УДК 556.536(282.247.444.63)
Изоляция русла от поймы на р. Нижняя Кура и ее последствия
Р. Н. Махмудов*, В. А. Алиев**, С. Г. Абдурагимов***
Анализируется угроза наводнений в условиях изоляции русла от поймы на р. Нижняя Кура. Наряду с большой извилистостью русла, обусловливающей турбулентный характер потока, большая концентрация влекомых наносов, малый уклон русла, аллювиальный характер подстилающего грунта русла и береговых дамб формируют предпосылки для интенсивной вертикальной и горизонтальной динамики русла.
Ключевые слова: русло, пойма, наводнение, р. Кура, меандрирование, наносы, турбулентность, динамика русла.
Введение
Речные наводнения представляют большую опасность для населения и хозяйственной инфраструктуры территорий, расположенных в районе затопления [4]. Ущерб, нанесенный экономике Азербайджана только от весенних наводнений 2010 г., по приблизительным подсчетам составил свыше 500 млн. евро [15].
В последние годы проблеме наводнений на р. Кура было посвящено много работ. Однако нет сведений о геоморфологических, пойменно-рус-ловых, эрозийно-аккумулятивных и антропогенных факторах, обусловливающих большой ущерб от наводнений.
В ранее опубликованных работах авторы статьи анализировали возможность управления рисками наводнений в связи с вероятностью разрушения дамб [13], исследовали негативную роль грунтовых вод [12], рельефа и почвы в эрозийно-аккумулятивных процессах [3], приводили расчет русла в меандрах [1, 2], рассматривали вопросы математического моделирования [14]. Данное сообщение посвящено анализу последствий отделения рус ла от по й мы на р. Ниж няя Кура на при ме ре фи зи ко-меха ни чес ких про-цес сов в пото ке жид кос ти в ис ку сствен но сжатом рус ле.
Кура — главная водная артерия Южного Кавказ а. Общая длина реки составляет 1515 км, площадь бассейна — 188 000 км2. Следует отметить, что 52 900 км2 площади всей территории Азербайджана (61%) входит в бассейн р. Кура; 83% производимой в стране сельскохозяйственной про-
* Научно-исследовательский гидрометеорологический институт Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана.
** Техническая служба АМИРЛТД, Азербайджан; e-mail: amir_mmc@yahoo.com.
*** Национальное аэрокосмическое агентство Азербайджана.
дукции приходится на долю предприятий, расположенных на указанной территории [6]. Поэтому устойчивое развитие экономики Азербайджана в значительной степени зависит от стабильности гидрологического режима бассейна этой реки.
Рассмотрим морфометрические параметры р. Нижняя Кура. После Мингечаурской плотины Кура выходит на равнину, и в научной литературе данный участок реки называет ся Ниж няя Кура. По ни же ние русла Нижней Куры на каждый километр составляет всего 7 см (т. е. уклон 0,07%о). Скорость потока на этом учас тке реки в за ви си мос ти от се зо на варь и рует ся в пред е лах 0,6—1,0 м/с. Нижняя Кура, протяженность которой 630 км, протекает по аллювиальным отложениям [8], что является причиной ее большой извилистости (>2,5).
Динамика жидкости в меандрах и формирование русла р. Кура
Радиусы кривизны русла г и ширина В р. Нижняя Кура превышают глубину русла Н (г >> Н; В >> Н), поэтому при решении уравнений математического и гидравлического моделирования в расчетах поперечного сечения русла члены Н2/г2 и И2/В2 не учитываются [1].
Как отмечено выше, в низовьях Куры коэффициент меандрирования очень большой. Большая излучина, где расположен г. Сальяны, представляет собой самую опасную зону (рисунок) с точки зрения возникновения чрезвычайных ситуаций. Эта территория является местом плотного проживания населения и интенсивного земледелия. В связи с этим особое вни ма ние спе ци алис ты уде ляют гид роло ги чес кому ре жи му на дан ном учас тке реки.
Рассмотрим схему гидрологического режима в излучине р. Нижняя Кура. В районе сечения № 152 русло имеет почти прямолинейный характер, поперечное сечение русла симметрично, а глубина по всей ширине реки приблизительно одинаковая. Пройдя сечение № 152, поток входит в излучину. Расчеты проводились для сечения № 154, характерного для этого учас тка реки. Полу че ны формулы за ви си мос ти глуби ны Н от ради у са кривизны г
— для внешнего берега:
Н = Итах - 0,1059(г0 - г) + 0,000491(г0 - г)2 - 0,000001083(п - г)3 +..., (1)
— для внутреннего берега:
Н = йтах - 0,35(г - Г0) - 0,0225(г - п>)2 + 0,000625(г - п>)3 +..., (2)
где г0 — радиус кривизны, соответствующий самой глубокой (йтах) части се че ния рус ла.
Для сечения № 154 с учетом влияния сил инерции на поперечную составляющую скорости потока, решив уравнения турбулентного движения и принимая во внимание незначительность глубины русла относительно ширины и радиуса излучины, получили выражения для расчета поперечного уклона свободной поверхности жидкости: — для внешнего берега:
2
/ = V*
1,г
! + е 12нт* х
к2С2 г2 (г - хв)
для внутреннего берега:
2
V
_ ср
1г =
1+ Е , 12н1 хн
к2С2 г2(хи - г)
(3)
(4)
гд е vср — среднее значение продольной составляющей скорости; хви хн — расстояние от центра кривизны меандра до внутреннего берега (минимальный радиус) и наружного (максимальный радиус) соответственно; С — коэффициент Шези; к — постоянная Кармана.
При сравнении формул (3) и (4) видно, что поперечный уклон поверхности воды у внутреннего берега больше, чем у внешнего. Полученные уравнения для расчета поперечного уклона поверхности воды свидетельствуют о несимметричном сечении русла, т. е. о протекании эрозийно-аккумулятивных процессов в зависимости от направления турбулентного по-то ка.
Хотя Нижняя Кура является равнинной рекой, формирование гидрологического режима ее притоков происходит в основном в высокогорных районах. Как было указано в [12], на этом участке реки за последние 30 лет наблюдается тенденция увеличения мутности потока с 500 до 4000 г/см3. В 1990—2010 гг. это увеличение было наибольшим. Тяжелые частицы грунта, оседая на дно русла, создают вертикальную динамику русла.
Повышенная мутность воды в реке оказывает влияние на гидравлические характеристики потока, расход донных наносов и форму русла [10]. Значительные показатели меандрирования русла, мутности и турбулентности потока в равнинной реке обусловливают высокую интенсивность процессов эрозии — аккумуляции и транспортировки донного материала, а также динамики потока [7, 9].
Вертикальная и горизонтальная динамика русла р. Нижняя Кура
По данным Ю. Ибад-заде [5], до 1960-х годов среднегодовое смещение дна русла Нижней Куры из-за оседания наносов составляло 6—10 мм. Аналогичные процессы наблюдались на реках Амударья, Сырдарья, Терек, Кубань, Или и др. Реки Амударья (смещение дна 13 мм), Сырдарья (14 мм) и Хуанхе (17 мм) имеют схожие с Нижней Курой морфометрические параметры. До 1960-х годов содержание в Нижней Куре влекомых наносов с
гранулометрическими характеристиками 0,01—0,05 мм составляло 50% всех фракций [11]. В последующие годы интенсивная вырубка лесов на водосборе привела к вымыванию грунта и транспортировке вниз по течению реки крупных фракций. В результате в 1960—1990-х годах среднегодовое смещение дна русла составило 14 мм, в 1990—2010-х годах — 30 мм, что указывает на двукратное увеличение седиментации. Из-за отсутствия поймы седиментация происходит только в русле, что связано с антропогенным фактором и предлагается к обсуждению.
Обсуждение
В настоящее время в основе физико-механических процессов, приводящих к возникновению наводнений на р. Кура, с морфометрической точки зрения отмечаются три основных момента.
Во-первых, как уже было отмечено, малый гидравлический уклон и большая концентрация взвешенных наносов вызывают подъем дна русла и, следовательно, изменение его морфометрических параметров по вертикали.
Во-вторых, наличие меандров и обусловленный ими турбулентный характер течения Нижней Куры усиливают эрозийно-аккумулятивные процессы. Как следствие, берегоукрепительные сооружения внешнего берега чаще и быстрее подвергаются разрушению, что приводит к изменению морфометрических параметров русла по горизонтали.
В-третьих, с целью расширения возделываемых под хлопчатник и виноградарство земель пойма Нижней Куры систематически оттеснялась, и в результате русло реки искусственно сужалось. Изоляция русла от поймы и ее ликвидация вызвали существенные изменения в кинематической структуре потока. Эти факторы и игнорирование возможных экологических последствий явились причиной весенних наводнений 2010 г. Постоянный риск наводнений и систематическое проведение берегоукрепительных работ привели к тому, что русло реки оказалось выше уровня долины.
В пе ри оды поло водья из бы точ ный сток воды, явля ющий ся при чи ной наводнений, можно определить следующим образом: = ^ - Г0, где ^ — речной сток в реальном промежутке времени; Г0 — сток воды в период межени. Если V — максимальная вместимость единицы длины русла с учетом высоты береговых дамб, то в единицу времени при > V наводнение будет неизбежным; условием отсутствия наводнения является < V. Поскольку пойма изолирована от русла, для увеличения вместимости русла необходимо либо его углублять, либо увеличить высоту береговых дамб. Русло Нижней Куры довольно широкое, поэтому его углубление представляет собой трудный и дорогостоящий комплекс работ. Наиболее целесообразным остается дальнейшее увеличение высоты береговых дамб и укреп ле ний.
Про цесс под ня тия дна рус ла вследствие ак кумуля ции дон но го мате ри ала продолжается непрерывно. Поэтому для защиты низменных территорий от наводнений соответствующие государственные структуры вынуждены систематически проводить берегоукрепительные мероприятия, наращивая высоту береговых дамб. При этом с целью снижения себестоимости проводи мых ра бот при ме ня ет ся ал лю ви аль ный грун то вой мате ри ал, в боль-
шой степени подвергающийся размыву, в результате чего из-за образования протеков уменьшается устойчивость берегов.
Таким образом, помимо гидрометеорологических условий, основной причиной катастрофических наводнений на территориях, где протекает Ниж няя Кура, яв ля ет ся изо ля ция пой мы от рус ла.
Литература
1. Абдурагимов С. Г.
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.