Коренное улучшение судоходных условий.
Экологические проблемы, связанные с коренным улучшением судоходных условий на ВВП, затрагивают интересы многих водопользователей и водопотребителей. Поэтому дноуглубительные работы в этих целях должны выполняться по проектам, утвержденным в установленном порядке, и получившим положительное заключение государственной экологической экспертизы (ГЭЭ). В состав необходимых материалов, предоставляемых на ГЭЭ, входят:
- проектная документация по улучшению судоходных условий;
- материалы оценки воздействия на окружающую среду;
- положительные заключения и (или) согласования органов федерального контроля и надзора;
- положительные согласования органов местного самоуправления.
ГЭЭ организуется и проводится Федеральными органами исполнительной власти в области водопользования и охраны окружающей среды в области охраны окружающей среды и их территориальными подразделениями. ГЭЭ проводится на федеральном уровне или на уровне субъектов РФ. Обязательной экологической экспертизе, проводимой на федеральном уровне, подлежат проектные материалы намечаемой хозяйственной деятельности, осуществление которых может оказать воздействие на окружающую среду двух и более субъектов РФ или сопредельных государств. Прочие проектные материалы подлежат ГЭЭ на уровне субъектов РФ.
Начало срока проведения ГЭЭ устанавливается не позднее чем через
1 месяц после ее оплаты и приемки комплекта необходимых материалов и документов в полном объеме. Срок проведения ГЭЭ определяется сложностью объекта установленной в соответствии с нормативными документами Федеральными органами исполнительной власти в области водопользования и охраны окружающей среды, но не должен превышать 6 месяцев.
При проектировании дноуглубительных работ для коренного улучшения судоходных условий действительны все рекомендации для эксплуатационных прорезей, приведенные выше. Кроме этого, в проектах коренного улучшения судоходных условий при изменении положения судового хода или значительном увеличении гарантированных судоходных глубин, должны рассматриваться следующие вопросы.
При трассировании нового планового положения судоходной трассы для коренного улучшения судоходных условий реки следует иметь в виду, что при существенном увеличении судоходных глубин с извлечением больших объемов грунта изменяются плановые очертания, местоположение и форма русловых макроформ. Систематическое извлечение со дна больших объемов грунта приводит к углублению и спрямлению русел рек – к канализированию, что меняет общую направленность русловых процессов. Отсюда в проектах обязателен прогноз изменений гидрологического режима и русловых деформаций, включая прогноз развития меандр.
В случае значительного увеличения транзитных судоходных глубин на реке, обязателен анализ на основе гидравлических расчетов вероятности существенного снижения меженных уровней воды, что может привести к неблагоприятным экологическим последствиям:
- понижению уровня грунтовых вод в пойме, и, как его следствие, угнетению пойменной растительности;
- образованию на вышерасположенном участке реки кривой спада с развитием там неконтролируемых размывов дна;
- осложнению работы водозаборов;
- возникновению опасности для маточных зимовальных стад бентосных организмов и ухудшает условия зимовальных миграций рыб;
- затруднению работы выпуска сточных вод.
Следовательно, гарантированные судоходные глубины на свободных реках рационально увеличивать лишь до тех пор, пока снижение уровня воды на опорном гидрологическом посту не превысит гидравлически допустимой величины, определяемой расчетом. Если обоснованные требования к объекту делают необходимым увеличение глубины свыше гидравлически допустимой, то должны быть предусмотрены мероприятия, позволяющие уменьшить понижение меженного уровня, и сделана экономическая оценка ущерба для окружающей среды.
Из вышеизложенного вытекает обязательность представления прогноза развития изменения продольного профиля свободной поверхности реки, в котором рассматривается полный комплекс воздействий, вызывающих снижение меженного уровня, в том числе: дноуглубление для увеличения судоходных глубин; разработка русловых карьеров добычи нерудных строительных материалов; регулирование стока гидроэлектростанциями; отбор воды на орошение, для промышленности и хозяйственно-бытовых нужд; эффективность компенсирующих сооружений и др. Расчет ведется по всему участку реки от нижней границы до верхней с суммированием снижений по длине реки.
Следует учитывать, что при транспортном освоении малоизученных рек в период первоначального судоходного освоения реки, путем разработки небольшого числа наиболее затруднительных перекатов, удается обеспечить быстрый прирост глубин без снижения меженных уровней воды. В дальнейшем рост глубин замедляется, заносимость прорези ускоряется, а число разрабатываемых перекатов значительно увеличивается. Выполнение дноуглубительных работ на всех перекатах реки может привести к общему снижению меженных уровней воды.
При разработке проектов, имеющих целью значительное увеличение судоходных глубин, следует иметь в виду, что при интенсивных дноуглубительных работах многолетние гидрологические ряды использовать некорректно, поскольку изменяется естественная связь уровней с расходами воды и наносов и, следовательно, нарушаются репрезентативность (однородность) гидрологических рядов. Поэтому необходимо вести систематические наблюдения на ближайших гидрологических постах за уровнями и расходами воды, особенно в меженный период. Должна проводиться ежегодная корректировка отметок проектного уровня воды и других расчетных уровней воды, а также отметок реперов над проектным уровнем на всем участке, где проводится интенсивное землечерпание.
Снижение уровней воды следует ежегодно контролировать на опорном гидрологическом посту. Оно не должно превышать допустимое уменьшение уклона водной поверхности (до одной четверти относительно бытового уклона) и приводить к заметному общему снижению уровня воды.
При проектировании дноуглубительных работ на разветвленных участках рек учитываются следующие рекомендации:
- если по несудоходному рукаву реки перемещается наносов больше, чем по судоходному, то отвал грунта целесообразно расположить в виде полузапруды или продольного сооружения выше места разделения русла на рукава; альтернативой может быть возведение встречной шпоры у приверха острова;
- если судоходные условия невозможно обеспечить без перекрытия несудоходного рукава запрудой, то следует учитывать, что, исходя из интересов рыбного хозяйства, запруда должна быть затапливаемой, а наиболее целесообразным местом расположения створа запруды будет верхняя или средняя часть перекрываемого рукава.
В проектах спрямления излучин должны выполняться:
- расчет снижения меженного уровня воды выше спрямления;
- расчетный прогноз размыва русла и берегов спрямляющего канала и определения зоны отложений продуктов размыва;
- прогноз возможности вторичного загрязнения;
- экологическая, агроэкономическая и рыбохозяйственная оценка последствий спрямления.
Возможны случаи, когда перекрытие протоки при любом варианте расположения створа может нанести ущерб экологическим системам и биоресурсам. В этом случае окончательное решение принимают по результатам технико-экономического обоснования оптимального варианта, с учетом возмещения убытков рыбному хозяйству.
Выправление русел рек.
Выправительными работами достигается увеличение габаритных размеров судового хода и улучшение плановых очертаний русла за счет использования руслоформирующей деятельности самого потока, направляемой специально построенными выправительными сооружениями и укрепленными берегами. Эта деятельность заключается в работе по размыву русла, перемещению наносов и отложению их за пределами судового хода. В результате выправления создается новое более правильное очертание русла с иными границами в плане. С элементами естественных руслообразований сопрягаются продольные струенаправляющие и наносоуправляющие сооружения; полузапруды и запруды; донные буны, береговые шпоры и другие береговые укрепления.
В настоящее время выправительные работы обычно проводят совместно с дноуглубительными, достигая максимального эффекта улучшения судоходных условий.
Сплошное выправление выполняют обычно с широким применением строительства выправительных сооружений и, в меньшей степени дноуглубительных работ, имеющих вспомогательное значение. Сооружения располагают по всей длине реки или большого ее участка, обеспечивая устойчивое положение судоходной трассы на всем выправляемом участке. Основные виды сплошного выправления:
- возведение по обоим берегам реки стесняющих сооружений (полузапруд);
- укрепление подмываемых берегов излучин;
- перекрытие второстепенных рукавов на многорукавных реках;
- приведение трассы судового хода к коренному берегу.
При выборочном выправлении обычно основная роль принадлежит дноуглубительным работам, которые подкрепляются возведением сооружений, располагая их только на наиболее затруднительных для судоходства участках реки, преимущественно на перекатах. Основные приемы выборочного выправления следующие:
- закрепление сооружениями отдельно быстро смещающихся побочней и осередков;
- перекрытие отдельных рукавов или ограничение их водности;
- сглаживание неровностей ведущего берега;
- устройство струенаправляющих дамб в узлах слияния рек или крупных рукавов.
Выправление русла может приводить к существенным изменениям его пропускной способности, транспортирующей способности потока и морфологии самого русла. Часто выправление осуществляют посредством разработки капитальных дноуглубительных прорезей, обеспечивающих изменение положения трассы судового хода (отторжение побочней, разработка ранее несудоходных рукавов и т.д.). При этом грунт, извлекаемый из прорезей, используется для намыва выправительных сооружений, повышения отметок побочней, перекрытия вредных емкостей русла.
- Выправление русла с разработкой капитальных прорезей производится при необходимости коренного улучшения судоходных условий и в наибольшей степени должно опираться на тенденции естественных русловых переформирований и закономерностей развития крупных элементов руслового рельефа.
- Выправительные сооружения оказывают на поток многолетнее регулирующее действие, вызывая активные изменения естественного руслового процесса. Поэтому их проектирование и строительство производится согласно перспективной схеме улучшения судоходных условий или по специальным проектам, которые проходят государственную экологическую экспертизу в том же порядке, как и проекты коренного улучшения судоходных условий.
При проектировании и возведении выправительных сооружений учитываются природоохранные правила проведения транзитных дноуглубительных работ. Кроме этого, следует руководствуются специальными указаниями, приводимыми ниже.
При возведении продольных сооружений и полузапруд необходимо оценить их компенсирующую роль, выражающуюся в создании подпора уровня воды, устраняющего или уменьшающего снижение уровня при увеличении судоходных глубин.
Выправительные работы на многорукавных участках рек благодаря сосредоточению потока в главном русле способствуют развитию кормовой базы для молоди рыб в частично перекрытых потоках. После спрямления излучин реки старицы также длительное время могут служить в качестве проточной акватории для нагула рыб.
При осуществлении выправительных работ могут произойти и негативные изменения природных условий. Например, недостаточный водообмен в перекрытых протоках, изменение миграционных путей проходных видов рыбы и т.д. Кроме того, возведение запруд, полностью перегораживающих несудоходные рукава, или устройство спрямляющих каналов весьма значительно изменяет естественный русловой режим и условия существования экосистем. Поэтому рекомендации по их осуществлению должны содержать подробный гидравлический расчет и анализ возможных изменений экосистем с определением экологического ущерба, если негативные воздействия на речной поток будут превышать положительные изменения.
В конструкторских и технологических разделах проектов на возведение выправительных сооружений обязательно рассмотрение экологической безопасности рекомендуемых строительных материалов, особенно химических и синтетических, а также принятых технологических процессов и строительных машин.
Проекты возведения выправительных сооружений должны содержать мероприятия по рекультивации карьеров строительных материалов и территорий, примыкающих к объектам строительства, включая хранение и использование снятого плодородного слоя грунта, восстановительные лесопосадки, сбор и уничтожение строительного мусора и нефтесодержащих отходов при работе строительных машин.
4.4. Эффективность путевых мероприятий
на судоходных реках
Эксплуатационные дноуглубительные работы могут оказывать положительное и отрицательное воздействие на гидрологический режим, русловые процессы и экосистемы водных объектов [Гришанин и др., 1986; Дегтярев, 1989; Ботвинков и др., 2002; Гладков и др., 2005; Чалов, 2008].
Положительное воздействие дноуглубительных работ, выполняемых для обеспечения судоходства, проявляется в виде позитивных изменений гидравлических характеристик потока и форм рельефа дна, снижения вероятности возникновения ледовых заторов и зажоров в руслах рек при весеннем и осеннем ледоходе, а также вследствие уменьшения интенсивности разрушения берегов.
В результате производства дноуглубительных работ на перекатах улучшается водообмен между плесовыми лощинами, ликвидируются замкнутые и обсыхающие акватории, усиливается аэрация потока и насыщение воды кислородом. В ходе дноуглубления облагораживается пригородная рекреационная зона путем очистки русла и намыва пляжей. Полное или частичное прекращение транзитных дноуглубительных работ в связи с прекращением (или сокращением) перевозок речным транспортом грузов и пассажиров, приносит ущерб населению и природе.
В свою очередь, нарушение природоохранных правил при производстве дноуглубительных работ может привести к возможному снижению меженных уровней воды, которое достигает величин, недопустимых для нормальной работы гидротехнических сооружений и других объектов инфраструктуры. В процессе дноуглубления, как уже отмечалось выше, происходит временное повышение концентрации наносов в районе производства работ, что в свою очередь оказывает неблагоприятное воздействие на состояние рыбной кормовой базы и приводит к ухудшению среды обитания бентосных гидробионтов и фитобентоса. При производстве дноуглубительных работ в зоне сброса неочищенных промышленных сточных вод возможно вторичное химическое загрязнение воды.
В середине 90-х годов кафедрой водных путей и водных изысканий Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (ЛИВТа) был выполнен ряд исследований, посвященных оценке остаточного эффекта дноуглубления на состояние судоходных условий на примере участков рек Вятки и Вычегды.
В этот период, в условиях ограниченного финансирования на содержание судоходных путей, произошло вынужденное изменение габаритов и снижение обеспеченности проектных уровней воды по целому ряду речных бассейнов. Это привело к тому, что габариты водных путей, для достижения которых на отдельных реках потребовалось 20-30 лет, были утрачены за одну-две навигации из-за отсутствия достаточных средств для проведения путевых работ в прежних объемах.
Начиная с 90-х годов до настоящего времени одним из актуальных вопросов при проведении путевых мероприятий на судоходных реках является необходимость прогнозировать габариты водных путей в условиях ограниченного финансирования. По результатам проведенных в те годы исследований данная проблема получила определенное решение в виде соответствующих “Правил прогнозирования габаритов пути в условиях ограниченного финансирования” (1995). Однако разработанная методика является составляющей частью имеющейся проблемы и представляет собой, фактически, ее инженерное обеспечение.
В целом вопрос прогнозирования габаритов водных путей на перспективу нужно рассматривать с учетом анализа наличия грузопотоков, технического состояния объектов инфраструктуры водного транспорта, технического состояния флота и экономических показателей организации транспортного процесса, а также с учетом современного гидрологического режима рек. По сути, речь должна идти в данном случае о разработке экономико-математической модели управления водными путями, которая позволит прогнозировать их развитие и принимать оптимальные решения при назначении габаритов водных путей по каждому из бассейнов страны.
В современных условиях необходимость реализации в практической деятельности на внутренних водных путях России разработанных в те годы рекомендаций только усилилась в связи с изменением гидрологического режима судоходных рек в результате антропогенных и климатических факторов.
Результаты исследований, выполненных Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова на судоходных реках, улучшаемых средствами дноуглубления, позволили выявить характер основных изменений руслового режима вследствие производства землечерпательных работ на перекатах судоходных рек. В опубликованных материалах [Беркович, Рулева и др., 1996], [Русловые процессы…, 2001], [Чалов, 2008] и др. приведены сведения о результатах исследований, проведенных на судоходных участках свободных рек и в нижних бьефах гидроузлов.
Путевые работы, систематически выполняемые для обеспечения судоходных глубин на реках, в той или иной мере сказались на русловом режиме рек, их гидролого-морфометрических характеристиках, а также привели к некоторому упрощению структуры разветвлений. По мнению авторов выполненных исследований, основной характер изменений руслового режима рек под влиянием дноуглубления заключается в следующем.
1. Увеличение устойчивости русла как следствие общего укрупнения руслообразующих наносов и увеличения полноты сечения русла вследствие разработки прорезей. На Оби ниже г. Новосибирска, например, средняя крупность наносов с 60-70-е годы ХХ века увеличилось с 0,50-0,73 мм в сужениях и 0,30-0,40 мм в расширениях долины, соответственно, до 1,22 и 0,60 мм. Средняя глубина русла (по фарватеру) при проектном расходе увеличилась в судоходных рукавах в 1,5 раза, тогда как его ширина сократилась в 1,7 раза.
Коэффициенты устойчивости русла (число Лохтина Л и коэффициент стабильности русла Н.И. Маккавеева Кс) возросли в 2,6-3,6 раза, а в отдельных рукавах – до 10 раз. На тех участках верхней Оби, где проводились интенсивные дноуглубительные работы, в 1962 г. число Лохтина составляло 2,4-2,6, в 80-е годы возросло до 2,7-4,5. Аналогичные изменения произошли на Северной Двине и Вычегде, в меньшей мере на Лене из-за значительно большей выборочности и эпизодичности дноуглубления, а также предельно малой доли габаритов прорезей по сравнению с общими размерами русла.
Следствием увеличения устойчивости русла, по мнению авторов исследования, явилось снижение скорости смещения побочней перекатов на средней Оби со 150-300 м/год до 120 м/год [Беркович, Рулева и др., 1996].
2. Закрепление (стабилизация) форм русла в оптимальном для поддержания гарантированных глубин состоянии. В результате на реках с разветвленным руслом прекратилась периодическая миграция главного течения рек по рукавам. Это стало возможным благодаря применению общих закономерностей развития русла того или иного типа и своевременного использования наметившихся естественных его переформирований: разработке прорезей и расположению трассы судового хода в сопряженных системах рукавов по правилу «восьмерки»; использованию правила «ведущего берега» на прямолинейных участках русла; учету направляющего воздействия ведущих берегов, в том числе пойменных, расположению выправительных сооружений (полузапруд) и прорезей на излучинах с учетом влияния на их развитие скоростного поля и циркуляционных течений и т.д.
При этом стабилизация положения трассы судового хода имеет не только технико-экономическое, но и экологическое значение, поскольку несудоходные рукава стали объектами рыбного хозяйства, рекреации, размещения карьеров и др. В ставших стабильными основных рукавах снизилась угроза занесения водозаборов, повысилась надежность прогнозирования русловых деформаций при проектировании трубопроводов и мостовых переходов, а с учетом превращения одного из рукавов во второстепенный – снизилась стоимость самого строительства.
3. Увеличение пропускной способности русел и изменение формы поперечного сечения русла на перекатах вследствие увеличения максимальной и средней глубины, полноты живого сечения (т.е. отношения средней глубины к максимальной), уменьшения ширины русла и амплитуды глубин между плесами и перекатами. В наглядной форме это сказалось в росте гарантированной глубины на реках, иногда более чем в 2 раза по отношению к бытовым (до выправления) значениям.
Другим побочным эффектом дноуглубления является повышение самоочищающей способности реки, особенно в меженный период (это, в первую очередь, относится к средним и малым рекам экономически освоенных регионов, где происходит загрязнение речных вод), снижение вероятности заморов рыбы в зимний период (особенно на сибирских реках с большой толщиной льда) и улучшение водообмена между плесовыми лощинами.
4. Сокращение длины отдельных перекатов и перекатных участков, лимитирующих судоходство. Следствием этого стало сокращение протяженности эксплуатационных прорезей. Наиболее характерно сокращение длины перекатных участков или их полная ликвидация на излучинах русла, на которых сохранились относительно короткие перекаты, формирующиеся, в зависимости от формы излучин, в местах перегиба между смежными излучинами или в их вершинах. Последнее – также вследствие общей стабилизации русла в результате дноуглубления, использование при проектировании прорезей специфики скоростного поля потока на излучинах, находящихся на разной стадии развития. Особенно заметно сокращение длины перекатных участков в прямолинейном русле (более чем в 3 раза), которые оказались локализованными местами смены этого типа русла излучинами или разветвлениями, отхода реки от коренного берега и растекания потока по пойме в половодье или его расположения перед сужением дна долины.
5. Изменение конфигурации форм руслового рельефа – побочней, осередков, повышение их отметок благодаря складированию на них извлеченного из прорезей грунта, отсыпка новых форм – отвалов грунта. Это, вместе с общей стабилизацией русла сопровождалось зарастанием побочней и осередков. В результате происходит консервация наносов в отвалах на разное по длительности время – от одного года (до начала следующего половодья) до десятилетий. В последнем случае отвалы грунта зарастают и превращаются в молодые пойменные образования. Часто, особенно при разработке капитальных прорезей, грунт используется для намыва выправительных сооружений, либо отвалы его размещаются таким образом, что выполняют роль этих сооружений. В результате сужается живое сечение русла, что, в свою очередь, приводит к саморазмыву русла и увеличению глубин без дополнительного землечерпания.
6. Нарушение связи расходов и уровней воды – понижение меженных уровней, которое считается одним из негативных последствий дноуглубительных работ. Однако посадка уровней, связанная с дноуглублением, невелика и, как правило, имеет местный и временный характер. При этом, чем больше река и чем меньше относительная доля прорези в общем объеме русла, тем меньше возможное снижение уровней воды на перекате вследствие разработки дноуглубительной прорези.
Необходимо учитывать, что реакция потока на искусственное изменение глубины на перекатах существенно различается в песчаных и галечно-валунных руслах (см. п.4.1.3).
Это связано с тем, что, с одной стороны, сами перекаты и перемещаемые по их поверхности донные гряды характеризуют параметры транспорта наносов, а с другой – их размеры определяют величину сопротивления движению воды. Углубление перекатов приводит к снижению уровней воды, которое, в зависимости от величины углубления русла, распространяется не только на вышележащую плесовую лощину, но и на расположенный выше по течению перекат. Уменьшение уклона свободной поверхности с ростом глубины на реках с песчаным аллювием проявляется слабее, чем на реках с галечным и галечно-валунным руслом, на которых перемещение наносов прекращается уже на спаде уровня и в межень.
Поэтому при прочих равных условиях в реках с песчаными донными отложениями можно достигнуть относительно большую величину приращения судоходной глубины, чем на реках с гравийно-галечным дном.
Разработка дноуглубительных прорезей на гребнях галечно-валунных перекатов может иметь также и другие неблагоприятные последствия [Беркович, Зайцев и др., 1996]. Механическое разрушение отмостки грунта на перекатах при скоростях течения, недостаточных для ее естественного размыва, может стимулировать активные деформации и массовое перемещение ранее недоступной для потока аллювиальной толщи, состоящей в значительной мере из более мелких наносов. Продукты размыва, перемещаясь по течению, попадают в зону подпора нижележащих перекатов и вызывают их обмеление.
7. Остаточный эффект дноуглубления на судоходных реках фактически был утрачен через 5-8 лет после прекращения выполнения систематического дноуглубления. Обмеление рек, сопровождающееся уменьшением глубин на перекатах, особенно при низких уровнях воды, приводит к большей сезонной промерзаемости русла. Следствием этого является обострение угрозы наводнений из-за уменьшения пропускной способности русел, а на реках, текущих на север (Северной Двине, Лене, Оби, Иртыше, Енисее и др.), возрастает вероятность возникновения ледовых заторов, с которыми связаны катастрофические наводнения.
Обмеление перекатов на реках при отсутствии дноуглубления произошло в основном на перекатных участках трех типов [Чалов, 2004]: 1) которые при выправлении не имели естественных гидравлических предпосылок для стабилизации русла; 2) расположенных ниже участков выправления, принявших на себя поток наносов, проходящий через них транзитом; 3) расположенных ниже местных источников поступления наносов, в том числе на перегибах русла между излучинами, где источником наносов служат вогнутые подмываемые берега.
Обмеление перекатов может также происходить при неблагоприятном развитии многолетних русловых переформирований, происходящих при отсутствии дноуглубительных работ и вследствие сезонного намыва перекатов на спаде половодья, не устраняемого разработкой прорезей в подготовительный период, и укладкой отвалов грунта в виде направляющих дамб, способствующих саморазмыву перекатов.
Глава V. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ
ИЗМЕНЕНИЙ НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
И СУДОХОДНЫЕ УСЛОВИЯ НА РЕКАХ[4] [5]
Общие положения
Проектирование судовых ходов, капитальных и эксплуатационных прорезей и выправительных сооружений, планирование путевых мероприятий для обеспечения нормальных условий судоходства на реках опирается на квазистационарный гидрологический и русловой режим рек. При этом учитывается водность конкретного года, сезонные и многолетние (в пределах нескольких лет) ее колебания, позволяющие планировать выполнение тех или иных работ в разные фазы водного режима и в разные по водности годы.
Сток воды – ведущий активный фактор русловых процессов, определяющий глубину, ширину, радиусы кривизны динамической оси потока на перекатах и излучинах, а также транспортирующую способность потоков и величину стока наносов, зависит от климатических условий. Поэтому их изменения, как периодические, так и направленные, проявляются через изменения морфометрических характеристик русел, режима и интенсивности переформирований русла в целом и форм руслового рельефа (перекатов).
Соответственно, это сказывается на навигационных характеристиках рек, возможностях и условиях их транспортного использования. Но если при относительной неизменности климатические условия обусловливают лишь чередование во времени маловодных и многоводных периодов продолжительностью до 10-15 лет, то уже увеличение/уменьшение водоносности рек и трансформация их водного режима в течение нескольких десятилетий и тем более столетий при глобальных изменениях природных условий и климата должны привести к соответствующим изменениям в морфодинамике русел и, как следствие, к тем или иным корректировкам в проектировании и планировании дноуглубительных и других путевых работ на судоходных реках.
Определенным аналогом подобных изменений служит регулирование стока рек крупными гидроузлами и перехват наносов водохранилищами, вследствие чего в нижних бьефах создаются принципиально новые условия формирования русла, русловой режим, возможности и методы дноуглубления.
По прогнозам метеорологов [Будыко,1980; Глобальные изменения…, 1993], один из вероятных сценариев глобального изменения климата – его потепление, которое может привести к повышению средних многолетних температур на 4-5о, причем по разным оценкам это будет происходить от первых двух-трех десятилетий ХХI в. до его конца, что вызовет общее увеличение водности рек на 10-15% на севере и в центре Европейской части России, на большей части Сибири и Дальнего Востока. Обратная ситуация будет наблюдаться на юге европейской территории страны, где повышение температуры составит 1-2о и приведет к общему снижению водности вследствие увеличения потерь на испарение на 5-7%.
В этой связи актуальной является задача – как при прогнозируемых изменениях климата будут меняться русла рек, насколько существенны эти изменения, и как они отразятся в воднотранспортном использовании рек.
При оценке характера влияния этих изменений на режим глубин на перекатах необходимо учитывать внутригодовое распределение основных составляющих водного баланса и их изменения, вызванные повышением температуры. Возможен сценарий, по которому повышение среднегодовой температуры будет вызвано только снижением суровости зим. В этом случае, кроме незначительного увеличения стока в зимний период за счет более частых оттепелей, никаких других изменений не будет, и, соответственно, режим глубин останется прежним. В других случаях важную роль будет играть распределение приращения водности по основным фазам гидрологического режима (половодье – летняя межень – летне-осенние паводки – зимняя межень). Увеличение водности в летний меженный период приведет, при прочих равных условиях, к росту глубин на перекатах. Обратная картина может наблюдаться при повышении водности за счет увеличения зимних осадков и, соответственно, объема стока в период половодья. В этом случае можно ожидать обмеления перекатов в меженный период, что связано с особенностями их сезонной динамики. Обычно глубина на перекатах возрастает именно в осенний период, причем тем интенсивнее, чем выше и продолжительнее осенний паводок. При неизменном летнем меженном стоке в этих условиях размывы гребней перекатов не смогут достигнуть современных отметок, и перекаты обмелеют.
Один из сценариев увеличения водоносности предполагает относительно равномерное приращение объемов стока во все фазы водного режима при общем потеплении и повышении среднемесячных температур. В этом сценарии увеличится продолжительность периода со свободной ото льда поверхностью воды, сокращение периода выпадения и накопления твердых осадков, что компенсирует общее увеличение зимних осадков. При этом возрастут продолжительность и частота зимних оттепелей, когда часть снеговых запасов будет расходоваться, увеличивая зимний сток. В результате толщина снежного покрова не будет существенно отличаться от современной, а снеговая составляющая объема весеннего половодья не претерпит значительных изменений. Следовательно, весеннее обмеление большинства перекатов не будет большим, тогда как в период летне-осенней межени перекаты будут размываться, а глубины расти. Если потепление климата вызовет снижение водности рек, следует ожидать закономерного уменьшения глубин на перекатах.
Необходимо учитывать и такие факторы, как повышение стока наносов с водосборов в теплый период, особенно на реках, бассейны которых интенсивно используются под сельскохозяйственные угодья. Однако, в конце ХХ–начале ХХI веков в связи с изменениями системы землепользования (прекращение обработки земель, их зарастание) произошло сокращение смыва почв на склонах. Поэтому сейчас следует ожидать, особенно в средней полосе и на севере европейской части России, сокращение поступления в реки наносов с водосбора [Литвин и др., 2010].
Следует также иметь в виду, что глубины на перекатах больших и средних судоходных рек во многом определяются выполняемыми на них дноуглубительными и выправительными работами. При этом глубина, как и другие габариты судовых ходов, определяется технико-экономическими соображениями. Гарантированная глубина на перекатах, устанавливается в зависимости от размеров судов, их осадки и запаса глубины под днищем. Она поддерживается с помощью дноуглубительных средств, но до определенных пределов, зависящих от гидравлических условий на каждой реке. Максимально возможные глубины достигаются редко, поскольку их поддержание обычно экономически необоснованно.
До середины ХХ в. глубины на перекатах судоходных рек в межень были близки к естественным. Дноуглубление, как правило, носило эксплуатационный характер, чтобы обеспечить движение флота в маловодный период, но его результат быстро нейтрализовался перемещаемыми наносами и русловыми деформациями. С начала 1950-х и до конца 1980-х гг. проводилась крупномасштабная реконструкция водных путей, в том числе и проведение капитальных землечерпательных и выправительных работ. Это привело к существенному (до 2-2.5 раз) увеличению гарантированных глубин, стабилизации трасс судовых ходов и общему улучшению условий судоходства.
С начала 1990 гг. дноуглубление на реках резко сократилось или прекратилось полностью. Начался процесс восстановления естественного руслового режима рек, в результате чего к началу ХХI в. глубины снизились, иногда до естественных значений, а также изменилось расположение лимитирующих перекатов по длине реки и формы самого русла. На реках, служащих водными путями, судоходные глубины в межень сократились, если этому не препятствовали искусственные факторы, способствующие их росту (например, регулирование стока ГЭС, размыв русел в нижних бьефах, разработка русловых карьеров стройматериалов и т.д.).
5.2. Методика оценки русловых деформаций
и глубин на перекатах при изменении водности
В основе исследований русловых процессов и их изменений в прошлом, настоящем и будущем лежат соотношения между характеристиками потока и русла. Совокупность методов, основанных на этих взаимосвязях, составляет гидролого-морфологический анализ речных русел.
Его основными элементами являются: 1) выявление зависимостей между характеристиками потока и русла, с одной стороны, и показателями факторов руслоформирования – стоком воды и наносов, с другой; 2) построение QI-диаграмм, на которых точки, соответствующие различным морфодинамическим типам русла, занимают определенное поле относительно разделяющих их линий, что позволяет оценивать условия их формирования в зависимости от водности потока (Q – расход воды) и уклона I свободной поверхности [Алабян, 1992; Чалов, Алабян и др., 1998]; 3) сопоставление разновременного картографического (планового) материала, фиксирующего состояние русел на определенные временные срезы, в увязке с изменением гидрологических характеристик и искусственными воздействиями на реки между ними.
Гидролого-морфологические зависимости наиболее часто применяются для меандрирующих русел, характеристики которых (радиус кривизны r, шаг L) имеют устойчивые связи с показателями водности реки, более значимые для широкопойменных, менее – для врезанных русел. Соответственно этим связям увеличение или уменьшение водности сопровождаются ростом или снижением параметров излучин и, как следствие, направленности и темпов размыва берегов при их смещении, спрямлении и т.д. Для разветвленных русел гидролого-морфологические зависимости представляют собой выражения, связывающие параметры рукавов или островов с гидравлическими характеристиками потока.
Метод QI-диаграмм, предложенный Л. Леопольдом и М. Вольманом [1957], применяется для анализа условий формирования русел разных типов на реках больших бассейнов или регионов. В поле QI-диаграммы поля точек соответствуют участкам рек с определенным типом русла. Коэффициенты уравнений для граничных линий между ними неодинаковы при различном сочетании природных условий, разном гидрологическом режиме и т.д., вследствие чего QI-диаграммы имеют свой вид для рек Алтая [Русловые процессы на реках…,1996], бассейнов Северной Двины [Русловые процессы и водные пути …, 2012], Амура [Борщенко, Чалов, 2011], Оки [Баровский, 2008] и др.
Физический смысл QI-диаграмм заключается в том, что произведение QI является основным элементом в выражении мощности потока [Алабян, 1992]. При большей мощности потока точки в поле диаграммы располагаются выше или правее в зависимости от того, что определяет мощность потока: уклоны при малой водности или водность при малых уклонах. При наибольших мощностях потока формируются разветвленные русла, свойственные всем большим и крупнейшим рекам с широкопойменным, а нередко и врезанным руслом. При малой мощности потока формируются извилистые рукава. В области разветвленных русел большей мощности потока (правая и верхняя часть QI-диаграммы) соответствуют наиболее сложные разветвления; в области меандрирующих русел правее и выше расположены прорванные излучины.
При построении QI-диаграмм наиболее физически обоснованным является использование руслоформирующего расхода воды Qф [Маккавеев, 1955]. Однако он рассчитывается для створов гидрологических постов и не учитывает особенностей долины и русла на смежных участках выше и ниже по течению, иногда существенно иных из-за требований к организации гидропостов. В связи с этим расход Qф обычно заменяется эквивалентным, близким к нему максимальным расходом воды Qмакс или расходом 30-дневной повторяемости Q30
При смене условий развития русла, связанных как с естественными изменениями природных факторов – потеплением климата и увеличением водности рек, так и с антропогенными (например, вследствие крупного гидротехнического строительства) по диаграмме можно установить возможную смену морфодинамического типа русла или его усложнение благодаря смещению точки, соответствующей данному посту. Это происходит в результате повышения/понижения водности реки или изменения уклона русла.
Оценить изменения глубин на перекатах при увеличении или уменьшении водности вследствие изменения среднегодовых температур воздуха можно на основе совместного анализа кривых расхода воды Q= f( H), где Q – расход воды, H – соответствующие им уровни, и графиков связи глубин на перекатах Т в зависимости от уровня воды на опорных гидрологических постах: Т= f( H). Анализ изменения глубин при увеличении или уменьшении водности рек может быть выполнен по формулам:
модифицированной Х.М. Полина [Маккавеев, 1949; Седых и др., 1978]
(5.1)
где: Кп – коэффициент плеса, характеризующий устойчивость русла;
Qпp – расход воды при проектном уровне воды;
К.В. Гришанина [1972]
; 
(5.2)
где: М – постоянная для устойчивых аллювиальных участков рек;
Q – среднесуточный расход воды (в данном случае в период летней межени);
bp – ширина русла;
Г. Лэсея [Lacey, 1929-1930]
(5.3)
где: d – крупность руслообразующих наносов.
При условии, что все составляющие формул, кроме расхода воды, останутся неизменными при повышении или уменьшении среднегодового расхода, а изменение внутригодового режима стока будет незначительным, можно вычислить в первом приближении долю увеличения (уменьшения) глубины русла на перекатах. При этом за исходную величину принята гарантированная глубина, установленная в 2000 году.
Полученные результаты носят предварительный характер и требуют дальнейшего уточнения с учетом изменения стока наносов, дифференциации рек каждого региона по особенностям руслового режима, устойчивости русел и других условий формирования речного стока. Тем не менее, они свидетельствуют, что если многоводные (по сравнению с настоящим временем) меженные периоды станут нормой, то это позволит уменьшить в перспективе объем эксплуатационного дноуглубления при обеспечении судоходных условий на свободных реках.
С другой стороны, во многих случаях реальное повышение глубин в межень на средних и больших реках составляет 5-10 см, что равнозначно условиям, когда уровни в межень не понижаются до проектных, т.к. величины повышения находятся в пределах точности промерных работ.
Годы с многоводным меженным периодом благоприятны для состояния водных путей, поскольку позволяют максимально долго поддерживать необходимые для судоходства глубины без землечерпания. В современных экономических условиях при минимальных объемах дноуглубления увеличение стока воды должно благоприятно сказываться на условиях судоходства. Однако при этом следует учитывать также возможность изменения режима движения наносов и, как следствие, обмеления перекатов при повышенной водности реки. Это может происходить на песчаных реках со слабоустойчивым или неустойчивым руслом, отличающимся активными переформированиями руслового рельефа. В таких условиях результаты расчетов оказываются завышенными.
При устойчивом русле с увеличением водности в межень возможен саморазмыв гребней перекатов, и тогда глубина превысит расчетную. Если устойчивость определяется галечным составом наносов, глубины растут только за счет повышения водности и, следовательно, уровней, т.к. крупность наносов на них всегда превышает критическую, и их движения в межень не происходят.
При снижении водности реки, особенно в маловодный период, уровни воды только за счет этого фактора установятся ниже современных меженных значений. Если же на магистральных водных путях допускается срыв гарантированных глубин в течение пяти суток за навигацию, то этот показатель может возрасти в 2-3 раза.
Со стоком воды связан также радиус кривизны динамической оси потока на перекатах. Он рассчитывается по формуле Н.И. Маккавеева [1949]
(5.4)
где: Qф – руслоформирующий расход воды;
I – уклон;
k – коэффициент, в среднем равный 0,0014.
Его величина определяет местоположение на перекатах зон наибольшей глубины и саморазмыва их гребней. При увеличении водности (при неизменности внутригодового распределения стока) можно предположить, что Qф возрастает пропорционально среднегодовому расходу воды. Следовательно, при росте Qф на 10% радиусы кривизны, согласно (5.4) возрастут на 5%, при росте на 15% ‒ на 7%.
На малых реках из-за общей естественной мелководности увеличение глубин при повышении водности будет незначительным – как правило, до 5 см, что находится в пределах точности определения самих глубин. Однако увеличение среднегодового стока воды на них может сопровождаться общим углублением русел – их размывом, что приведет к значимости роста глубин по сравнению с расчетными величинами.
5.3. Прогнозная оценка переформирований русел
по гидролого-морфологическим зависимостям
Русловые деформации осуществляются в течение отрезков времени различной продолжительности. Так, период развития излучин от сегментной пологой формы до ее спрямления на реках даже со слабоустойчивым руслом охватывает несколько столетий, и чтобы выявить закономерности их эволюции, необходимы материалы не столько непосредственных наблюдений за деформациями, сколько анализ сопоставления разновременных карт и планов русла, позволяющий оценить изменения параметров русла с ХVIII – первой половины ХIX вв. или следов их деформаций, запечатленных в рельефе поймы. Последние определяются с помощью аэро- и космических снимков, на которых хорошо дешифрируются сохранившиеся в рельефе поймы положения древних русел и форм, образовавшихся в ходе их эволюции. Данные наблюдений за расходами воды (в основном с конца ХIX – начала ХХ веков), дополненные определением возраста пойменных отложений, позволяют оценить сток воды в прошлом, т.е. реконструировать гидрологическую обстановку времени формирования поймы; зная соотношение параметров русла и водности данной реки, можно восстановить водный режим на разных этапах эволюции ее русла.
