Research of the dune formation process on the branched reach of the Tom River according to peculiarities of its water and ice regime.pdf Чаще всего наносы, передвигающиеся по дну руселравнинных рек, движутся, образуя различные по раз-мерам и формам скопления - русловые формы. Этомогут быть гряды, рифеля, антидюны и т.д. Практиче-ски повсеместно наблюдаются гряды на дне крупныхравнинных рек, сложенных крупным и мелким песком.Закономерности образования и движения этих грядизучаются давно, и существует достаточно много раз-личных по своей структуре эмпирических и полуэмпи-рических формул, связывающих элементы гряд со зна-чениями гидравлических характеристик потока, прикоторых они образованы и перемещаются. Гораздо ре-же встречаются такие формы в руслах рек, сложенныхкрупным обломочным материалом - гравием и галь-кой. Эти русла более распространены в горных и пред-горных областях и отличаются большой изменчиво-стью скоростей течения и уклонов водной поверхностипо длине потока. Тем не менее и на равнинных рекахможно встретить чередующиеся близкие по форме иразмерам гряды из крупного обломочного материала.Подобные места достаточно редки, и возникает предпо-ложение, что образование таких сравнительно небольшихпо площади грядовых полей связано с гидравлическимиусловиями, отличными от распространенных повсемест-но. Сведения о русловых грядах, сложенных крупнымобломочным материалом на реках, встречаются в работахП. Карлинга [1], К. Вулдриджа [2], Р.С. Чалова [3] и дру-гих исследователей в разных странах.На разветвленном участке р. Томи от с. Вершинино дос. Коларово (рис. 1) в однорукавном русле преобладаютнаносы галечной, а местами и валунной фракций, в про-токах - более мелких галечно-гравелистых фракций. Гря-довый рельеф в общем случае не развит, но имеют местонебольшие поля со сплошным распространением грядо-вых форм, сложенных гравийным материалом. Эти поляпредставляют большой интерес, так как не являются ха-рактерными русловыми формами как для рассматривае-мого участка, так и для р. Томи.а бРис. 1. Космоснимки рассматриваемого участка: а - в прямоугольнике заключен участок,на котором расположены исследуемыесота гряд составляли здесь 17,5 и 0,61 м соответст-венно (табл. 1), 50%-ный диаметр наносов - 12 мм(рис. 3, а). Грядовое поле было уничтожено половодь-ем 2010 г., и в настоящий момент о его существова-нии свидетельствуют лишь сохранившиеся полосырастительности, которая располагалась в подвальяхгряд (рис. 2, б).Грядовые поля № 2 (рис. 2, в) и № 3 (рис. 2, г) рас-положены в месте соединения проток Светлая и Кал-тайская. В межень это место полностью осушается,зато в половодье здесь может проходить значительныйсток. Средние длина и высота гряд составляют у грядо-вого поля № 2 6,4 и 0,14 м, а у грядового поля № 3 - 11и 0,18 м (табл. 1), 50%-ный диаметр наносов - 12 и11 мм соответственно (рис. 3, б, в).Размеры грядовых форм напрямую зависят от гид-равлических характеристик потока (скорости и расходаводы), и чем они больше, тем больших размеров грядымогут быть сформированы. В таком случае остаетсянепонятным, каким образом грядовые поля таких раз-меров, причем сложенные крупным гравийным мате-риалом, возникают и существуют в несвойственныхдля них условиях - в местах, не отличающихся высо-кими расходами воды при прохождении половодья.Чтобы попытаться выяснить причину возникновенияданных грядовых полей на рассматриваемом участке,обратимся к его водному режиму. Как уже было отме-чено ранее, места расположения всех трех грядовыхполей в межень свободны от воды, таким образом, гря-ды могут быть образованы лишь в период половодья.абв гРис. 2. Фото грядовых полей: а - грядовое поле № 1; б - участок, соответствующий грядовому полю № 1 в настоящее время,гряды смыты; в - грядовое поле № 2; г - грядовое поле № 3Т а б л и ц а 1Результаты измерений гряд рассматриваемых грядовых полейПоле № 1 Поле № 2 Поле № гряды Длина гряды Высота гряды Длина гряды Высота гряды Длина гряды № В3 ысота гряды1 17,8 0,5 6,1 0,07 7,5 0,182 19,5 0,55 7,5 0,24 13,1 0,213 13,5 0,63 7,8 0,17 9,6 0,264 21,7 0,63 5,5 0,16 8,1 0,235 15,2 0,73 5 0,07 13,3 0,166 12,4 0,157 7,1 0,168 9,5 0,19 17,9 0,13Среднее 17,5 0,61 6,4 0,14 11 0,180510152025300 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Содержание фракции, %К ру пнос ть ф ракц ии, мм051015202530350 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Содержание фракции, %К ру п н ос ть ф рак ц ии, м м05101520253035400 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Содержание фракции, %К р у п н о с т ь ф р а к ц и и, м ма б вРис. 3. Кривые гранулометрического состава проб наносов: а - для грядового поля № 1;б - для грядового поля № 2; в - для грядового поля № 3Половодье является основной фазой водного режи-ма р. Томи. В этот период проходит 60-90% годовогостока и отмечаются максимальные расходы и уровниводы. Максимальный расход воды р. Томи у Томскасоставил 13 600 м3/с в 1937 г. Средний максимальныйрасход воды за весь период наблюдений с 1918 г. со-ставляет 8 340 м3/с. По данным наблюдений за стокомОАО «Сибречпроект» и сотрудников кафедры гидро-логии ТГУ, на рассматриваемом участке начиная с1984 г. расходы воды распределены по протокам (от-дельно для верхних и нижних их частей) в период по-ловодья согласно табл. 2.Т а б л и ц а 2Распределение расходов воды по протокам на исследуемом участкеОсновное русло Протока Светлая Протока Калтайскаяверхняя часть нижняя часть верхняя часть нижняя часть верхняя частьГод (пр. Панькова) нижняя частьQ, м3/с % Q, м3/с % Q, м3/с % Q, м3/с % Q, м3/с % Q, м3/с %1984 1 610 49 2 100 42 1 380 42 2 130 43 280 9 750 151998 1 775 55 2 525 46 1 140 35 1 945 35 300 9 1 030 182001 1 203 52 2 400 48 842 36 1 800 36 192 8 800 162007 - - 1 655 41 - - 1 780 44 - - 587 152008 1 838 47 1 749 47 1 761 45 1 535 41 279 8 444 122009 2 043 50 2 030 48 1 803 43 1 645 40 315 7 644 13В последние годы на р. Томи участились ледовыезаторы и максимальные уровни воды заторного проис-хождения. За последние 14 лет, с 1998 по 2011 г., зато-ры во время весеннего вскрытия реки наблюдались в40% случаев, а в 2010 г. произошел очень мощный ле-довый затор, в результате которого на посту Томск-гидроствор наблюдался самый высокий уровень водыза весь период наблюдений с 1964 г. С высокой долейвероятности можно полагать, что образование ледовыхзаторов связано с антропогенной нагрузкой на р. Томь,в частности с добычей из ее русла гравия. На иссле-дуемом участке активно производится разработка гра-вия в русловых карьерах, особенно в последние годы.В связи с этим и также со сложной русловой организа-цией заторы на данном участке - не редкость. Рассмот-рим схемы их характерного расположения:а) Затор в основном русле р. Томи начинается нижес. Казанка и распространяется выше по течению досамого входа в протоку Светлая. Основной сток водыосуществляется через протоку Светлая (рис. 4).б) Затор в основном русле р. Томи, начинаясь нижес. Казанка, распространяется до входа в протоку Свет-лая, а также затор в самой протоке Светлая распро-страняется выше по течению от выхода из нее до еепересечения с протокой Калтайская. Основной стокводы в данном случае проходит через верхнюю частьпротоки Светлая и далее идет по протоке Калтайская(рис. 5). Такой случай наблюдался в половодье 2010 г.в) Затор в основном русле р. Томи, начинаясь нижес. Казанка, распространяется вверх по течению до вхо-да в протоку Панькова. Основной сток воды осуществ-ляется через протоку Калтайская (в том числе протокуПанькова) (рис. 6). Аналогичный случай наблюдался вполоводье 2010 г.Рис. 4. Одна из характерных схем возникновения затора (затор обозначен штриховкой)и направления основного стока воды (обозначены стрелками) на рассматриваемом участкеРис. 5. Одна из характерных схем возникновения затора (затор обозначен штриховкой)и направления основного стока воды (обозначены стрелками) на рассматриваемом участкеРис. 6. Одна из характерных схем возникновения затора (затор обозначен штриховкой)и направления основного стока воды (обозначены стрелками) на рассматриваемом участкеВ результате заторных явлений, развивающихся всоответствии с описанными схемами, водность в про-токах Светлая и Калтайская в период половодья можетнаблюдаться существенно выше, чем при отсутствииледовых заторов. Таким образом, картина распределе-ния стока между протоками, показанная в табл. 1, ис-кажается, и, в зависимости от места стояния затора,какой-либо рукав может выполнять функцию основно-го русла, сосредотачивая в себе преобладающее коли-чество стока воды. В данном контексте можно предпо-ложить, что грядовые поля на рассматриваемом участ-ке были образованы в результате такого рода перерас-пределения стока из одной протоки в другую. Так, гря-довое поле № 1 могло образоваться в результате пере-распределения стока из главного русла в протокуПанькова (см. рис. 4, в), а поля № 2 и № 3 - в результа-те перераспределения стока из протоки Светлая в про-току Калтайская (см. рис. 4, б).Для проверки этого предположения была сделанапопытка реконструировать реально возможные расхо-ды воды, которые могли образовать гряды указанныхразмеров на рассматриваемом участке р. Томи, исполь-зуя существующие зависимости морфометрическихпараметров гряд от гидравлических характеристик по-тока. Такие зависимости разработаны многими автора-ми и не являются универсальными: если в одних усло-виях они приводят к удовлетворительному совпадениюс натурными данными, то в других оказываются со-вершенно непригодными. Причем трудно предсказы-вать пределы применимости этих формул [4]. Сущест-вующие формулы различны по структуре и показыва-ют зависимость параметров донных форм от таких по-казателей, как, например, число Фруда, глубина и ши-рина потока, средняя скорость потока, критическиескорости движения наносов, слагающих гряду, среднийдиаметр частиц и их гидравлическая крупность.В качестве исходных данных для расчетов былииспользованы параметры гряд, полученные в резуль-тате обработки полевых съемок, а именно: длина, вы-сота гряд и гранулометрический состав наносов натрех рассматриваемых грядовых полях, поперечныепрофили русла для каждого поля. Расчетные уровниводы задавались исходя из информации об отметкахпоймы, которые оказались затопленными в половодье2010 г.В ходе анализа рассматриваемых зависимостей вы-яснилось, что во многих из них параметры гряд прямоили косвенно зависят от скорости течения воды. Такиезависимости составили основу для расчетов, среди нихформулы Ю.Т. Борщевского, Ж. Буссинеска, Б.Ф. Сни-щенко, В.С. Кнороза, Г.В. Железнякова и В.К. Де-больского, А.В. Караушева, В.Ф. Пушкарева [4-6].Таким образом, не составило труда по имеющимсяпараметрам гряд определить скорости течения воды вовремя их образования и передвижения, используя дляэтого разные формулы. Однако не все зависимости по-казали удовлетворительный результат, и в большинст-ве случаев получаемые цифры отличаются от реальновозможных скоростей течения на несколько порядков.И лишь формулы В.С. Кнороза (1), (2) для расчета па-раметров гряд дают близкий к реальности результат:53г0lg 6,1, 2гR hl k y { (1)0 2 /3г h 3,5R(1 ) (lg R 6),k { y(2)где lг - длина гряды; hг - высота гряды; R - гидравли-ческий радиус; k - 50%-ный диаметр частиц; υ - ско-рость течения по вертикали над грядой; υ0 - неразмы-вающая скорость по Кнорозу:0 0,751,3 gd lg 14,7R .k (3)Также представляет интерес зависимость Н.С. Зна-менской [4], обобщившей большое количество экспери-ментальных данных, однако ввиду отсутствия необходи-мой исходной информации не представляется возможнымиспользовать ее для расчета расхода воды, при которомпроисходят образование и передвижение гряд. Тем неменее ее можно использовать для условий смыва гряд. Поуказанным причинам формулы В.С. Кнороза принятынами за основу, и по скорости течения и данным проме-ров русла с их помощью определен расход воды, способ-ный сформировать исследуемые грядовые поля. Оказа-лось возможным также определить расход воды, харак-терный для условий смыва гряд, по зависимости Н.С. Зна-менской. Результаты расчетов по формулам В.С. Кнорозапри четырех высоких уровнях воды для условий образо-вания и передвижения гряд, а также результаты расчетапо зависимости Н.С. Знаменской для условий смыва грядприведены в табл. 3.Т а б л и ц а 3Скорости и расходы воды, полученные по параметрам гряд№ грядовогополяУровеньводы БС, мДлина гря-ды, lг, мВысотагряды, hг, мСкоростьтечения,υ = f(lг), м/cСкоростьтечения,υ = f(hг), м/cПлощадьживого сече-ния, ω, м2Расход воды,Q = f(lг), м3/сРасход воды,Q = f(hг), м3/сПоле 1 8810 17,5 0,61 11,,8863 11,,5564 1808720 11951443 11620964Поле 2 8810 10,93 1,18 21,,0938 11,,5417 11206105 21591606 11846672Поле 3 8810 6,2 0,14 22,,6761 11,,4469 11250400 34005262 12627065Поле 1(смыв гряд) 81 17,5 0,61 4,46 1070 4051Как указано в табл. 2, расход воды в протоке Панько-ва в период максимума весеннего половодья (при отсут-ствии ледовых заторов) составляет 8-9% от общего рас-хода р. Томи. Максимальный расход воды в Томске в1937 г. составляет 13 600 м3/с, за последние 10 лет наи-больший расход наблюдался в 2001 г. - 10 500 м3/с. Та-ким образом, максимальный расход протоки Панькова впериод открытого русла составлял не более 1 200 м3/с(максимальный измеренный в 2009 г. равен 640 м3/с приуровне воды около 80 м БС). При этом расход воды впротоке Панькова, рассчитанный по параметрам гряд поформулам В.С. Кнороза, превышает максимальные рас-ходы открытого русла для такого же уровня в 1,5 раза ипо зависимости Н.С. Знаменской для условий смывагряд - более, чем в 3 раза, что составляет порядка 70%общего расхода р. Томи. Расход воды в верхней частипротоки Светлая при аналогичных условиях составляетоколо 40% общего расхода Томи (табл. 2), и полученныепо формулам Кнороза значения вполне этому соответст-вуют. Однако грядовые поля сформированы не в самойпротоке Светлая, а в месте ее соединения с Калтайской,что свидетельствует о явном перераспределении стокаводы из Светлой в Калтайскую. Очевидно, что такоеперераспределение стока может иметь место лишь вслучае существенного препятствия в нижней части про-токи Светлой, которым может являться ледовый затор.Таким образом, на участке соединения двух проток рас-ходы воды могут быть весьма близкими к расходам про-токи Светлая в период открытого русла. Полученныерезультаты дают основание для предположения о том,что рассматриваемые грядовые поля были образованы, ав особенности и смыты (протока Панькова) именно какследствие образования ледовых заторов на исследуемомучастке.

Скачать электронную версию публикации