Факторы формирования заторов при ледоходе и их учет для обоснования мероприятий по предотвращению наводнений на участке р. Томи у г. Томска | Геосферные исследования. 2017. № 4. DOI: 10.17223/25421379/5/7

Факторы формирования заторов при ледоходе и их учет для обоснования мероприятий по предотвращению наводнений на участке р. Томи у г. Томска

Актуальность работы обусловлена существенным антропогенным прессингом на русло и пойму р. Томь, который усугубил существующие угрозы катастрофических наводнений. Определены наиболее эффективные способы защиты населения, застроенных территорий и инфраструктуры поселений от угроз, обусловленных катастрофическими наводнениями на р. Томи у г. Томска. Произведен анализ процессов взаимодействия основного русла и речных пойм, их морфологических особенностей при наступлении катастрофических наводнений весеннего половодья р. Томи у г. Томска. В нижнем течении р. Томь выходит с гор на равнину, снижаются скорости течения, осаждаются наносы, река разбивается на рукава, появляются острова и многочисленные протоки, плесы и перекаты. Естественные деформации русла и поймы характеризуются двумя типами: русловая и пойменная многорукавность. Образовавшийся в основном русле затор льда, подобно плотине, вызывает подъем уровня воды, происходит выход воды на пойму. По мере подъема уровня на пойме возрастает альтернативный основному руслу поток паводковых вод. Пойменная и русловая многорукавность оказывается способной пропускать выходящие на пойму паводковые воды в обход образующимся заторам в основном русле. За многие тысячелетия на затороопасных участках сформировались пойменные протоки, отводившие воду с поймы в обход заторам. Они действуют подобно аварийным клапанам, сбрасывающим избыток воды. Борьба с наводнениями от заторов льда должна быть сведена к поддержанию в «действующем» состоянии проток, сбрасывающих паводковые воды, с одновременным обвалованием территорий, затопление которых недопустимо с хозяйственной и экологической точек зрения (жилые массивы, предприятия, коммуникации и др.).

Factors of formation of ice jams during floating of ice and their registration for the substantiation of the events for .pdf Введение Глобальные изменения климата, проявляющиеся в увеличении его экстремальности, обусловили изменения рисков наводнений во время весенних половодий, при дождевых и снегодождевых паводках, ледовых заторах и зажорах [Бузин, Копалиани, 2007; Бузин, 2008; Кононова, 2014]. Особенно благоприятным в отдельные годы для развития экстремального паводка на сибирских реках, в том числе и на р. Томи, является последовательное сложение следующих гидрометеорологических условий [Burakov, Avdeeva, Kosmakova, 2007]: 1. Осенью бассейн реки насыщается обильными осадками, влажность почвы может приближаться к уровню максимальной влагоемкости. 2. В такие годы в зиму река уходит с высоким уровнем воды, следовательно, увеличивается площадь водной акватории, что в сочетании с холодной зимой приводит к накоплению больших объемов льда и шуги в руслах рек. 3. Формированию наводнений способствуют поздняя, затяжная весна, холодные март и апрель, часто выпадающие весенние осадки и заметное потепление в конце апреля или в мае, которое в южной части бассейна Томи наступает раньше, чем в нижнем течении. Здесь начинает формироваться первая волна весеннего половодья. © Д.К. Замараев, 2017 DOI: 10.17223/25421379/5/7 4. В нижнем течении р. Томь выходит на равнину. Здесь река разбивается на рукава, появляются острова и многочисленные протоки, плесы и перекаты. Волна половодья, подходящая сверху, взламывает еще прочный ледяной покров, густой ледоход останавливается на изгибах русла, перед островами, формируя заторы льда, сопровождающиеся катастрофически высокими подъемами уровня воды, наводнениями и разрушениями. 5. Вторая волна половодья, которая формируется в мае за счет снеготаяния, грунтовой составляющей и дождей в горах Кузнецкого Алатау, Салаирского кряжа и Горной Шории, также может вызвать формирование высоких уровней воды и наводнений. Цель настоящей работы - исследование факторов формирования заторов льда и обоснование нового подхода, позволяющего минимизировать ущерб, связанный с этой стихией на р. Томи в районе г. Томска в условиях русловой и пойменной многорукавности. Объект исследования Долина нижней Томи (120-километровый отрезок в пределах Томской области) ориентирована в субмеридиональном направлении. Она располагается на стыке двух крупных геологических структур -Колывань-Томской складчатой зоны и ЗападноСибирской плиты; в долине реки раздел проходит по линии с. Поросино - с. Иглаково. Геологическая граница одновременно является геоморфологическим и ландшафтным рубежом. В геоморфологическом отношении она служит контактом ЗападноСибирской равнины и северных отрогов Кузнецкого Алатау, в ландшафтном - является разделом физико-географических стран - Западной Сибири и гор Южной Сибири. В работе [Малолетко, 2008] последовательно рассмотрены этапы формирования современного состояния речных систем Западной Сибири (в том числе Обь-Томского междуречья). Автор наглядно показывает, насколько современный поток зависит от исторически сложившегося геологического основания, неотектонических движений и, как следствие, больших и малых седиментаций, а также от современных географических факторов. Современная сеть региона гетерогенна и гетерохронна. Она состоит из фрагментов разновозрастных речных долин - древних, в пределах обрамления, и молодых, в пределах низменности. Современная речная сеть имеет мало общих черт с неогеновой, за исключением ее участков в пределах обрамления. На территории низменности существенную роль в формировании гидросети сыграли неоднократные оледенения, особенно максимальное (самаровское). Заметное влияние на формирование малых речных систем некоторых районов низменности оказали неотектонические, эрозионные и эоловые процессы. Современное русло Томи сопровождает крупный меридиональный неотектонический рельефообразу-ющий разлом, по которому в конце неоплейстоцена (но до образования II надпойменной террасы) все правобережье было приподнято по отношению к левобережью с амплитудой не менее нескольких десятков метров. Флювиальный рельеф района представлен долинами р. Томи и ее притоков. Главная артерия гидросети района - р. Томь имеет ширину в межень до 400 м. Долина р. Томи имеет ширину по дну (на уровне высокой поймы - I надпойменной террасы) 3-5 км и до 1 км (у п. Коларово), а с учетом II (боровой) надпойменной террасы, широко развитой на левобережье, - до 12-14 км. Склоны долины осложнены серией надпойменных террас [Гудымо-вич, Рычкова, Рябчикова, 2009]. Бассейн р. Томи достаточно увлажнен. Годовое количество осадков изменяется от 350 до 800 мм. За теплый период (с апреля по октябрь) повсеместно выпадает до 70 %, в холодный период (ноябрь-март) - до 25 % годового количества осадков. Бассейн р. Томи относится к районам, где осадков выпадает больше, чем может испариться. Томь - река с Алтайским типом водного режима, который характеризуется растянутым, до 3-4 месяцев, весенне-летним половодьем и низкой осенне-зимней меженью. Из-за отсутствия ледникового питания половодье на р. Томи более короткое, чем на других реках с подобным режимом (в среднем со второй половины апреля по вторую половину июля, 75-95 сут). Половодье имеет высокую и острую волну; средняя амплитуда уровней составляет 78 м. При часто возникающих ледовых заторах уровни на локальных участках поднимаются на 1012 м, но вода на максимальных отметках держится не более 2-4 сут. Спад половодья происходит в 24 раза медленнее подъема воды (20-30 см/сут против 50-120), но в целом достаточно быстро. В половодье проходит до 70 % годового стока реки, вследствие чего меженные уровни, при отсутствии дождевых паводков, устанавливаются крайне низкие [Беркович и др., 2015]. Водный режим нижней Томи во многом зависит от режима реки приемника (р. Обь), которая создает и регулирует базис эрозии на участке слияния. Бассейн нижнего течения Томи в районе г. Томска давно приобрел облик глубоко урбанизированной территории. На протяжении последних 400 лет, особенно в ХХ в., наблюдаются активные антропогенные воздействия на русло и пойму реки в пределах Томской области. Сброс теплых вод городских предприятий и городских ливневых стоков поступает в р. Томь из р. Ушайки, впадающей в центре Томска. В последней четверти ХХ в. дополнительный слив горячей воды от АЭС ниже г. Томска практически остановил естественный ритм заторов: ниже по течению г. Томска река местами перестала замерзать. В этот же период интенсивная добыча песчано-гравийной смеси из русла Томи в районе г. Томска и его окрестностей привела к падению минимальных уровней и снижению отметок дна реки примерно на 2-3 м [Земцов, Вершинин, Инишев, 2014; Беркович и др., 2015]. Уровни воды в реке понизились не только в межень, но и в половодье. Повторяемость весенних заторов льда в районе Томска в период с 1960 по 1998 г. резко снизилась. Однако, последовавшее в конце ХХ - начале ХХ1 в. строительство гидротехнических сооружений (мосты, набережные, причальные стенки и др.) изменили условия для прохождения весеннего ледохода. Вновь построенная сеть дорог, насыпей, жилых массивов частично, а в некоторых местах полностью перекрыла пойму. Прекращение сброса городских теплых вод в русло реки в зимний период и сброса горячей воды АЭС, приостановка добычи песчано-гравийной смеси и последовавшая аккумуляция наносов в русловых карьерах обусловили возобновление заторов льда и заторных наводнений на р. Томи в районе областного центра [Земцов, Вершинин, Инишев, 2014]. Постановка проблемы Затор - это скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды (рис. 1). Теоретические представления о заторах разработаны как отечественными [Лисер, 1967; Burakov, Avdeeva, Kosmakova, 2007; Бузин, 2008; Земцов, Вершинин, Инишев, 2014; Кононова, 2014; Беркович и др., 2015], так и зарубежными авторами [Beltaos, Krishnappan, 1982; Bakony, 1988; Lindenschmidt, Sydor, Carson, 2011; Wang, Chen, 2011]. На участке образования затора льда можно выделить (рис. 1): - зону очага затора (1) - представляет собой сдвинутые вниз по течению ледяные поля, ниже которых может сохраняться еще не нарушенный лед (замок затора); - головную часть (голова) затора (2) - нагромождение взломанного спрессованного битого льда, имеющего большую мощность и стесняющего живое сечение реки, с навалами льда на берегах; - хвост (шлейф) затора (3) - верхняя часть заторного участка в основном из однослойных льдин, с подъемом уровня воды АН за счет подпора; - участок (4) с редким ледоходом, или свободный от плывущего льда. Навалы льда на берегах могут встречаться не только в головной части затора, но и на участках (3) и (4), расположенных выше по течению. Заторы льда разрушают гидротехнические сооружения, приводят к затоплению больших пойменных территорий, нередко застроенных зданиями, сооружениями, целыми жилыми или производственными комплексами, что наносит значительный ущерб как самим хозяйственным строениям, так и всей сопутствующей инфраструктуре. Особенно большие убытки наносятся коммунальному хозяйству крупных населенных пунктов. Например, в Томске вся пойменная часть застройки города постоянно находится под угрозой затопления. Условия образования и разрушения заторных образований в руслах рек детально описаны в [Pariset, Hausser, Gagnon, 1966; Uzuner, Kennedy, 1974; Дон-ченко, 1987; Mayer, Starosolszky, 1988; Бузин, Зиновьев, 2009]. По характеру разрушения ледяного покрова и очищения реки ото льда Р.В. Донченко [Донченко, 1987] выделяет три основных типа вскрытия рек. Первый тип характеризуется разрушением ледяного покрова путем таяния льда под влиянием солнечной радиации, теплого воздуха и воды. В этом случае лед тает на месте. Такое вскрытие типично для малых и средних рек. Рис. 1. Положение уровней воды и ледового покрытия при весеннем заторе по [Лисер, 1967; Бузин, 2008] Fig. 1. Position of water levels and ice cover at spring mash [according to Liser, 1967; Buzin, 2008] Второй тип вскрытия характеризуется взаимодействием двух процессов разрушения ледяного покрова: 1) в результате его таяния; 2) вследствие механического разрушения под воздействием динамических нагрузок со стороны водного потока и ветра. Для третьего типа вскрытия определяющим является механическое разрушение ледяного покрова под воздействием паводочной волны. Именно такой тип вскрытия наблюдается на Томи при интенсивном развитии весеннего половодья. В этом случае вскрытие реки сопровождается образованием особенно мощных заторов льда со всеми вытекающими негативными последствиями, наносящими ущерб населению, хозяйственным и жилым объектам. По данным наблюдений в черте г. Томска и в его окрестностях, заторы могут устанавливаться на срок от 1-2 до 15 сут. Прорыв затора льда и его разрушение наблюдаются, как правило, после подъема уровня воды АН, достигающего нескольких метров (см. рис. 1). Скорость движения льдин при прорыве затора может составлять 2-4 м/с. За сдвинувшимся затором следует прорывная волна, которая, продвигая затор, затапливает окрестные пойменные территории. За период инструментальных наблюдений наивысшие уровни воды весеннего половодья на р. Томи у г. Томска связаны с заторами льда. Согласно [Земцов, Вершинин, Инишев, 2014], вклад заторной составляющей в максимальный уровень здесь составляет 40-70 %, увеличиваясь в годы катастрофических наводнений. Заметим, что точность оценки максимальных расходов воды во время ледохода невысока, что не позволяет надежно оценить указанный вклад. Самый высокий максимальный заторный уровень в Томске наблюдался на посту Томск-пристань в 1947 г. - 1 103 см. За последние 40 лет оказался выдающимся и 2010 г.: 29 апреля в южной части Томска у гидроствора (хвост затора) уровень воды поднялся примерно до 10,5 м, на 2 м превысив опасную отметку. В зоне затопления оказался пригородный поселок Черная речка на левом берегу Томи. Здесь под воду ушли 270 жилых домов, эвакуированы 1 102 жителя. Средняя дата наступления максимального уровня воды на Томи у Томска - 5 мая; крайние: 17 апреля (2000 г.), 4 июня (1975 г.). Прогноз образования заторов льда позволяет заблаговременно провести противозаторные мероприятия. В настоящее время Росгидромет ежегодно в последней декаде марта выпускает прогноз высоты максимальных уровней воды у г. Томска [Бураков, Космакова, 2012]. На сегодняшний день в комплекс противопаводковых мероприятий входят в первую очередь [Фалеев, Черных, Старостин, 2014]: 1. Оповещение населения. 2. Ослабление льда путем взрывов, его разрезания и др. 3. Создание гидротехнических (ледо-, водоотво-дящие, ледорезные) сооружений в русле. 4. Обвалование, наращивание берегов русла с целью предотвращения затопления территории. 5. Проведение дноуглубительных работ на перекатах, где традиционно формируется затор льда. Ряд авторов считают, что снижение подпора воды на реках может быть достигнуто углублением, расширением или частичным спрямлением русла [Са-вичев, 2012]. Это эффективно на тех реках, где можно создать на протяженных участках перепад отметок водной поверхности, достаточный для беззаторного пропуска льда. Если же такой перепад создать невозможно вследствие, например, ограниченной высоты базиса эрозии, то углубление дна в лучшем случае лишь переместит участок формирования затора ниже по течению реки, что может создать неблагоприятные последствия на новом участке. К неоднозначности влияния дноуглубительных работ на заторные явления, особенно на участке нижнего течения Томи, где наблюдаются подпорное влияние подъемов уровней на р. Оби во время весеннего половодья, указывает О.Г. Савичев [Савичев, 2012]. Возникает вопрос: существуют ли альтернативные мероприятия по предотвращению разрушительных наводнений и ослаблению вредного влияния, связанных с образованием ледовых заторов в окрестностях г. Томска? Для исследования этого вопроса рассмотрим динамику взаимодействия русловых и пойменных потоков в нижнем течении Томи. Русловые и пойменные процессы в нижнем течении р. Томи (Томская область) Русловой процесс, по определению М.А. Велика-нова [Великанов, 1958], - это процесс взаимодействия потока и русла. Русло управляет потоком, формируя его скоростное поле. Поток своим распределением скоростей течения влияет на форму русла, производит тут или там размывы и намывы и путем переноса и отложения размытого материала создает себе такое русло, которое соответствует его скоростному полю. Те же законы действуют и в случае с пойменными потоками (протоками). Процессы формирования русла реки, речной поймы, ее морфологических особенностей обусловлены размывом, транспортом и переотложением наносов. Они неразрывно связаны друг с другом. Поверхностный, подрусловой и подземный сток воды, растворенных веществ, размыв, перемещение и переотложение взвешенных и влекомых наносов формируют русловую, старичную и пойменную фации аллювия, влияют на почвообразующие процессы и растительность. Речные поймы - эти молодые, постоянно изменяющиеся участки суши, неразрывно связанные с природными условиями бассейна реки, такими как величина и режим его тепловлагообеспе-ченности, геологическое строение и рельеф. Физико-географические условия участка речной долины определяют тип руслового процесса, т.