Possibilities of ice jams forecasting using river channel computer models.pdf Одна из характерных особенностей вскрытия рекСеверного полушария Земли, текущих в направленииполярных широт, - возникновение наводнений, свя-занных с образованием в руслах крупных рек ледяныхзаторов в период вскрытия рек и весеннего ледохода.Это связано с тем, что полые воды от таяния снегов вюжных широтах приходят в нижнее течение рек ра-нее, чем атмосферное тепло достаточно разрушит ле-довый покров в этих местах. Особенно благоприятныеусловия возникновения ледовых заторов во времявскрытия рек приурочены к местам резкого изменения(в сторону уменьшения) транспортирующей способ-ности потока, когда в местах, где перед началом ве-сеннего половодья наблюдаются относительно боль-шие глубины и невысокие уклоны водной поверхно-сти и скорости течения. Здесь, в местах, где скорост-ного напора недостаточно для разрушения устано-вившегося во время зимнего периода ледяного покро-ва, складываются условия для накопления поступаю-щего сверху по течению льдин, их обломков и шуги,масса которых, накапливаясь, закупоривает вышеле-жащее сечение реки и вызывает выход воды на пойму -заторные наводнения.В русле р. Томи в районе г. Томска в течение исто-рически достоверного периода наблюдения за природ-ными явлениями имела место проблема заторообразо-вания и, как следствии этого, подъема уровней, чтовело к подтоплению прилегающих к реке территорий[1]. Наиболее часто заторы возникали в районедер. Белобородово, где сейчас расположен г. Северск.Повышение уровней в результате этих заторов приво-дило к затоплению части г. Томска. Начиная с 50-х гг.XX в. в русле ведется интенсивная добыча песчано-гравий-ного материала (ПГМ), что уже привело к по-садке максимальных уровней на 3,5 м и минимальныхуровней на 2,5 м, а также к частичному или полномуисчезновению островов, расположенных в русле.Вследствие значительного углубления русла увеличи-лась его пропускная способность, и скапливающиесяльды в пределах городской территории не забиваютрусло до дна и не препятствуют прохождению воды.Сбросы подогретой воды предприятий Северскауменьшили толщину льда, и заторы в этом месте обра-зуются редко. Тем не менее при значительном поступ-лении льда сверху по течению тело затора достигаетосередка Буяновского, расположенного в непосредст-венной близости от коммунального моста и порога Бо-ец. В этом месте сейчас аккумулируется большая частьдонных наносов, поступающих сверху по течению, изначительное накопление льда может приводить кстеснению русла и подъему уровней воды, вызываю-щему затопление поймы и поселков, расположенных внепосредственной близости. Так, затор в 2004 г. вызвалзатопление нескольких домов в пос. Черная речка, рас-положенном выше по течению г. Томска.В связи с этим существует необходимость проведе-ния различных противозаторных мероприятий. Пред-варительно необходимо иметь достоверный прогнозместа, где будут образовываться заторы при тех илииных гидрометеорологических условиях, и величиныподъема уровня при этом заторе. Среди мероприятий,проведение которых сосредоточено на локальном уча-стке без существенного нарушения гидрологическогорежима, эффективным можно считать русловыправи-тельные работы. Это воздействие приведет к измене-нию гидравлических условий в русле реки, кривыхсвободной поверхности (КСП), изменит конфигурациюрусла и ход русловых процессов. Оценка и прогнозизменений гидравлических условий решается с приме-нением имитационного компьютерного моделирова-ния. Уже в течение более 10 лет на кафедре гидрологииТГУ для этих целей с успехом применяются одномер-ные модели серии НЕС.Программа НEC-RAS (Hydrologic Engineering Center- River Analysis System) [2], реализующая одномер-ный подход к моделированию, включает блок расчетаустановившегося движения воды и функции гидравли-ческого проектирования. Первый блок предназначендля расчета продольных профилей водной поверхностидля установившегося плавно изменяющегося течения.Система может работать с полной русловой сетью,древообразной речной системой или отдельным участ-ком русла. Она может в одномерном варианте модели-ровать профили водной поверхности для спокойного,бурного и смешанного состояния потока. В последнихверсиях программы НЕС, а именно HEC-RAS 3.1 иHEC-RAS 4.0, появилась возможность рассчитыватьвсе гидравлические характеристики потока при нали-чии ледового покрова. Кроме того, имеется возмож-ность также моделировать ледовые заторы при вскры-тии рек. Для этого необходимо знать все физическиесвойства ледяного покрова (толщина, пористость,плотность и т.д.), местоположение тела затора и харак-теристики самого затора (коэффициент трения междульдинами, угол трения между льдинами и т.д.).На первом этапе для проверки возможностей про-граммы HEC-RAS для моделирования условий воз-никновения ледовых заторов выбран участок, на ко-тором ледовые заторы возникают ежегодно, а именнор. Томь от нового коммунального моста (59 км полоцманской карте) в нижнем течении до водомерногопоста Томск - гидроствор (75 км), включая все прото-ки. В качестве исходных данных для построения гео-метрической модели русла взяты русловые съемки,выполненные сотрудниками кафедры гидрологии в2003-2007 гг., а также топографический план поймы.Все эти материалы сведены в единую систему коор-динат, и построена цифровая модель рельефа. В про-цессе калибровки модели подобраны коэффициентышероховатости Маннинга (п), при которых наблюда-ется наибольшее соответствие рассчитанных по моде-ли отметок водной поверхности с реальными на по-стоянно действующих гидрологических постах вг. Томске (таблица).Сравнительные результаты вычисления отметок водной поверхности моделируемого участка р. Томина гидрологических постах с данными фактических наблюденийРасход воды, м3/с Номер сечения Отметки поверхности воды, вычислен-ные в системе HEC-RAS, м БСИзмеренные отметки поверхно-сти воды, м БС Ошибка расчета, м3 580 6.300 (гидроствор) 73,67 73,66 +0,011 210 6.300 (гидроствор) 70,91 70,92 -0,013 580 5.186 (пристань) 72,89 72,96 -0,071 210 5.186 (пристань) 69,74 69,75 -0,01Одной из задач данного исследования явилосьопределение мест возможного возникновения заторапри различных расходах воды при вскрытии реки.Обычно при малых расходах воды вскрытие проис-ходит на нескольких участках по длине реки (на пе-рекатах) с образованием серии небольших заторов наплесовых участках. При высоких же расходах этинебольшие заторы могут срываться и собираться водин большой затор, если существуют условия дляего образования. В качестве критерия выявления та-ких мест первоначально был выбран скоростной на-пор, рассчитываемый в программе HEC-RAS в каж-дом сечении. Судя по расчетам, низкое значениескоростного напора (1 см и менее) даже при расхо-дах 3 000 м3/с наблюдается на участке 63 км отустья, т.е. в районе грузового порта (рис. 1). Можносделать вывод о том, что это наиболее вероятное ме-сто возникновения затора (и действительно, заторыздесь наблюдаются ежегодно). Часто «голова» заторавозникает выше о-ва Собачий (66-67 км от устья),что соответствует резкому снижению величины ско-ростного напора в этом районе.00,020,040,060,080,10,120,1456 58 60 62 64 66 68 70 72 74км от устья1010 м3/с 2130 м3/с 3000 м3/сРис. 1. Изменение величины скоростного напора по длине р. Томи в пределах г. ТомскаСледует отметить, что одна только величина скорост-ного напора недостаточно информативна ввиду его не-значительной амплитуды (например на такой реке, какТомь, максимальные значения не превышают 0,12 м прирасходах 1 000-3 000 м3/с). Тем не менее уже эта величи-на позволяет предварительно указать на возможные меставозникновения ледовых заторов. Заторы на р. Томи невсегда вызывают высокие подъемы уровня воды и затоп-ление поселков и построек - это зависит от протяженно-сти тела затора и количества воды, поступающей сверхупо течению. Эти две величины взаимосвязаны, так какколичество льда, скапливающегося в теле затора, зависитот протяженности вскрывающегося выше по течениюучастка, что в свою очередь зависит от соотношения ха-рактеристик ледяного покрова (толщина, прочность) иэнергии потока (скорости течения, расход воды).В дальнейшем при исследованиях заторов участокбыл увеличен вверх по течению - протяженность егосоставила от 59 до 82 км по лоцманской карте. Крометого, по материалам русловых съемок 2008 г., выпол-ненных сотрудниками кафедры гидрологии ТГУ, былуточнен рельеф участка реки от речного вокзала до но-вого коммунального моста на 59 км лоцманской карты.Помимо обновленных геометрических данных былопредложено изменить критерий вскрытия ледового по-крова, названного условно Квскр. В основу его заложеноотношение величины кинетической энергии единицымассы потока (Е, Дж) при наличии ледовых образова-ний к значению предела прочности льда (Rсж, кПа):вскр 2сжК Е .R (1)Кинетическая энергия потока определяется по фор-муле [4]:2,2Е Q Vg  (2)где  - плотность воды, кг/м3; Q - расход воды, м3/с;V - скорость потока, м/с; g - ускорение свободногопадения, 9,81 м/с2.Значения предела прочности льда, или временногосопротивления льда при перпендикулярном сжатии(Rсж), в различных условиях его напряженного со-стояния и при температуре, близкой к 0оС, для рекСевера и Сибири были определены К.