CC BY
226
З. Д. Копалиани,
канд. техн. наук, доц., РГГМУ;
Н. И. Католикова,
ГГИ;
М. М. Жук,
ГГИ;
Н. П. Долженко,
Кубаньводпроект
ТРАНСПОРТ НАНОСОВ, РУСЛОФОРМИРУЮЩИЕ УСЛОВИЯ И ДЕФОРМАЦИИ РУСЕЛ РЕК БАССЕЙНА КУБАНИ
SEDIMENT TRANSPORT, CHANNEL FORMING CONDITIONS AND RIVER BED DEFORMATIONS OF THE KUBAN BASIN RIVERS
Предлагается методика оценки форм транспорта наносов и подвижности руслового аллювия на реках бассейна р. Кубань. На основе данных по гранулометрическому составу донных отложений (руслового материала), измеренных расходов воды и многолетних данных по стоку воды выполнен анализ русло-формирующих условий на конкретных участках русел рек бассейна Кубани. Оценены диапазоны расходов воды с различной интенсивностью вовлечения в движение руслового материала, обеспеченность и продолжительность этих расходов за многолетний период. Представлены количественные данные о плановых и высотных деформациях русел рек бассейна р. Кубань.
Methods of the assessment of sediment transport modes and mobility on the Kuban Basin Rivers are proposed. Based on the set of data comprising granulometric composition of the bed material, discharge measurements and long-term runoff data, channel-forming conditions are investigated for the specific river reaches of the Kuban Basin Rivers. Ranges of discharges corresponding to the different rate of the involvement of the bed material to the motion, as well as probability and long-term duration of these discharges are calculated.
Ключевые слова: подвижность руслового аллювия, методика количественного анализа транспорта донных наносов, русловой процесс, высотные и плановые деформации русел.
Key words: mobility of the channel alluvium, method of the quantitative analysis of the bed load transport, channel processes, vertical and horizontal deformations of the channel.
Оценка характеристик подвижности донных наносов
В соответствии с гидролого-морфологической теорией руслового процесса основным содержанием руслового процесса является транспорт рекой наносов [1].
Самым чувствительным элементом в цепи факторов, определяющих русловой процесс, является непосредственное взаимодействие руслового потока и аллювиального грунта, слагающего дно речных русел. От характера этого взаимодействия зависят такие важные элементы руслового процесса, как размеры русловых микро и мезоформ, расход донных наносов, характер и темпы обратимых русловых деформаций, гидравлические
сопротивления и пропускная способность русел и др.
Характерной особенностью рек бассейна Кубани является то обстоятельство, что только 3 % общей протяженности (41 632 км) русловой (гидрографической) сети 14 516 рек сложено из песка. 97 % от суммарной длины гидрографической сети сложено П гравийно-галечным материалом. Поэтому, в К отличие от равнинных рек, в которых транспорт донных наносов (песчаный материал) ^^^ имеет место с той или иной интенсивностью в течение всего года, в реках горно- предгорной зоны, каковыми являются большинство рек бассейна р. Кубань, донные, гравийно-га-лечные наносы активно движутся только при
высоких скоростях потока и не постоянно в течение года. Как показано на рис. 1, различные крайние фракции гравийно-галечных наносов, в отличие от песчаных, приходят в движение при резко различающихся значениях скорости потока. Диапазон скоростей потока, при котором обеспечивается подвижка всей смеси наносов, включая крупные, весьма широк.
Это является причиной частичной подвижки смеси крупных наносов, обусловливающей процессы сортировки и самоотмостки руслового материала.
Ниже предлагается метод анализа условий подвижки и вовлечения в движение донных отложений в руслах рек бассейна Кубани с целью учета в дальнейшем этого процесса в расчетах руслоформирования и динамики речных русел и пойм, сложенных из крупного аллювия.
Для оценки форм транспорта наносов предлагается использовать расчетные зависимости, рекомендуемые ГГИ [2], в соответствии с которыми для оценки форм транспорта наносов в реках (влечение, сальтация, взвешивание) следует пользоваться формулами характерных значений вертикальной компоненты пульсационной скорости:
— осредненное во времени и по глубине потока значение вертикальной компоненты
К = 0,41К;
(1)
— осредненное по глубине максимальное значение вертикальной компоненты
V..
1,28К;
(2)
— наибольшее возможное при данном гидравлическом режиме значение вертикальной компоненты в зоне (0,15 + 0,40)И от дна потока
V = 1 75К
(3)
где: И — глубина потока;
V* — динамическая скорость, определяемая по формуле
V*=4^1,
(4)
где: 1 — уклон дна и водной поверхности потока.
Форма движения наносов устанавливается путем сопоставления гидравлической крупности частиц с характерными значениями вертикальной компоненты, определяемыми с помощью приведенных выше зависимостей.
Если и У Кмакс, где и — гидравлическая крупность, наносы перемещаются в форме влечения по дну.
Если Кмакс > и > V , наносы перемакс макс. ср. вв А
мещаются в форме сальтации вблизи дна.
Рис. 1. Критические условия начала движения донных отложений на равнинных (а) и горно-предгорных (б) участках рек
u < V , наносы переходят во
ср. в
Если V < u < V , сальтиру-
ср. в макс. ср. в'
ющие частицы достигают середины глубины потока.
Если
взвешенное состояние и распространяются на всю глубину потока.
Для расчета начальных, неразмыва-ющих скоростей потока использовались рекомендации КиргНИИВХ [3], хорошо зарекомендовавшие себя при практическом использовании:
V = 2
т-1.5
т +1
Н
V ^отм J
(5)
где: m — знаменатель показателя степени степенной формулы распределения скорости потока по вертикали, определяется по таблице, а donш — крупность частиц, слагающих естественную отмостку русла.
Значения неразмывающих скоростей потока по указанной зависимости приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения неразмывающей скорости потока V0 м/с для крупных наносов
(по КиргНИИВХ)
Н м Диаметр частиц d мм
15 20 30 40 50 70 100 150 200 250 300 400 500 600
0,5 1,12 1,23 1,41 1,52 1,62 1,75 1,88 1,97 2,0 2,0 — — — —
1,0 1,25 1,40 1,60 1,76 1,88 2,07 2,30 2,50 2,67 2,74 2,78 2,8 2,80 —
1,5 1,34 1,47 1,71 1,88 2,03 2,25 2,52 2,83 3,02 3,14 3,27 3,34 3,43 3,47
2,0 1,38 1,54 1,79 1,98 2,22 2,37 2,66 3,0 3,26 3,42 3,54 3,74 3,90 3,92
2,5 1,42 1,58 1,85 2,10 2,38 2,47 2,80 3,17 3,41 3,63 3,70 4,0 4,21 4,28
3,0 1,46 1,62 1,90 2,12 2,33 2,65 2,87 3,28 3,58 3,80 4,0 4,22 4,45 4,60
4,0 1,51 1,68 1,95 2,19 2,40 2,71 3,22 3,43 3,80 4,06 4,25 4,56 4,86 5,0
Предлагаемая Методика оценки форм транспорта наносов и подвижности руслового аллювия на реках водосбора р. Кубань состоит в следующем. Определяются характерные диаметры донных отложений из интегральной кривой крупности донных отложений, полученной в результате полевых работ ГГИ (табл. 2) или по данным Гидрологических ежегодников. Далее, по зависимостям форм транспорта наносов, приведенных выше, строится диаграмма, разграничивающая формы транспорта наносов в зависимости от глубины потока (наполнения русла) при известном постоянном уклоне дна реки. На этой диаграмме поле
координат (динамическая скорость потока с соответствующей ему крупностью частиц в мм — наполнение русла) разграничиваются на зоны, соответствующие движению частиц в виде:
— взвешенных наносов;
— сальтации до середины глубины потока;
— сальтации вблизи дна;
— влечения частиц по дну.
Нанесение на эту диаграмму любой характерной крупности гранулометрического состава донных наносов (слева) показывает, в какой форме будет двигаться эта частица с увеличением глубины потока (рис. 2).
во о-
V* = (ёН)0.5
влечение ча стиц по дну (1, мм 42
(150% = 23 1 1м, = 0.76 м/с сальтация вблизи дна 2
, . ' * 15
- ' " . - ' сальтация д о середины глуби ны потока 7,0
1,8
взвешенш ле наносы
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
| (З,м3/с | | 25 I | 97 | | 215 | - Н,м
0,4 IV*----1.28У»-1,75У»
Рис. 2. Диаграмма форм транспорта донных отложений на участке поста р. Большой Зеленчук — ст. Зеленчукская, 20.09.2007 г.
Таблица 2
Характеристики гранулометрического состава проб донных отложений, взятых фотографическим методом во время полевых работ ГГИ в 2007 г.
Река, пункт Дата № фото а ср.вз., мм а15, мм ¿50, мм ¿85, мм а тах, мм 4 й ср.взв
Адегой ст-ца Шапсугская 12.09 3 40 28 54 68 1.43
Белая х. Грозный 15.09 7 58 13 36 75 124 5.77 1.61
Пшеха с. Черниговское 17.09 10 79 20 48 110 140 5.50 1.65
Курджипс ст-ца Нижегородская 17.09 11 76 45 123 205 1.69
Б. Зеленчук пгт Архыз 19.09 12 26 18 33 57 1.44
Б.Зеленчук ст-ца Зеленчукская 20.09 13 49 23 74 186 2.13
Теберда г. Теберда 20.09 14 43 16 39 65 118 4.06 1.10
Кубань с. им. Коста Хетагурова 20.09 15 98 26 67 135 200 5.19 1.46
Аскаут с. Хасаут Греческое 21.09 16 76 36 128 250 2.11
Уруп ст-ца Удобная 22.09 19 69 15 46 84 122 5.60 1.50
Уруп ст-ца Удобная 22.09 20 22 14 30 71 1.57
Кубань х. Дегтяревский 23.09 21 26.5 17 34 84 1.56
Кубань х. Дегтяревский 23.09 22 34 22 43 100 1.55
V, ^э, м/с
0.5
♦
¿шах = 143 ММ
¿85% = 74 ММ ёср.взв = 49 мм
¿50% = 23 мм
1.5
Q, м3/с
20-30
97.5
2.5 Н, м
УИ(ср) □ У,И(шах)-^>(<150%)----^>(<185%) — ^>(с!шах)--^>(<1ср.вз)
Рис. 3. Измеренные расходы воды и неразмывающие скорости потока на участке водпоста р. Большой Зеленчук — ст. Зеленчукская, 2007 г.
1
0
0
2
1
Река, пункт Дата № фото а ср.вз., мм а15, мм ¿50, мм ¿85, мм а тах, мм ¿15 й ср.взв ¿50
Кубань г. Невинномысск 23.09 23 57 19 40 70 110 3.68 1.43
Кубань с. Успенское 24.09 24 40 5 26 60 118 12.00 1.54
Кубань с. Успенское 24.09 25 23 5 20 33 66 6.60 1.15
Кубань г. Армавир 24.09 26 32 5 23 34 63 6.80 1.39
М. Лаба с. Бурное 26.09 28 39 25 60 110 1.56
М. Лаба с. Бурное 26.09 29 115 20 93 143 212 7.15 1.24
М. Лаба с. Бурное 26.09 30 64 42 97 137 1.52
Лаба ст-ца Каладжинская 27.09 31 54 29 90 129 1.86
Лаба ст-ца Каладжинская 28.09 32 72 52 105 134 1.38
Лаба ст-ца Каладжинская 29.09 33 85 15 56 122 219 8.13 1.52
Далее по данным измеренных расходов воды в створе, где отбиралась проба (обычно створы гидрологических постов Росгидромета), в координатах (скорость потока — глубина потока) наносятся точки, соответствующие средним и максимальным значениям глубины и скорости потока (рис. 3).
На этом же рисунке строятся кривые неразмывающих скоростей потока для харак-
терных значений крупностей донных отложений dmax и т. д.), используя приведенную выше таблицу неразмывающих скоростей.
Совместное рассмотрение данных измеренных расходов воды и значений неразмыва-ющих скоростей потока для мелких, средних или крупных частиц смеси донных отложений позволяет определить условия (глубину и скорость потока, при которых частицы той или
00 о-
иной крупности начинают двигаться (измеренные скорости потока—выше неразмывающих скоростей). Расходы воды, соответствующие этим условиям, являются критическими, так как они определяют точки, когда частицы той или иной крупности вовлекаются в движение и с какой интенсивностью движутся в том или ином диапазоне расходов воды. Обеспеченности этих расходов и продолжительность диапазонов расходов воды между указанными критическими значениями расходов воды дают представления об интенсивности движения смеси донных отложений как внутри года, так и в многолетнем разрезе.
Проиллюстрируем использование изложенного метода на примере.
Река Большой Зеленчук (ст. Зеленчукская). Уклон дна J = 0.013.
На рис. 4 представлена фотография донных отложений, для которой производился расчет. Проба была взята во время полевого обследования участка р. Большой Зеленчук 20.09.2007 г.
На рис. 2 представлена диаграмма форм транспорта донных отложений на участке гидрометрического створа на реке Б. Зеленчук, ст. Зеленчукская. Как следует из этого рисунка, средняя крупность донных отло-
Рис. 4. Пробы донных отложений на участке гидрологического поста р. Б. Зеленчук — ст. Зеленчукская
жений при значениях глубины потока менее 1.5 м движется в форме влечения по дну. Это происходит при расходах воды менее 215 м3/с. В диапазоне глубин 1.5-3.0 м частицы этой крупности будут двигаться в форме сальтации вблизи дна. Из этой же диаграммы следует, что частицы, крупнее 50 мм (d70), во всем диапазоне глубин будут двигаться только в форме влечения по дну.
На рис. 3 на оси глубин потока обозначены критические точки, показывающие момент вовлечения в движение частиц d00; d ; dg0% и dmx рассматриваемой пробы донных отложений. Из этого рисунка следует, что частицы крупностью d00 = 23 мм; dS0 = 74 мм и dmax= 143 мм вовлекаются в движение соответственно при расходах воды 20-30 м3/с; 50-55 м3/с и 97.5 м3/с. Это означает, что при расходах воды менее 20-30 м3/с наносы на дне не движутся. В диапазоне расходов воды от 20-30 м3/с до 50-55 м3/с движутся только частицы крупностью 23 мм. В диапазоне расходов воды от 50-55 м3/с до 97 м3/с движутся наносы крупностью менее 143 мм, а начиная с расходов воды более 97 м3/с в русле реки движется вся смесь донных отложений.
Из таблицы измеренных расходов воды на участке р. Б. Зеленчук — ст. Зеленчукская (табл. 3) следует, что в диапазоне расходов воды 8-225 м3/с средняя глубина и средняя скорость потока варьируют соответственно в диапазоне 0.4-1.4 м и 0.7-3.9 м/с, а максимальная — в диапазоне 0.7-1.9 м и 0.9-5.8 м/с.
В этой таблице представлены также значения чисел Фруда и относительной гладкости потока—Ьср/<!50. Как известно, при полной подвижности руслового аллювия и значениях (ЬсрМ50) > 30 в реках образуются русловые микро- и мезоформы. Значения ЬсрМ50, рас-
считанные для исследуемого участка р. Б. Зеленчук, свидетельствуют о возможности формирования здесь при относительно больших
расходах воды и наполнении русла структурных форм перемещения донных отложений в виде русловых микро- и мезоформ.
Таблица 3
Измеренные расходы воды на участке р. Б. Зеленчук — ст. Зеленчукская
Дата измерения Уро -вень воды (см) над 0 поста Расход воды (м3/с) Скорость течения (м/с) Глубина (м) ¿50 = 23, мм ¿85 = 74, мм а = 200, макс ' мм Бг
средняя макс. средняя макс. К ¿50 к ер <1*5 V ср -Щ
1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14
12.02 230 7.58 0.7 0.94 0.37 0.67 16.1 5.0 1.9 0.37
9.03 254 24.9 1.35 1.82 0.5 0.91 21.7 6.8 2.5 0.61
26.03 248 17.5 1.02 1.38 0.48 0.85 20.9 6.5 2.4 0.47
3.04 259 32.5 1.54 2.08 0.57 0.96 24.8 7.7 2.9 0.65
11.04 284 65 2.14 2.89 0.8 1.21 34.8 10.8 4.0 0.76
16.04 340 164 3.07 5.59 1.33 1.77 57.8 18.0 6.7 0.85
30.04 276 50.9 1.84 2.49 0.73 1.13 31.7 9.9 3.7 0.69
1.05 275 41.3 1.49 2.02 0.73 1.13 31.7 9.9 3.7 0.56
28.05 348 208 3.66 4.95 1.42 1.85 61.7 19.2 7.1 0.98
19.06 308 97.5 2.46 3.32 1.01 1.45 43.9 13.6 5.1 0.78
2.07 336 168 3.26 4.52 1.28 1.73 55.7 17.3 6.4 0.92
8.07 350 225 3.93 5.78 1.42 1.87 61.7 19.2 7.1 1.05
29.07 304 101 2.65 3.59 0.97 1.41 42.2 13.1 4.9 0.86
2.08 295 84 2.41 3.47 0.9 1.32 39.1 12.2 4.5 0.81
9.08 301 99.5 2.58 3.71 1 1.38 43.5 13.5 5.0 0.82
27.08 276 54.9 1.99 2.81 0.73 1.13 31.7 9.9 3.7 0.74
3.09 281 72.7 2.46 3.47 0.78 1.18 33.9 10.5 3.9 0.89
6.09 268 48.8 2 2.81 0.65 1.05 28.3 8.8 3.3 0.79
20.09 244 28.1 1.7 2.6 0.5 0.81 21.7 6.8 2.5 0.77
1.01 296 87.6 2.52 3.4 0.9 1.62 39.1 12.2 4.5 0.85
16.01 246 19.9 1.21 1.63 0.5 0.81 21.7 6.8 2.5 0.55
30.01 253 24.9 1.35 1.82 0.5 0.91 21.7 6.8 2.5 0.61
5.11 305 99.8 2.62 3.54 0.97 1.41 42.2 13.1 4.9 0.85
10.11 256 31.2 1.48 2 0.57 0.91 24.8 7.7 2.9 0.63
участков р. Кубань и р. Б. Зеленчук, ст. Зелен-чукская.
Как следует из табл. 4, начало движения наименьших фракций на исследуемых участках начинается при расходах воды меньших, чем их среднемноголетние значения.
Таблица 4
Обеспеченность расходов воды, соответствующих критическим фазам
движения частиц наносов
Используя описанную выше методику, представляется возможным выполнить анализ руслоформирующих условий на конкретных участках русел рек с учетом характеристик подвижности донных отложений на этих участках. В качестве примера в табл. 4 и 5 представлены результаты расчетов для трех
Участок реки 0 ^-шах, ср, м3/с фракция 0 ^-нач движения, м3/с Обеспеченность 0 нач движения
в ряду максимальных расходов в ряду средних годовых расходов
Кубань с. им. Коста Хетагурова 448 й тах 318 64 %
210 91 %
46
Кубань с. Успенское 631 334 81 %
< 80
Кубань г. Армавир й тах 657 47 %
746 й85 250 98 %
159 60 %
Б. Зеленчук ст-ца Зеленчукская 177 й тах 99,8 94 %
55 0 <Р<0
й50 24,9 73 %
Вовлечение в движение более крупных наносов (ё5д-ё85) наблюдается на исследуемых участках в широком диапазоне расходов от среднегодовых (Р0 = 60-73 %) до максимальных Р = 81-98%).
4 Отах '
Вовлечение в движение всех фракций наносов, включая dmax, происходит при максимальных расходах воды, практически не превышающих средний максимум (Рдтах = 47-94 %).
В табл. 4 расходы, связанные с нача-
лом движения разных фракций наносов, выражены через их обеспеченности в однородных рядах максимальных и средних годовых расходов воды. Кроме такой формы представления, можно выразить их через обеспеченности за весь период наблюдений (табл. 5). Такая форма представления наглядно демонстрирует, какую часть времени за весь период наблюдений в движение были вовлечены определенные фракции донных отложений.
Таблица 5
Продолжительность стояния суточных расходов воды, соответствующих критическим
фазам движения частиц наносов
Участок реки Q ^-max, ср, м3/с фракция Q ^-нач движения, м3/с Продолжительность стояния Q г ^-нач движения
период наблюдений, N, сут число случаев, m, сут частота, Р = m|N
Кубань с. им. Коста Хетагурова 448 d max 318 18254 164 0,0090
d50 210 1315 0,0720
d5 46 8760 0,4799
Кубань с. Успенское 631 d50 334 15885 527 0,0332
d25 < 80 5730 0,3607
Кубань г. Армавир 746 dmax max 657 18264 59 0,0032
d85 250 2130 0,1166
d50 159 4620 0,2530
Б. Зеленчук ст-ца Зеленчукская 177 dmax max 99,8 18174 284 0,0156
d85 55 3200 0,1761
d50 24,9 7700 0,4237
В табл. 5 период наблюдений выражен в сутках N = 365п, где п — число лет наблюдений. Число случаев т выражает количество суток за весь период наблюдений, когда наблюдался транспорт наносов той или иной фракции. А число т / N выражает частоту повторяемости активной фазы движения наносов за период наблюдений.
Особый интерес представляет число случаев т , когда наблюдался транспорт наносов и частота повторяемости т / N для фракций dmax, соотвтетственно для участков р. Кубани, с. им. Коста Хетагурова, с. Успенское. г. Армавир и р. Б. Зеленчук, ст. Зеленчукская.
Значения т и Р = т / N из табл. 5 для указанных участков русел при dmax определяют период, в течение которого наблюдался процесс руслоформирования (полная подвиж-
ность донных отложений) в состоянии динамического равновесия, когда поток управляет руслом, создает его общий облик (тип руслового процесса), русловые микро- и мезоформы установившегося профиля, а расход донных наносов и гидравлические сопротивления соответствуют состоянию динамического равновесия.
Разработанный метод позволяет выполнять расчеты и прогнозы характеристик транспорта наносов (подвижность наносов и динамические характеристики русловых форм, расход и сток донных наносов и др.) за любой интервал времени T = MP, где M — число суток расчетного (прогнозируемого) периода, а Р = m/N — частота повторяемости активного руслоформирования, установленная для периода наблюдений.
00 о-
Для расчета расхода и стока донных наносов в реках бассейна Кубани рекомендуется использовать методы, описанные в работе З. Д. Копалиани, А. А. Костюченко (Расчеты... , 2004).
Плановые переформирования речных русел
Среди теоретических и практических задач, связанных с русловым процессом, плановые переформирования речных русел имеют важнейшее значение, прежде всего в связи с необходимостью защиты прибрежных территорий (населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, дорог и других объектов) от размыва и затопления паводковыми водами, а также рационального проектирования и эксплуатации инженерных сооружений и их комплексов в руслах и поймах рек.
В составе настоящих НИР по комплексному исследованию бассейна р. Кубань был выполнен большой объем работ по оценке и анализу плановых переформирований речных русел в этом водосборе. На основе то-
пографических карт разного масштаба и времени съемки, лоцманских карт, аэрокосмических материалов и полевых исследований был выполнен анализ плановых переформирований русел на большом протяжении рек бассейна Кубани (в том числе Кубань, Лаба, Белая и др.).