е. вид естественных деформаций русла и поймы [Попов, 1965; Каменсков, 1987]. На участках р. Томи в пределах Томской области встречаются два типа руслового и пойменного процесса: русловая многорукав-ность и пойменная многорукавность. Оба эти типа переходят из одного в другой или существуют одновременно в зависимости от местных уклонов, расстояния между бортами долины, ширины унаследованной поймы, влияния подпорных явлений на рассматриваемых участках. Признаками русловой многорукавности являются наличие одного широкого русла в период половодья и дробление его на отдельные рукава в период летней межени. Существуют участки как с русловой многору-кавностью осередкового типа, так и с русловой много-рукавностью островного типа. Структура скоростного поля потока при данном типе руслового процесса весьма сложная. В реке наблюдаются чередование подпоров и спадов водной поверхности, образование водоворотов, свальных течений, расходящихся и сходящихся потоков. Та или иная комбинация течений может вызвать смещение осередков как вниз, так и вверх по течению, а также изменение их поперечных размеров. В случае с пойменной многорукавностью русло представляет несколько (две и более) проток, обтекающих острова, либо пойму, расчлененную множеством (две и более) проток - самостоятельных русел. Существенным условием образования данного типа руслового процесса является наличие достаточно широкой поймы с разновысотными участками поверхности. Пойменные протоки развиваются в вытянутых понижениях, представляющих участки былого русла реки. В протоках может развиваться свой тип русловых переформирований, поэтому при исследовании пойменной многорукавности необходимо рассматривать русло каждой протоки, а также участки их слияния и разделения [Попов, 1965; Каменсков, 1987]. Мы рассмотрели общие особенности руслового процесса, которые характерны для нижнего течения Томи. Описание этого участка реки, масштабы добычи песчано-гравийной смеси, воздействие этой добычи на рельеф дна реки, уклоны водной поверхности, посадку уровней воды освещены в [Каменсков, 1987; Беркович и др., 1998; Гудымович, Рычкова, Рябчикова, 2009; Бураков, Космакова, 2012; Беркович и др., 2015; Тарасов, Вершинин, 2015 и др.]. Результаты исследования Формирование затора начинается с его головы, упирающейся в кромку ледостава или остановившегося ледохода. Подплывающие льдины забивают русло, образуя тело затора. Ледяная плотина преграждает движение потока в основном русле. Повышается уровень воды, и происходит выход воды на пойму. По мере подъема уровня воды в основном русле на пойме возрастает альтернативный основному руслу поток паводковых вод, который дополняется водой от таяния местного снега и грунтовой водой, подпираемой со стороны вод реки в хвосте затора. Сформированная рекой за многие сотни лет пойменная многорукавность осуществляет пропуск выходящих на пойму паводковых вод в обход образующимся заторам. За тысячелетия существования поймы для каждого затороопасного участка сформировались пойменные протоки, регулярно осуществляющие пропуск вод по пойме в обход сформировавшихся заторов в основном русле, в случае их образования и сброса талых паводковых и дождевых вод, атмосферных осадков - круглогодично. Эти протоки можно сравнить с аварийными, дренажными клапанами, сбрасывающими избыток воды. На режим заторных наводнений в первую очередь оказывает влияние уклон водной поверхности, существенно зависящий от уклонов дна долины и русла реки. Для оценки уклона водной поверхности р. Томи в нижнем течении (участок реки 75-13,5 км лоцманской карты (ЛК) р. Томи 1990 г.) использованы данные наблюдений за уровнями воды по трем постоянно действующим водомерным постам Западно-Сибирского УГМС (табл. 1). Схема месторасположения использованных водомерных постов представлена на рис. 2. В табл. 2 и 3 приведены одновременные отметки уровней воды по наблюдениям рассматриваемых водомерных постов Росгидромета на примере 2016 г. в периоды от вскрытия реки (апрель) до ее замерзания (ноябрь). Рассчитаны перепады высот, уклоны водной поверхности в разные фазы водного режима. Анализ перепадов высот при одновременной связке уровней в разные фазы паводка показал следующее: 1. В течение всего года, за исключением периода формирования и разрушения заторов льда, перепад между отметками горизонта воды у водомерного поста Томский гидроствор (выше г. Томска) и водомерного поста с. Козюлино (ниже г. Томска) не превышает 2,0 м. При этом расстояние между постами 61,5 км, уклон водной поверхности в среднем за год не превышает 0,03 промили. Эти параметры существуют независимо от специальных условий протекания воды по руслу, таких как наличие или отсутствие подпора со стороны реки-водоприемника (р. Обь), обножение лимитирующих перекатов в меженный период и др. Наличие малых уклонов водной поверхности на рассматриваемом участке нижней Томи является следствием выхода ее долины из зоны влияния Колывань-Томской складчатости в зону Западно-Сибирской плиты. Малые уклононы водной поверхности обусловлены особенностями неотектоники данного района. Таблица 1 Взятые за основу участки реки между водомерными постами и их протяженность e Location of water metering posts and distance between them Table 1 Верхний водомерный пост Нижний водомерный пост Расстояние, км г. Томск - Гидроствор (75,0 км ЛК) г. Томск (68,0 км ЛК) 7,0 г. Томск (68,0 км ЛК) с. Козюлино (13,5 км ЛК) 54,5 г. Томск - Гидроствор (75,0 км ЛК) с. Козюлино (13,5 км ЛК) 68,0 Примечание: ЛЕС - лоцманская карта. Note: LK - pilotage card. Условные Обозначения: - Bodnocm с. Козюлино Рис. 2. Схема расположения водомерных постов Fig. 2. Scheme of location of water gauge station Таблица 2 Соотношение одновременных горизонтов воды, уклонов и перепадов высот при прохождении ледохода с 1 по 10 апреля 2016 г. Ratio of simultaneous elevations of water, slopes and elevation difference, slope of the water surface during the passage of the ice from 1 to 10 April 2016 Table 2 № Дата 2016 г. Водомерный пост (в/п) Уровень Отметка нуля водомерного поста БС, м Отметка горизонта воды БС, м Перепад отметок, м Уклон водной поверхности в промилях Примечания 1 01.04 Томск гст. Томск в/п 4 -74 69,98 69,29 70,02 68,55 1,47 0,34 0,210 0,001 Ледостав, подъем воды Козюлино 401 64,20 68,21 1,81 0,003 Ледостав Томск гст. 75 69,98 71,83 2,89 0,413 Ледостав, подъем воды 2 03.04 Томск в/п -35 69,29 68,94 0,51 0,001 Подвижки льда Козюлино 423 64,20 68,43 3,04 0,045 Ледостав 3 05.04 Томск гст. Томск в/п 185 91 69,98 69,29 71,83 70,20 1,63 0,63 0,233 0,012 Ледостав, подъем воды Козюлино 526 64,2 69,43 2,40 0,035 Подвижки льда 4 06.04 Томск гст. Томск в/п 649 218 69,98 69,29 76,47 71,47 5,0 1,34 0,71 0,024 Затор ниже старого моста Подвижки льда Козюлино 593 64,2 70,13 6,34 0,093 Ледоход 40 % Томск гст. 537 69,98 75,35 0,93 0,133 Ледоход, подвижки 5 07.04 Томск в/п 513 69,29 74,42 2,81 0,051 Ледоход 80% Козюлино 741 64,2 71,61 3,74 0,055 Ледоход 30% Томск гст. 46 69,98 74,44 0,05 0,007 6 08.04 Томск в/п 510 69,29 74,39 1,91 0,035 Козюлино 828 64,2 72,48 1,96 0,029 Томск гст. 451 69,98 74,49 0,29 0,041 7 09.04 Томск в/п 491 69,29 74,20 1,16 0,021 Затор пошел Козюлино 884 64,2 73,04 1,45 0,021 Томск гст. 453 69,98 74,51 0,84 0,012 8 10.04 Томск в/п 438 69,29 73,67 0,63 0,011 Козюлино 884 64,2 73,04 1,47 0,021 Таблица 3 Соотношение одновременных горизонтов воды, уклонов и перепадов высот в свободном от ледовых явлений состоянии с 16 апреля по 30 сентября 2016 г. Table 3 Correlation of simultaneous elevations of water, slopes and elevation difference, slope of the water surface after the passage of the ice from April 16 to September 30, 2016. № Число 2016 г. Водомерный пост (в/п) Уровень Отметка репера в БС, м Отметка горизонта воды в БС, м Перепад отметок, м Уклон водной поверхности в промилях Примечания Томск гст. 383 69,98 73,81 0,95 0,135 1 16.04 Томск в/п 357 69,29 72,86 1,01 0,019 Чисто Козюлино 765 64,2 71,85 1,96 0,029 Томск гст. 540 69,98 75,38 0,81 0,115 2 25.04 Томск в/п 528 69,29 74,57 1,59 0,029 Чисто Козюлино 878 64,2 72,98 2,40 0,035 Томск гст. 301 69,98 72,99 0,72 0,08 3 19.05 Томск в/п 298 69,29 72,27 1,13 0,0157 Чисто Козюлино 694 64,2 71,14 1,85 0,0227 2. По данным Росгидромета и учащенным наблюдениям МЧС, локальные перепады отметок водной поверхности, связанные с заторами льда в районе г. Томска, могут достигать примерно 3-6 м. Именно такие перепады обеспечивают подвижку сформировавшегося затора льда. Очевидно, в этих условиях выход воды на пойму неизбежен. 3. Если на всем рассматриваемом участке падение горизонта воды не превышает 2,0 м, а для срыва затора необходим локальный перепад между его верхним и нижним бьефами 3-6 м, то любое дноуглубление не приведет к смягчению затороопасности ситуации. Любое дноуглубление или расширение русла в транзитной зоне потока не создаст необходимого перепада (уклона) водной поверхности. Таким углублением или расширением русла, как упомянуто выше, в лучшем случае удастся сместить место формирования головы затора, но выход воды на пойму по-прежнему неизбежен. Итак, обезопасить локальные участки поймы от выхода весенних вод можно не только путем их поднятия или обвалования до безопасных высотных отметок, но и одновременного обеспечения стока воды в обход сформировавшихся заторов. С этой целью следует расчистить и при необходимости углубить и расширить пойменные протоки. Подчеркнем, что спуск воды в обход затора обеспечит снижение максимального уровня воды и будет способствовать снижению риска наводнения и затопления ценных территорий. Не потребуется разрушать затор путем его взрывания - он будет разрушен потоком воды на месте, в процессе естественного ослабления прочности льда и под воздействием температуры и напора воды с течением некоторого времени. В свете вышеизложенного борьба с наводнениями от заторных явлений может быть сведена к поддержанию в «действующем» состоянии пойменных проток, сбрасывающих паводковые воды в обход ледяных пробок. И с одновременным обвалованием территорий, затопление которых недопустимо с хозяйственной и экологической точек зрения (жилые массивы, предприятия, коммуникации и др.). Задача эта выполнимая, хотя и не простая, и дорогостоящая. Потребуются изыскания, моделирование течений и русловых переформирований, проектирование и, наконец, земляные работы. Отметим, что в настоящее время накоплен определенный опыт математического моделирования движения воды в руслах и имитационного моделирования заторов льда на р. Томи в районе г. Томска [Мониторинг ледовой., 2010; Тарасов, Вершинин, 2015]. Это отдельная тема для обсуждения. Реальность именно такого подхода можно увидеть на действующих в настоящее время участках долины р. Томи. В качестве примера рассмотрим варианты затопления поймы Томи на разных ее участках в пределах 48-113 км по лоцманской карте р. Томи 1990 г. На рис. 3 представлена действующая в современных условиях схема пропуска воды по пойме в обход сформировавшихся заторов в основном русле. Рассматриваемым участком является участок 93-113 км JIK р. Томи, менее нарушенный антропогенным влиянием, чем в районе г. Томска. Условные Обозначения: Направление затопления пойменных массивов в естественных условиях ненарушенных пойменных массивов при установлении затора Участок установлена Рис. 3. Схема пропуска воды по пойме в обход сформировавшихся заторов в основном русле на участке 93-113 км лоцманской карты р. Томи Fig. 3. Scheme of water transmission on the floodplain, bypassing the formed congestion in the main channel on the section 93-113 km of the pilot map of the Tom River Рис. 4. Навал камней на пойменных лугах, принесенный льдом в период прохождения паводковых вод по пойме Fig. 4. The flood of stones in floodplain meadows, brought by ice during the passage of flood waters along the floodplain Рис. 5. Навал камней на пойменных лугах, принесенный льдом в период прохождения паводковых вод по пойме Fig. 5. Pile of stones in floodplain meadows, brought by ice during the passage of flood waters along the floodplain Свидетельства прохождения льда и водных потоков по существующей пойме остаются на сельскохозяйственных угодьях (пашня, луга) в виде разбросанных валунников, гравийных и песчаных гряд и просто навалов гравия. Вследствие того, что на этом участке правобережная пойма представляет пахотные и сенокосные угодья и сеть проток не являются одним сплошным руслом, паводковые воды по этой причине при выходе на пойму затапливают достаточно большие площади, двигаясь широким потоком, при этом поток увлекает за собой массу битого льда и мусора, засоряющего впоследствии все эти территории, причиняя существенный урон сельскохозяйственным угодьям (см. рис. 4, 5). При установлении головы затора на участке реки 105-107 км вода идет в обход вдоль левого берега по протоке Панькова, затем по протоке Калтайской с разгрузкой у Синего утеса (с. Коларово). При установлении головы затора на участке 104102 км вода его обходит по протоке Светлой, с возможным выходом в Калтайскую, и также с разгрузкой у Синего утеса. При установлении головы затора на участке реки 98-95 км избыточные воды уходят через протоку Крутовиху и разгружаются в р. Томи через нижнее устье протоки Светлой. При этом последние 10 лет участились случаи освобождения реки ото льда на этом участке по следующей схеме. Голова затора, смещаясь в указанной последовательности, останавливается на 98-95 км и задерживается там практически до прохождения основного объема льда по вышеуказанным протокам. Уже к завершению ледохода изрядно ослабленный течением и температурой лед, сформировавший затор на этом участке основного русла, река размывает и уносит вниз по течению без особых усилий. Вышеуказанная схема прохождения паводковых вод на данном участке р. Томи работает при различных уровнях воды. Во время перемещения заторных формирований вниз по основному руслу, при особенно больших уровнях воды, когда не хватает пропускной способности действующих проток, паводковая вода может выходить на пойму (право- и левобережную, а также островную), заполняя и двигаясь по старицам и понижениям в обход заторов. При мощных заторах, как это было в 2010 г., когда действующие протоки не справлялись с отводом избытка воды, она обходила затор по пойме, вдоль террасы правого берега. При этом были преодолены и размыты автодорожные насыпи как на входе, так и на выходе воды с поймы. В этом случае паводковые воды проходили мимо сел Вершинино, Казанка, Коларово по пойменным протокам (староречьям) Ржавцы и др. Разгрузка пойменных потоков в основное русло происходила у Синего Утёса со стороны с. Коларово. При этом в первую очередь всегда подтапливается территория низкой поймы. Участки (населенные пункты Бату-рино, Казанка, Коларово), располагающиеся на высокой пойме, практически не страдают. Исключение составляют новостройки, расположенные на низких участках. Если бы на правом берегу был сформирован подготовленный канал, проложенный по имеющимся пойменным протокам, с выходом на протоку Ржавцы и разгрузкой в основное русло у с. Коларово, риск подтопления сел Батурино, Казанки, Вершинино (части сел расположены на невысоких участках поймы) был бы минимален. Подобные обходные протоки сформированы рекой на протяжении всего ее течения. К сожалению, в результате хозяйственной деятельности многие из этих проток пересыпаны, застроены и даже заселены. В свете вышеизложенного очевидно, что на участке 52 км (с. Попадейкино) до 86 км (с. Тахта-мышево) прохождение паводковых вод в период освобождения реки ото льда (заторообразования) развивалось по сходному сценарию. На рис. 6 представлена схема затопления пойменных территорий в период заторообразования на участке левобережной поймы возле г. Томска 86 км (с. Тахтамышево) -72 км ЛК р. Томи (г. Томск, верхний мост). Пойма р. Томи на этом участке имеет ряд сохранившихся староречий, при этом сильно урбанизирована. На участке имеется федеральная дорога Р-255 (Томск - Новосибирск) с жестким покрытием, дорожной развязкой и мостовым переходом. Участок поймы полностью покрыт сельхозугодьями, на которых внедрено искусственное орошение с поливной инфраструктурой. При этом данный участок реки является одним из наиболее заторо-опасных в нижнем течении р. Томи. Стрелками голубого цвета обозначены направления затопления пойменных массивов в естественных условиях ненарушенной поймы, полученные из анализа оставшихся