Розроблено та апробовано математичну модель деформацій русла р. Томі в чертег. Томська на ділянці річки 74,8 ... 58,3 км від гирла. Для періодів високої, середньої і малої водності встановлено розподіл по довжині річки інтенсивності вертикальних деформацій дна, витрат ваблених і зважених наносів. Показано, що при збереженні природно-антропогенних умов формування твердого стоку р. Томі в межах м Томська, що сформувалися в 2003-2006 рр., Ймовірно деяке зниження в найближче десятиліття відміток дна і подальше формування острова в південній частині міста. Виконано оцінку ефективності днопоглиблювальних робіт на р. Томі і дано прогноз руслових деформацій при різних варіантах антропогенного впливу на потік.

Анотація наукової статті з наук про Землю і суміжних екологічних наук, автор наукової роботи - Савичев О. Г.


Область наук:

  • Науки про Землю та суміжні екологічні науки

  • Рік видавництва: 2007


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання і прогноз руслових деформацій р. Томі в межах м Томська (Західний Сибір) '

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання та прогноз руслових деформацій р. Томі в межах м Томська (Західний Сибір) »

    ?геоекологія

    УДК 550.42: 57.4 (571.1)

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОГНОЗ руслових Деформації р. ТОМИ в межах м Томську (ЗАХІДНА СИБІР)

    О.Г. Савичев

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розроблено та апробовано математичну модель деформацій русла р. Томі в чертег. Томська на ділянці річки 74,8. ..58,3 км від гирла. Для періодів високої, середньої і малої водності встановлено розподіл по довжині річки інтенсивності вертикальних деформацій дна, витрат ваблених і зважених наносів. Показано, що при збереженні природно-антропогенних умов формування твердого стоку р. Томі в межах м Томська, що сформувалися в 2003 ~ 2006 рр., Ймовірно деяке зниження в найближче десятиліття відміток дна і подальше формування острова в південній частині міста. Виконано оцінку ефективності днопоглиблювальних робіт на р. Томі і дано прогноз руслових деформацій при різних варіантах антропогенного впливу на потік.

    Вступ

    Томь є одним з найбільших приток р. Обі, в басейні якого проживає більше 2 млн чол., Причому переважно у великих містах по берегах зазначеної річки (рр. Междуреченськ, Новокузнецьк, Кемерово, Юрга, Томськ, Сіверськ). Подібне розміщення населених пунктів, обумовлене історією господарського освоєння Західного Сибіру, ​​з одного боку, дозволяє більш активно використовувати водні ресурси і мінімізувати витрати на водообспеченіе і водовідведення. З іншого боку, доводиться приділяти велику увагу проблемам запобігання негативним впливам вод, в тому числі водної ерозії річкових берегів і гідротехнічних споруд. Особливо гостро дана проблема стоїть для м Томська, в межах якого спостерігаються досить інтенсивні природно-антропогенні деформації русла р. Томі.

    Аналіз результатів досліджень, виконаних раніше в ВАТ «Томскгеомонітоінг», Томському політехнічному (ТПУ) і Томському державному (ТГУ) університетах при безпосередній участі автора, показав, що з 1950-х рр. до середини 1980-х рр. внаслідок руслової видобутку піщаногравійна матеріалу (ПГМ) відбулося зменшення на 2,0 .. .2,5 м відміток дна, а слідом за ними і рівнів води. При цьому змінилися обриси берегової лінії і руслових утворень, багато осередки і острови або зникли, або зменшилися. В середині 1980-х рр. роботи по руслової видобутку ПГМ у м Томська були згорнуті. В кінці 1990-х рр. на р. Томі на ділянці 73 ... 70 км від гирла стало отме-

    тися розширення існуючих осередків і їх перетворення в острова, а на цьому тлі - посилення розмиву русла і підвищення максимальних рівнів води, не спостерігалося близько 40 років [1,2].

    З метою запобігання деформацій берегів в 2005-2006 рр. на р. Томі були проведені руслоісправітельние (днопоглиблювальні) роботи. Зокрема, в 2005 р виконано вилучення ПГМ в двох кар'єрах в середній і лівобережної частини русла в районі корпусу ТГУ № 6 (приблизно в 72,5. ..71,0 км від гирла) на площі 1610,6 тис. М2. Сумарне зменшення обсягу донних відкладень оцінено в 210,9 тис. М3, причому власне видобуток ПГМ склала 60% вилученого в двох кар'єрів, а 40% цього обсягу було перерозподілено в руслі нижче за течією від кар'єрів і привело до формування нового руслового освіти між кар'єрами і росту осередків нижче за течією від них. У 2006 р руслоісправітельние роботи були виконані в

    70,7 ... 70,5 км і 68,6 ... 68,3 км від гирла р. Томі. Площа вироблення на першій ділянці склала 31 тис. М2, зменшення обсягу ПГМ - 28,5 тис. М3; площа вироблення на другій ділянці -29,5 тис. м2, зменшення обсягу ПГМ - 3,5 тис. м3.

    Зіставлення матеріалів руслових зйомок, виконаних до і після проведення зазначених робіт, дозволило зробити ряд висновків, найбільш важливими з яких є наступні. По-перше, при проведенні днопоглиблювальних робіт на якій-небудь ділянці нижче за течією ймовірно накопичення наносів, що може знижувати очікуваний ефект від проведення зазначених заходів. По-друге, неможливо підвищити ефек-

    Мал. 1.

    Схема досліджуваної ділянки р. Томі; створи річки: 1) в 74,8 км (гідроствор); 2) в 58,3 км

    ність руслоісправітельних (днопоглиблювальних) і берегозахисних робіт без проведення математичного моделювання і прогнозу руслових деформацій з урахуванням різних варіантів змін

    гідрологічних умов і проведення інженерних заходів. Все це і визначило мету розглянутих досліджень, в процесі яких автором була розроблена і апробована математична модель деформацій русла р. Томі в м Томську. Схема досліджуваної ділянки р. Томі приведена на рис. 1.

    Вихідною інформацією послужили дані руслових зйомок ВАТ «Томскгеомоніторінг» і підприємства «Томський район водних шляхів і судноплавства», матеріали гідрологічних спостережень Томського центру з гідрометеорології та моніторингу навколишнього середовища (ТЦГМіМОС), ТГУ і ТПУза 2003-2006 рр.

    Структура математичної моделі

    Вже згадана математична модель базується на чисельному рішенні рівняння руслових деформацій, що має вигляд:

    dGJdx-qe3e + m0Bdz / dt = 0, (1)

    де Gejl - витрата ваблених наносів в обсязі беспов-стотние породи; qe3e - витрата зважених наносів, які осідають на дно або піднімаються вгору; in, відносна щільність грунтів і наносів; У ширина річки, м; х - координата поздовжнього переміщення; z ~ висотна відмітка дна; t - координата часу. Величина qe3e розраховується за методом А.В. Караушева, витрата ваблених наносів - за методом Г.І. Шамова [3].

    River bed - Модуль на мові VisualBasic Побудова кривої вільної поверхні води за рівнянням Бернуллі

    Лист А - база даних

    Лист К - модель рельєфу дна річки

    Поле висотних відміток дна і берегів

    2 (100 мх50 м) Лист Л '- візуалізація

    Розрахунок в вузлах розрахункової сітки швидкості течії даних

    V, глибини потоку І, приватного витрати води q

    Розрахунок середніх по перерізу значень швидкості течії і глибини потоку V, /? Схема напрямків течій

    Розрахунок меж локальних потоків

    витрати наносів

    Розрахунок рівня води Н в створі Деформації дна

    Повірка збіжності за рівнянням Бернуллі Деформації правого берега

    Лист Про - розрахунок деформацій дна

    Розрахунок змісту? і витрати зважених

    речовин qвзв

    Розрахунок деформацій русла <32

    Перерахунок відміток дна

    Мал. 2. Структура комп'ютерної моделі деформацій русла р. Томі в м Томську в середовищі MS Excel

    Рішення рівняння (1) знаходиться для кожного з локальних потоків, що мають витрату q = Q / \ 0, де Q - загальна витрата води в перерізі. Межі локального потоку визначаються шляхом інтерполяції по кривій q = q (b) для кожного створу, де b - відстань від гребеня дамби на правому березі. Зміна рівня води в суміжних створах визначається за рівнянням Бернуллі шляхом оптимізації методом золотого перетину. Загальна структура моделі, реалізованої автором в середовищі MS Excel у вигляді програмного комплексу HYM, представлена ​​на рис. 2. Результати верифікації моделі за матеріалами руслової зйомки р. Томь у м Томська (в гідростворе) в травні 2001 і 2003 рр. наведені в [4].

    Розрахункові варіанти

    Математичне моделювання проводилося для різних гідрологічних умов і варіантів фактичного і можливого зміни р. Томі на ділянці від гідроствора ТЦГМіМОС в м Томську (74,8 км від гирла) до м Сіверська (58,3 км від гирла). При цьому використовувалися такі варіанти гідрологічних умов:

    1. Весняна повінь середньої водності - витрата води Q = 6860 м3 / с; рівень води Нг в гідростворе становить 630 см над «нулем» графіка поста; ухил водної поверхні в гідростворе 1 = 0,16% о (дані за 23.05.2004 р).

    2. Весняна повінь малої водності - 6 = 3640 м3 / с; Н = 350 см; 1 = 0,088% о (дані за 23.05.2003 г).

    3. Кінець весняної повені (умови, близькі до среднемноголетним) - 0 = 1090 м3 / с; Н = 70 см; / = 0,14% о (дані за 20.06.2004 р).

    4. Літньо-осіння межень - (2 = 472 м3 / с; Д = -48 см; 7 = 0,28% о (дані за 22.09.2003 р).

    В якості розрахункових варіантів руслоісправітельних робіт розглянуті стану р. Томі на осінь 2005 р .; березень 2006 р .; серпень - вересень 2006 року після проведення руслоісправітельних робіт; березень 2006 році (прогноз) за умови розміщення складів ПГМ.

    Основна увага в процесі математичного моделювання руслових процесів було приділено вивченню планів течій, зміни по довжині річки величин стоку наносів (зважених і ваблених) і деформацій, обумовлених переміщенням річкових наносів.

    Результати досліджень та їх обговорення

    План течій. Протягом року, в залежності від водності річки, на даній ділянці спостерігається помітна зміна швидкості і напрямку течії води. Найбільш стислі ділянки потоку в весняний період відзначені в районі скельного виходу «боєць» (74,0 ... 73,8 км від гирла) і верхнього мосту (73 км від гирла) в південній частині м Томська. Певне стиснення потоку відбувається і в районі рас-

    положення великих островів (Боярського, Нижнього Боярського, Собачого). У міру зменшення витрат води відбувається певне звуження потоку і його притискання класному березі на ділянці в

    70,3 ... 68,8 км від гирла (4,5 ... 6,0 км від гідроствора). При цьому обриси потоку в плані стають більш різкими за рахунок обтікання водними масами островів і осередків, причому їх вплив на швидкісне поле стає помітним уже при витратах води близько 3000 ... 3500 м3 / с. Максимальне звуження потоку приурочено до меженного періоду, коли витрати води не перевищують 500 м3 / с. У цей час спостерігається зміщення водних мас класному березі в районі «бійця», у верхнього моста і на Ні-жне-Сінному перекаті (71,5 ... 70,5 км від гирла), до правого берега - в 73,4. ..73,2 км від гирла і нижче за течією від корпусу ТГУ № 6, розташованого приблизно в 72 км від гирла.

    Відстань від гадроствора. і Рис. 3. Зміна сумарних витрат наносів р. Томі на

    ділянці 74,8 ... 58,3 км від гирла (гідроствор ~ гирлі р. Великий Киргизькі); Q = 6860 м3 / с

    Відстань від гадроствора. м

    Мал. 4. Зміна сумарних витрат наносів р. Томі на ділянці 74,8. ..58,3 км від гирла; 0 = 472 м3 / с

    Сток наносів. Аналіз просторово-часового зміни витрат наносів по довжині річки від гідроствора до м Сіверська показав, що максимальні їх значення приурочені: за часом - до весняного водопілля, в просторі - до ділянки р. Томі від п. Нижній склад до вантажного річкового порту в 68 ... 59 км від гирла (рис. 3); мінімальні: за часом - літньо-осінньої межені, в просторі - на ділянці від гирла р. Ушайкі (в 69 км від гирла р. Томі) до м Сіверська (рис. 4). У міру зменшення водного стоку в кінці травня - початку липня відбувається не тільки абсолютне, а й відносне зміна витрат наносів по довжині ре-

    ки, що характеризується максимумами в південній частині м Томська (в районі виходу скельних порід в

    74,0 ... 73,8 км від гирла). Крім того, при зменшенні витрат води знижується частка зважених часток в сумарному стоці наносів. Проте, в цілому за рік для р. Томі в межах м Томська характерно закономірне переважання зваженої складової твердого стоку.

    Деформації річкового дна. Просторові і тимчасові зміни деформацій визначаються не тільки величиною витрати наносів, але і геометрією русла. З огляду на це тенденції деформації русла можуть істотно відрізнятися від тенденцій змін твердого стоку. Найбільший розмив дна за результатами моделювання виявлено для ділянки «боєць», але в даному випадку деформації русла оцінюються як потенційні, а не фактичні, оскільки в моделі не врахована низька размиваємость скельних порід в цьому місці. Також слід зазначити, що при відносно незначній зміні по довжині річки середньої по перетину величиною деформації дна на різних ділянках поперечного профілю русла можуть спостерігатися одночасно розмив і акумуляція. Причому акумуляція наносів у островів може спостерігатися навіть при дуже високих витратах води в весняний період (рис. 5).

    Відстань від гідроствора. м

    Мал. 5. Зміна середньої по перетину інтенсивності деформацій дна р. Томі на ділянці 74,8. ..58,3 км Отус-тя; 0 = 6860 м3 / с

    Вже на спаді повені, або під час повені низькою водністю, може відбуватися акумуляції зважених наносів на більшому протязі досліджуваного ділянки р. Томі і одночасно - розмив дна річки за рахунок перенесення їх вабить частинок на окремих ділянках, приурочених до звуженням русла і перепадів глибин в місцях проведення руслоісправітельних робіт. В кінці повені - початку літньої межені на всьому протязі річки в середньому по перетину спостерігається незначна акумуляція зважених наносів і чергування ділянок розмиву дна і акумуляції їх вабить наносів. Некомпенсовані акумуляцією зважених часток розмив дна відзначений тільки в районі «бійця» і верхнього моста (рис. 6). У період років-ні-осінньої межені спостерігається в основному акумуляція наносів, переважно - зважених. Найбільш інтенсивне відкладення наносів відзначається в основному у осередков в районі корпу-

    са ТГУ № 6, вище гирла р. Ушайкі і у островів Боярського, Нижнього Боярського і Собачого.

    Фактичне і прогнозне зміна руслових процесів в результаті руслоісправітельних робіт, виконаних в 2005-2006 рр. Після проведення руслоісправітельних робіт в південній частині м Томська відбулося вирівнювання потоку і його зміщення до центру русла за рахунок поглиблення ділянок русла. Під час повені безпосередньо на ділянці проведення робіт середні по перетину негативні деформації дна річки зменшилися або фактично припинилися, що свідчить про певну ефективності виконаних заходів. В років-ні-осінню межень характер і масштаб деформацій дна в цілому змінилися незначно.

    У найближчі роки слід очікувати певне вирівнювання потоку приблизно в 71 км від гирла і зміщення частини водних мас до лівого берега в 70,3 ... 68,8 км від гирла. З урахуванням цього можливі розмив лівого берега і дна річки з подальшим перевідкладеного наносів на нижерасположенной ділянці і формуванням осередків. Зміна стоку наносів в період весняної повені очікується незначним. У межень витрати наносів зменшаться як безпосередньо в місці проведення днопоглиблювальних робіт в 71 км від гирла, так і на вище розташованих ділянках. Зміни стоку наносів в районі річкового вокзалу (68,1 км від гирла) будуть незначними. Аналогічні тенденції характерні і для просторової динаміки руслових деформацій. Так, зміна деформацій дна при проходженні піку повені як на Нижньо-Сінному перекаті, так і у річкового вокзалу, імовірно, буде несуттєво, але в меженний зменшиться акумуляція наносів вище за течією від місця розміщення кар'єра в 71 км від гирла р. Томі. Безпосередньо в кар'єрах відбуватиметься певна акумуляція наносів.

    Відстань від гідроствора. м

    Мал. 6. Зміна середньої по перетину інтенсивності деформацій дна р. Томі на ділянці 74,8 ... 58,3 км від гирла; 0 = 1090 м / с

    Прогнозне зміна руслових процесів в результаті розміщення підводних складів ПГМ в руслі р. Томі. Аналіз результатів математичного моделювання показав, що розміщення складів ПГМ поблизу від берега може привести (за відсутності додаткових руслоісправітельних робіт) до зміщення потоку і посилення розмиву дна

    між складом і найближчим берегом. При цьому вплив складів буде найбільш помітно на спаді повені. Зокрема, розмив частини берегової смуги в межень можливий при розміщенні складу в 70,3 км від гирла. Менш помітне, але все суттєве зміщення водних мас до середини русла очікується і в районі гирла Еуштінской протоки (60,4 ... 60,2 км від гирла). Щодо помітна зміна (збільшення) стоку наносів можливо на спаді повені - на початку літньої межені, коли в результаті звуження живого перетину відбудеться збільшення швидкостей течії. У періоди високої

    і, навпаки, низькою водністю зміни витрат наносів будуть малопомітні. Вплив складів проявиться не тільки в зміні твердого стоку і розмиванні берегової смуги, а й в посиленні акумуляції зважених наносів в межень на ділянках, в межах яких відбудеться зниження швидкостей течії.

    висновки

    1. Розроблено і апробовано математичну модель руслових процесів на прикладі р. Томі в межах м Томська, що дозволяє прогнозувати зміну швидкісного поля, твердого стоку і руслових деформацій; ефективність подальшого її використання визначається необхідністю оновлення і уточнення даних про рельєф дна і прибережної частини.

    2. Протягом року по довжині річки відбувається суттєва зміна витрат наносів і інтенсивності руслових деформацій в залежності від величини водного стоку і геометрії русла.

    3. В результаті руслоісправітельних робіт відбулося певне зміщення водних мас до центру русла в районі корпусу ТГУ № 6 (приблизно в 72 км від гирла); в цілому вплив на русло в 2005-2006 рр. оцінюються як помірне, а ефективність руслоісправітельних робіт - як задовільна.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Савичев О.Г., Шварц С.Л., Рассказов Н.М., Шварцева Н.М. Гідрогеоекологіческого ситуація в басейні річки Томі // Географія і природні ресурси. - 2004. - Спец. випуск. -З. 192-199.

    2. Льготін В.А., Савичев О.Г., Нігороженко В.Я. Стан поверхневих водних об'єктів, водогосподарських систем і споруд на території Томської області в 2000-2005 рр. -Томск: АГРАФ - ПРЕС, 2006. - 88 с.

    4. У найближчій перспективі (при відсутності додаткових антропогенних змін русла) слід очікувати певне вирівнювання потоку приблизно в 71 км від гирла і зміщення частини водних мас до лівого берега в

    70,3 ... 68,8 км від гирла; з урахуванням цього можливий розмив лівого берега і дна річки з подальшим перевідкладеного наносів на нижерасположенной ділянці і формуванням осередків.

    5. Розміщення складів піщано-гравійних матеріалів поблизу від берега може призвести до зміщення потоку, посилення розмиву дна між складом і найближчим берегом (особливо на спаді повені), а також (в період льодоходу) до збільшення щільності шугохода.

    6. З урахуванням цього не рекомендується розміщувати склади в місцях звуження потоку і на криволінійних ділянках; найменші негативні наслідки очікуються при розміщенні складів піщано-гравійних матеріалів в нижній частині острова Енеко (приблизно в 63,0 ... 61,5 км від гирла) при попередній спрацюванні частини коси і розміщення складу в межах старих кордонів острова.

    7. Русло р. Томі в м Томську в південній частині міста (в створі верхнього моста в 73 км від гирла) протягом 2003-2006 рр. років в цілому стабільно; нижче за течією від моста відзначаються значні деформації в межах тієї чи іншої частини поперечного перерізу (більш похибки визначення 0,58 м), але в середньому по перетину вертикальні деформації несуттєві (менш 0,58 м).

    8. При збереженні природно-антропогенних умов формування твердого стоку р. Томі в межах м Томська ймовірно деяке зниження в найближче десятиліття відміток дна нижче за течією від верхнього моста в 73 км від гирла. Робота виконана за фінансової підтримки РФФД

    (Грант Р ОФІ 06-05-96924).

    3. Міжнародне керівництво по методам розрахунку основних гідрологічних характеристик. - Л .: Гидрометеоиздат, 1984. -247 с.

    4. Савичев О.Г. Сток ваблених наносів річки Томь (Західний Сибір) // Известия Томського політехнічного університету. -2007. - Т. 310. - № 3. - С. 22-25.

    надійшла 12.04.2007.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити