CC BY
69
УДК 550.42:57.4(571.1)
ОЦЕНКА РУСЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В БАССЕЙНАХ РЕК ВАСЮГАН И ПАРАБЕЛЬ (ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ)
О.Г. Савичев
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Разработана методика оценки русловых деформаций на основе анализа данных об измеренных расходах воды. Ее апробация проведена по материалам Росгидромета, полученным на реках Васюган, Парабель и Кенга (Томская область). Показано, что максимальные вертикальные деформации изученных рек в 1959-1974 гг. составляли 0,80...0,98 м, наибольшие плановые деформации - 4,55...13,28 м. Предложен механизм взаимовлияния болотных и русловых процессов.
Ключевые слова:
Русловые деформации, болотные реки, Западная Сибирь.
Введение
Бассейн р. Оби - это огромный по площади и весьма разнообразный по природным условиям регион России, расположенный в центральной части Северной Евразии. Анализ материалов многолетних наблюдений за состоянием окружающей среды этой территории позволяет сделать вывод о преобладании двух основных типов экзогенных геологических процессов - заболачивания и речной эрозии. Эти процессы противоположны друг другу по проявлению - если заболачивание характеризуется интенсивной аккумуляцией органического вещества, то речная эрозия по определению характеризуется разрушением подстилающих пород и выносом продуктов разрушения. В то же время, они тесно взаимосвязаны и представляют собой составляющие единого комплекса экзогенных геологических процессов, неразрывно связанных с гидрологическим режимом территории и протекающих в Западной Сибири по окончанию последнего крупного оледенения.
В настоящее время информация об интенсивности русловых процессов в регионе в основном ограничена материалами, полученными на локальных участках на больших реках (Обь, Томь, Чулым, Иртыш) и/или в местах размещения подводных переходов трубопроводов. Однако и в этих случаях полнота и достоверность сведений оставляет желать лучшего, поскольку: 1) материалы русловых съемок, проводимых в целях судоходства в ряде случаев недостаточно точны в части описания положения береговой линии и мелководной части русел; 2) на режимных пунктах Росгидромета наблюдения за русловыми деформациями не выполняются вовсе; 3) на пунктах государственной сети наблюдений за состоянием геологической среды проводится наблюдение только за деформацией речных берегов лишь в некоторых населенных пунктах; 4) в процессе инженерно-гидрометеорологических изысканий для строительства обычно используются упрощенные расчетные методы без подтверждения результатов вычислений натурными наблюдениями.
Все это обусловливает актуальность как оценки масштабов русловых деформаций, так и разработки методики подобной оценки. В данной работе эти задачи рассмотрены на примере крупных притоков р. Обь - рр. Васюган, Парабель, а также р. Кенга (приток р. Парабель). В бассейнах указанных рек, характеризующихся высокой заболоченностью (более 30 %) и густой речной сетью (рис. 1), проводится интенсивная добыча и транспортировка углеводородов по трубопроводам, пересекающим многочисленные водотоки, где во многих случаях и возникают аварийные ситуации.
Методика исследований и исходные материалы
Исходя из ограниченности материалов наблюдений за русловыми деформациями и значительными затратами на проведение специальных исследований в труднодоступных районах, автором предлагается подход, основанный на использовании стандартных материалов гидрологических наблюдений за расходами воды на пунктах Росгидромета. В частности, предлагается использовать опубликованные данные об измеренных гидравлических характеристиках водотоков (расход воды Q, площадь живого сечения Д ширина реки В, средняя глубина кср, максимальная глубина кижс). Для выяснения масштабов и тенденций деформаций речного дна используются высотные отметки дна, полученные при каждом измерении параметров русла по формулам:
^ср '7 - кср,
7 =7 - к
^мин "макс'
где 7ср - средняя отметка дна реки в створе в момент времени I, м; 7мин - минимальная отметка дна реки в створе, м; 7 - уровень воды, м. Проверка на случайность выполняется по рядам срочных наблюдений с использованием критерия Питмена [3].