В качестве примера приведем результаты анализа плановых переформирований русел р. Кубань, Лаба и Белая.
На рис. 5 представлен участок русла р. Кубань протяженностью 27 км ниже г. Но-вокубанска, на котором чередуются участки русловой и пойменной многорукавности с элементами свободного и незавершенного меандрирования в отдельных рукавах. Для анализа этого участка было выполнено совмещение топографических карт 1971 и 2000 г. масштаба 1:25000 и весь участок разбит на четыре подучастка.
Из этого рисунка видно, что на подуча-стке 1 за период 1971-2000 гг. произошло перераспределение меженного стока между рукавами крутой излучины и спрямление этой
Рис. 5. Плановые переформирования русла р. Кубань ниже г. Новокубанска за период 1971-2000 гг.
излучины с отмиранием основного русла, а ниже этой излучины, левосторонняя излучина сместилась влево на 100 м (3,4 м/год).
На под участке 2 за тот же период происходили аналогичные процессы. В средней части этого под участка максимальное смещение вогнутого берега излучин составило также 100 м (3,4 м/год).
На подучастке 3 проиходили интенсивные русловые переформирования: в верхней половине внутрирусловые, а в нижней — плановые переформирования, при которых произошло отмирание одних и развитие других рукавов русла. При этом расстояния между отмершими и действующими рукавами меженного русла составили от 450 м до 500 м.
На подучастке 4 с пойменной многору-кавностью произошли наиболее значительные плановые переформирования. Меженное русло реки, из многорукавного с поясом пойменной многорукавности 1250 м, превратилось в однорукавное с чередованием излучин свободного и незавершенного меандрирования. При этом расстояние между действующим и отмершими рукавами русла в нижней части участка реки составило 1000 м.
В качестве примера приведем результаты анализа плановых переформирований русел рек Кубани, Лабы и Белой.
В результате совмещения топографических карт масштаба 1:25000 участка русла р. Кубань длиной 20 км в районе ст. Ладожская за 1970-2002 гг. было выявлено, что здесь русловой процесс развивается по схеме свободного меандрирования с элементами незавершенного меандрирования и осеред-кового типа (русловая многорукавность) на отдельных участках. В 10-16 км выше ст. Ладожская за этот период два русловых разветвления сменились однорукавным руслом, а в 4 км выше ст. Ладожская осередок длиной 1750 м сместился вниз по течению на 875 м (27 км/год).
Плановые смещения меандрирующего русла в 3 км ниже ст. Ладожской за период 1970-2002 гг. составили 100 м (3,1 м/год).
На рис. 6 представлен совмещенный план (по топографическим картам масштаба 1:25000) нижнего течения р. Лабы, протяженностью более 50 км, за период 1970-2002 гг.
Участок разделен на 6 подучастков. На всем протяжении, кроме подучастка 3, русло Лабы развивается по схеме свободного меан-дрирования. Подучасток 2 включает в себя 8 хорошо развитых излучин. Максимальное плановое смещение излучин за 32 года на этом подучастке соствило 200 м (6,2 м/год). На подучастке 2 максимальные поперечные перемещения русла за период 1970-2002 гг. оказались наибольшими и для всего 50-километрового, устьевого участка реки составили 500 м (15,6 м/год).
На подучастке 3, русло реки согласно карте 1970 г., развивалось по схеме пойменной многорукавности. Левая протока русла у г. Догужиев, отстоящая от главного русла на расстоянии 1000 м, к 2002 г. перестала функционировать, и в настоящее время русло протекает одним рукавом.
Подучастки 4-6 русла р. Лабы находятся в зоне переменного подпора от р. Кубань, что отражается на интенсивности планового переформирования русла, затухании темпов планового смещения русла. За период 19702002 гг. на подучастке 5 произошло спрямление развитой излучины и русло ушло вправо на 740 м. Плановое, максимальное смещение русла на участках 4-6 составило 125 м (3,9 м/ год).
В результате совмещения топографических карт 1968, 1986 гг. и аэрокосмических снимков 2007 г. были определены также характер и темпы плановых деформаций русла р. Белой выше г. Белореченска. На отдельных участках русла за этот период плановые деформации составили 30-50 м (1,5-2,5 м/год); 120 м (5,5 м/год) и 200 м (9,5 м/год) соответственно.
Особый интерес представляют русловые процессы и, в частности, плановые переформирования р. Кубань ниже Краснодарского водохранилища.
Река Кубань в 1972-1973 гг. на участке 246 км от устья по судовому ходу была перекрыта плотиной Краснодарского гидроузла высотой 22 м, образующей Краснодарское водохранилище длиной 46 км, шириной 8-12 км (глубина 10-16 м).
Таким образом, участок р. Кубани длиной 246 км оказался в нижнем бьефе этого
00 о-
Рис 6. Плановые переформирования русла р. Лабы в нижнем течении за период 1970-2002 гг.
гидроузла, а участок реки большого протяжения выше плотины — в зоне переменного подпора от этого водохранилища.
Как известно, строительство напорных плотин на реках коренным образом изменяет естественный режим русловых деформаций на большом протяжении. Участок реки, который до возведения плотины в естественном состоянии являлся транзитным участком в состоянии динамического равновесия с обратимыми русловыми деформациями, пропускающим поступающие сверху донные и взвешенные наносы вместе со стоком воды вниз по течению, меняет свои функции. Верхний бьеф становится зоной аккумуляции поступающих со всего водосбора выше ГЭС наносов, а нижний бьеф из транзитного участка превращается в зону необратимой эрозии, источник питания наносами участка реки ниже плотины. Кроме того, после регулирования стока водохранилищем в нижнем бьефе существенно меняется режим речного стока и соответственно условия руслоформирования.
В 1980-1983 гг. в ГГИ был выполнен комплекс теоретических, натурных и лабораторных исследований по оценке руслового процесса р. Кубани на участке ниже Краснодарского гидроузла. Для оценки плановых деформаций использовались имеющиеся лоцманские карты М1:10 000 1911-1912 гг. и 1949 г. и топографические карты масштаба 1:25 000 1959 и 1989 гг.
Этот материал позволяет оценить характер и интенсивность плановых деформаций русла р. Кубани за два периода: за 1911-1948 гг. (37 лет), когда антропогенное влияние на русловой режим Кубани сводилось лишь к наличию дамб обвалования, и за период 1948-1980 гг. (32 года), отличающийся интенсивным хозяйственным вмешательством в естественный ход развития русловых деформаций (наличие Краснодарского гидроузла, массовые выемки аллювия из русла реки, русловыправительные сооружения, дночерпательные работы и т. д.).
Характер и темпы плановых деформаций русла изучались по отдельным участкам,
отличающимся между собой как естественными условиями, так и по степени хозяйственного воздействия на русло реки.
В табл. 6 представлены темпы плановых
деформаций меандрирующего участка р. Кубань ниже Краснодарского гидроузла после его ввода в действие в условиях измененного водного режима.
Таблица 6
Темпы плановых деформаций меандрирующего участка р. Кубань от плотины Краснодарского водохранилища до Тиховского гидроузла и в дельтовых рукавах Кубань и Протока
Участок русла по лоцманской карте, км Период совмещения, годы Величина размыва вогнутого берега русла за период совмещения, м Среденегодовые темпы размыва берегов, м/год
Участок русла между гидроузлами
247 1992-2007 100 6,6
246 1992-2007 45 3,0
237 1983-2007 22 0,9
232 1978-2007 10 0,7
224 1992-2007 30 2,0
220-216 1985-2000 50 2,0
208 1983-2007 20 0,8
194 1980-2007 38 1,4
190 1980-2007 40 1,5
186 1980-2007 70 2,6
179 1980-2007 34 1,2
130 1980-2007 10 0,37
119 1980-2003 10 0,43
Рукав Кубань
113-114 1911-1980 300 4,3
100-101 1911-1980 250 3,6
96 1911-1980 60 0,9
88 1911-1980 75 0,4
58 1911-1980 50 0,7
51 1911-1980 80 1,1
23-48 1911-1980 50 0,7
0-50 1911-1980 50 0,7
Рукав Протока
132 1911-1980 100 1,4
127 1911-1980 50 0,7
92 1911-1980 50 0,7
55-82 1911-1980 25 0,35
По данным табл. 6 среднегодовые темпы размыва берегов русла р. Кубань ниже плотины Краснодарского гидроузла в последние 15-27 лет существенно отличаются на разных участках, составляя 0,4-6,6 м/год. После деления р. Кубань на два рукава Кубань и Протоку плановые деформации русла значительно ослабевают.
По рукаву Кубань за 1911-1980 гг. наибольшие плановые смещения произошли на участках 114-113 км по судовому ходу и составили за этот период 300 м (4,3 м/год) и на участке 101-100 км — 250 м (3,6 м/год).
Ниже по течению в рукаве Кубань на участке 83-50-й км по судовому ходу плановые деформации составили 0-1,1 м/год, а по конкретным створам: 96-й км по судовому ходу за период 1911-1980 гг. — 60 м (0,9 м/год); 88-й км — 25 м (0,4 м/год); 58-й км — 50 м (0,7 м/год); 51-й км — 80 м (1,1 м/год).
На нижнем участке рукава Кубань наибольшие плановые деформации за этот же период были невысокими: 27-го км по судовому ходу — 25 м (4 м/год); 48-23-го км — от 0 до 50 м (0,7 м/год) и на участке до устья — от 0 до 50 м (0,7 м/год) в створе 9-го км по судовому ходу. Таким образом, плановые деформации в рукаве Кубань уменьшаются (затухают) от истока этого рукава к устью.
В рукаве Протока наибольшие плановые деформации (смещения) вогнутых берегов русла за период 1911-1980 гг. составили соответственно на участках: 132-й км по судовому ходу — 100 м (1,4 м/год); 127-й км — 50 м (0,7 м/год); 92-й км — 50 м (0,7 м/год); 82-55-й км — 25 м (0,35 м/год).
Плановые деформации в дельтовых рукавах р. Кубани, по данным исследований МГУ за последние 20 лет, в основном не превышали величин 3-5 м, то есть составляли в среднем 0,15-0,25 м/год, достигая на вогнутых берегах некоторых излучин 1 м/год.
На участках с крутыми излучинами за последние 7-10 лет наблюдался размыв выпуклых берегов на 10-20 м (1,0-2,8 м/ год).
Все это согласуется с ранее наблюдавшимися (до 1980 г.) темпами плановых деформаций русла дельтовых проток р. Кубань.
Высотные деформации русел рек
Наряду с плановыми высотные деформации дна также являются важной характеристикой руслового процесса. Высотные и плановые деформации речных русел взаимосвязаны и взаимообусловлены. Характер связи высотных и плановых изменений речных русел в естественных условиях определяется прежде всего типом руслового процесса, то есть конкретной схемой русловых переформирований, свойственной каждому типу руслового процесса. Режим, виды и абсолютные и относительные величины высотных деформаций дна речных русел зависят от размеров реки, речных и русловых мезо- и микроформ и их динамических характеристик.
Высотные деформации русел рек, обусловленные плановыми перемещениями русла, наиболее значительны в береговой зоне при размыве пойменных берегов русла и образовании здесь плесовых ям.
Внутрирусловые, знакопеременные, обратимые колебания отметок дна, обусловленные перемещением в реке русловых мезо-форм, также существенны, достигая величин 0,6 НБ, где НБ — средняя глубина потока в бровках русла.
Колебания отметок дна, связанные с образованием и перемещением по дну русловых микроформ типа рифелей и гряд составляют (0,06-0,25)Н, где Н — глубина потока, при которой сформированы эти микроформы.
При искусственном вмешательстве в естественный ход развития русловых деформаций (регулирование русла, землечерпание и карьерные разработки, строительство стру-енаправляющих и берегозащитных сооружений и др.) высотные деформации дна принимают гипертрофированную форму и размеры, не подчиняясь закономерностям естественного руслового режима реки.
Для анализа высотных деформаций дна русел рек бассейна Кубани были использованы данные измерений в гидрометрических створах, выполненные на различных участках рек Кубани, Лабы, Белой, Пшиш, Псекупс, Северо-Кавказским управлением Росгидромета, Открытым акционерным обществом «Северо-Кавказский институт по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строи-
тельства» («Севкавгипроводхоз») и Открытым акционерным обществом «Проектно-изыска-тельский институт "Кубаньводпроект"».
В табл. 7 представлены результаты совмещения поперечных профилей русел рек бассейна Кубани в 45 створах перечисленных выше рек.
Данные «Севкавгипроводхоза» охватывают период времени с 1998 по 2006 г. (р. Кубань ниже плотины Невинномысского гидроузла) и с 2001 по 2006 г. (р. Кубань, ст. Барсу-ковская). Поэтому максимальные колебания отметок дна на указанных участках, представленные в графах 4-5 отражают высотные деформации дна (размывы и намывы) во время катастрофического паводка 2002 г. Как следует из табл. 7, величины высотных деформаций весьма внушительны. Они связаны с движением мезоформ в русле реки высотой 1,4-1,3 м и размывом береговой полосы русла шириной 53 м у ст. Барсуковской на глубину 4,5 м.
Данные Северо-Кавказского управления Росгидромета выявили максимальные размывы дна в поперечных сечениях русла р. Кубань в гидрометрических створах у х. Дегтяревский и с. Успенское во время паводка 2002 г., соответственно 2,5 м и 0,94 м (табл. 7).
По данным Северо-Кавказского управления Росгидромета, величины измеренных внутригодовых колебаний отметок дна за разные годы, полученные в результате совмещения 4-8 поперечных сечений русла в каждом из них достигают: 1,2 м (р. Кубань, ст. Ладожская, 1978); 0,56 м (р. Лаба, х. Догужиев, 1987); 0,90 м (р. Белая, х. Грозный, 1987); 0,90 м (р. Пшиш, аул Теучежхабль, 1967); 0,88 м (р. Псекупс, г. Горячий Ключ, 1967).
Максимальные колебания отметок дна русла р. Пшиш у ст. Беджуховская в период 1990-1995 гг. составили 1,1-1,0 м (табл. 7).
Данные «Кубаньводпроекта» по 20 поперечным сечениям русла р. Кубань в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла на участке 247,2-118,7 км от устья (табл. 7) демонстрируют явное превалирование на преобладающем большинстве этих участков размыва над намывом. Абсолютные величины максимальных размывов русла достигают 8,2 м (247,2 км от устья), а максимальный намыв 3,1 м (185,6 км от устья).
Как отмечалось, интенсивное и разнообразное инженерное вмешательство в естественный ход развития русловых деформаций на участке русла р. Кубань между Краснодарским и Тиховским гидроузлами протяженностью 128 км оказывает решающее влияние на характер, величины и темпы плановых и высотных деформаций русла на этом участке (табл. 7, графа 6).
МГУ был выполнен также анализ высотных деформаций дна рукавов дельты р. Кубани: соответственно Кубани и Протоки за период 1965-2001 гг. Были использованы лоцманские карты 1965 и 1985 гг., а также результаты полевых исследований МГУ 2001 г.
Установлено, что за период 1965-1985 гг. на участке от истока рукава Кубань до 75 км судового хода протяженностью 42 км наблюдалась тенденция к размыву дна. Далее на участке протяженностью 50 км (между 75 и 25 км по судовому ходу) наблюдалась аккумуляция. Ниже, на участке длиной 17 км (между 25 и 8 км судового хода) наблюдалась тенденция к размыву и на приустьевом участке длиной 8 км (8-0 км судового хода) преобладали аккумуляция наносов и повышение отметок дна.
В период с 1985 по 2001 гг. направленность высотных деформаций дна в рукаве Кубань существенно изменилась. На всем верхнем участке русла от истока рукава до 45 км по судовому ходу протяженностью 72 км стали преобладать процессы аккумуляции наносов с повышением отметок дна, а ниже, вплоть до морского края дельты на протяжении 45 км, преобладали процессы размыва дна.
В рукаве Протока в период с 1965 по 1985 г. по всей длине реки преобладала аккумуляция наносов. В период 1985-2001 гг. на участке от истока рукава до 100 км по судовому ходу протяженностью 33 км происходили знакопеременные деформации со слабой тенденцией аккумуляции наносов, а ниже, до морского края дельты, наблюдался размыв дна, особенно интенсивный на участке протяженностью 28 км (38-10 км по судовому ходу). По-видимому, отмеченное явилось следствием увеличения после 1985 г. водоносности рукава Протока и постепенного увеличения расходов воды в нижней части Протоки в результате поступления воды из сбросных каналов.
Таблица 7
Высотные деформации дна рек бассейна р. Кубань
№ п/п Река пункт Интервал времени совмещения поперечников, годы Максимальные колебания отметок дна в поперечнике ПРИМЕЧАНИЯ
РАЗМЫВ НАМЫВ
абс. величина, м абс. величина, м
относительно уровня высоких вод 2002 г, м относительно уровня высоких вод 2002 г, м
1 2 3 4 5 6
Данные ОАО «Севкавгипроводхоз»
1 Кубань, 220 м ниже плотины Невинномыс-ского ГУ 1998-2006 14 0,23 0,75 0,12 Размыв мезоформы шириной 87 м (графа 4). Намыв русловой формы шириной 21 м (графа 5)
2 Кубань, 1580 м ниже плотины Невинномыс-ского ГУ 1998-2006 1,30 0,22 1,30 0,23 Ширина полосы размыва 35 м, намыва — 30 м
3 Кубань, ст. Барсуковская 2001-2006 4,5 0,67 4,0 0,27 Размыв береговой полосы, шириной 53 м (графа 4). Намыв русловой формы шириной 25 м (графа 5)
Данные Северокавказского Росгидромета
4 Кубань, х. Дегтяревс-кий 11.07.2007 23.08.2002 2,50
5 Кубань, с. Успенское 2001-2002 0,94
6 Кубань, ст. Ладожская 1978 1,20 1,35 Сезонные, внутригодовые колебания отметок дна
7 1980 0,90 1,35
8 1982 1,30
9 1987 0,70 0,7
10 Лаба, х. Догужиев 1974 0,31 0,11 0,50 0,16 В знаменателе — колебания дна относительно отметок бровки русла
11 1977 0,45 0,20 0,67 0,22
Таблица 7 (Продолжение)
12 1980 0,53 0,18 0,59 0,22
13 1985 0,27 0,14 0,36 0,16
14 1987 0,56 0,14 0,80 0,27
15 1989 0,22 0,05 0,54 0,13
16 Белая, х. Грозный 1966 0,22 0,67
17 1970 0,44 0,95
18 1987 0,90 0,90 За период с 10.03 по 28.09.1987 г. через этот створ прошла русловая мезоформа высотой 0,9 м и шириной 92 м
19 Пшиш, ст. Беджухов-ская 1990-1995 1,10 1,0 Максимальные колебания отметок дна русла в течение 5 лет
20 Пшиш, аул Теучежхабль 1967 0,72 0,9 Сезонные (внутригодовые) колебания отметок дна
21 1971 0,76 0,60
22 1981 0,40 0,40
23 Псекупс, г. Горячий ключ 1967 0,34 0,88
24 1981 0,35 0,65
25 1987 0,12 0,12
Данные ОАО «Кубаньводпроект»
26 Кубань, ниже бьефа Краснодарского ГУ, 247,2 км от устья 1973-1992 8,2 0,68 Влияние строительных работ и карьерных разработок. В графах 4 и 5, здесь и ниже, представлены колебания отметок дна относительно уровня воды при Q = 1500 м3/с в 2006-2007 гг.
1992-2007 4,5 0,39
27 246,2 км от устья 1973-1992 5,0 0,52 То же
1992-2007 15 0,18
Таблица 7 (Продолжение)
28 242,1 км от устья 1973-2007 3,0 0,15 Общий размыв русла. Влияние карьерных разработок
29 236,6 км от устья 1973-2007 4,0 0,52 Знакопеременные колебания отметок дна на фоне общего размыва. Влияние карьерных разработок
1978-1983 16 0,22
30 231,7 км от устья 1978-2007 2,0 0,23 Общий размыв. Влияние рус-лорегулирующих мероприятий и карьерных разработок
1978-1983 2,0 0,24
31 228,1 км от устья 1973-2007 5,5 0,58 Общий размыв в 18,7 км ниже плотины в черте г. Краснодара. Интенсивное антропогенное воздействие (крепление берегов), струенаправляющие дамбы, дноуглубительные, русло-выпрямительные работы, мостовые переходы
32 223,7 км от устья 1975-2007 4,0 0,44 Регулирование русла струе-направляющими шпорами, крепление правого берега
1975-1983 16 0,24
33 208,5 км от устья 1978-2007 2,8 0,27 Общий размыв, регулирование русла и карьерные разработки
34 195,6 км от устья 1980-2007 2,0 0,31 Знакопеременные колебания отметок дна на фоне общего размыва
1980-1983 13 0,24
35 193,6 км от устья 1980-2007 1,9 0,27 Общий размыв, влияние регулирования русла и карьерных разработок
36 190,2 км от устья 1980-2007 3,8 0,51 2,6 0,47 Знакопеременные колебания отметок дна
37 185,6 км от устья 1980-2007 4,0 0,57 3,1 0,60 Знакопеременные колебания отметок дна. Регулирование русла и карьерные разработки
38 179,1 км от устья 1980-2007 0,90 0,13 Слабый, общий размыв русла
Таблица 7 (Окончание)
39 165,8 км от устья 1980- 2007 3,9 0,39 Общий размыв русла
40 155,8 км от устья 1980- 2007 0,3 0,05 0,5 0,08 Зона переменного подпора от Федоровского гидроузла
41 149,7 км от устья 1980 2007 2,0 0,23 Общий размыв русла
42 1980 2007 1,4 0,15 Общий размыв русла, карьеры
43 139,9 км от устья 1980 2007 2,0 0,40 Общий размыв русла. Влияние противопаводковых и бе-регоукрепляющих работ
44 129,9 км от устья 1980 2007 2,0 0,18 0,09 Карьерные разработки
45 118,7 км от устья 1980 2003 0,3 0,12 Общий размыв русла. Влияние строительных работ Ти-ховского ГУ
Представленные в настоящей статье результаты исследований различных аспектов руслового процесса рек бассейна Кубани, методы анализа и количественной оценки характеристик транспорта наносов и руслового процесса, а также данные о плано-
вых и высотных деформациях речных русел могут быть использованы для организации мониторинга и учета руслового процесса с целью устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса бассейна р. Кубань.
Список литературы
1. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 271 с.
2. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов) ВСН 163-83. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 143 с.
3. Методические указания по расчету устойчивых аллювиальных русел горных рек при проектировании гидротехнических сооружений. — М.: Колос, 1972. — 63 с.
4. Копалиани З. Д., Костюченко А. А. Расчеты расхода донных наносов в реках: сборник работ по гидрологии. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. — № 27. — С. 25-40.
во о-
