake No. 2. Izvestiya Altajskogo otdeleniya Russkogo geograficheskogo obshhestva [Russian Geographic Society Altay Section Bulletin]. 2018. №4 (51). Рp. 63-71 (In Russ.).
8. Van Rijn L.C. Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas. Aqua Publications. The Netherlands, 1993. 689 p.
9. Zinoviev А.Т., Dyachenko A.V., Koshelev К.В., Marusin K.V. Modeling of channel processes in large rivers with the use of field data. Eurasian Journal of mathematical and computer applications. Vol. 9. Iss. 1 (2021). Р. 87-102 (In Russ.).
10. Zinoviev А.Т., Dyachenko A.V., Koshelev К.В., Marusin K.V. Channel processes simulating and observation at Siberian rivers with the Ob River and Barnaul as a study case. Interexpo GEO-Sibir XVII Mezhdunar. nauch. kongr. May 19-21, 2021, Novosibirsk: Proceedings: v 8 t. Vol. 4: International scientific conference "The Earth remote sensing and photogrammetry methods, environment monitoring and geo/ecology". Novosibirsk: SGUGiT, 2021. Pp. 126-136 (In Russ.).
11. Dyachenko A.V, Marusin K.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Field research of the flow velocity field in the Ob River bends on the territory of the city of Barnaul. Izvestiya Altajskogo otdeleniya Russkogo geograficheskogo obshhestva [Russian Geographic Society Altay Section Bulletin]. 2018. № 2 (49). Pp. 58-66 (In Russ.).
12. Dyachenko A.V, Marusin K.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Field research of the Ob River arms, flow paths, and ramifications passage capacity at the Barnaul - Kamen-na-Obi range. Izvestiya Altajskogo otdeleniya Russkogo geograficheskogo obshhestva [Russian Geographic Society Altay Section Bulletin]. 2017. №3 (46). Pp. 54-63 (In Russ.).
13. Marusin K.V., Dyachenko A.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Granulometric composition of the Ob River channel deposits on the territory of the city of Barnaul. Izvestiya Altajskogo otdeleniya Russkogo geograficheskogo obshhestva [Russian Geographic Society Altay Section Bulletin]. 2022. № 1 (64). Pp. 45-65 (In Russ.).
14. Darevskiy V.E. Designing of facilities securing stability of soil tracts (embankments, bank protection facilities, breast walls, landslides protection facilities, etc.). V.E4. Darevskiy, A.M. Romanov. Giprorechtrans. M.: OOO «IzdateEstvo Master», 2011. 596 p. (In Russ.).
15. Methods for assessment of probabilistic damage caused by water adverse impact and assessment of effectiveness of preventive water/economic measures. FGUP «VIE'MS». M., 2006. 98 p. (In Russ.).
16. Degtyarev V.V. Information/reference materials concerning waterways of Siberia and Yakutiya. Novosibirsk: NGAVT, 2008. 74 p. (In Russ.).
Сведения об авторах:
Зиновьев Александр Тимофеевич, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук» (ИВЭП СО РАН), Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д.1; e-mail: zinoviev@iwep.ru
Дьяченко Александр Владимирович, научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук» (ИВЭП СО РАН), Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д.1; e-mail: alvdyachenko@yandex.ru
Коломейцев Андрей Алексеевич, ведущий инженер, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук» (ИВЭП СО РАН), Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д.1; e-mail: kolomeycev@iwep.ru Марусин Константин Валерьевич, научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук» (ИВЭП СО РАН), Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д.1; e-mail: kat@iwep.ru About the authors
Aleksandr T. Zinoviev, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, Institute for Water and Environmental Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Molodyozhnaya, 1, Barnaul, 656038, Russia,; e-mail: zinoviev@iwep.ru
Aleksandr V. Dyachenko, Researcher, Institute for Water and Environmental Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Molodyozhnaya, 1, Barnaul, 656038, Russia,; e-mail: alvdyachenko@yandex.ru
Andrey A. Kolomeytsev, Senior Engineer, Institute for Water and Environmental Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Molodyozhnaya, 1, Barnaul, 656038, Russia,; e-mail: kolomeycev@iwep.ru
Konstantin V. Marusin, Researcher, Institute for Water and Environmental Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, ul. Molodyozhnaya, 1, Barnaul, 656038, Russia; e-mail: kat@iwep.ru
