Техногенные воздействия на вертикальные деформации русла и гидравлику потока

Краткое описание

Введение...5

1. Современное состояние исследований влияния русловых карьеров на ускорение темпов рельефообразующих процессов...11

1.1. Теоретические предпосылки типизации русловых процессов и формы проявления вертикальных деформаций...15

1.2. Величина "посадки" уровней как определяющий фактор объема годовой добычи НСМ...25

1.3. Существующие способы расчета расхода донных наносов...27

1.4. Возможности прогнозов русловых деформаций с использованием моделирования...41

2. Особенности формирования жидкого и твердого стока р.Томи и русловой процесс на участке исследования...47

2.1. Рельеф и геология...48

2.2. Общая характеристика водного режима бассейна р.Томи...52

2.3. Водный режим р.Томи у г.Томска...55

2.4. Русловой процесс на участке исследования...57

2.5. Виды воздействия хозяйственной деятельности на русловой и гидравлический режимы р.Томи...72

2.6. Общие сведения о добыче НСМ в руслах и поймах рек и водохранилищ...73

2.7. Краткая история добычи НСМ из русловых карьеров Томской области...77

2.8. Современное состояние русла реки Томи на участках отработанных карьеров на территории Томской области...78

3. Методика оценки влияния хозяйственной деятельности на изменения водного и гидравлического режимов и русловые деформации...89

3.1. Влияние добычи НСМ науровенный режим р.Томи...89

4

3.2. Изменения положения кривой расходов Q = f(H)...94

3.3. Анализ гидравлических характеристик на водомерном посту Томск-гидроствор...98

3.4. Влияние падения уровней на уклоны свободной поверхности...101

3.5. Исследование изменений продольного профиля и кривых свободной поверхности...104

3.6. Влияние хозяйственной деятельности на перераспределение стока

по протокам...115

4. Исследование изменений гидравлических характеристик на

компьютерных моделях...123

4.1. Теоретические подходы к моделированию взаимодействия потока

и русла в моделях серии НЕС...123

4.2. Калибровка системы на примере модели р.Томи...133

4.3. Моделирование участка речной сети с учетом добычи НСМ ...140

4.4. Исследование стока влекомых наносов инструментальными методами...159

Заключение...166

Список использованной литературы...168

Приложение 1. Сравнение измеренной и рассчитанной кривой свободной

поверхности на участке апробации модели...183

Приложение 2. Сравнение фактического продольного профиля и КСП с

полученным в результате моделирования...184

Приложение 3. КСП пр.Светлая до отработки месторождения ПГС...185

Приложение 4. КСП пр.Светлая при разработке месторождения ПГС по

второму варианту...186

Приложение 5. КСП пр.Светлая при разработке месторождения ПГС по

второму варианту...187

Приложение 6. Совмещенные КСП и продольные профили пр.Светлая с отработкой и без отработки месторождения ПГС через 22 года...188
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современных представлениях о русловом процессе рек как формы взаимодействия потока и русла наибольшее внимание уделено плановым деформациям русла т.к. прогноз таких деформаций позволяет принимать решения о расположении различных объектов вблизи рек. Вертикальные деформации в данном контексте считаются вторичными и их расчет, в основном, основывается на проявлении их в естественных условиях. Аллювиальный материал рек, песок, песчано-гравийная смесь, гравий и галька в большом количестве используются в строительстве уже в течение многих десятков лет. Это и строительство дорог, а также различных жилых и промышленных зданий и сооружений и т.д. Добыча нерудных материалов плавучими техническими средствами на русловых затопленных месторождениях или обводненных непродуктивных пойменных землях и перевозка этих материалов водным транспортом, являются экономически эффективными. Многие реки России в течение длительного времени являлись поставщиками песчаного и гравийно-галечного материала и остаются ими по сей день. Естественно, выемка аллювия в количестве многократно превышающем естественный сток наносов не могла не отразится на их русловом режиме (деформации русла, стоке наносов) и гидравлических характеристиках (уклонов свободной поверхности, скоростей течения). Участки многих рек в результате длительной добычи песчано-гравийных материалов (ПГМ) из их русел необратимо преобразили свой облик. Это такие реки как Иртыш у г.Омска, Белая, Терек, Волга, Томь и т.д.

Кроме выемки ПГМ из русел рек немаловажным фактором, влияющим на гидравлический и русловой режимы реки является гидротехническое строительство на самой реке, ее притоках и главной по отношению к ней реке. Важно правильно определить возможное влияние и процессы, возникающие в

6

результате такого строительства и мероприятия по предотвращению переформирования русла и разрушения самих гидротехнических сооружений.

В настоящее время остро встает вопрос о достижении максимума эколого-экономической эффективности добычи нерудных строительных материалов (НСМ) из русел рек. Следует отметить, что до сих пор методы исследования влияния карьеров имеют слабое теоретическое обоснование. Исследования гидравлики потока в речном карьере проводились лишь на лабораторных установках с небольшим количеством вариантов относительных размеров и гидравлических характеристик потока. Предлагаемые в различных руководствах и рекомендациях способы оценки влияния карьеров на режим потока и русла могут быть применены для одиночных карьеров в однорукавных руслах.

Предметом исследования данной работы является влияние техногенных воздействий на изменения гидравлических характеристик потока и морфометрических характеристик русла.

Объектом исследования является русло реки Томь на участке от устья до границы с Кемеровской областью, гидрологические и гидравлические характеристики потока.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка методики исследования и прогнозирования последствий техногенного воздействия на окружающую среду антропогенных нарушений системы поток-русло с точки зрения вертикальных деформаций.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) исследование природных условий формирования долины реки Томи и ее строения в пределах Томской области;

2) анализ особенностей морфологии русла в нижнем течении реки Томи и определение типов руслового процесса на различных участках;

3) исследование динамики переформирований русла реки Томи в последнее столетие;

7

4) определение влияния карьеров ПГМ на гидравлические характеристики и русловые переформирования в реке;

5) определение динамики русловых переформирований в реке Томь выше и ниже по течению города Томска за период русловой добычи ПГМ и выявления влияния последней на русловой процесс;

6) исследование стока наносов по деформациям в карьерах, натурным измерениям и на физических и компьютерных моделях.

Исходные материалы. При выполнении автором работы использовались фондовые материалы Томского государственного университета, ОАО «Томская судоходная компания», ОЛО «Сибречпроект», а также материалы, полученные в результате полевых экспедиционных исследований в ходе собственной профессиональной деятельности (лоцманские карты 1959, 1975, 1990 годов, русловые съемки масштаба 1:5000 1983, 1987, 1991, 1997 годов, геологические карты, данные о бурении в местах месторождений ПГМ, кривые свободной поверхности и продольные профили за 1983, 1987, 1991, 1998 годы, гидрометрические данные).

Применялись следующие методы исследования:

1) классификация участков р.Томи с учетом типизации различных авторов и ранее проведенных исследований на данном участке;

2) сравнение гидрологических, гидравлических и морфометрических характеристик потока и русла (уровней и расходов воды, скоростей течения, уклонов, площадей поперечного сечения, ширины, глубины) за многолетний период

3) компьютерное моделирование участков русловой сети и вариантов устройства карьеров в русле и протоках с оценкой их влияния на гидравлический и русловой режим речной системы в целом.

Научная новизна выражается в том, что в работе впервые: 1)на основе систематизации многочисленных материалов режимных и изыскательских работу количественно определено индивидуальное и

8

кумулятивное воздействие множественных карьеров ПГМ на вертикальные русловые переформирования и гидравлический режим реки Томи;

2) выявленгенезис посадки уровней на исследуемом участке реки Томи в условиях различной техногенной нагрузки. На основе выполненных исследований разработана методика определения посадки уровней воды на любом временном промежутке в различные периоды водности потока;

3) созданы постоянно действующие модели участков реки Томи для прогнозирования последствий отработки карьеров ПГМ, деформаций многорукавных русел и изменений гидравлических условий, учитывающие синергетический эффект воздействий. На этой основе предложена программа мониторинга и изысканий русловых месторождений ПГМ.

С практической точки зрения результаты моделирования стали основой решений проектов карьеров ПГМ и предложения по порядку и объемам отработки месторождения с максимальной эколого-экономической эффективностью. Проведены натурные измерения стока донных наносов и инструментальные наблюдения гранулометрического состава материала, слагающего речное русло приборами, разработанными коллективом кафедры гидрологии ТГУ и с использованием водолазной техники. Результаты исследований используются в преподавании курса «Динамика русловых потоков и русловые процессы» на кафедре гидрологии ТГУ.

Апробация работы. Основные положения и предложенная методика стали основой при составлении разделов ОВОС проектов: 1) Карьер ПГМ в пр.Светлая Лйдаковского месторождения 1999; 2) Ледозащитная дамба затона

зимнего отстоя судов Томской судоходной компании 2003. 3) Карьер ПГМ

v

Коларовского месторождения 2004. Кроме того, результаты моделирования. Результаты работы доложены на 13 научных конференциях, совещаниях и семинарах и опубликованы в 16 научных изданиях.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы основана на современных достижениях таких наук как гидрология,

9

гидрометрия, гидроморфологическая теория руслового процесса и не противоречат их положениям, базируются на строго доказанных выводах этих научных дисциплин. При исследованиях автора применялась проверенная, тарированная техника и методики исследования.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, а также 6 приложений. Материал изложен на 188 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 56 рисунков, список литературы содержит 121 источник.

В первой главе производится анализ современного состояния исследований влияния карьеров ПГМ на русловой и гидравлический режим рек, исторического развития типизации руслового процесса и критериальных зависимостей типов руслового процесса, проанализированы теоретические подходы, на которых основаны разнообразные формулы для расчета расхода влекомых наносов, а также возможности прогнозов русловых деформаций с использованием моделирования.

Во второй главе приводится анализ факторов формирования водного стока р.Томи и, как следствие, стока наносов. Проанализировано геологическое строение бассейна реки в целом и более детально равнинной части бассейна и исследуемого участка, классифицированы отдельные участки русла р.Томи в Томской области на основании теоретических подходов ГТИ. Описаны основные виды антропогенных воздействий на русловой и гидравлический режимы р.Томи. Рассмотрена история освоения месторождений песчано-гравийных материалов, как основного вида нарушения строения русла и гидравлических характеристик

В третьей главе изложена методика определения воздействия хозяйственной деятельности на гидрологический режим р.Томи. Исследованы причины падения уровней в районе г.Томска и произошедшие вслед за этим изменения уклонов свободной поверхности выше и ниже по течению. Проанализированы изменения продольного профиля русла и кривой

10

свободной поверхности вверх по течению от г.Томска. Обосновывается величина и происхождение посадки уровней на водомерных постах в г.Томске. Выявлены причины изменения распределения стока на многорукавных участках реки.

В четвертой главе приведены теоретические подходы к компьютерному моделированию речной сети, описаны опытно-методические работы, осуществленные автором, в результате которых разработана методика определения воздействий русловых карьеров ПГМ на гидравлический режим с использованием компьютерных моделей. Предлагается разработанная автором методика инструментальных измерений стока донных наносов с выводом формулы расчета их расхода для гравийного русла.

В заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам исследования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На y4acTKax_jpeK, где существенное развитие получили факторы, Ф ограничивающие развитие руслового процесса (общий и местные базисы

^эрозии, трудно размываемые склоны долины) для выделения гидроморфологически однородных участков типизацию ГГИ необходимо дополнять элементами типизации других авторов.

2. В состав методики оценки многолетнего влияния русловых карьеров ПГМ на вертикальные деформации многорукавных русел и гидравлику потока должны входить: 1) многолетний анализ колебаний экстремальных уровней воды; 2) сравнение положения кривой связи расходов и уровней; 3) сопоставление поперечных и продольных профилей и кривых свободной

поверхности; 4) анализ гидравлических характеристик потока; 5) сравнение распределения стока по протокам.

3. Использование одномерных компьютерных моделей для прогноза воздействий русловых карьеров ПГМ на гидравлический режим рек является результативным и дает достаточно точные результаты. ^

и

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ О ВЛИЯНИИ РУСЛОВЫХ КАРЬЕРОВ НА ДЕФОРМАЦИИ РУСЛА

Добыча НСМ из русловых карьеров является одним из самых заметных видов антропогенной нагрузки, которой подвергаются речные русла в течение последних нескольких десятилетий. Тем не менее, до сих пор не существует нормативного документа, где было бы приведено научно обоснованные экологические нормы и требования к добыче НСМ на водоемах ввиду сложности и недостаточной изученности проблемы (Ребковец, 2004). При разработке карьеров возникают прямые и косвенные нарушения системы поток-русло. Прямые нарушения связаны с изменением естественной формы поперечного сечения русла, уничтожением или видоизменением форм руслового рельефа. Это сказывается на гидравлических характеристиках потока, распределении скоростей течения, которые непосредственно связаны с мезоформами русла. Кроме того, изменяется режим гидравлических сопротивлений, поскольку при добыче уничтожаются микроформы русла (Барышников, Беркович, 1999).

Разработка карьеров сопряжена с образованием в руслах рек глубоких (10 м и более) ям-карьеров, площади которых составляют десятки и сотни гектаров. Поскольку карьеры являются своеобразными ловушками для донных наносов, движущихся сверху, ниже карьера происходит некомпенсированный вынос материала, слагающего русло (рис.1).

В результате этого отметки дна реки здесь постепенно уменьшаются — русловой поток врезается в аллювиальные отложения — развивается трансгрессивная эрозия. Величина вреза убывает вниз по течению - река уменьшает свой уклон и транспортирующую способность в соответствии с уменьшением или полным прекращением притока донных наносов сверху. Такая просадка уровня воды в области карьера и ниже по течению приводит к увеличению уклона водной поверхности, скоростей потока и его

12

транспортирующей способности у верховой (по течению) границы карьера. От этой границы вверх по реке начинает распространяться попятная (регрессивная) эрозия — река стремится поскорее засыпать карьер и затем восстановить прежнее высотное положение и форму продольного профиля.

Условные обозначения:

|\\ \\| размыв дна

отложение наносов

Рис.1. Последовательные деформации продольного профиля при устройстве карьера (Ильин, 1987): а) сразу после выборки; б) накопление аллювиального материала в верхней части карьера и вынос ниже карьера; в) заполнение карьера и посадка продольного профиля и уровней

14

При устройстве локального карьера в плесе меандрирующих рек увеличивается высота размываемой стенки и дефицит наносов вдоль нее ниже карьера, что приводит к резкому увеличению темпов размыва берега данной излучины в месте устройства карьера и ниже по течению. На участке выше карьера (до первого переката) увеличиваются уклоны водной поверхности, скорости течения и глубины плеса (за счет местного увеличения транспортирующей способности потока), что также приводит к усилению темпов плановых деформаций здесь. Если в этих же условиях карьер устроить на перекате, то на нижерасположенной излучине увеличится дефицит наносов и темпы размыва берега, а на вышерасположенной - скорости течения и темпы деформации, в первую очередь на низовом крыле фронта размыва.

Разработка большого руслового карьера (длиной больше ширины меженного русла и шириной, сопоставимой с шириной меженного русла) на участке реки с преимущественно русловой многорукавностыо приводит к уменьшению уклонов водной поверхности над ним и ниже по течению — транспортирующая способность потока уменьшается.. По этой причине на участке пониженных уклонов скорости плановых деформаций вогнутых берегов и островов уменьшаются или деформации практически отсутствуют. Выше карьера уклоны водной поверхности увеличиваются, и возрастает транспортирующая способность потока. Однако, вследствие того, что происходит просадка дна и уровней воды, уменьшается частота и длительность затопления верхнего слоя береговых откосов, то есть время активного, разрушающего берег воздействия потока — темпы плановых деформаций также уменьшаются (Каменсков, 1987)

Таким образом, для определения степени воздействия русловых карьеров на русловой и гидравлический режимы реки, необходимо понимание закономерностей проявления того или иного типа руслового процесса на конкретном участке реки, формирования гидравлических и морфологических характеристик потока и русла, стока наносов.

15

1.1. Теоретические предпосылки типизации русловых процессов и формы проявления вертикальных деформаций

Под русловым процессом понимается изменение внешнего облика русла — его планового и высотного положения, т.е. процессы обуславливающие движение самого русла. Речные русла, как и любые природные объекты, можно типизировать и классифицировать по самым различным признакам: по форме поперечных сечений, по степени устойчивости, по плановым очертаниям, по степени кинетичности руслового потока и так далее.

Типизация любых процессов важна потому, что она содержит элемент прогноза. Действительно, зная начальные, промежуточные и конечные стадии развития процесса, сравнивая эту схему с наблюдающейся на данный момент стадией развития, можно предвидеть конечную, а, следовательно, и промежуточные стадии развития процесса и планировать воздействие на русло уже с учетом этого развития.

Поскольку макроформы определяют собой морфологический тип реки, наибольший интерес представляют именно их типизация. Таким образом, типизация макроформ и есть типизация руслового процесса. При этом речь идет и о внешнем виде макроформ и о типичных схемах их деформаций.

Существенную специфику в развитии форм транспорта наносов вносят ограничивающие условия — особенности геологического строения дна речной долины - выходы трудно размываемых пород, изменяющие средний уклон и, следовательно, среднюю скорость течения, что способствует изменению расхода донных наносов. Среди ограничивающих факторов особое место занимают положение базиса эрозии, определяющее общее падение реки.

Первые попытки типизировать реки по степени устойчивости их русел осуществлены М.Л. Великановым (1955), который выделил пять типов русловых процессов:

16

1) слаборазмываемые русла, сложенные скальными породами или крупной галькой;

2) русла с закономерным чередованием во времени размывов и намывов каждого участка;

3) русла, изменяющие свои формы без строгой периодичности, но с устойчивыми очертаниями в плане;

4) русла с относительно неупорядоченными изменениями глубин и плановых очертаний;

5) русла, изменяющиеся со скоростью такого же порядка, что и скорость потока.

В основу данной типизации положен коэффициент устойчивости, который впервые был предложен В.М.Лохтиным (1897). Коэффициент имел размерность, поэтому М.А.Великанов (1955) предложил иной, безразмерный коэффициент устойчивости:

t] = g*Dcp/u2, (1.1)

где g-ускорение свободного падения, м/с2; Dcp— средний диаметр донных наносов, м; и -средняя скорость потока, м/с.

Вопросы морфологии русел оставались вне этой типизации. Однако некоторые авторы (Каменсков, 1987) считают ее прогрессивной для того времени в связи с тем, что впервые была сделана попытка увязать типы речных русел с темпами и характером русловых переформирований.

В дальнейшем К.И. Россинский и И.А. Кузьмин (1958) предложили деление рек на три типа: 1) периодически расширяющиеся, 2) меандрирующие, 3) блуждающие (многорукавные)

Подобную типизацию разработали также американские ученые Л.Б.Леопольд и М.Г.Уолмен. (1957) Они показали, что при разных

17

комбинациях уклона потока и расходов воды четко выделяются три типа речных русел: прямые, извилистые и разветвленные.

Наиболее полная классификация типов деформаций речных русел разработана в ГГИ Н.Е. Кондратьевым и И.В. Поповым (Рекомендации... 1973) при создании гидроморфологической теории руслового процесса. В основу данной типизации заложены идеи М.Л. Великанова, а также более ранняя типизация И.А. Кузьмина и К.И. Россинского. Типизация Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова включает в себя семь типов руслового процесса, в которых вертикальные деформации проявляются следующим образом:

1) ленточно-грядовый - вертикальные деформации заключаются в сползании гребней гряд и их подвальев, они полностью обратимые;

2) побочневый — так же, как и в предыдущем типе, сползающие вниз по течению гряды-побочни обуславливают знакопеременные вертикальные деформации;

3) ограниченное меандрирование — по мере сползания излучин перемещаются вниз по течению плесы и перекаты, которые, кроме того, ежегодно меняют свое высотное положение: в начале подъема уровней половодья начинается намыв гребней перекатов и размыв плесовых лощин, на спаде половодья и в межень происходит сработка перекатов и отложение наносов в плесовых лощинах;

4) свободное меандрирование — в отличие от ограниченного меандрирования в данном типе руслового процесса перекаты имеют стабильное положение, а смещение и удлинение размываемого берега приводит к удлинению и углублению плесовых лощин, а также перемещению их вверх по излучине по мере увеличения угла ее разворота, в целом, вертикальные деформации проявляются в относительно большем временном промежутке по сравнению с плановыми в виде нарастания песчаного пляжа и пойменного сегмента, сезонные деформации связаны с нарастанием в высоту перекатов и углублением плесовых лощин в период половодья, в период

Список литературы