Для оценки плановых и вертикальных деформаций отбираются материалы срочных наблюдений (за шириной и глубиной реки соответственно) при определенном уровне воды, либо выполняется линейная интерполяция между двумя наблюдения-
Рис. 1. Речная сеть, болотные комплексы (типы болот: 1 - верховые; 2 - переходные; 3 - низинные [1, 2]) и схема размещения пунктов наблюдений в бассейнах рр. Васюган и Парабель: 1) р. Васюган у п. Майск; 2) р. Васюган у с. Средний Васюган; 3) р. Васюган у с. Наунак; 4) р. Парабель у с. Новиково; 5) р. Кенга у п. Центральный
ми по заданному уровню воды. По полученной выборке рассчитываются статистические параметры, включая амплитуду изменения ширины и глубины потока. Наибольшее значение амплитуды и является характеристикой максимальных плановых и вертикальных деформаций русла. К сожалению, в открытой печати данные об измеренных расходов приводились только до 1974 г., в связи с чем в данной работе использовались опубликованные в «Гидрологических ежегодниках» материалы Росгидромета за период с 1959 по 1974 гг., полученные на р. Васюган в створах п. Майск, с. Средний Васюган, с. Наунак, р. Парабель у с. Новиково и р. Кенга у п. Центральный. Схема расположения пунктов наблюдений приведена на рис. 1.
Результаты исследований и их обсуждение
В процессе выполненного исследования выявлено статистически значимое (при уровне значимости 5 %) увеличение средних и минимальных отметок дна р. Парабель у с. Новиково и р. Васюган у с. Наунак в течение изученного временного периода. В случае р. Васюган у п. Майск и р. Кенга у п. Центральный, напротив, отмечено уменьшение высотных отметок дна, что позволяет предполо-
жить наличие общей тенденции преимущественно размыва русел в верховьях изученных рек и аккумуляции наносов в их нижнем течении, по крайней мере, в 1960-1970-е гг. (табл. 1, по данным Росгидромета).
Имеющиеся данные не позволяют сделать однозначный вывод о том, допустимо ли аппроксимировать выявленные тенденции на весь период наблюдений. Можно лишь утверждать, что они слабо коррелируют с многолетними изменениями расходов воды и определяются соотношениями скоростей течения и глубин на участке реки и в конкретном створе реки.
Анализ колебаний значений ширины и глубины рек при фиксированных уровнях воды показал, что максимальные вертикальные деформации дна варьируют в диапазоне 0,80 на р. Кенга до 0,98 м на р. Васюган у с. Средний Васюган, максимальные изменения ширины потока - от 4,55 м на р. Васюган у п. Майск до 13,28 м на р. Кенга (табл. 2, по данным Росгидромета). Наиболее интенсивные деформации речных русел в основном приурочены к расходам воды больше среднемноголетних значений, но не превышающих максимальные расходы обеспеченности до 50 %.
Таблица 1. Гидравлические параметры рр. Парабель, Кенга и Васюган
Река -пункт, пе- Параметр' Zp, м Длин, м В, м V м ^макс, м Q, м3/с
риод
A 59,93 59,'3 87,40 2,45 3,24 '46,' (75,8)2
Cv 0,0' 0,0' 0,'7 0,63 0,6' 0,85 (0,4')
Min 59,28 58,56 6',00 0,64 0,90 24,40
а-рв2 ао6 Емакс 2,60 ','9 69,00 5,06 7,'0 552,60
п 8,07 '6,80 ',99 ',5' ',78 2,3' (',30)
пкр 2,26 2,26 2,26 2,26 2,26 2,26 (2,32)
A 4',65 40,34 38,99 2,'2 3,43 56,8 (26,4)
1 Cv 0,0' 0,0' 0,28 0,54 0,52 0,95 (0,46)
2 ES S^ Min 40,57 38,25 24,00 0,74 ',25 5,6'
Кнт 6 Е^макс 2,97 2,59 44,00 3,45 5,95 '99,39
п -2,33 -5,38 2,8 5,78 4,38 2,79 (2,06)
с пкр 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 (2,32)
A 38,98 37,07 225,'8 5,38 7,29 588,8 (305,0)
1 Cv 0,0' 0,0' 0,08 0,33 0,30 0,62 (0,24)
пз^О^ Min 38,'7 35,57 '90,00 2,45 3,42 '09,00
со . о^ . и р Емакс ',99 2,39 65,00 6,'5 8,'8 '27',00
п 5,48 5,76 ',74 0,34 0,42 ',46 (-0,46)
пкр 2,26 2,26 2,26 2,26 2,26 2,26 (2,30)
- A 52,65 50,38 '46,98 4,'5 6,54 3'6,9 ('57,5)
- с 7 х тас^ Cv 0,0' 0,0' 0,'' 0,39 0,32 0,73 (0,29)
2 > ^ 1 Min 51,65 49,36 ''2,00 ',40 2,85 32,80
roci Емакс 2,'0 ',8 62,00 6,00 7,55 85',20
■ ^ I О Г0 п 0,36 -',97 0,30 -','4 0,39 -0,'4 (-0,35)
Ü пкр 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 (2,30)
A 83,98 8',84 33,99 2,89 5,03 54,7 (2,9)
- н к,74 Cv 0,0' 0,0' 0,43 0,5' 0,52 0,95 (0,56)
[CUC^ Min 82,48 80,78 '5,90 0,90 ',57 ',36
£ £ Емакс 6,89 ',77 '24,'0 5,50 9,23 228,64
п 0,36 -9,73 ',44 ',83 ',74 ',77 (-0,24)
пкр 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 2,25 (2,33)
'А - среднее арифметическое; Cv - коэффициент вариации; Min
- минимальное значение; Dmrf_ - максимальная амплитуда; п и прр - фактическое и критическое значения критерия Питмена.
2В графе «Q, м3/с» в скобках приведеныi значения, полученные по рядам среднегодовых значений за весь период наблюдений
С учетом полученных результатов для решения практических задач проектирования гидротехнических сооружений и подводных переходов трубопроводов предлагается определять координаты профиля устойчивости 2уст (ниже которых размыв русла маловероятен) по формуле:
ZycT=min(ZMHH) - max(DiMaKC) - 8h, где minZ™) - минимальное значение высотных отметок дна на исследуемом участке реки; тах(Д,1мжс)
- максимальное значение амплитуды вертикальных деформаций при фиксированном уровне воды, вычисленное для уровней в диапазоне от минимального до максимального уровней с обеспеченностью, принятой в учетом класса проектируемого сооружения; Sh - погрешность определения глубины реки (в зависимости от метода измерения).
Подобным образом определяются расчетные прогнозные плановые деформации в течение расчетного срока эксплуатации проектируемого сооружения:
ДВ^Т-Сшах^мжс) + 5), где Т - прогнозный период, лет; шах($Дмжс) - максимальное значение амплитуды изменений ширины реки при фиксированном уровне воды, вычисленное для уровней в диапазоне от минимального до максимального уровней с обеспеченностью, принятой в учетом класса проектируемого сооружения; 5В - погрешность определения ширины реки (в зависимости от метода измерения).
Таблица 2. Гидравлические характеристики рр. Кенга, Парабель и Васюган при различных уровнях воды
Река - объект, средние (фф) и максимальные (QШЩ 50%) расходы воды [4]
р. Кенга - п. Центральный' QCp=2',7 м3/с
CW, 50%='05 м3/с
р. Парабель -с. Новиково Qcp=68 м3/с CW, 50%=362 м3/с
р. Васюган -
п. Майск Qcp='3,8 м3/с CW, 50%='42 м3/с
р. Васюган -с. Средний Васюган Qcp=665 м3/с CW, 50%='56 м3/с
Z, м БС Параметр F, м2 В, м V м Ьмакс, м
42,57 А 39,89 30,96 ',27 2,'4
Cv 0,25 0,'' 0,'6 0,25
Емакс '0,58 4,65 0,26 0,57
43,57 А 76,50 38,'7 ',99 3,23
Cv 0,'9 0,06 0,'6 0,'6
Емакс '8,'4 7,76 0,28 0,7'
44,57 А ''9,77 43,68 2,74 4,32
Cv 0,'5 0,05 0,'6 0,'5
Емакс 22,9' 9,02 0,40 0,80
45,57 А '67,86 49,99 3,40 5,40
Cv 0,'0 0,09 0,'6 0,'3
Емакс 24,45 '3,28 0,22 0,39
6',4' А '38,44 83,37 ',65 2,28
Cv 0,'4 0,04 0,'' 0,'0
Емакс 52,24 9,30 0,49 0,55
63,4' А 3'5,96 96,58 3,27 4,28
Cv 0,08 0,02 0,08 0,07
Емакс 82,02 8,77 0,90 0,87
64,4' А 420,77 '0',90 4,'4 5,33
Cv 0,07 0,03 0,08 0,05
Емакс '07,75 '',58 0,94 0,84
85,4' А 54,40 25,85 2,09 3,52
Cv 0,05 0,04 0,05 0,04
Емакс 9,86 3,87 0,4' 0,57
86,4' А 84,2' 30,76 2,72 4,57
Cv 0,04 0,03 0,05 0,03
Емакс '4,45 3,72 0,66 0,8'
87,4' А ''9,53 37,6' 3,'7 5,62
Cv 0,03 0,03 0,05 0,03
Емакс '4,53 4,55 0,6' 0,96
88,4' А '60,'' 43,63 3,66 6,59
Cv 0,02 0,0' 0,02 0,02
Емакс '0,76 ',94 0,33 0,50
55,84 А 472,87 '4',79 3,30 5,4'
Cv 0,05 0,0' 0,06 0,05
Емакс 74,'0 8,22 0,6' 0,89
57,84 А 769,03 '55,74 4,9' 7,49
Cv 0,04 0,0' 0,04 0,04
Емакс ''9,43 6,'' 0,82 0,98
58,84 А 93',22 '6',84 5,73 8,52
Cv 0,02 0,0' 0,03 0,03
Емакс 72,48 5,39 0,62 0,94
'Уровни воды: р. Кенга приведеныi в условной системе координат
Рис. 2. Заболоченная старица притока р. Васюган (выделена пунктирной линией; фото О.Г. Савичева)
Рис. 3. Заболоченная долина притока р. Парабель с отсутствием руслового стока в большую часть года (выделена пунктирной линией; фото О.Г. Савичева)
Сопоставление распространенности на исследуемой территории болот (рис. 1), преобладающих типов руслового процесса (согласно схеме [4]) и материалов собственных полевых обследований позволили предположить, что одной из причин заболачивания Западно-Сибирской равнины могло быть постоянное переформирование речных русел в легко размываемых грунтах при отсутствии древесной растительности и избыточном увлажнении водосборов в результате таяния ледников, выпадения атмосферных осадков и затрудненности водного стока за пределы рассматриваемой территории. В подобных условиях наличие многочисленных стариц на фоне в ряде случаев стало катализатором заболачивания региона, что наблюдается и в настоящее время (рис. 2). Следовательно, русловой процесс активизировал болотообразование, которое в последующем привело к стабилизации русловых деформаций, по крайней мере, на малых реках (за счет большей устойчивости к эрозии торфяных берегов, определенной зарегулированности водного и уменьшения твердого стока с болот). Более того, в настоящее время наблюдается захват болотами не только водосборных территорий, но и самих
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савичев О.Г., Скугарев А.А. Распространение и гидрохимические особенности болотного процесса на территории Томской области // Гидрогеология, инженерная геология и гидрогеоэкология: Матер. научн. конф. / Под ред. С.Л. Шварцева. -Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - С. 174-182.
2. Березин А.Е., Базанов В.А., Савичев О.Г. Принципы разработки кадастра торфяных болот (на примере районов нефтедобы-
русел малых водотоков, вплоть до фактического исчезновения некоторых из них (рис. 3).
Выводы
Предложена методика определения расчетных русловых деформаций и профиля устойчивости рек. В рамках апробации методики получена количественная оценка плановых и вертикальных деформаций русел рр. Васюган, Парабель и Кенга, что позволит объективно оценить опасности возникновения аварийных ситуаций на мостовых переходах автодорог, подводных переходах нефте- и газопроводов не только на указанных реках, но и в целом в таежной зоне Западной Сибири. Предложен механизм взаимовлияния болотных и русловых процессов в Западной Сибири. Последний результат позволяет наметить возможности управляющих воздействий на болотный процесс посредством руслоисправительных работ, нацеленных на усиление пропускной способности рек за счет спрямления и углубления русел.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант Р ОФИ 06-05-96924); 08-04-92497НЦНИЛ а.
чи Томской области) // Охрана природы: сборник статей / Под ред. А.Е. Березина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - С. 13-26.
3. Христофоров А.В. Надежность расчетов речного стока. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 168 с.
4. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 15. Алтай и Западная Сибирь. Вып. 2. Средняя Обь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 408 с.
Поступила 18.03.2008 г.