Н. Коржавиным[3]. Расчеты проводились с использованием двухкрайних значений временного сопротивления льда,равных 450 и 650 кПа, при расходах воды 1 210, 2 000,3 580 и 5 000 м3/с.После анализа графиков распределения показателяКвскр при приведенных выше значениях расхода водыпо длине участка было выдвинуто предположение осуществовании критического значения показателя Ккр.Первоначально величина показателя была произвольновыбрана равной 0,5. В том месте участка, где величинаКвскр < Ккр, наблюдается устойчивый ледяной покров,там же, где Квскр > Ккр, происходит вскрытие ледяногопокрова. Из этого можно предположить, что ниже потечению от участка, где происходит вскрытие, на гра-нице с участком, где ледяной покров не вскрывается,возможно образование затора.При расходе 3 580 м3/с (рис. 2) и наименьшейпрочности льда, равной 450 кПа, вскрывается большаячасть ледяного покрова исследуемого участка, ледо-вый покров остается в двух местах, в пределах участ-ка: 1,1-6,8 и 18,5-19,4 км. Именно в этих местах ивозможно образование мощного затора. Также суще-ствует вероятность образования незначительных зато-ров на 9-10 км участка, в районе водомерного постаТомск-пристань. При максимальной величине проч-ности льда, равной 650 кПа, ситуация менее критиче-ская в плане объема вскрытого льда, возможнымиместами образования затора меньшей мощности яв-ляются 14 и 20 км.При расходе 5 000 м3/с (рис. 3) и минимальнойпрочности льда 450 кПа ледяной покров остается наотносительно коротких участках с 4,1 по 5,7 км и с 18,9по 19,5 км. Исходя из того что остальная часть участкавыше по течению свободна ото льда и поток несет внизпо течению большие массы воды и разрушенного ледя-ного покрова, можно предположить, что участки незна-чительной протяжности с наличием непрочного ледя-ного покрова будут разрушены и на месте расположе-ния этих участков не будет происходить образованиезатора. Однако в случае, если прорыв не состоится, то ввышеуказанных местах, при прочих условиях (напри-мер, резкое падение температуры воздуха), при наи-высшей прочности льда 650 кПа возможно образованиемощного затора на 7 км участка, так как Квскр колеблет-ся в районе критического значения от 7 до 14 км и зна-чительно превышает это значение на 14-17 км, т.е.длина вскрытого участка может составить 10 км приусловии удержания ледяного покрова на 19-20 км.В случае прорыва льда на 19-20 км возможно образо-вание мощнейшего затора с резким подъемом уровнейводы и затоплением большей части расположеннойвыше затора территории.00,511,522,533,540 5000 10000 15000 20000Расстояние, мКвскр, Дж/кПа2 Квскр при Rсж=450 Квскр при Rсж=650 КкрРис. 2. График изменения критерия вскрытия Квскр по длине исследуемого участка р. Томи при расходе 3 580 м3/с(за начало принят створ нового коммунального моста)Рис. 3. График изменения критерия вскрытия Квскр по длине исследуемого участка р. Томи при расходе 5 000 м3/с(за начало принят створ нового коммунального моста)Величина подъема уровня при заторе будет зависетькак от объема поступившего льда сверху по течению(объем в данном случае зависит от длины вскрытогоучастка, ширины русла, покрытого ледяным покровомна этом участке, и толщины ледяного покрова), так и отрельефа дна русла реки - наличия перекатов, на кото-рых большое количество поступившего сверху по те-чению льда может привести к стеснению сечения рекии даже полной закупорке русла битым льдом.Возможно, по такому сценарию и развивалось вскры-тие реки в 2004 г., когда при относительно высоких расхо-дах воды и прочности ледяного покрова был вскрытбольшой по протяженности участок р. Томи выше по те-чению от г. Томска и тело затора достигло участка с боль-шим количеством осередков ниже коммунального моста ипорога Боец. В результате подъема уровня воды были за-топлены прибрежные территории выше по течению откоммунального моста (часть пос. Черная речка). Повыше-ние распространилось и вниз по течению. В результатеэтого, а также возросшего давления льда в заторе и взрыв-ных работ был прорван ранее не вскрытый участок в рай-оне речного порта, после чего уровни воды в реке резкоснизились и образовался густой ледоход.Многие пока спорные моменты могут быть такжепрояснены при дальнейшем исследовании с примене-нием программ серии НЕС, которые помимо вычисле-ния стандартных характеристик (скорость потока, ско-ростной напор, уровень воды, ширина русла и т.д.) мо-гут имитировать ситуации с ледовым покровом раз-личной толщины, шероховатости и прочности, а такжевычислять характеристики самого затора (коэффициенттрения между льдинами, угол трения, начало и конецзатора и т.д.), в том числе и для неустановившегосярежима движения воды.

Скачать электронную версию публикации