CC BY
21
УДК 627.152.122
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ В ИЗЛУЧИНАХ РЕКИ ОБЬ НА ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА БАРНАУЛА
А.В. Дьяченко, К.В. Марусин, А.А. Коломейцев, А.А. Вагнер
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: [email protected]
Представлены результаты измерений скорости и направления течения на двух ме-андрирующих участках, находящихся на разных стадиях своего развития. На каждом участке измерения выполнялись акустическим доплеровским профилографом по 16-ти створам в условиях пика и спада половодья 2017 г. Приведены двумерные (осредненные по глубине) картины поля скоростей потока. В целом результаты хорошо согласуются с теми основными чертами и особенностями поля скоростей течения на излучинах, которые уже описаны в специальной литературе. На основе этих данных сделаны практические выводы о влиянии современной русловой ситуации на условия работы городских водозаборов.
Ключевые слова: Обь, Барнаул, речные излучины, поле скоростей потока, натурные наблюдения, городские водозаборы.
Дата поступления 21.02.2018
Структура речного потока на изгибах русла, а именно, поле его скоростей при различных расходах воды, является весьма важной информацией для понимания и прогнозирования процессов образования и развития речных излучин. Достаточно сказать, что в фундаментальной монографии о речных излучинах, подготовленной ведущими отечественными специалистами по русловым процессам, данному вопросу посвящен отдельный, весьма объемный раздел [1]. В нем, в частности, отмечено, что «основной массив информации о динамике потока на изгибе был получен в ходе лабораторных опытов» [1, стр. 69]. Вместе с тем, «при всей значимости результатов экспериментов, лабораторные потоки не дают полного подобия природным. Поэтому, большой интерес представляют натурные исследования структуры потока на излучинах» [1, стр. 76]. Однако как констатируют авторы монографии, «число их невелико» [1, стр. 76]. Недостаток натурных данных о поле скоростей течения на излучинах, особенно для крупных рек, в основном обусловлен, на наш взгляд, сложностью и трудоемкостью процесса измерений.
Появление в последние годы новых технических средств, а именно, акустических доплеровских профилографов, позволяет, хотя бы отчасти, решить эту проблему.
В данной статье представлены результаты натурных наблюдений поля скоростей течения в излучинах р. Обь на территории г. Барнаула в различных гидрологических условиях (на пике половодья и на его спаде), выполненных в 2017 г. Для исследования поля скоростей течения использовался акустический доплеровский профилограф-расходомер Sontek M9 River Surveyor Live [2]. Данный прибор представляет аппаратно-программный комплекс, который включает в себя акустический доплеровский измеритель скорости течения Sontek ADP M9, а также программное обеспечение для управления аппаратурой, сбора и обработки данных Sontek RiverSurveyor Live. Комплекс позволяет в динамическом режиме, при движении судна по створу наблюдений, получать практически мгновенную картину вертикального распределения скорости и направления течения с разрешением 0,1-0,4 м (в зависимости от глу-
бины), а также значение глубины в точке измерений и пройденного расстояния по линии створа, и таким образом, производить автоматическое вычисление расхода воды. Горизонтальное расстояние между точками измерений по линии створа зависит от скорости судна и составляет 1-2 м. Пространственное позиционирование обеспечивается GPS-приемником повышенной точности и инерциальной системой, включающей магнитный компас и датчики линейных и угловых ускорений (рис. 1).
Наблюдения выполнялись на двух участках реки Обь, расположенных в окрестности городских водозаборов № 1 и № 2. Соответственно, эти участки фигурируют далее под теми же номерами (рис. 2). Таким образом, результаты наблюдений не только пополняют общую копилку натурных данных, но и дают детальную информацию о струк-
туре руслового потока на участках реки, критически важных в хозяйственном отношении.
По морфодинамической классификации Р.С. Чалова [1], русло на обоих участках наблюдений является системой двух сопряженных излучин: верхней - свободной и нижней - вынужденной. В свободных излучинах на рассматриваемых участках выпуклым является левый пойменный берег, в нижних вынужденных излучинах - правый пойменный берег. Нижнее крыло излучины пролегает вдоль левого крутого, трудноразмываемого коренного склона долины Оби. На обоих участках к выступающему левобережному пойменному сегменту прилегает крупная надводная (в условиях межени) аккумулятивная русловая форма - побочень, хорошо видимый на спутниковом снимке (см. рис. 2).
Рис. 1. Аппаратно-программный комплекс Sontek RiverSurveyor Live:
а - аппаратура комплекса; б - комплекс в рабочем положении; в - окно программы сбора и обработки данных.
Следует отметить, что системы излучин на рассматриваемых участках находятся на разных стадиях своего развития. На участке № 2 излучины являются более развитыми, чем на участке № 1, что проявляется, например, в их большей крутизне. Естественная эволюция излучин на участке № 1 в настоящее время сдерживается техногенным фактором, а именно берегозащитным каменно-набросным банкетом, покрывающим все верхнее крыло вынужденной излучины и значительную часть
нижнего крыла свободной излучины (рис. 3 а). Более подробные сведения об истории развития и современном состоянии русла на данном участке можно почерпнуть из [4]. Протяженность участка № 1 по оси меженного русла составляет 3,8 км, а участка № 2 -4,8 км.
На каждом участке было намечено 16 измерительных створов (рис. 3). Для того, чтобы обеспечить больший пространственный охват при высокой воде, когда русловые формы затоплены, некоторые створы выполнены в виде ломаных линий, т.е. не являются «створами» в прямом смысле этого слова. В ходе измерений створы участка проходились последовательно сверху-вниз по течению.
Для контроля общих параметров речного потока на каждом участке был оборудован временный уровенный гидрологический пост свайного типа (см. рис. 3). Перед началом и после окончания процесса наблюдений за полем скоростей течения на соответствующем участке измерялась отметка уровня воды. Кроме того, во входном и замыкающем створах участка определялся расход воды. Всего было проведено две серии наблюдений за полем скоростей течения: 23-24 мая - на пике половодья и 22-24 июля - в период его спада (рис. 4). На участке № 1 наблюдения проводились 23 мая и 24 июля, а на участке № 2 - 24 мая и 22 июля. Следует отметить, что половодье 2017 г. было сравнительно слабым. В его пик, по нашим наблюдениям, пойма на рассматриваемых участках была затоплена в среднем на глубину 0,2-0,5 м в зависимости от локальных особенностей рельефа. Однако ее возвышенные участки с высотами 134,5 м БС и более оставались сухими.
Данные об отметках уровня и расходах воды на участках наблюдений представлены в таблицах 1 и 2.
Рис. 2. Местоположение участков наблюдений.
Подложка - спутниковый снимок 07.09.2016 г. Отметка уровня воды на гидропосту Барнаул - 129,25 м БС [3].
® водозабор №1 © временный водомерный пост ИВЭП
-И— опоры и линия ЛЭП 220 кВ
Берегозащитное сооружение: 4 створы измерения скоростей течения
I ! I I ; постройки конца 80-х годов и их номера
III постройки 2011 г
а б
Рис. 3. Общий вид и положение измерительных створов:
а - участок № 1; б - участок № 2. Подложка - та же, что и на рис. 2.
135 -.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-
Рис. 4. Динамика отметки уровня воды на г/п Барнаул с 01 апреля по 31 октября 2017 г. [3].
При изучении пространственной неоднородности поля скоростей течения в идеале следует обеспечить постоянство параметров потока во времени. Однако в натурных условиях добиться такой стационарности, разумеется, невозможно. Тем не менее, данные, приведенные в таблице 1, показывают, что уровень воды в ходе проведения измерений на участке менялся незначительно: максимум на 4 см (3 %).
