Развитие и прогнозирование русловых процессов на предгорных участках рек украинских карпат



Скачать 141.44 Kb.
Дата14.11.2016
Размер141.44 Kb.
РАЗВИТИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПРЕДГОРНЫХ УЧАСТКАХ РЕК УКРАИНСКИХ КАРПАТ

Шинкарук Л.А., Ясинская Л.Р.,
Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г.Ровно, Украина, lubkomir@ukr.net, lyuba-yas@yandex.ua

В статье рассмотрен механизм развития и прогнозирование русловых процессов на предгорных участках рек Украинских Карпат в условиях активизации паводков и антропогенной деятельности


THE DEVELOPMENT AND THE PROGNOSIS OF THE RIVERBED PROCESSES OF THE UKRAINIAN CARPATIANS RIVERS ON THE FOOTHILLS AREAS

Shynkaruk L.A., Yasinskaya L.R.
National University of Water Management and Natural Resources Use, Rovno, Ukraine, lubkomir@ukr.net, lyuba-yas@yandex.ua

The development and the prognosis of the fluvial processes of the rivers on the foothill areas of the Ukrainian Carpathians by the activation of floods and anthropogenic activities are reviewed in the article.
Проблемы прогнозирования русловых процессов. Глобализация климатических условий и активная человеческая деятельность участили повторяемость катастрофических паводков на всем земном шаре. Следовательно, количество проблем, связанных с возникновением и активизацией паводков будет все время возрастать, что, в свою очередь, будет вызывать катастрофические наводнения, приводящие к затоплению значительных территорий. Поэтому будут возрастать и проблемы, связанные с управлением наводнениями по таким причинам: с одной стороны за счет увеличения числа рисков, вызванных изменением климата и, с другой стороны, за счет увеличения степени уязвимости, вызванной развитием экономической и социальной инфраструктуры (все настойчивее будет влияние антропогенного фактора) [1-3].

Известно, что русловые переформирования происходят во время подъема, прохождения и на спаде паводка или половодья. Кроме этого, как утверждают ученые и специалисты Андреев О.В. [4], Попов И.В. [5], Снищенко Б.Ф. [6], Барышников Н.Б. [7], Бегам Л.Г. [8], Лиштван Л.Л. [9] и другие, русловой процесс изменяется и нарушается от имеющихся в естественных водотоках гидротехнических и инженерных сооружений, причем это нарушение может охватить значительный по длине участок реки (происходят общие деформации). Помимо общих деформаций возможны и локальные нарушения руслового процесса на участках расположения сооружений, если последние сильно сжимают поток или ограничивают развитие речных извилин, или не обеспечивают безотрывное обтекание потоком сооружений или их элементов.

В практике гидротехнического строительства, в том числе речной гидротехнике, помимо защитных и регуляционных сооружений построено и эксплуатируются много других гидротехнических, инженерных сооружений и коммуникаций с относительно небольшими плановыми и высотными размерами, которые в той или иной степени влияют на ход руслового процесса. Как показывает опыт работы таких сооружений, во время прохождения паводков или наводнений с одной стороны они могут подвергаться значительным деформациям и разрушениям в местах их расположения, с другой стороны сами сооружения могут вызывать деформации русла и берегов на соседних участках реки, расположенных выше и ниже их створа, то есть между ними (сооружениями и потоком) существует взаимодействие и взаимовлияние.

Вследствие такого взаимодействия желание реки вернутся к режиму динамического равновесия может привести к изменению типа руслового процесса, а знание этих закономерностей являются чрезвычайно важными для сооружений как на стадии их проектирования так и эксплуатации. Поэтому проблема прогнозирования руслового процесса на реках с нарушенным (не естественным) водным режимом остается на сегодня наиболее актуальной и недостаточно изученной в теории русловых процессов. Под прогнозом русловых процессов понимают предвидение в пространственном или во временном интервале любого изменения морфологического строения русла, которое основывается на знаниях закономерностей развития русловых процессов, и которые, в свою очередь, определяют это явление на конкретном участке исследуемой реки.

На сегодня, используя основные положения и выводы гидроморфологической теории руслового процесса, можно предположить какие противопаводковые мероприятия и сооружения для данного типа руслового процесса дадут наибольший эффект [5]. Поскольку до сих пор нет методики прогнозирования русловых процессов для динамической схемы «поток - русло - сооружение», то суть применения гидроморфологической теории к проблемам регулирования русел будет заключаться в том, чтобы объединить в единую расчетную схему общие природные переформирования речного русла с его локальными деформациями, вызванными сооружениями, предварительно установив степень их влияния на русловой процесс. Этим вопросам и посвящена данная статья.

Особенности рек Украинских Карпат. Территория Украинских Карпат отличается специфическими природными условиями, что находит свое отражение в гидрологическом режиме рек, протекающих по ней, и в особенностях их водохозяйственного использования. Значение водных ресурсов этого региона для Украины определяется тем, что они составляют 30% всех водных ресурсов страны, хотя площадь региона составляет 6% площади Украины [10].

Всего в Украинских Карпатах насчитывается 28 тыс. рек общей протяженностью около 55 тыс. км [10]. Реки имеют типичный горный характер. Долины их прямые или слабо извилистые. Густота речной сети на территории Украинских Карпат весьма значительна: на 1,0 км ² в горах приходится 1,3 - 1,6 км рек, а в отдельных бассейнах до 2,0 - 2,5 км.

В Украинских Карпатах берут начало и протекают две большие реки - Днестр и Тиса, две средние реки, притоки Днестра - Стрый и Быстрица; средние реки бассейна Дунай - Прут, Сирет, Черемош; средние реки в Закарпатье - Латорица, Уж; все остальные многочисленные притоки вышеуказанных рек относятся к категории малых - Стрвяж, Свеча, Луква, Лимница, Быстрица- Солотвинская и Быстрица- Надворнянская, Белый и Черный Черемош, Черная и Белая Тиса, Тересва, Теребля, Рика, Боржава, Турья и др.[10].

Горные реки Карпатского региона имеют свои особенности, а именно: высотную зональность, которая характеризуется заметным изменением гидрологических характеристик с высотой местности (отчетливее она проявляется на юго-западных склонах - на Закарпатье) и обусловлена ​​изменением ландшафтных характеристик; широтная зональность проявляется значительно меньше вследствие ограниченных плановых размеров горных территорий; значительную изменчивость во времени гидрологических характеристик (хорошо выражен паводковый режим с резким колебанием стока воды и наносов и интенсивности русловых процессов); высокую водность, недолгосрочный ледостав, часто прерывается большими оттепелями.

На примере крупных рек - Днестра и Тисы покажем, каких изменений претерпел и претерпевает русловой процесс на этих реках в пространственном и временном масштабе, какие основные причины приводят к этим изменениям, и как предвидеть дальнейшее развитие этих процессов вследствие воздействия и влияния руслового потока, атмосферных и антропогенных факторов.

Влияние карьеров на русловой процесс (на примере р. Днестр). Проанализируем и оценим ход и развитие руслового процесса за период в 53 года и влияние на него и состояние сооружений существующих карьерных разработок на примере реки Днестр (участок в пределах г. Старый Самбор во Львовской области).

Начиная с 1944 года, из русла реки Днестр в пределах с. Страшевичи - с. Созань - с. Бачина начали добывать гравийно-галечные наносные отложения, где был открыт карьер. Добывание и извлечение грунтовых материалов осуществляли на пойме, в русле а также из-под воды. При этом крупные фракции наносов использовали в строительстве, а мелкие частично оставались в карьере, которые водный поток вымывал непосредственно во время добывания материалов или во время прохождения паводков. Эти фракции вода транспортировала от карьера вниз по течению. В то время естественный уклон дна реки на данном участке был в пределах 0,003 ... 0,004. Постоянный отбор наносного грунтового материала из русла и поймы привело к изменению гидравлического и наносного режимов на указанном участке: уклон дна реки увеличился до 0,006 ... 0,008, увеличилась скорость течения, началось вынесение и транспортировка крупных фракций наносных отложений.

Гидроморфологический анализ, охватывающий 53 года наблюдений и последние натурные исследования позволяют констатировать, что произошли значительные изменения в русле. За этот период дно реки на участке длиной около 3 км понизилось на 7 ... 8 м (рис.1). Тенденцию проседания русла наблюдаем на всей протяжности исследуемого участка реки. Первопричиной снижения дна реки является функционирование карьера грунтовых материалов, из которого производят отбор гравийно-галечного грунта. Чрезмерный отбор гравийно-галечного грунта русла и поймы привел к изменениям гидравлических характеристик реки, которые особенно проявляются при прохождении паводков.

Рис.1. Графики изменения меженного уровня реки Днестр в пределах г. Старый Самбор за период с 1957 по 2010 гг. по створам 1-8


В то же время, вследствие задержки карьером наносов, на нижерасположенных участках реки Днестр возникает их дефицит, равный количеству наносов, которые откладываются в карьере, что влечет нарушение динамического равновесия в русле. Такое нарушение баланса наносов на этом участке привело к понижению отметок дна русла. Как следствие такого нарушения наблюдаем и изменение (снижение) меженных уровней воды в р. Днестр, которое вызвано деформациями дна русла. Снижение отметок водной поверхности в районе карьера привело к увеличению продольного уклона водной поверхности потока. Анализируя эволюцию меженных уровней по 8 створах (рис.1), которые были выбраны в наиболее характерных местах продольного профиля, можно констатировать, что диапазон значений падения уровней является весьма значительным - от 0,6 м в 8 створе (район с. Завадка) до 7,8м в 1-3 створах (район с. Бачина).

На графиках видно, что наибольшие (резкие) переформирования русла произошли во время прохождения паводков высокой обеспеченности в 1969 и 1973 гг. на участке между с. Бачина и г.Старый Самбор (между 1 и 4 створами, рис.1), что и обусловило падение уровней воды (максимальное до 5,5 м в 4 створе). В то же время на участке от г. Старый Самбор до с. Завадка (между 5 и 8 створами, рис.1) кривые, характеризующие изменение уровней более прямолинейные и равномерные (падение уровней составляет 1,8 м в 6 створе). Во время паводка в 2008 году наибольшее падение наблюдаем в 5 створе - 5,9 м. Во всех остальных створах понижение уровней имеет, сравнительно, равномерный характер.

За время, прошедшее после последних измерений гидроморфологических характеристик (ноябрь, 2008 г.), произошли существенные изменения в положении дна русла и уровней водной поверхности в пределах активной быстропротекающей части русла, на которой граничные горизонты понизились до 1,5 м. Это говорит о том, что эрозионные процессы, которые вызывают разрушение аргиллитов, продолжаются. Кроме того, за два года произошло перемещение активной части дна русла, которое имеет вид перепада-быстротока, вверх по течению реки Днестр на длину 400 п. м. Последние измерения гидроморфологических параметров было проведено в декабре 2010 года. За период с 2008 по 2010 гг. падение дна и уровней меженного уровня в мониторинговых створах увеличились: в 7 створе на 0,3 м, в 6 створе на 1,0 м, в 5 створе на 1,6 м (рис.1).

Можно констатировать, что падение уровней тесно связано со значительными деформациями русла реки, которые прогрессируют в результате влияния карьера. Негативное влияние карьера распространяется на значительное расстояние от него вниз и вверх на реке, а геологическое строение русла и берегов, представленное аргиллитами на этом участке реки Днестр, накладывает свой характерный отпечаток на русловой процесс. Такие интенсивные водные эрозионные процессы привели к тому, что в районе автодорожного моста в г. Старый Самбор в русле образовалась конфигурация дна русла в виде перепада-быстротока, что обусловило формирование значительного уклона водной поверхности. При этом скорость водного потока увеличилась на столько, что вода начала размывать наслоения аргиллитов и песчаников на берегах и в русле реки (рис.2), а также в подмостовом русле (рис. 3), которое требует немедленной стабилизации, чтобы защитить мост от разрушения.







Рис.2. Открытые наслоения аргиллитов и песчаников в берегах и русле реки Днестр в

г. Старый Самбор разрушаются вследствие воздействия атмосферных и антропогенных факторов



Рис.3. Общий вид подмостового русла на

р. Днестр в г. Старый Самбор, которое требует немедленной стабилизации (видно разрушенное основание и существует опасность разрушения мостовой береговой опоры)


Кроме того, эрозионные процессы существенно влияют на гидравлику реки. Выше перепада-быстротока (участок между 6 и 8 створами) изменение гидравлики проявляется в виде деформации кривой спада на подходе к эрозионному участку, и соответственно к увеличению скорости, в свою очередь приводит к размыву дна русла и прижимных берегов реки. Ниже перепада-быстротока благодаря активному оседанию части наносов в пределах карьера происходит осветление потока, способного вновь насыщаться наносами. Поэтому дно русла р. Днестр на участке от карьера до г .Самбор (на расстоянии в 54 км) понизилось на 0,5-1,0 м, а в районе населенных пунктов Таргановичи и Стрелковичи - до 2-2,5 м, и это произошло там, где осуществляли отбор гравийно-галечных отложений.



Вывод. Для обеспечения нормального гидроморфологичного режима на данном участке русла реки Днестр нужно приостановить дальнейшее разрушение полускальных грунтов русла и берегов, то есть необходимо его стабилизировать, что может быть достигнуто путем срочного устройства перепадов (замедлителей скоростей), а также необходимо прекратить отбор грунтовых материалов в карьере.

Влияние мостов и пойменной растительности на русловой процесс (на примере р. Тиса). После строительства мостовых переходов природный русловой процесс нарушается, и это нарушение может распространиться на большой по длине участок реки. Локальные нарушения руслового процесса в зоне расположения моста могут произойти, если последний значительно стесняет поток, ограничивает развитие речных извилин или отдельные отверстия завалены наносами с существующей на них растительностью, или, если сооружения мостового перехода не обеспечивают плавное подведение паводковых вод и наносов из пойм к отверстиям моста , т.е., когда отсутствуют регуляционные сооружения.

Мостовой переход, сжимая водный поток, создает подпор, который распространяется на значительное расстояние выше моста, а ниже него формируется участок реки с пониженным уровнем. Мостовой переход обусловливает тип руслового процесса или при соответствующих условиях может полностью изменить существующий, т.е. выше моста и ниже могут сформироваться и существовать различные типы руслового процесса. Может возникнуть и другая ситуация: на участке реки, расположенным ниже моста, отсутствуют те или иные факторы, которые могут привести к изменению руслового процесса по сравнению с предыдущим, а отсюда и иной характер и картина деформаций, и в конечном итоге - иной тип руслового процесса.

На исследуемом участке реки Тиса (с. Королево – п.г.т Вилок) особое влияние на паводковый процесс имеют мосты. Проанализируем ход русловых процессов, происходящих в зоне влияния мостов на реке Тиса, возле населенных пунктов п.г.т Вилок (рис.4) и п.г.т Вышково (рис.5).

Автодорожный мост возле п.г.т Вилок, общий просвет которого составляет 270м, что меньше необходимой ширины зарегулированного русла, которая составляет 366,0 м. Поэтому здесь существуют постоянные эксплуатационные проблемы по обеспечению надежной работы моста и ограждающих дамб, расположенных в зоне его влияния.

На рис.4 видно, что перед мостом расстояние между дамбами резко уменьшается и ограждающие дамбы непосредственно подходят и соединяются с конусами береговых опор моста. На эти дамбы возложены функции ограждающих (защитных) сооружений, поэтому они не выполняют регуляционных функций, хотя на первый взгляд, не прибегая к анализу их работы, может сложиться впечатление, что они выполняют регуляцию. То есть, на существующем мосту отсутствуют регуляционные сооружения. Это должны быть струенаправляющие дамбы, которые бы постепенно и плавно направляли под мост и отводили от него не только воду, но и донные наносы, движущиеся во время паводка. В случае, когда такая регуляция у моста отсутствует, наносы останавливаются перед ним или под ним, в отдельных отверстиях в подмостовом русле, формируя временные аккумулятивные формы (осередки, побочни, косы, острова), которые со временем заиливаются, на них прорастает трава, а впоследствии кусты и деревья. Если следующий паводок был по вероятности меньшим по сравнению с предыдущим, и поток не смог смыть эти скопления наносов, то они остаются в русле (или под мостом) и сильно влияют на перераспределение удельных расходов, что может привести к повреждениям или разрушениям промежуточных и береговых опор моста, мостовых земляных подходов, привести к переливу или размыву вышележащих ограждающих дамб и затоплению территорий. Влияние моста может быть настолько значительным, что это может привести к изменению типа руслового процесса.

Здесь следует обратить внимание еще на одно обстоятельство - расположение ограждающих дамб в плане на подходе к береговым опорам не является наилучшим в том смысле, что они кроме резкого сжатия водопропускного фронта имеют вогнутые участки (левобережная дамба), повернутые в сторону к руслу, а не криволинейные (выпуклые), как этого требует регуляция у мостов на предгорных участках рек. Именно в таких местах будет концентрироваться наибольший подпор, который включает подпор, что создает сам мост и подпор в бытовом (естественном) русле.

Рис.4. Общая картина протекания воды и расположение аккумулятивных форм на реке Тиса на участке с существующим автодорожным мостом возле п.г.т Вилок, расположенным

на правом берегу реки

Рис. 5. Общая картина протекания воды и расположение аккумулятивных форм на реке Тиса возле п.г.т. Вышково: на переднем плане автодорожный мост, перед которым сформировался остров

Мост возле п.г.т. Вилок, в виде суженного сечения («горловины»), во время паводка создает сложную и напряженную ситуацию для всех сооружений, устроенных в зоне моста. Во-первых, он вызывает подпор водной поверхности, напрягает работу промежуточных и особенно береговых опор, во-вторых, берега на подходе к мосту составлены легкоразмываемыми грунтами, поэтому они требуют постоянного укрепления, в-третьих (самое главное), два левобережные отверстия этого моста заросли кустами и деревьями, поэтому во время прохождения паводка мост не обеспечивает необходимую пропускную способность для паводкового расхода, что и обусловливает перелив воды через ограждающие дамбы, устроенные выше моста, или их размыв. Ниже моста русло имеет правостороннюю извилину, на которой междамбовое поперечное сечение является недостаточным для пропуска паводкового расхода.

Автодорожный мост возле п.г.т. Вышково, (рис.5). Во время прохождения паводка в 1998г., на подходе к мосту левобережная ограждающая дамба была размыта и разрушена (видно участок восстановленной дамбы). Причина в том, что аккумулятивные наносные скопления сформировали значительный подпор уровня водной поверхности и концентрацию паводкового расхода в левостороннем проливе, что привело к разрушению. На сегодня общая картина протекания воды и расположение аккумулятивных форм на р.Тиса такова: перед автодорожным мостом сформировался остров с растительностью; выше моста три острова и четыре пролива, еще выше - новые скопления донных гравийно-песчаных наносов без растительности (осередки), а затем снова остров и два пролива. Для нормальной работы моста, в первую очередь, необходимо срочно удалить остров с растительностью, сформировавшийся на пойме перед мостом.

Выводы

1. На основе гидроморфологического анализа установлено, что на исследуемом участке реки Тиса к изменениям гидравлических параметров водного потока и русловых переформирований приводят следующие факторы: мосты, временные аккумулятивные формы (осередки, косы, побочни, острова), пойменная растительность (изменение шероховатости), расстояние между дамбами (междамбовое пространство), неконтролируемый отбор наносных отложений, типы грунтов русла и берегов.

2. Особым фактором, который существенно влияет на русловые процессы на исследуемом участке реки Тиса, являются мосты. Каждый мост имеет свое особое влияние на протекание паводкового потока. В первую очередь с целью обеспечения нормальной эксплуатации мостов и надежной защиты береговых и промежуточных опор необходимо сделать расчистку русла под мостом и на подходах от наносов. Это касается всех без исключения мостов. Отдельным, очень важным и обязательным, к сожалению нерешенным, является вопрос реконструкции мостов. Регуляция на исследованных мостах отсутствует.

3. Установлено, если на исследуемом участке реки Тиса длиной осуществить расчистку пойм только от кустовой растительности, то даже при условии, что на них останутся деревья с толстыми стволами, это может обеспечить уменьшение шероховатости от 0,067 до 0,028, что в свою очередь может привести к снижению уровня водной поверхности на 40см.



Литература

1. Документ: «Управление риском возникновения наводнений в бассейнах трансграничных рек». Материалы семинара по управлению трансграничным риском возникновения наводнений, (United Nations Economic Commission for Europe Ministry of Transport, Public Works and Water Management of the Netherlands). Женева, 2009. 28 с.

2. Васильєв О.Ф. О необходимости создания современных систем оперативного прогнозирования половодий и паводков на реках. Научный доклад академика РАН О.Ф. Васильєва на заседании Бюро Отделения наук о Земле РАН. М., 22 июня 2011.

3. Осадчий С.Д. Паводками надо управлять. ГидроенергетикаУкраины, №3. К., 2009. С. 46-49.

4. Андреев О.В., Ярославцев И.А. Вопросы учета руслового процесса при проектировании мостовых переходов. М., 1953. 40 с.

5. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. Л., 1969. 363 с.

6. Бегам Л.Г., Лиштван Л.Л., Муромов В.С. Деформации подмостового русла. М., 1970. 200 с.

7. Снищенко Б.Ф. Методы решения практических задач на основе гидроморфологической теории руслового процесса. Труды ІV Всес. гидролог. съезда. Т.10. Л., 1976. С. 376-382.



8. Барышников Б.Н., Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловых процессов. Л., 1988. 456 с.

9. Паламарчук М.Н., Закорчевна Н.Б. Водный фонд Украины. Справочное пособие. Киев, 2001. 392 с.


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница