CC BY
24
Раздел 3 Section 3
ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ HYDROLOGY. CLIMATE
УДК 627.152.122
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ДИНАМИКА ИЗЛУЧИНЫ РЕКИ ОБЬ В РАЙОНЕ БАРНАУЛЬСКОГО ВОДОЗАБОРА № 2
К.В. Марусин, А.В. Дьяченко, А.А. Коломейцев, А.А. Вагнер
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: [email protected]
На основе топографических материалов и данных космической съемки дана оценка современного состояния и тенденций развития излучины р. Обь в окрестности Барнаульского водозабора № 2. Показано, что в настоящее время излучина находится на предпоследней стадии своей эволюции, непосредственно предшествующей ее спрямлению. Обсуждаются дальнейшие перспективы развития ситуации и меры противодействия негативному ходу руслового процесса.
Ключевые слова: Обь, Барнаул, городские водозаборы, речные излучины, параметры излучин, динамика излучин, спрямление излучин.
DOI 10.24411/2410-1192-2018-10005
Дата поступления 12.11.2018
Естественные процессы эволюции речных излучин нередко приводят к возникновению аварийных и даже катастрофических ситуаций на различных объектах хозяйственной инфраструктуры. Например, хорошо известна и весьма показательна история влияния русловых процессов р. Обь на функционирование Барнаульского городского водозабора № 1 (рис. 1). Она нашла отражение не только в специальной литературе, в т.ч. и фундаментального характера [1-3], но даже на страницах научно-популярных изданий [4].
С момента постройки в 1965 г. водозабор № 1 неоднократно выходил из строя вследствие русловых переформирований. Да и в настоящее время, как показывают наши наблюдения, его функционирование сопряжено со значительными трудностями [5]. В этой связи задача оценки текущей русловой ситуации и перспектив ее развития на участке р. Обь у водозабора № 2 представляется весьма актуальной, поскольку именно
этот водозабор является основным источником питьевого водоснабжения г. Барнаула. В данной статье сделана попытка решить хотя бы отчасти эту задачу, опираясь на достижения современного русловедения с использованием имеющихся в распоряжении авторов топографических материалов, данных космической съемки, а также собственных натурных наблюдений.
По морфодинамической классификации Р.С. Чалова [6] русло р. Обь в окрестности водозабора № 2 является системой двух сопряженных излучин: верхней - свободной и нижней - вынужденной (рис. 1). Выпуклыми в верхней свободной излучине является левый пойменный берег, в нижней вынужденной излучине - правый пойменный берег. А нижнее крыло излучины пролегает вдоль левого крутого, трудноразмы-ваемого коренного склона долины Оби. Излучина и называется «вынужденной», поскольку трудноразмываемый берег вынуждает речной поток, подходящий к
Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2018. No 4 (51)
нему под углом, сделать поворот и следовать вдоль берега. Водозабор № 2 располагается на левом берегу - в вершине этой излучины. Правый пойменный берег в смежных крыльях этих излучин - обрывистый, достаточно интенсивно размываемый. К выступающему левобережному пойменному сегменту прилегает крупная надводная (в условиях межени) аккумулятивная русловая форма - побочень. Выше по течению к рассматриваемому участку примыкает еще одна свободная излучина, а ниже его располагается слабоизогнутый стабильный сегмент русла.
Для оценки текущего состояния и прогнозирования развития излучин используется ряд величин, характеризую-
а
щих их форму [6-7]. Набор таких параметров применительно к вынужденной излучине представлен на рисунке 2.
Верхняя граница вынужденной излучины располагается в точке перегиба геометрической оси русла, т.е. линии равноотстоящей от его боковых границ (берегов). Длина нижнего крыла вынужденной излучины принимается равной длине его верхнего крыла. Угол встречи (а) определяется между линией коренного берега, направленной сверху вниз по течению, и касательной к линии выпуклого берега излучины в верхнем ее крыле перед поворотом русла [6]. Конфигурация береговой линии принимается для условий межени [7].
б
Рис. 1. Местоположение и морфологическое строение исследуемого участка русла р. Обь в районе Барнаульского водозабора № 2:
а - местоположение участка; б - морфология русла. Подложка - снимок спутника Ресурс-П, дата съемки - 30.09.2018 г.
Процесс эволюции вынужденных излучин достаточно хорошо изучен. На рисунке 3 представлена разработанная Р.С. Чаловым схема последовательных стадий развития такой излучины с характерными значениями параметров, соответствующих каждой стадии.
Как видно из рисунка 3 процесс развития вынужденной излучины заключается в постепенном увеличении крутизны ее верхнего крыла относительно коренного берега с дальнейшим его «заваливанием» и итоговым спрямлением излучины. Причем возможность такого спрямления возникает уже на третьей стадии ее развития, когда зна-
чение угла встречи превышает 75°. На первых этапах эволюции вынужденной излучины (стадии ЫП) происходит также смещение излучины вниз по течению, однако затем этот процесс ослабевает, и увеличение крутизны верхнего крыла становится преобладающим. По содержанию схемы развития вынужденной излучины, приведенной на рисунке 3, следует отметить, что для стадии IV в соотношениях, связывающих параметры I и к, а также параметры г и В, логично было бы использовать знак «равенство» вместо «меньше или равно», т.е. ¡<2,7к, г<2,7В.
Рис. 2. 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. Параметры вынужденной излучины: а - угол встречи потока с коренным берегом; Ь - шаг излучины; ¡ - длина излучины; к - стрела прогиба излучины; г - радиус кривизны излучины; В - ширина русла в вершине излучины; ¡/Ь - степень выраженности излучины [6].
Рис. 3. Стадии развития вынужденной излучины по Р.С. Чалову [6]
Для оценки текущих параметров вынужденной излучины р. Обь в окрестности водозабора № 2 был использован одноканальный (панхромный) пространственно-привязанный снимок высокого разрешения (0,6 м/пиксель), сделанный российским спутником «Ресурс-П» 30 сентября 2018 г. (см. рис. 1). Как видно из рисунка 4, на котором представлены данные ближайшего гидрологического поста, дата съемки соответствует условиям межени.
Построение боковых границ русла проводилось на масштабе 1 : 10000 по визуальной оценке изображения и с учетом натурных данных о русловой ситуации на участке. При этом несущественные локальные неровности береговой линии сглаживались.
Для построения геометрической оси русла был использован следующий прием, проиллюстрированный на рисунке 5. От выбранного начального створа на линии берегов с заданным небольшим шагом наносились точки. Был использован шаг 50 м при длинах линий берегов 6100 м. Затем с помощью программных средств, реализующих алгоритм триангуляция Делоне, поверхность русла покрывалась системой смежных треугольников с вершинами в
этих точках. В полученной системе одна из вершин каждого треугольника расположена на одном берегу, а две другие -на другом. При крутом изгибе береговой линии возможно образование треугольника, все вершины которого принадлежат одному берегу (рис. 5а). Однако такие ситуации носят единичный характер, легко выявляются и ликвидируются (рис. 5б). При относительно малом шаге дискретизации береговых линий полученные треугольники можно считать равнобедренными. Тогда деление пополам их ребер, пересекающих русло, дает точки, маркирующие положение его геометрической оси.
При применении средств современных ГИС-платформ описанная выше процедура носит чисто технический характер и не занимает много времени. Для этой цели, как и для других построений в рамках данной работы, был использован штатный инструментарий геоинформационной системы ArcGis 9.2.
Схема определения текущих параметров вынужденной излучины р. Обь в окрестности Барнаульского водозабора № 2 показана на рисунке 6, а их численные значения вместе с некоторыми производными характеристиками представлены в таблице 1.
Дагпа(чиспо, месяц)
Рис. 4. Динамика отметки уровня воды на гидрологическом посту Барнаул с 1 апреля по 31 октября 2018 г. [8]
Рис. 5. Процедура построения геометрической оси русла:
а - дискретизация боковых границ русла и выполнение триангуляции; б - нахождение средних точек ребер триангуляции; в - осевая линия русла - общий вид. Подложка - снимок спутника Ресурс-П, дата съемки - 30.09.2018 г.
Полученные оценки показывают, что хотя значение степени выраженности (1/Ь) невелико, но по остальным параметрам современное состояние исследуемой излучины можно вполне уверенно отнести к IV (предпоследней) стадии ее развития - «заваленная излучина». Довольно полное представление об основных тенденциях развития рассматриваемой вынужденной излучины за последние 20 лет можно получить, анализируя изменения пространственного положения и конфигурации правого пойменного берега на участке. Для этой цели были использованы топографическая карта масштаба 1 : 25000 с состоянием местности на 1.01.1999 г. (т.е. на конец 1998 г.), полученная из Государственного картографического фонда,
а также имеющиеся в открытом доступе спутниковые снимки из коллекции Google Digital Globe. При этом отбирались лишь те снимки, на которых положение бровки правого берега можно было достаточно уверенно идентифицировать визуально. Полученный результат этой работы показан на ри-сунке 7.
По представленным на рисунке 7 данным можно оценить изменение такого важного параметра вынужденной излучины, как угол встречи, а также величину смещения всей излучины вниз по течению, если принять за характеристику этого процесса значение расстояния, пройденного вершиной этого угла вдоль линии коренного берега. Результаты этих оценок приведены на рисунке 8.
Рис. 6. Схема определения параметров вынужденной излучины р. Обь в окрестности
Барнаульского водозабора № 2.
Расшифровка обозначений приведена на рис. 2. Подложка - снимок спутника Ресурс-П, дата съемки - 30.09.2018 г.
Таблица 1
Значения параметров вынужденной излучины в окрестности Барнаульского водозабора
№ 2 по состоянию на 30 сентября 2018 г.
¡, м Ь, м к, м г, м В, м а° ¡/Ь ¡/к г/В
1668 1102 595 639 350 104 1,51 2,8 1,83
Примечание: расшифровка обозначений параметров приведена на рисунке 2.
Как видно из рисунка 8, до 2010 г. излучина находилась на Ш-й стадии развития («крутая»), в ее эволюции преобладало смещение вниз по течению. Если за период с начала 1999 г. по сентябрь 2018 г. вершина угла встречи передвинулась вниз по течению на 424 м, то три четверти этого расстояния было пройдено до 2010 г., причем без существенного изменения величины это-го угла. Затем под воздействием мощных половодий 2010 и 2013 гг. в поведении излучины произошли существенные изменения. Ее смещение вниз по течению значительно замедлилось, зато стала неуклонно возрастать ее крутизна (значение угла встречи). Заметим, что 2011 и 2012 гг. были сравнительно маловодными [5], а снимки 2010 и 2014 гг. сделаны
в самом начале половодья, т.е. в значительной степени отражают ситуацию предшествующего года. Таким образом, не только по численным значениям параметров, но и по характеру эволюции современное состояние исследуемой излучины можно отнести к Г^й (предпоследней) стадии ее развития.
Разумеется, сделанные численные оценки параметров излучины содержат в себе некоторую долю субъективности, обусловленную визуальным определением боковых границ русла, точек перегиба осевой линии, положения луча угла встречи и т.п. Однако по нашему мнению, доля эта весьма незначительна, и на принципиальные выводы относительно текущей стадии развития излучины она не влияет.
Рис. 7. Положение бровки правого пойменного берега на участке исследований, 1998-2017 гг.
Источники данных: 1998 - топокартаМ1 : 25000, состояние местности на 1.01.1999 г.; 2002 - снимок, 8.06.2002 г.; 2004 - снимок, 4.10.2004 г.; 2010 - снимок, 16.06.2010 г.; 2011 - снимок, 30.07.2011 г.; 2014 -снимок, 8.05.2014 г.; 2015 - снимок, 29.06.2015 г.; 2016 - снимок, 7.09.2016 г.; 2017 - снимок, 13.06.2017 г. Подложка - снимок спутника Ресурс-П, 30.09.2018 г.
Рис. 8. Изменения пространственного положения и величины угла встречи вынужденной излучины в окрестности Барнаульского водозабора № 2, 1998-2018 гг.
Каковы же дальнейшие перспективы развития русловой ситуации в районе водозабора № 2? Согласно общей схеме эволюции, представленной на рисунке 3, спрямление вынужденной излучины возможно уже на Ш-й стадии, а на последней (V) стадии оно произойдет обязательно, причем в ближайшем будущем. В настоящее время вынужденная излучина, как было установлено выше, находится на предпоследней стадии развития, а значение угла встречи составляет 104°. При этом величина этого угла по данным за 2014-2018 гг. возрастает со средней скоростью около 1°/год. Следовательно, если такая скорость «заваливания» излучины сохранится и в дальнейшем, то критическое значение угла встречи (135°), соответствующее финальной ста-дии ее развития, будет достигнуто примерно через три десятка лет. Конечно, это лишь самая грубая, предварительная оценка. Реальная динамика излучины будет зависеть как от вариации общих гидрологических условий (водности реки), так и от ситуации, складывающейся на вышележащих участках русла.
В этой связи следует упомянуть о проекте сооружения нового автомобильного мостового перехода через р. Обь, предусмотренного генеральным планом развития Барнаула [9]. Мост предполагается разместить примерно в трех километрах выше рассматриваемого участка, а путепровод к нему полностью перекроет правобережный пойменный массив. Каким образом повлияет появление этого масштабного объекта на ход руслового процесса в районе водозабора № 2, в т.ч. и на поведение вынужденной излучины? Скорее всего, этот вопрос должен стать темой специ-
Спрямление вынужденной излучины, каким бы путем оно не реализовыва-лось, очевидно, будет являться полной катастрофой для водозабора № 2. Одним из возможных сценариев спрямления является перемещение основного руслового потока в протоку Ерестнинскую, берущую начало в конце нижнего крыла свободной излучины на рассматриваемом участке и впадающую в основное русло около водозабора № 1. Однако данный сценарий следует рассматривать как крайне негативный. При размыве пойменного массива в ходе разработки протоки будут высвобождаться значительные объемы наносов, и наиболее вероятным местом их последующего отложения станет устье протоки, т.е. район водозабора № 1.