Морфологические данные (фрагменты разновозрастных палеорусел с размерами, большими или меньшими, чем у современных рек) свидетельствуют о значительной изменчивости территории и стока воды в прошлом (за время формирования поймы), что выходит за рамки решения проблем регулирования русел. Однако, учитывая современные тенденции изменений климата и водности рек, их следует иметь в виду при разработке долгосрочных программ развития внутренних водных путей.
Так, А.Ю. Сидорчук [1999, 2009] для рек Европейской территории России, в т.ч. рек Северной Двины, Мезени, Печоры по особенностям трансформации меандрирующих разделил их на две группы: 1) испытывающие смену русла на разветвленное и обратно; 2) сохранившие извилистое русло, но средние размеры параметров излучин существенно изменялись в ту или другую сторону в зависимости от уменьшения или увеличения водности. Используя разработанные связи среднегодовых и среднемаксимальных расходов воды с шириной русла и площадью водосбора, а также соотношение ширины современного и древнего русла можно, зная прогнозную оценку увеличения/уменьшения Qср, рассчитать возможные изменения параметров русла в будущем.
Подобный подход в отечественной литературе впервые использовал Н.И. Маккавеев [Экспериментальная геоморфология, 1969], но он оперировал радиусами r и шагами L излучин. Действительно, ширина русла является более неопределенным параметром, зависит от стадии развития излучины и, что более весомо, от того, измерена она в бровках поймы или с учетом обсыхающих в межень прирусловых отмелей, что установить по сохранившимся старицам практически невозможно (либо очень субъективно).
Восстановление порядка водности реки по известным параметрам русла р. Вычегды (имеются карты второй половины XVIII века) было сделано И.Н. Каргаполовой [2006] для исторического периода (рис. 5.1).
Используя зависимости r= f(Qср) или L= f(Qср), где r – радиус кривизны, L – шаг излучин, Qср – среднегодовой расход воды, были установлены связи между водностью и параметрами излучин, аппроксимированные уравнениями регрессии
и 
(5.5)
Рис. 5.1. Зависимость параметров свободных излучин р. Вычегды –
– радиуса кривизны r (А) и шага L (Б) от среднегодового расхода
воды Q [Каргаполова, 2006]
Воспользовавшись этими пространственными (по длине реки) зависимостями и перенеся их на изменения во времени, зная параметры излучин нужного периода (в данном случае – второй половины XVIII века) была определена водность реки в это время (табл. 5.1.). Экстраполируя полученные изменения водности на прогнозируемый период, можно по прямой аналогии устанавливать параметры русел при соответствующих характеристиках водности реки в будущем, учитывая, что речь идет всего о временном интервале не более 250 лет).
Таблица 5.1
Восстановление водности р. Вычегды во второй половине XVIII века
по гидролого-морфологическим зависимостям [Каргаполова, 2006]
| Участок реки | Среднегодовой расход воды (Qср) | Параметры современного | Параметры русла второй половины XVIII в (по планам 1780-х годов) | Среднегодовой расход воды второй половины XVIII века, (по зависимостям 5.5) | |||
| r | L | r | L | Qср=f(r) | Qср=f(L) | ||
| устье Нема – устье Северной Кельтмы | 140 | 415 | 890 | 510 | 1110 | 190 | 170 |
| устье Северной Кельтмы – устье Вишеры | 235 | 660 | 1400 | 780 | 1760 | 360 | 340 |
Продолжение таблицы 5.1
| устье Вишеры – устье Сысолы | 440 | 1010 | 2115 | 1030 | 2190 | 540 | 480 |
| устье Сысолы – устье Выми | 600 | 1190 | 2840 | 1110 | 2530 | 600 | 590 |
Таким образом, гидролого-морфологический анализ является не только методом исследования русловых процессов прошлого, но и одним из основных для прогнозирования трансформаций русел разного морфодинамического типа в будущем. Зная прогнозные условия формирования русла (водность, сток наносов и др.), по имеющимся гидролого-морфоло-гическим зависимостям можно оценить его возможные «новые» параметры.
Прогноз деформаций речных излучин в большинстве случаев основывается на экстраполяции данных о темпах и направленности их смещения, полученных при сопоставлении разновременных картографических материалов. Вместе с тем существуют расчетные методы, основанные на эмпирических зависимостях, связывающих скорости смещения излучин со скоростями потока, а также различные параметры излучин с характеристиками водности и стока наносов.
Сложнее обстоит дело с гидролого-морфологическим анализом разветвленных русел, для которых практически не существует общепринятых параметров. Выполненные на р. Печоре исследования показали, что закономерные изменения ширины рукавов в зависимости от их водности дифференцируются по типам разветвлений русла (рис. 5.2).
Эти зависимости однозначны для рукавов сопряженных, односторонних и чередующихся односторонних разветвлений вне зависимости от их водности, причем основные рукава всегда более широкие. Параллельно-рукавные и пойменно-русловые разветвления имеют неодинаковые связи bp= f(Qмеж) для главных и второстепенных рукавов: при Q=const ширина основных рукавов меньше.
В одиночных разветвлениях во второстепенных рукавах ширина увеличивается с ростом их водности, в основных, ‒ наоборот, уменьшается. Основным рукавом при этом считается тот, водность которого составляет не менее 35%, а чаще больше 50% суммарного расхода воды в разветвлении, тогда как водность второстепенного составляет в большинстве случаев менее 35% и не более 50% суммарного расхода воды.
В одиночных, параллельно рукавных и пойменно-русловых разветвлениях при одной и той же ширине водность главного рукава по сравнению с второстепенным больше.
Рис. 5.2. Гидролого-морфологические зависимости между шириной рукавов bp и меженным расходом воды в них Qмеж (по данным измерений) для сопряженных (А), одиночных (Б) односторонних (В), чередующихся односторонних (Г), параллельно-рукавных (Д), пойменно-русловых (Е) р. Печоры. Рукава: 1 – основные; 2 – второстепен-
ные [Львовская, Чалов, 2013]
Для излучин рукавов разветвлений р. Печоры были получены зависимости от их водности радиуса кривизны r и шага L излучин (рис. 5.3). Эти зависимости также дифференцируются по типам разветвлений. Наиболее тесные связи характерны для сопряженных разветвлений (коэффициент корреляции – 0,99 и 0,98 для r и L, соответственно; для пойменно-русловых разветвлений связи менее тесные). То есть, для излучин рукавов справедливы те же закономерности, что и для излучин самого русла.
Получены также соотношения между относительной шириной островов Во и шириной русла выше узла разветвления bр, с одной стороны, и удельным среднемаксимальным расходом воды q (м2/с), с другой (2.3.27). Эмпирические коэффициенты в этих зависимостях существенно различаются на разных реках.
Использование данных связей позволяет оценить возможные изменения морфологии разветвленных русел при увеличении (уменьшении) водности реки.
