CC BY
54
Раздел 3 ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ
Section 3 HYDROLOGY. CLIMATE
УДК 627.152.122
СОВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА РУСЛА РЕКИ ОБЬ В РАЙОНЕ БАРНАУЛЬСКОГО ВОДОЗАБОРА № 1 ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
К.В. Марусин, А.В. Дьяченко, А.А. Коломейцев, А.А. Вагнер
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: kat@iwep.ru
Представлены и проанализированы результаты собственных ежегодных русловых съемок на участке протяженностью 2 км за период с 2010 по 2016 гг. Показано, что на рассматриваемом участке в настоящее время происходит процесс смещения подводной гряды (переката), левобережного побочня, а также прилегающей к обратному склону гряды плесовой ложбины вниз по течению. Этот процесс протекает неравномерно во времени и в целом достаточно медленно, порядка 10 м в год. Оценки годового объема размыва дна показывают, что его значение может достигать 400 тыс. м3 на площади 0,6 км .
Ключевые слова: Обь, Барнаул, водозабор № 1, русловой процесс, натурные наблюдения.
Дата поступления 17.10.2017
Вот уже более полувека участок реки Обь в районе водозабора № 1 г. Барнаула (рис. 1) остается объектом постоянного внимания инженеров и ученых. Он даже упоминается в специальной литературе фундаментального характера [1-2]. Столь высокий интерес обусловлен в значительной степени тем негативным влиянием, которое оказывали и оказывают протекающие здесь русловые процессы на хозяйственную деятельность.
Барнаульский водозабор № 1 был введен в эксплуатацию в 1965 г. Однако сформировавшийся к концу 1980-х гг. непосредственно выше водозабора левобережный пойменный массив (длина - 2,5 км и ширина - до 500 м) и прилегающая к его нижней оконечности крупная надводная русловая форма -побочень (площадь около 2,7 га в усло-
виях межени) - блокируют его работу. Для обеспечения функционирования водозабора приходится периодически разрабатывать канал через тело побочня длиной более 300 м (рис. 2).
Правый вогнутый берег реки в окрестности водозабора в своем нижнем крыле интенсивно разрушался, что создавало угрозу опоре ЛЭП. Для предотвращения этого участок от створа перехода ЛЭП на 320 м вверх по течению в конце 1980-х гг. был укреплен каменно-набросным банкетом из крупнообломочной горной массы. Однако продолжавшийся размыв привел к «охвату» рекой верхнего фланга сооружения, причем с годами масштаб этого явления все увеличивался (рис. 3). Так что пришлось в 2011 г. продлить берегозащитное покрытие еще на 580 м вверх по течению (рис. 4).
Рис. 1. Участок исследований:
а - местоположение; б - общий вид участка. Подложка - спутниковый снимок 07.09.2016 г. Отметка уровня воды на гидропосту Барнаул -129,25 м БС [3].
а
б
Рис. 2. Разработка подходного канала к водозабору № 1:
а - вид от правобережной опоры ЛЭП (25.09. 2009); б - вид с побочня (20.09.2017).
Рис. 3. Верхняя оконечность берегозащитного сооружения (построен в конце 1980-х гг.):
а - вверх по течению (01.07.2008); б - вниз по течению (14.10.2011).
Рис. 4. Берегозащитный каменно-набросной банкет со струенаправляющими шпорами
(построен в 2011 г.):
а - вверх по течению (01.06.2012); б - вниз по течению (19.09.2016).
Краткое, но емкое описание эволюции русла р. Обь в районе водозабора № 1 в 1950-1980-х гг. можно найти, например, в книге А.Б. Клавена и З.Д. Копалиани [4]. В данной статье делается попытка проанализировать современную динамику русла, опираясь на результаты регулярных натурных наблюдений за ходом руслового процесса в этом районе, проводимых ИВЭП СО РАН с 2010 г. и по настоящее время.
Участок наблюдений простирается от устья Ерестнинской протоки до входа в протоку Дрокинскую. Его протяженность по оси русла составляет 2 км. Ниже побочня русло ограничено слева
крутым, высоким и трудноразмывае-мым склоном долины Оби. Правый берег в пределах участка - пойменный. Его неукрепленный верхний сегмент медленно размывается со средней скоростью около 1 м в год. Ниже створа перехода ЛЭП правый берег был практически стабилен, но в последние два года и здесь наблюдаются признаки его размыва.
Ежегодно выполняемый комплекс работ на участке включает в себя русловую съемку (промеры глубин, съемку пространственного положения линии уреза воды), съемку бровки правого берега в его неукрепленной части, а также
наблюдения за отметкой уровня воды на временном уровенном (водомерном) гидрологическом посту свайного типа (ВВП), расположенном на правом берегу вблизи верхней границы участка. Кроме того, начиная с 2013 г., в комплекс наблюдений включено измерение расходов воды. Определение расходов производится в створе, расположенном в 250 м ниже нижней границы участка с помощью акустического доплеровского профилографа-расходомера Sontek M9 River Surveyor Live [5].
Весь комплекс наблюдений проводится в течение одного дня, в один и тот же период времени (вторая половина сентября - октябрь), и соответственно, в однотипных гидрологических условиях осенней межени. Поскольку в осенне-зимний период в силу относительной малости расходов воды русловые переформирования практически не происходят, результаты наблюдений отражают состояние русла на конец каждого года.
Данные о датах проведения работ, соответствующих отметках уровня и значениях расхода воды представлены в таблице 1. Однако в ней не указывается время измерения уровня на временном водомерном посту (ВВП), поскольку, в
силу стабильности гидрологической ситуации в межень, значение отметки уровня за период проведения съемки практически не изменялось. Сведения по гидрологическому посту (г/п) Барнаул даны на 8:00 местного времени [3].
Для того, чтобы соотнести результаты наблюдений за динамикой русла с особенностями гидрологического режима реки, на рисунке 5 приведены графики отметки уровня воды по г/п Барнаул в период с 1 апреля по 31 октября за 2010-2016 гг.
Таблица 1 Даты наблюдений, отметки уровня и значения расхода воды на участке исследований
Год Дата Отметка уровня воды Расход воды, м3/с
ВВП г/п Барнаул
2010 13.10 129,35 128,66 -
2011 13.10 128,95 127,78 -
2012 30.10 129,78 129,15 -
2013 19.09 130,33 129,53 1369
2014 09.09 129,50 128,74 1000
2015 23.09 129,65 128,93 1224
2016 19.09 129,64 128,88 1116
Рис. 5. Уровень воды в р. Обь в период с 1 апреля по 31 октября за 2010-2016 гг.
по данным гидропоста Барнаул [3].
Для дальнейшего анализа данные русловых съемок, а именно значения глубин и плановые проложения линий уреза воды, были приведены к единому положению свободной поверхности речного потока, соответствующей отметке уровня 128,95 мБС на ВВП.
Общее представление о рельефе русла р. Обь в исследуемом районе можно составить на основе данных дополнительной русловой съемки, выполненной 15-16 июля 2014 г. В ходе этой съемки промеры глубин производились не только на участке мониторинга, но и на протяжении двух километров выше по течению. Результаты промеров представлены на рисунке 6.
Рис. 6. Рельеф русла р. Обь в районе водозабора № 1 по результатам промеров 15-16.07.2014 г.
Средняя за период съемки отметка уровня воды на ВВП - 131,77 м БС, на г\п Барнаул - 131,30 м БС. Как видно из рисунка 6 на дне реки в окрестностях участка мониторинга и на нем самом расположена гряда (возвышенность), упирающаяся своими концами в берега и пролегающая от правого берега к левому под очень острым углом к генеральному направлению течения на протяжении 3,3 км. Перевал гряды - наиболее низкая часть ее гребня - находится на верхней границе участка наблюдений. Левобережный побочень является наиболее высокой и широкой частью этой гряды. В пределах участка исследований за грядой (в том же направлении, т.е. с правого берега на левый) пролегает плёсовая ложбина, постепенно расширяющаяся вниз по течению. В окрестности створа перехода ЛЭП в ней имеется довольно большая по площади и глубокая (до 15 м) впадина.
Для оценки межгодовых изменений рельефа русла рассмотрим эволюцию его продольного профиля по линии, указанной на рисунке 7. Соответствующие профили, построенные по данным промеров 2010-2016 гг. и приведенные к единой отметке уровня на ВВП -128,95 м БС, показаны на рисунке 8. Следует отметить, что подводный бугор - локальный пик около отметки 1400 м на профилях 2010-2012 гг. - образовался в результате работы земснаряда по расчистке подходного канала к водозабору в 2009 г. В это место складировался песок, изымаемый в ходе расчистки (см. рис. 2а).
Из приведенных на рисунке 8 данных видно, что в целом за шесть лет наблюдений глубины на склоне гряды и в верхней части плесовой ложбины уменьшились, а в нижней части ложбины они увеличились. Можно сказать, что исходный профиль сдвинулся вниз по течению.
тшш границы участка исследований © временный водомерный
пост (ВВП)
2°° пиния продольного профиля русла и отметки _ расстояния по ней, м
I | зоны расчета объемов деформаций дна и их номера ¡3] изобаты при отметке уровня воды на ВВП -128.95 мБС Сплошные изобаты проведены через 2 м
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
В В В ' I —I i | Е— i исты
Рис. 7. Положение линии исследуемого продольного профиля русла и зон расчета объемов деформации дна на участке
Для демонстрации того, что полученные результаты не носят локальных характер, т.е. не связаны с положением выбранной линии продольного профиля, для каждого года наблюдений выполнили расчет объемов водной массы в трех смежных зонах, покрывающих в совокупности практически всю площадь меженного русла на участке (рис. 7).
Зоны выбирались с таким расчетом, чтобы в них имелись данные промеров за все годы наблюдений и чтобы они отражали основные особенности рельефа русла на участке. Поскольку положение свободной поверхности воды (отметка уровня) является фиксированным, то изменения объема, заключенного между свободной поверхностью и дном, отражает изменения высотных отметок дна. Положительное приращение объема по отношению к предыдущему году означает размыв (увеличение глубин), а отрицательное - аккумуляцию (уменьшение значений глубин -рост отметок дна). Результаты соответствующих расчетов представлены в таблице 2.
Из теории руслового процесса известно, что в период половодья гребни подводных гряд намываются (глубины на них сокращаются), а плёсовые ложбины промываются (глубины в них увеличиваются), в условиях межени происходит обратный процесс - гребни размываются, а ложбины заполняются наносами [6]. Представленные на рисунке 8 и в таблице 2 данные свидетельствуют, что эта закономерность справедлива и в отношении лет с разной водностью, по крайней мере, для рассматриваемого участка.
Действительно, 2011 г. был сравнительно маловодным (см. рис. 5), и рассматриваемый участок существенно заполнился наносами, поступившими, очевидно, с размытого гребня гряды. Соответственно, глубины и объемы воды уменьшились повсеместно и значительно. Еще более маловодный 2012 г. не привел к сколько-нибудь существенным изменениям в рельефе русла. Зато следующий 2013 г. с относительно мощным и длительным половодьем, привел к полной промывке участка, все накопленные наносы были с него удалены. Интересно отметить, что в результате этой промывки в течение 2013 г. в целом с участка было изъято около 400 тыс. м наносов.
Рис. 8. Эволюция продольного профиля русла на участке в 2010-2016 гг.
Таблица 2
Расчет объемов деформации дна на участке за 2010-2016 гг.
Номер расчетной зоны (рис. 9) Всего по участку
1 2 3
S* 311335,24 68740,69 249098,89 629174,82
Годы Объем водной массы (V) и его изменение за год ^У), м3
V dV V dV V dV V dV
2010 601499,25 - 366208,88 - 1271936,75 - 2239644,88 -
2011 513690,56 -87808,69 288470,56 -77738,32 1091852,13 -180084,62 1894013,25 -345631,63
2012 503387,19 -10303,37 289111,56 641,00 1090546,44 -1305,69 1883045,19 -10968,06
2013 577474,06 74086,87 303329,5 14217,94 1402288,19 311741,75 2283091,75 400046,56
2014 663117,56 85643,50 314326,31 10996,81 1353232,31 -49055,88 2330676,18 47584,43
2015 670261,50 7143,94 309676,31 -4650,00 1253184,88 -100047,43 2233122,69 -97553,49
2016 580326,50 -89935,00 300500,44 -9175,87 1357323,31 104138,43 2238150,25 5027,56
Итого - -21172,75 - -65708,44 - 85386,56 - -1494,63
dV/S** - -0,068 - -0,956 - 0,343 - -0,002
Примечание: * - площадь зоны, м ; ** - среднее по площади изменение глубин (м) с 2010 по 2016 гг.
Для общей оценки масштабов русловых переформирований на таком сравнительно небольшом отрезке и мощи речного потока укажем, что объем стандартного железнодорожного полувагона, используемого обычно для перевозки угля, составляет примерно 90 м3.
В итоге на конец 2016 г. по сравнению с 2010 г., в зоне № 1 (вершина плёсовой ложбины) и зоне № 2 (средняя часть ложбины, у перегиба правого берега) наблюдается аккумуляция нано-
сов, а в зоне № 3 (нижняя часть ложбины участке) - размыв дна.
Причем наибольшие сокращения глубин (90 см на 1 м2 площади) приходятся как раз на зону № 2, т.е. на участок сдвига продольного профиля, рассмотренного на рисунке 8. В то же время, в целом по площади участка итоговые изменения глубин пренебрежимо
малы - 2 мм на 1 м2, что, впрочем, также является подтверждением разнонаправленных изменений рельефа дна в верхней и нижней частях участка. На рисунке 9 представлены пространственные положения линии уреза воды при принятой единой отметке уровня на ВВП - 128,95 м БС, построенные по данным промеров 2010-2016 гг.
■...... границы участка исследований © временный водомерный пост (ВВП)
Урез воды при отметке уровня на ВВП - 128.95 мБС:
-2010 г. -2011г. -2012 г. 2013 г. -2014 г. -2015 г. -2016 г.
200
—•— линия продольного профиля русла и отметки расстояния по ней, м
Рис. 9. Положение линий уреза воды на участке исследований в 2010-2016 гг.
По данным, приведенным на рисунке 9, прежде всего, следует отметить итоговое смещение нижней оконечности (ухвостья) побочня. Так за период с 2010 по 2016 гг. ухвостье побочня передвинулось вниз по течению на 70 м. Причем это значение вполне соответствует величине смещения продольного профиля, представленного на рисунке 8. Кроме того, появление островков у правого берега также согласуется с указанной выше тенденцией к сокращению глубин в верхней части участка.
Все изложенные выше факты позволяют сделать вывод, что на рассматриваемом участке в настоящее время происходит процесс смещения подводной гряды (перекат), левобережного побочня, как части этой гряды, а также прилегающей к ее обратному склону плесовой ложбины вниз по течению. Этот процесс протекает неравномерно во времени и в целом достаточно медленно, порядка 10 м в год. Такое смещение обуславливает и размыв противолежащего гряде берега, в данном случае - правого, поскольку река должна поддерживать необходимую для пропуска воды площадь
В этой связи вполне закономерно встает вопрос о том, какое влияние оказывает на процесс смещения гряды берегозащитное покрытие правого берега на участке. К сожалению, пока не возможно дать на него достаточно обоснованный ответ по причине отсутствия необходимого объема данных. Исходя же из общих соображений и имеющихся результатов наблюдений, можно предположить, что при фиксированном положении правого берега необходимое сечение русла обеспечивается постоянным удалением наносов, скапливающихся в процессе смещения гряды в верхней и центральной части побочня. В пользу этого предположения, можно указать на факт полного отсутствия какой-либо растительности на побочне, а также на сравнительно низкие высотные отметки поверхности его верхней и центральной части. Удаляемый материал откладывается затем у того же берега, непосредственно ниже по течению, обеспечивая рост в высоту нижней оконечности побочня, удлинение его ухвостья и заполнение подходного канала к водозабору.
поперечного сечения русла.
Список литературы
1. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Т. 2: Морфодинамика речных русел. - М., 2011. - 960 с.
2. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 371 с.
3. http://gis.vodinfo.ru
4. Клавен А.Б., Копалиани З.Д. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса. - Спб.: Нестор-История, 2011. -504 с.
5. 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 // Изв. АО РГО. - 2017 - № 3 (46) -С. 54-63.
6. Гишанин К.В. Основы динамики русловых потоков: учеб. - М.: Транспорт, 1990.
- 320 с.
References
1. Chalov R.S. Ruslovedeniye: teoriya, geografiya, praktika. T. 2: Morfodinamika rech-nykh rusel. - M., 2011. - 960 s.
2. Chalov R.S., Zavadsky A.S., Panin A.V. Rechnye izluchiny. - M.: Izd-vo MGU, 2004.
- 371 s.
3. http://gis.vodinfo.ru
4. Klaven A.B., Kopaliani ZD. Eksperimentalnye issledovaniya i gidravlicheskoye mod-elirovaniye rechnykh potokov i ruslovogo protsessa. - Spb.: Nestor-Istoriya, 2011. - 504 s.
5. Dyachenko A.V., Marusin K.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Naturnye issledovaniya propusknoy sposobnosti rukavov ruslovykh razvetvleny i poymennykh protok reki Ob na uchastke Barnaul - Kamen-na-Obi // Izv. AO RGO. - 2017 - № 3 (46) - S. 54-63.
6. Gishanin K.V. Osnovy dinamiki ruslovykh potokov: ucheb. - M.: Transport, 1990. -320 s.
FIELD STUDY OF OB RIVER MORPHODYNAMICS AT MUNICIPAL WATER INTAKE No 1 OF BARNAUL CITY
K.V. Marusin, A.V. Dyachenko, A.A. Kolomeytsev, A.A. Wagner
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, E-mail:kat@iwep.ru
The results of annual river bed sounding conducted at the site over six years (2010-2016) are presented and analyzed. It is shown that the modern morphodynamics of Ob river at the site is determined by the huge underwater transverse sand dune which moves downstream slowly (about 10 m per year). The estimations of the annual river bed erosion volume ob-
3 2
tained shows that this value could reach 400000 m on the bed area of 0,6 km .
Key words: Ob river, Barnaul, Municipal water intake No1, river morphodynamics, field study, underwater sand dune movement, annual bed erosion volume.
Received October 17, 2017