фрагментов естественных пойменных протоков; стрелками красного цвета - направления выходящих из русла потоков при затоплении пойменных массивов в современном нарушенном состоянии. Именно таким образом вода проходила на этом участке поймы при катастрофическом затоплении в 2010 г. Из-за того что данный участок поймы перестал быть проточным (он огорожен дорожным полотном Р-255), при катастрофических паводках он потерял свою функцию пропуска поступающей воды вокруг затора и просто заполняется водой как бессточная котловина. При этом уровни затопления территории формируются выше, чем могло бы быть в естественных условиях при ее проточности и сбросе вод ниже затора. Из рис. 8 видно, как воздвигнутые дорожные насыпи преградили естественные пути движения обходных водных потоков. В результате блокирования насыпями естественных путей слива воды с поймы в 2010 г. произошел прорыв (обозначен контуром малинового цвета) дорожной насыпи у основания моста и образовался переток воды в р. Томь. На рис. 7-9 представлены фотоматериалы, демонстрирующие вмешательство хозяйственной деятельности в естественные пойменные процессы путем хозяйственного использования поймы, строительства объектов с перегораживанием проток. На рис. 7 - пойменная протока, перекрытая трассой Р-255 Томск - Юрга. Условные Обозначения: Направление затопления пойменных массивов в естественных условиях ненарушенных пойменных массивов гри установлении затора Участок прорыва дорожной насыпи Участок установления головы затора Направление затопления пойменных массивов в современном нарушенном состоянии при установлении затора Рис. 6. Схема затопления пойменных территорий в период заторообразования на участке левобережной поймы возле г. Томска в районе пос. Черная речка - верхнего коммунального моста через р. Томь Fig. 6. Scheme flooding floodplain terriotory in the period of flood formation on the left-bank floodplain near Tomsk in the village Chernaya rechka - the upper communal bridge across the river Tom Рис. 7. Пойменная протока, перекрытая трассой Р-255 Томск - Юрга Fig. 7. Flood channel, blocked by the route R-255 Tomsk-Yurga Рис. 8. Перекрытая мостовой насыпью протока Сенная Курья, размывая дорожное полотно, отделяющее ее от реки, начинает перетекать в русло р. Томи в 2010 г. Fig. 8. Covered by a bridge in the channel, the Sennaya Curm, eroding the roadway separating it from the river, begins to flow into the riverbeds of the Tom River in 2010 Рис. 9. Пересечение протоки Сенная Курья сооружением мостового перехода через р. Томь Fig. 9. Intersection of av. Sennaya Kurya with the construction of a bridge across the Tom River На рис. 8 перекрытая мостовой насыпью протока Сенная Курья, размывая дорожное полотно, отделяющее ее от реки, начинает перетекать в русло р. Томи в 2010 г. На рис. 9 изображен участок пересечения протоки Сенная Курья сооружением мостового перехода через р. Томь. На рис. 10 представлена схема движения воды по пойме в период заторообразования на участке левобережной поймы возле г. Томска с 67 (с. Тах-тамышево) по 52 км ЛК р. Томи (с. Попадейкино) в естественном, ненарушенном состоянии и состоянии сегодняшнего дня. Левобережная пойма р. Томи на этом участке отличается особенно сложным рельефом, множеством пойменных протоков, разветвленной сетью дорожных насыпей, наличием сельхозугодий, населенных пунктов, садово-дачных товариществ с их инфраструктурой. На участке расположен нижний мост через р. Томь. Представленный на рис. 10 участок основного русла р. Томи также является в высокой степени зато-роопасным. Затороопасность этого участка лишний раз подтверждается широкой, разветвленной поймой со множеством пойменных проток, имеющих в настоящее время, несмотря на свою оторванность от основного русла, внушительные размеры и про-точность на отдельных участках. Так, федеральная трасса Р-398 Томск - Колпаше-во от моста к террасе пересекает 7 раз пойменные староречья, и только в восьмом случае, через р. Кисловку, у самой левобережной террасы, есть мостовой переход. В результате данный участок поймы перестал быть проточным, каким он был сформирован естественными условиями. В настоящее время он может заливаться паводковыми водами со стороны р. Томи с заходом через протоку Эуштинскую (Татарская) со стороны д. Эушта. А в отдельных случаях, в условиях подпора со стороны Томи с нижних участков собственными водами, стекающими с террасы, в том числе по руслу р. Кисловка со стороны с. Попадейкино из р. Томи. Красными стрелками на рис. 10 показаны направления затопления участков левобережной поймы в современном нарушенном состоянии, происходящего при установлении головы затора на участке 60 - 58-52 км. Зелеными стрелками показаны направления затопления участков левобережной поймы в современном нарушенном состоянии, происходящее при установлении головы затора на участке 52-48 км. Следует отметить, что в нижней части поймы ее затопление происходит с образованием противотечения на некоторых участках р. Кисловка. На рис. 11, 12 запечатлены два из множества существующих характерных участков на рассматриваемом фрагменте левобережной поймы р. Томи. Условные Обозначения: Направленна затопления пойменных массивов в естественных условиях ненарушенных пойменных массивов при установлении затора Участок установления гиловы затора Направление затопления пойменных массивов в современном нарушенном состоянии при установлении затора Направление затопления пойменных массивов в современном нарушенном состоянии при заторе и подтоплении сосгороны р. Томь Рис. 10. Схема затопления пойменных территорий в период заторообразования на участке левобережной поймы возле г. Томска в районе нижнего коммунального моста Fig. 10. Scheme flooding floodplain areas in the period of flood formation on the left-bank floodplain near Tomsk in the area of the lower communal bridge Рис. 11. Участок трассы Р-398 Томск-Колпашево, пересекающий протоку, полностью исключает перетекание в районе АЗС «ALKE» Fig. 11. The road P-398 Tomsk-Kolpashevo, crossing the canal and eliminates the overflow in the area of the auto fuel station "ALKE" Рис. 12. Протоки, пересекаемые недостроенной левобережной магистралью, с сооружениями для перетока воды Fig. 12. Ducts crossed the left bank of the unfinished high

Ключевые слова

заторы льда, пойменная многорукавность, долина реки, пропускная способность русла, русловые процессы, ice jams, drainage network, flood plain multibranch, river valley, jam phenomena, flow capacity, river bed evolution

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Замараев Дмитрий КонстантиновичАО «Томская судоходная компания»главный маркшейдерzdk@tomskport.ru
Всего: 1

Ссылки

Беркович К.М., Вершинин Д.А., Земцов В.А., Рулева С.Н., Сурков В.В., Фролова H-Л. Ледовый и русловой режим нижнего течения реки Томи // Эрозионные и русловые процессы : сб. тр. / под ред. Р.С. Чалова. М. : Географический факультет МГУ, 2015. Вып. 6. С. 183-198
Беркович К.М., Рулева С.Н., Сурков В.В., Чалов Р.С. Антропогенные переформирования русла реки Томи // Эрозия почв и русловые процессы. М. : Изд-во МГУ, 1998. Вып. 11. С. 201-206
Бузин В. А. Опасные гидрологические явления. СПб. : РГГМУ, 2008. 128 с
Бузин В. А., Зиновьев А. Т. Ледовые процессы и явления на реках и водохранилищах: методы математического моделирования и опыт их реализации для практических целей (обзор современного состояния проблемы). Учреждение РАН, Ин-т водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН. Барнаул : Пять плюс, 2009. 167 с
Бузин В. А., Копалиани З.Д Наводнения на реках России при современных тенденциях изменения климата // Ученые записки РГГМ. 2007. № 5. С. 43-54
Великанов М.А. Русловой процесс (основы теории). М. : Госфизматгиз, 1958. 395 с
Гудымович С. С., Рычкова И.В., Рябчикова Э.Д Геологическое строение окрестностей г. Томска (территории прохождения геологической практики) : учеб. пособие. Томск : Том. политехн. ун-т, 2009. 84 с
Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 248 с
Земцов В. А., Вершинин Д. А., Инишев Н.Г. Имитационное моделирование заторов (на примере р. Томь, Западная Сибирь) // Лед и снег. 2014. № 3. С. 59-68
Каменсков Ю.И. Русловые и пойменные процессы. Томск : Изд-во ТГУ, 1987. 173 с
Кононова Н.К. Связь стихийных бедствий в России в 2013 г. и 2014 г. с циркуляцией атмосферы Северного полушария // Сложные системы. 2014. № 4 (13). С. 46-60
Лисер И.Я. Весенние заторы льда на реках Сибири. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. 103 с
Малолетко А.М. Эволюция речных систем Западной Сибири в мезозое и кайнозое. Томск : Том. гос. ун-т, 2008. 288 с
Мониторинг ледовой обстановки и прохождения весеннего половодья на р. Томи // ОАО «Томскгеомониторинг». 2010. Отчет по III этапу
Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. Л. : Гидрометеоиздат, 1965. 328 с
Савичев О.Г. Гидрологическое обоснование руслоисправительных работ на реке Томи (Западная Сибирь) с целью снижения опасности наблюдений // Гидротехника. 2012. № 3. С. 93-97
Тарасов А.С., Вершинин Д.А. Определение локализации ледовых заторов на разветвленном участке р. Томь с помощью компьютерного гидравлического моделирования // Вестник Томского государственного университета. 2015. № 390. С. 218224
Фалеев М.И., Черных Г. С., Старостин А. С. Оценка опасностей и угроз, обусловленных катастрофическими наводнениями, и предложения по защите населения и территорий от них // Стратегия гражданской защиты: проблемы и исследования. 2014. Т. 4. С. 18-32
Bakony P. Simulation of unsteady flow due to ice jams formation // Proc. Inter. Conf. on fluvial hydraulic. 1988. P. 310-315
Beltaos S., Krishnappan B.G. Surges from ice jam releases: a case study // Can. J. Civ. Eng. 1982. № 2. P. 276-284
Burakov D.A., Avdeeva Y.V., Kosmakova V.F. Flooding in the river basins of Siberia // NATO Science Series. IV Earth and Environmental Sciences. Springer. 2007. V. 78. P. 111-124
Churuksaeva V.V., Starchenko A.V. Depth Averaged Modeling of Turbulent River Flow // Mathematical and Informational Technologies: Conference Information. Vrnjacka Banja, 28.08.-31.08.2016, Budva, 01.09.-05.09.2016. Belgrade, 2016. P. 61-62
Lindenschmidt K.-E., Sydor M, Carson R. Ice jam mode lling of the Red River in Winnipeg. 16th CRIPE Workshop on the Hydraulics of Ice Covered Rivers. Winnipeg, 2011. P. 274-290
Mayer I., Starosolszky O. Hydraulics of ice jams development // IAHR Ice Symp. Sapporo, 1988. P. 304-315
Pariset E., Hausser R., Gagnon A. Formation of ice covers and ice jams in rivers // J. Hydraul. Div. 1966. V. 92. NHY 6. P. 1-24
Uzuner MS., Kennedy J.F. The mechanics of river ice jams // Proc.IAHR / PLANC Symp. on River and Ice. Budapest, 1974. P. 7-15
Wang J., Chen P. Progress in studies on ice accumulation in river bends // Journal of hydrodynamics. 2011. V. 23, № 6. P. 737-744
 Факторы формирования заторов при ледоходе и их учет для обоснования мероприятий по предотвращению наводнений на участке р. Томи у г. Томска | Геосферные исследования. 2017. № 4. DOI: 10.17223/25421379/5/7

Факторы формирования заторов при ледоходе и их учет для обоснования мероприятий по предотвращению наводнений на участке р. Томи у г. Томска | Геосферные исследования. 2017. № 4. DOI: 10.17223/25421379/5/7