Следует также отметить, что отличия в значении расхода воды во входном и выходном створах участков объясняются не только нестационарностью речного потока, но также и влиянием пойменных проток, впадающих в основное русло и/или отходящих от него (см. рис. 3). Для оценки этого влияния можно привлечь результаты наших измерений расходов воды в этих протоках, сделанных в тот же период (22 мая и 21 июля 2017 г.) [5].
Таблица 1 Отметки уровня воды (м БС) на участках наблюдений
Отметка уровня
Дата Время пост на г/п Барна-
участке ул*
Участок 1
23 мая 10:57 134,09 133,33
18:35 134,10
24 июля 11:10 131,22 130,44
20:25 131,24
Участок 2
24 мая 11:50 134,61 133,36
18:30 134,58
22 июля 11:10 131,69 130,56
19:00 131,65
Примечание: время - местное; * - на 8:00 [3].
Расходы воды (м/с) в основном
Как видно из таблицы 2, наибольшие отличия между значениями расхода воды на входе в участок и на выходе из него (5,7 %) наблюдаются во второй серии измерений на участке № 2. В то же время, согласно данным, приведенным в [5], 50 м3/с вытекало с участка в протоку Бобровскую через ответвление около створа № 3, а расход в протоке Ерест-нинской, отходящей от основного русла между створами № 7 и № 8, составлял 25 м3/с. Если учесть эти потери, то невязка между входным и выходным расходами воды снижается до 1,9 %.
Менее благоприятно в этом смысле выглядят данные по расходу воды на этом же участке за 24 мая. Согласно [5], общий отток с участка в протоки должен быть 406 м3/с, однако разность между значениями входного и выходного расхода (табл. 2) дает лишь 70 м3/с. Таким образом, нестационарность потока проявляется в данном случае достаточно четко. Однако ее влияние не столь уж велико - около 8 %. Кроме того, следует заметить, что между измерениями расходов в протоках и экспериментом на участке прошло двое суток, в течение которых уровень воды интенсивно снижался (см. рис. 4), а значит, и расход воды в протоках мог несколько уменьшиться. Таким образом, приведенные выше данные и их анализ позволяют считать, что в ходе исследования поля скоростей режим течения в русле Оби на рассматриваемых участках был достаточно близок к стационарному состоянию.
Таблица 2 р. Обь на участках наблюдений
Участок Дата Створ Проведение измерений Расход воды, м /с
начало длительность, мин.
1 23 мая 1 11:53 10 4306
16 18:25 10 4455
24 июля 1 11:33 8 2045
16 19:47 8 2016
2 24 мая 1 13:03 18 4320
16 18:03 8 4250
22 июля 1 11:46 10 2097
16 17:46 5 1984
Примечание: время - местное.
Как уже отмечалось, акустический профилограф позволяет получать трехмерную картину поля скоростей потока. Однако пока не удалось выработать компактный, соответствующий возможностям печатного издания, но в то же время информативный способ ее визуализации. Поэтому пока ограничимся представлением и анализом двухмерного (планового) поля скорости потока, осредненной по глубине, что осуществляется программным обеспечение про-филографа в ходе его работы.
При выполнении измерений траектория движения судна, как правило, несколько отклонялась от намеченной линии створа в ту или иную сторону, поскольку на небольшой лодке, движущейся с малой скоростью поперек широкой реки с сильным течением, выдерживать постоянный курс весьма трудно. В среднем по всем пройденным створам в обеих сериях наблюдений это отклонение, измеренное по нормали к линии створа, составляет 7,3 м, максимум - 24,2 м. Кроме того, даже после перехода к двумерной картине (осред-ненные по глубине скорости потока),
объем собранных данных все еще слишком велик для адекватного их отображения. Как уже отмечалось, интервал между точками измерений составлял всего 1 -2 м. В силу этих обстоятельств для представления результатов измерений был выбран следующий способ: на линии створа с шагом 20 м задавались опорные точки, в каждой из которых отображались данные, полученные в ближайшей к ней реальной точке измерений (рис. 6).