Рис. 5.3. Зависимости радиуса кривизны r (А) и шага излучин L (Б) от расхода воды в рукавах разветвлений р. Печоры: 1 – сопряженных;
2 – пойменно-русловых [Львовская, Чалов, 2013]
Применять их на практике для прогнозных оценок переформирований можно только тех участков речных русел, для которых они были получены, либо использовать в методических целях.
О возможных трансформациях разветвлений можно судить по тем их изменениям, которые происходят на отдельных этапах переформирований при периодических колебаниях водности. Сопряженные разветвления в многоводные периоды на всем протяжении превращаются в параллельно-рукавные с примерно равноценной развитостью и динамической устойчивостью обоих рукавов. В маловодный период сопряженное развитие восстанавливается, но с зеркальным расположением развивающихся рукавов. Подобные периодические трансформации русла отмечены на Лене выше слияния с Алданом (рис. 5.4).
Съемка 1974 г. фиксирует состояние русла в маловодный период,
1992 г. – многоводный, 2010 г. – начало нового маловодного цикла. Можно полагать, что при последовательном увеличении водности рек в ходе глобальных гидроклиматических изменений возможно формирование параллельно-рукавных разветвлений на Лене от г. Покровска (выше Якутска) до устья Алдана; в районе Якутска (от Табагинского утеса до Кангаласского мыса) это уже произошло. Ниже устья р. Алдана параллельно-рукавные разветвления являются преобладающим типом русла вплоть до п. Жиганска.
Используя продолжительные ряды наблюдений за состоянием русла (карты с конца XVIII – начала ХХ веков) и выявляя по ним происходящие переформирования с учетом изменений водности рек за эти интервалы времени, можно экстраполировать полученные связи между состоянием русла и характеристиками водности на перспективу и в первом приближении давать прогнозные оценки русловых деформаций.
Рис. 5.4. Временная трансформация разветвленного русла
средней Лены при периодических колебаниях водности реки
При наличии Qф (Северная Двина, Вычегда, Ока), проходящего при затопленной пойме, определяющую роль в развитии русла играют высокие половодья, наблюдающиеся в многоводные годы. Именно на эти периоды приходится наибольшее число случаев перемещения основного расхода воды из одного рукава в другой или спрямления излучин. На р. Вычегде со слабоустойчивым руслом, характеризующимся интенсивными переформированиями, со снижением максимальных расходов воды со второй половины XVIII в. до настоящего времени наблюдается двукратное уменьшение числа подобных переформирований русла.
На меандрирующих участках верхнего и среднего течения за период конец XVIII‒начало ХХ века спрямилось 24 излучины, за ХХ век – всего 10. На разветвленном участке русла нижнего течения из 210 разветвлений переход основного течения из одного рукава в другой произошел в рассматриваемое время в 15 из них, причем 10 случаев пришлось на период конец XVIII‒начало ХХ в. и только в 5 – на ХХ в. (причем в двух случаях перераспределение стока было осуществлено искусственно, хотя и с использованием естественных тенденций). На Северной Двине на многоводный период конца XVIII‒начало ХХ веков приходится самое крупное за последние столетия переформирование русла – спрямление серии излучин в районе с. Красноборска и его трансформация в разветвленное.
Гидролого-морфологический анализ позволяет, таким образом, прогнозировать трансформацию параметров русла вследствие изменений характеристик водности рек при климатических изменениях. В отличие от них QI-диаграммы, отражая условия формирования русел рек, дают возможность оценивать вероятность изменения морфодинамического типа русел или его усложнения.
Для рек Севера ЕТР (рис. 5.5) на QI-диаграмме, характеризующей формирование русел, сохранившихся в естественном, ненарушенном в результате хозяйственной деятельности, состоянии, при общем повышении водности рек в течение ХХI века на 10-15% произойдет, в одних случаях усложнение форм русла (например, за счет образования вторичных разветвлений в рукавах). В других случаях возможна смена морфодинамического типа русла: формирование разветвлений на относительно прямолинейных участках, трансформация односторонних и сопряженных разветвлений в параллельно-рукавные, спрямление крутых (петлеобразных и сегментных) излучин и образование на их месте относительно прямолинейного русла или, при врезании реки, превращение свободных во врезанные излучины.
Возможные пути подобных трансформаций показаны на рис. 5.5 стрелками.
Использование QI-диаграмм возможно для прогнозирования трансформации русел рек, подверженных антропогенным воздействиям и факторы русловых процессов (гидроузлы, разработка карьеров, сплошное выправление и т.д.). При этом в русловом режиме реки происходят изменения, аналогичные естественным (природным), но в значительно более короткие сроки. Поэтому смена условий при антропогенном воздействии может рассматриваться как модель влияния возможных климатических изменений на русло реки.
В «новых» условиях ниже плотин гидроузлов русла рек трансформируются на участках большой длины ниже по течению. Например, за годы эксплуатации Новосибирского гидроузла на р. Оби (с конца 50-х гг. ХХ в.) в нижнем бьефе произошли врезание реки, уменьшение уклонов и рост глубин, снижение величины Qф во время половодья и увеличение Qф в меженный период.
Это сказалось в постепенном уменьшении числа рукавов, а на 100-километровом участке ниже г. Новосибирска – к смене сопряженных разветвлений пологими излучинами русла.
Рис. 5.5. QI-диаграмма для рек севера ЕТР и прогнозная оценка изменений типов русел при увеличении Qмакс на 15%. Разветвленные русла: 1 – параллельно-рукавные; 2 – одиночные и односторонние разветвления; извилистые русла: 3 – врезанные, 4 – петлеобразные
и сегментные, 5 – пологие и прорванные излучины; 6 – прямолинейное неразветвленное русло, 7 – положение точек, соответствующее увеличению Qмакс , 8 – стрелки, показывающие смещение прогнозных точек относительно современного положения [Львовская,
Чалов 2013]
Лишь там, где в отмирающих рукавах разрабатывались крупные карьеры стройматериалов, разветвления сохранились [Беркович, Виноградова и др., 2008]. На других участках Оби проявляется тенденция к изменению преобладающего типа русла – разветвленного на прямолинейное. Это характерно также для нижнего течения р. Томи и нижней Катуни, где широкое развитие получила разработка карьеров и сплошное выправление русла по трассе судового хода.
Экстраполяция гидролого-морфологических зависимостей, использование QI-диаграмм не учитывает сток наносов, соотношение в нем взвешенной и влекомой составляющих, устойчивость русел, направленность вертикальных деформаций и происходящие благодаря им изменения уклонов. Все это составляет задачу дальнейших исследований при разработке прогнозов русловых процессов в условиях глобальных изменений климата и крупномасштабных антропогенных воздействий на реки.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1228; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!