Determination of characteristic water discharges causing most intensive influence on the river channel-forming process (by example of rivers of Tomsk region).pdf Речной поток и русло, в котором он протекает, на-ходятся в постоянном взаимодействии. Несмотря на точто поток непрерывно формирует своё русло, интен-сивность этого процесса тесно связана с водностьюпотока, определяющей его транспортирующую спо-собность. Для характеристики воздействия потока надеформируемое им русло используется понятие русло-формирующего расхода воды (Qp) [1]. Позднее появи-лось значительное количество интерпретаций этоготермина и, соответственно, подходов к его определе-нию. Так, предлагается определять данную характери-стику как соответствующую расходу воды, проходя-щему в бровках русла (руслонаполняющий расход),среднему из годовых максимумов, либо расходу(обычно максимальному) некоторой обеспеченности(50, 10, 5, 1%) и т.п. Анализ таких подходов представ-лен в ряде работ разных авторов [2-5]. Все эти расходыдалее рассматриваются нами как характерные.Характерные расходы отражают в интегральномвиде влияние на русловой режим рек величины стокаводы и наносов и его распределения внутри года, атакже ландшафтов водосбора и интенсивности процес-сов денудации, продукты которой поступают в русло.Эти расходы могут быть использованы для выявлениярегиональных особенностей руслового режима рек.Одновременно они находят применение для определе-ния морфометрических и гидроморфологических зави-симостей разного типа [3].Целью нашего исследования является определениехарактерных расходов воды, наиболее существенновлияющих на процессы формирования русла равнин-ных рек на юго-востоке Западно-Сибирской равнины.Для этого выбраны девять гидрологических постов(створов) на шести реках Томской области: р. Обь -г. Колпашево, р. Томь - г. Томск-гидроствор, р. Чу-лым - села Тегульдет, Зырянское, Сергеево и Комму-нарка, р. Васюган - с. Средний Васюган, р. Чая -с. Подгорное и р. Икса - с. Плотниково.Для перечисленных створов определен ряд харак-терных расходов воды: руслоформирующий (поН.И. Маккавееву), руслонаполняющий, максимальныерасходы разной обеспеченности за многолетний пери-од и ежедневные расходы разной повторяемости. Приэтом использовались метод Н.И. Маккавеева для опре-деления руслоформирующих расходов воды и стати-стические методы обработки гидрометеорологическойинформации для определения расходов воды разнойобеспеченности и повторяемости.Самой распространенной и логически обоснованнойметодикой определения Qф в нашей стране являетсяметодика, предложенная Н.И. Маккавеевым [1] и раз-виваемая Р.С. Чаловым [5]. В понимании Н.И. Макка-веева Qф - это расход, при котором в многолетнем раз-резе проходит основной сток наносов и наблюдаютсясущественные русловые деформации. В конечном видетакой расход соответствует максимуму (в некоторыхслучаях может наблюдаться 2-3 максимума) функции(m )ф Q fQPI , где Q - среднее значение расхода во-ды в расчетном интервале; m - показатель степени,устанавливаемый по логарифмической анаморфозекривых связи расходов воды и наносов; P - вероят-ность расходов каждого интервала; I - средний уклонводной поверхности;  - коэффициент, зависящий отширины разлива реки (рис. 1). Для вычисления Qф ис-ходный ряд среднесуточных расходов воды разбиваютна интервалы с равным шагом (обычно 20 или болееинтервалов), для каждого из которых определяетсясредний расход воды Q и его вероятность Р. Длина ря-да для применения данной методики должна состав-лять не менее 20 лет. Период наблюдений долженвключать в себя примерно равное число маловодных,средних по водности и многоводных лет [5]. В случае,если число многоводных лет в периоде будет значи-тельно превышать число маловодных лет, значения Qфбудут завышены, и наоборот.Всего можно выделить три интервала руслоформи-рующих расходов воды: Qф нижнего интервала прохо-дят при малой водности, соответствующей затоплениюмикро- и мезоформ речного дна (гряды, побочни, осе-редки). Воздействие руслоформирующих расходовданного интервала на дно и берега сводится к переме-щению донных форм, а также переходу одних форм вдругие. Средний интервал руслоформирующих расхо-дов воды связан с водностью потока, соответствующейуровню наполнения русла вровень с бровками. К этомуинтервалу следует относить диапазон расходов воды,проходящих от уровней чуть ниже русловых бровок доуровней, превышающих их на 1 м. В данном случаепоток воздействует на русло, способствуя переформи-рованию крупных форм, таких, например, как отдель-ные излучины или узлы разветвлений. К верхнему диа-пазону руслоформирующих расходов воды относятсярасходы, проходящие при уровнях, значительно пре-вышающих отметки русловых бровок. Расходы Qфданного интервала могут оказывать существенные воз-действия на целые участки русловой сети вплоть дополной смены типа руслового режима.Рис. 1. Кривая для определения руслоформирующего расхода воды р. Обиу г. Колпашева методом Н.И. Маккавеева. Монотонно нисходящая кривая - кривая продолжительностисуточных расходов воды. Пунктирная линия соответствует выходу воды на поймуМетодика Н.И. Маккавеева позволяет производитьвычисления Qф по данным стационарных гидрологиче-ских постов, на которых в течение многолетнего пе-риода измеряются расходы воды, что является ее суще-ственным ограничением.Ниже представлены результаты авторских расчетовзначений Qф на разных участках рек Томской области,среди которых отмечаются случаи присутствия в ство-ре наблюдений руслоформирующих расходов водыодного, двух и трех интервалов (табл. 1). Наличие нареках региона разного количества интервалов русло-формирующих расходов воды говорит о неоднородно-сти в условиях и соотношениях факторов руслоформи-рования.Т а б л и ц а 1Руслоформирующие расходы водыРека - пост Период, годы Qф нижнегоинтервала, м3/сQф среднегоинтервала, м3/сQф верхнегоинтервала, м3/ср. Обь - г. Колпашево 1950-2005 3500 11800 -р. Томь - г. Томск (гидроствор) 1950-2005 - 4960 -р. Чулым - с. Тегульдет 1957-2005 260 1400 -р. Чулым - с. Зырянское 1958-2005 500 2520 -р. Чулым - с. Сергеево 1958-1996 440 2800 -р. Чулым - с. Коммунарка 1950-2005 550 3100 -р. Васюган - с. Ср. Васюган 1954-1993 200 750 -р. Чая - с. Подгорное 1954-2005 87,5 545 -р. Икса - с. Плотниково 1961-2005 9,5 100 230Для анализа устойчивости величины Qф во времени ав-торами для тех же створов рассчитаны ее значения за раз-ные периоды времени. Для этого исходные ряды ежеднев-ных расходов воды были разделены на две равные части,по которым затем производился расчет методом Н.И. Мак-кавеева. На рис. 2 представлены совмещенные кривые дляопределения значений Qф для р. Оби у г. Колпашево, а втабл. 2 - результаты расчетов по всем створам.Как показывают результаты расчетов за разные пе-риоды, Qф являются весьма неустойчивыми во временихарактеристиками. Подобная изменчивость может объ-ясняться как естественными причинами, так и послед-ствиями антропогенного воздействия на реку и ее во-досбор. В последние десятилетия наблюдаются транс-формации водного режима рек и его отдельных состав-ляющих, вероятно, вызванные климатическими измене-ниями [6]. На реках региона они проявляются в видеизменения как самих расходов воды, так и повторяемо-сти того или иного значения расхода воды во времени. Кантропогенным причинам изменения расходов Qф мож-но отнести как прямое регулирование стока реки (на-пример, создание Новосибирской ГЭС, что повлияло навнутригодовое распределение стока ниже по течениюр. Оби) или изменение морфологии русла на участкезначительной протяженности (например, создание полейкарьеров по добыче песчано-гравийной смеси на р. Томив районе Томска, что привело к просадке дна и уровнейводы и изменению режима движения наносов), так ивоздействия на площади водосбора реки, способныеотразиться на элементах водного баланса.Рис. 2. Кривые для определения руслоформирующих расходов воды р. Обиу г. Колпашева за разные расчетные периодыТ а б л и ц а 2Руслоформирующие расходы воды, рассчитанные за разные периоды времениСтвор Период, годы Qф нижнего интер-вала, м3/сΔ Qф,м3/сQф среднего интер-вала, м3/с Δ Qф, м3/с Qф верхнего ин-тервала, м3/с Δ Qф, м3/с1950-1975 4400 - р. Обь - г. Колпашево 1976-2005 3500 -900 117-0 0 -2500 14-2 00 -2500р. Томь - г. Томск 1950-1975 - 6350 -(гидроствор) 1976-2005 - - 4950 -1400 - -р. Чулым - с. Тегульдет 11995872--12908015 226327 -25 11342000 -80 -- -р. Чулым - с. Зырянское 11995882--12908015 352205 +205 32086000 +260 -- -р. Чулым - с. Сергеево 11995788--11997976 434805 -55 23610900 +590 -- -р. Чулым- с. Коммунарка 11995706--12907055 459400 +60 23608500 +370 -- -р. Васюган - 1954-1973 200 865 -с. Ср. Васюган 1974-1993 145 -55 725 -140 - -р. Чая - с. Подгорное 11995841--12908005 29800 -180 543800 -50 9-6 0р. Икса - с. Плотниково 11996814--12908035 4105 -25 112400 +20 2-4 0При практическом использовании метод Н.И. Макка-веева имеет ряд недостатков. Он позволяет определятьзначения Qф только для конкретного створа и требует приэтом значительного объема исходных данных, что весьмапроблематично при исследовании значительного количе-ства рек, где не проводятся гидрометрические наблюде-ния. По этим причинам широкое распространение прирешении данных проблем получило выражение русло-формирующего расхода воды с помощью некоторых ха-рактерных расходов. Наиболее часто с этой целью приме-няются следующие характерные расходы: расходы воды вбровках русла (руслонаполняющий расход), расходы во-ды фиксированной повторяемости и максимальные исредние расходы определенной обеспеченности [3, 5, 7].Большой интерес для практики представляют собойхарактерные расходы воды фиксированной повторяе-мости и заданной обеспеченности. В табл. 3 приведенызначения Qф, определенные методом Н.И. Маккавеева,и соответствующие им повторяемости.В целом из табл. 3 видно, что определенные ме-тодом Н.И. Маккавеева значения руслоформирую-щих расходов воды попадают в довольно небольшиедиапазоны повторяемостей. По всем рассматривае-мым рекам эти диапазоны составляют 2,33-5,54%для среднего интервала Qф (без учета створа нар. Икса у с. Плотниково) и 17,1-35,8% для нижнегоинтервала. Следует добавить, что эти реки заметноотличаются друг от друга по водному режиму, усло-виям формирования стока и руслоформирования.Кроме того, подобные различия могут быть объясне-ны и различием размеров рек. В пределах участководной реки, даже большой протяженности, диапазо-ны повторяемостей еще меньше. Отмеченное сходст-во повторяемостей значений руслоформирующихрасходов позволяет оценивать Qф для слабо изучен-ных и неизученных рек путем определения его вели-чины, соответствующей наперед заданному интер-валу повторяемости.Т а б л и ц а 3Руслоформирующие расходы воды, определенные по методу Н.И. Маккавеева, и их повторяемость, %Руслоформирующие расходы воды, QфСтвор Расчетный нижний средний верхнийпериод, годы Qф, м3/с % Qф, м3/с % Qф, м3/с %р. Обь - г. Колпашево 1950-2005 3 500 32,7 11 800 5,54 - -р. Томь - г. Томск (гидроствор) 1950-2005 - - 4 960 4,40 - -р. Чулым - с. Тегульдет 1957-2005 260 28,3 1 400 2,49 - -р. Чулым - с. Зырянское 1958-2005 500 27,9 2 520 4,15 - -р. Чулым - с. Сергеево 1958-1996 440 35,8 2 850 3,68 - -р. Чулым - с. Коммунарка 1950-2005 550 35,8 3 100 4,82 - -р. Васюган - с. Ср. Васюган 1954-1993 200 21,6 750 3,35 - -р. Чая - с. Подгорное 1954-2005 - - 540 2,33 - -р. Икса - с. Плотниково 1964-1973 9,5 17,1 102 0,97 234 0,06Целесообразно попытаться выразить руслоформи-рующий расход воды через расход заданной обеспе-ченности в многолетнем ряду наблюдений. При этомдля каждого интервала значений Qф вероятности опре-деляются по ряду соответствующих фазово-одно-родных расходов воды. Так, для среднего и верхнегоинтервалов это ряд максимальных годовых расходовводы (обычно наблюдаемых в период половодья), длянижнего - ряд среднегодовых расходов. По исходнымрядам нами построены кривые обеспеченности макси-мальных и среднегодовых расходов воды, по которымбыли определены обеспеченности значений Qф, опре-деленных методом Н.И. Маккавеева. Результаты пред-ставлены в табл. 4.Т а б л и ц а 4Руслоформирующие расходы воды, определенные методом Н.И. Маккавеева, и их обеспеченность, %Руслоформирующие расходы воды, QфСтвор Расчетный нижний средний верхнийпериод Qф, м3/с % Qф, м3/с % Qф, м3/с %р. Обь - г. Колпашево 1950-2005 3 500 61,5 11 800 66,1 - -р. Томь - г. Томск (гидроствор) 1950-2005 - - 4 960 8,8* - -р. Чулым - с. Тегульдет 1957-2005 260 66,7 1 400 76,7 - -р. Чулым - с. Зырянское 1958-2005 500 74,3 2 520 73,0 - -р. Чулым - с. Сергеево 1958-1996 440 94,1 2 850 54,0 - -р. Чулым - с. Коммунарка 1950-2005 550 96,2 3 100 64,0 - -р. Васюган - с. Ср. Васюган 1954-1993 200 24,3 750 18,7 - -р. Чая - с. Подгорное 1954-2005 87,5 35,8 545 35,9 - -р. Икса - с. Плотниково 1961-2005 9,5 23,8 100 37,0 230 13,2* Значение обеспеченности определено по ряду 30-дневных расходов воды.Отметим, что значение руслоформирующего расхо-да воды для р. Томи у г. Томска (гидроствор) не попа-дает ни в диапазон максимальных расходов в году, нисредних. По этой причине для его выражения пред-ставлена обеспеченность, определенная по ряду 30-дневных расходов воды, или расходов 30-дневной по-вторяемости в течение года.Можно отметить, что обеспеченности, соответст-вующие руслоформирующим расходам воды, довольносильно различаются для разных рек. Особенно выде-ляются из рассматриваемых здесь рек Томь и рекименьших размеров (Васюган, Икса, Чая), тогда как дляОби и Чулыма получились близкие результаты. Болеетого, для р. Чулым отмечаются постоянное увеличениезначения обеспеченности вниз по течению для нижнегоинтервала и ее снижение для среднего.Следующим характерным расходом воды, получив-шим значительное распространение в практике, являетсяруслонаполняющий расход воды. Методом его опреде-ления для конкретного створа является анализ кривыхзависимостей Q = f(h) при наличии данных о стоке водыза периоды разной водности и отметок бровок в изучае-мом створе. Данная методика довольно проста, но еесущественным минусом является необходимость боль-шого числа гидрометрических наблюдений, а по суще-ству она применима лишь для гидростворов, используе-мых продолжительное время. Методика определениязаключается в вычислении расхода воды, проходящегопри уровне, соответствующем бровкам русла.В табл. 5 сопоставлены значения руслонаполняю-щих расходов воды, определённых для отдельныхстворов, со значениями руслоформирующих расходовводы разных интервалов, определенных по методуН.И. Маккавеева, а на рис. 3 представлен график соот-ношения руслонаполняющих и руслоформирующихрасходов воды среднего интервала. Средний интервалвыбран по той причине, что он по своей сути наиболеехорошо должен соотноситься с Qбр.Полученные результаты показывают очень теснуюсвязь руслонаполняющих и руслоформирующих рас-ходов воды, относящихся к среднему интервалу. Дан-ные значения довольно близки для таких створов, какКолпашево, Тегульдет, Зырянское, Коммунарка, Под-горное и Плотниково. Однако и для остальных створовразличия в значениях не очень велики. Стоит лишьотметить, что соотношение для створа у г. Томск (гид-роствор) выделяется из общего ряда, так как единст-венный руслоформирующий расход Qф соответствуетуровням воды, располагающимся значительно нижеотметок бровок русла, что связано, по-видимому, стехногенными причинами - искусственным углублени-ем русла Томи у Томска при разработке гравийныхкарьеров и прокладке судоходной прорези на этом уча-стке.