Результаты проведенных исследований, а именно глубины воды и векторы осредненной по глубине скорости течения в опорных точках измерительных створов, представлены на рисунке 7. Следует отметить, что на участке № 2 в ходе измерений 24 мая створ № 12 до конца пройти не удалось из-за препятствий при движении лодки. В таблице 3 приведены характерные (средние и максимальные по участку) значения скоростей течения по данным, показанным на рисунке 7. Интересно отметить, что в одинаковых гидрологических условиях эти данные оказались весьма близки друг к другу.
Рис. 6. Иллюстрация принятого способа отображения результатов измерений:
фрагмент участка № 1, 23 мая.
в
г
Рис. 7. Глубины воды и векторы осредненной по глубине скорости течения в опорных точках измерительных створов:
а - участок № 1, 23 мая; б - участок № 2, 24 мая; в - участок № 1, 24 июля; г - участок № 2, 22 июля.
Таблица 3 Средние и максимальные по участку значения осредненных по глубине скоростей течения (м/с) по данным, представленным на рисунке 7
Анализируя полученные результаты, прежде всего, следует обратить внимание на эффект отрыва потока от правого пойменного берега с образованием водоворотной зоны на его крутом изгибе в вершине вынужденной излучины. Этот эффект наблюдается на обоих участках, причем хорошо видна связь размеров этой зоны с крутизной изгиба берега. На участке № 2, где верхнее крыло вынужденной излучины ориентировано по отношению к левому берегу под углом больше 90° (считая по направлению течения реки), протяженность водоворотной зоны составляет около 300 м. На участке № 1, где соответствующий угол составляет около 80°, размер зоны примерно в три раза меньше. В водоворотной зоне поступательное движение водной массы практически отсутствует, что способствует накоплению здесь наносов, транспортируемых речным потоком. Отметим также, что на участке № 2 динамическая ось потока (линия его наибольших скоростей) смещается к другому (левому) берега сразу за вершиной изгиба, что не наблюдается на участке № 1. Здесь в условиях половодья динамическая ось потока и в нижнем крыле вынужденной излучины остается прижатой к правому пойменному берегу, который, как показывают наши наблюдения прошлых лет [4], постепенно размывается. Смещение динамической оси потока влево проявляется лишь на расстоянии 800 м от вершины изгиба.
Рассмотрим далее особенности поля скоростей в половодье над имеющимися на участках крупными русловыми формами (побочнями). На обоих участках непосредственно ниже побочня у левого берега располагается тиховодная зона с очень малыми скоростями течения, но с довольно значительными глубинами. Как показывают результаты измерений, в период половодья на участке № 1 поле скоростей над побочнем достаточно равномерно как по величине, так и по направлению. Это означает, что наносы, поступающие на побочень, а также изымаемые потоком с самого побочня, движутся по нему транзитом, а затем откладываются в тиховодной зоне: как раз у входа в подходной канал водозабора № 1. Совершенно иная картина наблюдается на участке № 2. В центральной части побочня происходит заметное торможение потока, а значит, и аккумуляция русловых наносов. Затем в нижней его части течение снова ускоряется, при этом векторы его скорости четко ориентированы в направлении правого берега. Следовательно, наносы, поступившие в поток с нижней части побочня, попадают в область высоких скоростей потока, расположенную в верхнем крыле и вершине вынужденной излучины, а затем они, вероятно, откладываются ниже по течению в правобережной водоворотной зоне. Таким образом, вход в ковш водозабора № 2 находится вне области существенной аккумуляции русловых наносов.
В целом полученные результаты хорошо согласуются с теми основными чертами и особенностями поля скоростей течения на излучинах, которые уже описаны в литературе [1]. Так что проведенное исследование дало лишь дополнительное подтверждение известным фактам, что при наличии малого числа натурных данных имеет, как мы полагаем, некоторое значение.
Кроме того, полученные результаты позволяют сделать практические выводы о влиянии современной русловой
Серия измере- Значение по Участок
ний участку № 1 № 2
Пик половодья, максимальное 2,0 2,39
23-24 мая среднее 1,07 0,96
Спад половодья, максимальное 1,74 1,61
22-24 июля среднее 0,82 0,88
ситуации на условия работы городских водозаборов. По нашему мнению, на участке русла Оби в районе водозабора № 2 в настоящее время она вполне благоприятна для его бесперебойного функционирования, что нельзя сказать о водозаборе № 1. Здесь основными негативными факторами являются аккумуляция наносов у входа в подходной канал и размыв правого пойменного берега ниже створа водозабора. Скорее все-
го, активизация этих факторов в последние несколько лет есть следствие прекращения естественного развития системы излучин после проведения масштабных берегоукрепительных работ. В результате этого техногенного воздействия на данном участке русла создалась весьма своеобразная гидроморфологическая ситуация, перспективы развития которой требуют тщательного изучения.
Список литературы
1. Чалов Р.С., Завадский А.С., Панин А.В. Речные излучины. - М., 2004. - 371 с.
2. https://www. sontek.com/productsdetail.php?RiverSurveyor- S5 -and-M9-14.
3. http://gis.vodinfo.ru.
4. Марусин К.В., Дьяченко А.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Современная динамика русла реки Обь в районе Барнаульского водозабора № 1 по данным натурных наблюдений / Изв. Алт. отд-я РГО. - 2017. - №4(47). - С. 52-61.
5. Дьяченко А.В., Марусин К.В., Коломейцев А.А., Вагнер А.А. Натурные исследования пропускной способности рукавов русловых разветвлений и пойменных проток реки Обь на участке Барнаул - Камень-на-Оби / Изв. Алт. отд-я РГО. - 2017. - № 3(46). - С. 54-63.
References
1. Chalov R.S., Zavadsky A.S., Panin A.V. Rechnye izluchiny. - M., 2004. - 371 s.
2. https://www.sontek.com/productsdetail.php?RiverSurveyor- S5 -and-M9-14.
3. http://gis.vodinfo.ru.
4. Marusin K.V., Dyachenko A.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Sovremennaya dinamika rusla reki Ob v rayone Barnaulskogo vodozabora № 1 po dannym naturnykh na-blyudeny / Izv. Alt. otd-ya RGO. - 2017. - №4(47). - S. 52-61.
5. Dyachenko A.V., Marusin K.V., Kolomeytsev A.A., Vagner A.A. Naturnye issledo-vaniya propusknoy sposobnosti rukavov ruslovykh razvetvleny i poymennykh protok reki Ob na uchastke Barnaul - Kamen-na-Obi / Izv. Alt. otd-ya RGO. - 2017. - № 3(46). - S. 54-63.
FIELD STUDY OF THE FLOW VELOCITY PATTERN IN OB RIVER MEANDERS AT BARNAUL CITY
A.V. Dyachenko, K.V. Marusin, A.A. Kolomeytsev, A.A. Wagner
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: [email protected]
The results of measurements of the flow velocity value and direction in two meandering sections are reported. In the each section the measurements were conducted at 16 cross-lines distributed over its length by the ADP-instrument in the flood peak and the flood fall conditions of the last year (2017). Two-dimensional (averaged over depth) flow velocity patterns obtained are presented and discussed. In general the patterns measured demonstrate typical features of the flow velocity spatial distribution in river meanders which are already known and described in the literature. Based on the results obtained the influence of Ob river modern morphodynamics on the municipal water intakes functioning are estimated.
Key words: Ob river, Barnaul, river meanders, flow velocity pattern, field study, municipal water intakes.
Received Fabruary 21, 2018