Достаточно очевидным способом противодействия негативному ходу руслового процесса на участке в районе водозабора № 2 является укрепление разрушающегося правого берега в не-размываемый. Такое решение в свое время (сначала в конце 1980-х гг., затем в 2011 г.) было реализовано на участке реки в районе водозабора № 1, который имеет сходное морфологическое строение [5]. Однако оно, как показывают наблюдения, не смогло полностью блокировать процесс естественного развития излучины, который продолжает проявляться в постепенном, но неуклонном разрушении защитных сооружений. При этом в самых опасных местах, а также в столь же неуклонном размыве неукрепленного участка берега река так или иначе преодолевает воздвигнутые на ее пути препятствия. Можно сказать, что избранная схема защиты оказалась недостаточной как по типу сооружений, так и по их длине.
ального исследования.
Исследование выполнялось в рамках научного проекта № 0383-2016-0002 «Изучение гидрологических и гидрофизических процессов в водных объектах и на водосборах Сибири и их математическое моделирование для стратегии водопользования и охраны водных ресурсов».
Список литературы
1. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география, практика. Т. 2: Морфодинамика речных русел. - М.: КРАСАНД, 2011. - 960 с.
2. Русловые процессы на реках Алтайского региона / Под ред. проф. Р.С. Чалова. -М.: Изд-во МГУ, 1996. - 244 с.
3. Клавен А.Б., Копалиани З.Д. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса. - Спб.: Нестор-История, 2011. - 504 с.
4. Попов И.В. Загадки речного русла. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 168 с.
5. 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 / Изв. Алт.отд-я РГО. - 2017 - №4(47) - С. 52-61.
6. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 371 с.
7. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 272 с.
8. ГИС-портал Центра регистра и кадастра. Информационная система по водным ресурсам и водному хозяйству бассейнов рек России [Электронный ресурс]. - URL: http://gis.vodinfo.ru.
9. Генеральный план городского округа - города Барнаула Алтайского края. Схема транспортной инфраструктуры / Администрация города Барнаула [Электронный ресурс]. - URL: http://barnaul.org/upload/medialibrary/0cb/karta-oks_transport_b_5_75.pdf.
References
1. Chalov R.S. Ruslovedeniye: teoriya, geografiya, praktika. T. 2: Morfodinamika rechnykh rusel. - M.: KRASAND, 2011. - 960 s.
2. Ruslovye protsessy na rekakh Altayskogo regiona. - M.: Izd-vo MGU, 1996. - 244 s.
3. Klaven A.B., Kopaliani Z.D. Eksperimentalnye issledovaniya i gidravlicheskoye mod-elirovaniye rechnykh potokov i ruslovogo protsessa. - Spb.: Nestor-Istoriya, 2011. - 504 s.
4. Popov I.V. Zagadki rechnogo rusla. - L.: Gidrometeoizdat, 1977. - 168 s.
5. Marusin K.V., Dyachenko A.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Sovremennaya dinamika rusla reki Ob v rayone Barnaulskogo vodozabora №1 po dannym naturnykh na-blyudeny / Izv. Alt.otd-ya RGO. - 2017 - №4(47) - S. 52-61.
6. Chalov R.S., Zavadsky A.S., Panin A.V. Rechnye izluchiny. - M., 2004. - 371 s.
7. Kondratyev N.E., Popov I.V., Snishchenko B.F. Osnovy gidromorfologicheskoy teorii ruslovogo protsessa - L.: Gidrometeoizdat, 1982. - 272 s.
8. GIS-portal Tsentra registra i kadastra. Informatsionnaya sistema po vodnym resursam i vodnomu khozyaystvu basseynov rek Rossii [Elektronny resurs]. - URL: http://gis.vodinfo.ru.
9. Generalny plan gorodskogo okruga - goroda Barnaula Altayskogo kraya. Skhema transportnoy infrastruktury / Administratsiya goroda Barnaula [Elektronny resurs]. - URL: http://barnaul.org/upload/medialibrary/0cb/karta-oks_transport_b_5_75.pdf.
MODERN MORPHODYNAMICS OF THE OB RIVER MEANDER AT MUNICIPAL WATER INTAKE № 2 OF BARNAUL CITY
K.V. Marusin, A.V. Dyachenko, A.A. Kolomeytsev, A.A. Wagner
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: [email protected]
The Ob river meander at the Barnaul city municipal water intake No2 is investigated. Current state of the meander and governing trends of its morphodynamics are evaluated using a collection of topographic maps and satellite images. It is shown that now the meander is at a penultimate stage of its evolution after which the cutoffprocess would start. Further possible evolution of the meander and corresponding protective actions are discussed.
Key words: Ob river, Barnaul, municipal water intakes, river meanders, meander parameters, meander morphodynamics, meander cutoff.
DOI 10.24411/2410-1192-2018-10005
Received November 12, 2018