Т а б л и ц а 5Значения руслонаполняющих и руслоформирующих расходов воды для отдельных створовСтвор Руслонаполняющий расходводы, м3/сРуслоформирующий расходводы среднего интервала, м3/сРуслоформирующий расходводы нижнего интервала, м3/ср. Обь - г. Колпашево 12 400 11 800 3 500р. Томь - г. Томск (гидроствор) 10 700 4 960 -р. Чулым - с. Тегульдет 1 500 1 400 260р. Чулым - с. Зырянское 3 250 2 520 500р. Чулым - с. Сергеево 3 400 3 000 440р. Чулым - с. Коммунарка 3 050 3 100 550р. Васюган - с. Ср. Васюган 850 750 200р. Чая - с. Подгорное 570 540 310р. Икса - с. Плотниково 109 102 10р.Томь - г.ТомскQф = 1.786Qбр0.904R2 = 0.9771010010001000010000010 100 1000 10000 100000Руслонаполняющий расход, куб.м/секРуслоформирующий расход воды среднегоинтервала, куб.м/секРис. 3. Соотношение руслонаполняющих и руслоформирующих расходов водысреднего интервала для отдельных створовТаким образом, по результатам проведенных иссле-дований можно сделать следующие выводы:1. Взаимодействие потока с руслом - весьма слож-ный и неустойчивый во времени процесс. Интенсив-ность их взаимодействия весьма изменчива во времени,причиной чему может служить даже незначительноеизменение руслоформирующих условий на участке.Одним из основных факторов, определяющих процессруслоформирования, является прохождение некоторыхрасходов воды, которые в силу своей величины и мощ-ности либо частой повторяемости оказывают наиболь-шее воздействие на русло. К их числу принято отно-сить такие характерные расходы, как руслоформирую-щий (в трактовке Н.И. Маккавеева), руслонаполняю-щий, расходы заданной обеспеченности и повторяемо-сти, максимальные в году, среднегодовые и ряд других.2. Выбор конкретного характерного расхода воды иметодика его определения зависят от наличия исходныхматериалов, задачи, в рамках которой он определяется,особенностей участка русла и прочих обстоятельств.3. Как показали результаты расчетов, выполненныхв данной работе, значения руслоформирующих расхо-дов воды, определенных по методу Н.И. Маккавеева,являются весьма неустойчивыми во времени. Такаянеустойчивость может быть обусловлена как естест-венными причинами, так и причинами, вызваннымидеятельностью человека непосредственно в русле рекиили на водосборе. Все эти причины могут привести нетолько к изменению значений руслоформирущих рас-ходов воды и интенсивности их воздействия на русло,но и к их переходу в другой интервал (как это, по-видимому, произошло на р. Оби у г. Колпашева) и дажек попаданию значений в новые интервалы (р. Икса ус. Плотниково).4. Руслоформирующие расходы воды в значитель-ной степени зависят от водного режима реки, весьмачутко реагируют на изменения факторов, определяю-щих процесс руслоформирования. Методика определе-ния руслоформирующих расходов Qф, предложеннаяН.И. Маккавеевым, позволяет учитывать как многолет-ние колебания водности, так и особенности внутриго-дового распределения стока, что позволяет расцениватьQф как показатель влияния изменчивости водности рекна процесс руслоформирования. Иными словами, мож-но сказать, что руслоформирующие расходы водыможно расценивать как своеобразные индикаторы ус-тойчивости водного и руслового режимов реки на кон-кретном участке.5. Принимая во внимание недостатки методаН.И. Маккавеева, целесообразно найти способ вычисле-ния Qф на основании меньшего количества исходныхданных либо по соотношению его с другими характерны-ми расходами воды, определение которых не столь требо-вательно к наличию исходных рядов наблюдений и менеетрудоемко. Так, в рамках данной работы авторам удалосьна основании собственных вычислений для рек исследуе-мого региона установить тесную связь значений русло-формирующих и руслонаполняющих расходов воды.6. Выполненные исследования в практическом пла-не позволили выявить важные соотношения руслофор-мирующих расходов воды, вычисленных по методуН.И. Маккавеева, со значениями их повторяемостей иобеспеченностей, которые можно использовать какальтернативный способ определения Qф в случае не-достаточности наблюдений за стоком воды на иссле-дуемом участке реки.

Скачать электронную версию публикации