научная статья по теме ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАТОРОВ (НА ПРИМЕРЕ Р.ТОМЬ, ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАТОРОВ (НА ПРИМЕРЕ Р.ТОМЬ, ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ)»

Лёд и Снег • 2014 • № 3 (127)

Морские, речные и озёрные льды

УДК 556.535.5

Имитационное моделирование заторов (на примере р. Томь, Западная Сибирь)

© 2014 г. В.А. Земцов, Д.А. Вершинин, Н.Г. Инишев

Томский государственный университет zemtsov_v@mail.ru

Imitation modeling of ice dams (case study of Tom' River, Western Siberia)

V.A. Zemtsov, D.A. Vershinin, N.G. Inishev

Tomsk State University

Статья принята к печати 17февраля 2014 г.

Западная Сибирь, заторные наводнения, заторы льда, компьютерное моделирование, река Томь.

Digital modeling, ice jam floods, ice dams, Tom River, Western Siberia.

Рассматриваются факторы заторообразования в многолетней динамике и подходы к решению проблем борьбы с заторами и заторными наводнениями на основе имитационного компьютерного моделирования динамики потоков и заторных явлений на нижнем участке р. Томь, длина которого по главному руслу составляет около 120 км. Моделирование позволяет заранее просчитать разные варианты входных воздействий и реакции русловой системы на них. На основе одномерной модели HEC-RAS 4.0 исследуются вопросы локализации заторов, вероятность возникновения которых на разных участках русловой системы меняется со временем в соответствии с изменением водности реки, гидравлики потоков и прочности ледового покрова. В системе SMS 9.2 разработана двухмерная гидродинамическая модель русловой сети, позволяющая имитировать влияние заторов, возникающих на разных участках, на перераспределение стока между главным руслом и протоками, что даёт возможность оценивать опасности и риски заторных наводнений, влияние заторов на формирование русловой сети, а в дальнейшем - регулировать безопасный пропуск льда в половодье в районе населённых пунктов.

Problems of localization of the ice jams in the lower flow of the Tom River (Siberia) are discussed. A length of the main channel under investigation is about 120 km. The 1D model HEC-RAS 4.0 was used for the analysis. The 2D hydrodynamic model of the Tom River channel system in the SMS 9.2 modeling system has been developed. The model makes it possible to simulate effects of ice jams occurring in different sections of the river bed on redistribution of the river run-off between the main channel and other river branches.

Введение

Заторы льда — это массивные скопления льда в руслах рек, вызывающие уменьшение живого сечения и значительный подъём уровня воды выше, а при прорыве ледовой плотины — и ниже по течению. В результате заторов подъём уровня воды в сутки может составлять несколько метров. Масштабы заторных явлений и их последствия определяются влиянием многочисленных взаимодействующих факторов. Весной заторы вызывают затопление пойменных территорий, в том числе освоенных в результате хозяйственной деятельности, что приводит к негативным экологическим и хозяйственным последствиям. В сибирском регионе заторные явления чаще всего отмечаются на Иртыше, Лене, Енисее с притоками, р. Томь. Частота заторов и вызванных ими наводнений в пределах верхних горных участков рек Сибири существенно возросла в 2005—2010 гг. в связи с более ранним началом половодья в этой части бассейнов и увеличением разницы в весенней температуре между южными и северными частями бассейнов [15].

Река Томь берёт начало на западном склоне Абаканского хребта. Её бассейн, имеющий грушевидную форму, узкой частью ориентирован на северо-запад. Площадь бассейна — 62 000 км2, длина реки — 827 км. Верхнюю его часть (почти 2/3 площади) занимают средне- и низкогорные лесные ландшафты, где формируется основное водное питание реки. В нижнем течении р. Томь выходит на Западно-Сибирскую равнину. По водному режиму она относится к рекам с весенне-летним половодьем и паводками в тёплое время года. Основная фаза — половодье, в течение которого проходит 60—90% годового стока и отмечаются максимальные расходы и уровни воды. Половодье начинается в середине апреля. В период ледохода бывают кратковременные повышения уровней заторного происхождения; в отдельные годы они превышают уровни пика половодья, определяемые водностью реки. После половодья устанавливается летне-осенняя межень, прерываемая дождевыми паводками. Зимняя межень начинается в конце октября — начале ноября и продолжается до начала половодья.

В последние десятилетия наблюдаются заметные изменения водного и ледового режимов р. Томь [9]. В Томске, например, в результате добычи гравия во все сезоны года снизились уровни воды, что создаёт иллюзию уменьшения водности реки. Сейчас р. Томь замерзает в более поздние сроки, сократилась и продолжительность ледовых явлений. Одни из этих изменений обусловлены естественными вариациями климата, другие служат отражением глобального потепления, третьи — результат хозяйственной деятельности в бассейне и русле реки. Так, ускорению вскрытия способствуют работы по ослаблению и разрушению ледяного покрова на всём участке выше города, в том числе на территории Кузбасса, из-за чего река вскрывается всё раньше.

Заторы на р. Томь образуются каждый год. При подъёме уровня воды в реке заторы возникают сверху вниз по течению на разных участках общей протяжённостью в сотни километров, смещаясь вниз и вызывая подъёмы уровней воды высотой до нескольких метров, а также локальные наводнения. Масса льда, в том числе сильно измельчённого, увеличивается вниз по течению реки и образует сильные заторы в Томске и его окрестностях, где они наблюдаются в последние 20 лет, как минимум, один раз в три года. Нередко годовой максимум уровня воды имеет заторное происхождение. В свою очередь заторы приводят к наводнениям. Зона затопления в окрестностях города распространяется по ширине поймы на 3—4 км. Подъём воды при образовании затора, и особенно при его быстром катастрофическом разрушении, сопровождается сильными механическими воздействиями текущей воды и льда на берега реки, хозяйственные и жилые постройки, дороги и другие коммуникации и объекты инфраструктуры. В результате берега дестабилизируются и вода промывает протоки в пойме реки, разрушая всё на своем пути. Активизируются размывы берегов, а русловые деформации приобретают трудно контролируемый характер.

Для борьбы с заторами и вызываемыми ими наводнениями используют разные подходы: отвод воды с затопляемой территории; обвалование местности со стороны реки ограждающими дамбами; искусственное повышение прибрежной территории; искусственное ослабление льда; русловыправительные и дноуглубительные работы; расчистку русла; естественный отвод воды по протокам в обход затора. Все они требуют научного обоснования, исследования факторов за-торообразования и моделирования заторных явлений, что позволяет количественно оценить и прогнозировать опасности и риски заторных наводнений.

Факторы заторообразования

Факторы заторообразования на р. Томь мы рассматриваем в их временнбй динамике. Основная цель работы — исследовать возможности применения имитационных компьютерных гидродинамических моделей для обоснования противозаторных мероприятий на нижнем участке русловой системы р. Томь длиной около 120 км по главному руслу, где разные по мощности заторы происходят каждый год в разных местах. Основные сведения о современном состоянии исследований ледового режима рек, о факторах и моделях заторообразования приводятся в работах [4, 5, 16]. В работах [1, 6-8, 13] непосредственно анализируются особенности заторообразования на р. Томь.

Рассмотрим динамику факторов заторообра-зования и связанных с ними наводнений в нижнем течении р. Томь в последнее столетие; она в значительной мере определяется антропогенными причинами. Факторы формирования и развития заторных явлений делятся на две группы: 1) гидрометеорологические (интенсивность весеннего половодья, распределение толщины и прочности льда, уровенный и ледовый режимы предшествующих затору осенних паводков и зимней межени), определяющие количество и интенсивность поступления льда; 2) геоморфологические (строение и конфигурация речной долины и русловой сети), обусловливающие различия в пропускной способности русловой системы - главного русла и проток, часто соизмеримых с ним по водоносности.

В первой группе факторов, часто приводящих к катастрофическим ледовым заторам на р. Томь, выделяются условия осеннего замерзания, особенно ледоход, возникающий в начале зимы уже после установления ледового покрова, что, например, привело к катастрофическому наводнению в районе Томска весной 2010 г. Водность реки при вскрытии влияет на локализацию и мощность ледовых заторов.

Важный фактор заторообразования - состояние собственно ледяного покрова перед вскрытием реки. Измерения толщины льда на водомерных постах в Томске проводились эпизодически с 1926 г., а регулярно — с 1949 г. С 1926 по 1963 г. толщина льда измерялась на водомерном посту Томск-пристань, с 1964 г. по настоящее время — на посту Томск-гидроствор. Среди заторов, возникавших с начала наблюдений за толщиной льда, можно выделить три случая возможного определяющего влияния этого фактора на возникновение затора. Всё это — случаи, когда толщина льда превышала 120 см (1930, 1932 и 1971 гг.).

Отметим, что толщина льда измеряется непосредственно в створе гидрологического поста, од-

нако такие измерения (особенно на посту Томск-гидроствор, где русло заужено и зимой наблюдаются высокие скорости течения) не всегда адекватно и полностью характеризуют ледовую обстановку на участке реки большой протяжённости, где могут быть и торосы, и шуга подо льдом. Так, промеры толщины льда с участием авторов в 2006 г. показали среднюю толщину льда на р. Томь в районе поста Томск-пристань 94 см, а на посту Томск-гидроствор — 69 см. Согласно промерам 2010 г., средняя толщина льда на участке от коммунального моста на 2 км вниз по течению составила 114 см (на посту Томск-гидроствор — 72 см), при этом местами русло было забито шугой и битым льдом до самого дна.

Из геоморфологических факторов для р. Томь характерно резкое уменьшение уклонов речной долины при переходе из слабовсхолмлённой части бассейна в равнинную непосредственно в черте города Томска. В результате изменения рельефа резко сни

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком