ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 2 апрель-июнь 2014
Научные сообщения
УДК 551.435.122
© 2014 г. Н.Б. БАРЫШНИКОВ, Е.С. СУББОТИНА
РОЛЬ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И МОРФОЛОГИИ ПОЙМ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ
Исследования на стыке различных направлений наиболее перспективны для получения научных достижений и практических результатов. Одними из них являются исследования в области геоморфологии русел и пойм и речной гидравлики, в частности, позволившие вскрыть механизм формирования пойм, отложения на них наносов и объективно оценить влияние пойм на русловые процессы. Все это также способствовало разработке методики расчетов пропускной способности речных русел при взаимодействии русловых и пойменных потоков [1, 2].
Морфометрические характеристики речных русел уже более 200 лет широко применяются в речной гидравлике. При расчетах средних скоростей и особенно максимальных расходов воды, используются такие характеристики русел как глубина, ширина, площадь поперечного сечения, гидравлический радиус и др., что позволяет получать их значения с достаточной для практики точностью.
Существенно сложнее расчеты максимальных расходов воды и средних скоростей пойменных потоков. Это в значительной степени обусловлено сложностью морфологического строения пойм и несовершенством учета их морфометрических характеристик. Если для русловых характеристик имеются однозначные плавные их зависимости от уровней воды, то для пойм эти зависимости, как правило, имеют сложный ступенчатый характер, особенно четко выраженный при свободном меандрировании. В частности, при прохождении весенних половодий и паводков с затоплением очередной пойменной гривы к пойменному потоку, как правило, присоединяется дополнительная ветвь потока, нередко значительной ширины. Ширина пойменного потока резко, часто скачкообразно увеличивается и, соответственно, уменьшается его средняя глубина.
Основные морфометрические характеристики, как правило, относят к гидроствору, а для расчетов характеристик русловых и особенно пойменных потоков большое значение также имеют морфология расчетного участка и его морфометрические характеристики. В качестве одной из них часто рассматривают угол а между геометрическими осями русла и поймы на расчетном участке, величина которого фактически соответствует величине угла между динамическими осями взаимодействующих русловых и пойменных потоков.
Величину этого угла определяют по крупномасштабным планам участка, расположенного ниже или выше расчетного гидроствора [3, 4]. Если определение направления геометрических и, соответственно, динамических осей русловых потоков не представляет трудности, так как оно соответствует направлению коренных берегов русел, то для пойм этот процесс несколько сложнее. Точность определения угла а зависит как от масштаба съемки, так и от сечения горизонталей на карте. Методика определения
PVUvlA/K
ПП ТПП Ш1
75
50
25
„V
4
L, км
угла а предложена рядом авторов [2, 5 и др.], однако нерешенным при этом остается ряд вопросов, в частности, какой должна быть длина расчетного участка и как определять величину угла а при двухсторонней пойме?
Следует отметить, что большая работа по определению морфометриче-ских характеристик русел и пойм была проделана в ГГИ под руководством И.В. Попова [6 и др.] и в МГУ под руководством Р.С. Чалова [7 и др.]. Наиболее детальный анализ гидроморфометрических зависимостей выполнен В.И. Антроповским [8]. Однако использование этих характеристик в расчетах параметров пойменных потоков затруднено. Таким образом, необходимо совершенствование и разработка новых морфометрических характеристик, особенно для расчетов пойменных потоков.
Также необходима разработка морфометри-ческих характеристик для участков русел с поймами
значительной протяженности. Актуальной проблемой является определение длины этого расчетного участка и особенно его морфометрических характеристик, определяющих параметры потоков в нем. В качестве такового может быть принят участок в пределах одной "четки". Понятие "четка" введено Н.И. Маккавеевым [9] и характеризует участок поймы значительной протяженности, на котором ее ширина сначала плавно увеличивается, а затем уменьшается. На рис. 1 приведены графики изменения ширины русла и поймы на протяжении 700-километрового участка р. Оки. По характеру этих изменений данный участок весьма напоминает "четку". В то же время в пределах этой "четки" происходят весьма значительные изменения значений углов а. Это положение можно проиллюстрировать графиком изменений углов а по длине р. Хилок (рис. 2). К сожалению, методика определения усредненного для расчетного участка значения этого угла а еще не разработана. По-видимому, для этого необходим совместный анализ результатов детальных планово-высотных съемок, включающий анализ аэрофото- и космических снимков, а также измерений параметров руслопой-менных потоков. При этом особое внимание необходимо обратить на определение осредненных значений этих углов в пределах отдельных пойменных массивов.
\ ЛЛ г г \) Y
к в,
Рис. 1. Изменения ширины русла и поймы по длине р. Оки Меандрирование: 1 - свободное, 2 - ограниченное; 3 - немеандрирую-щие русла; 4 - данные о типе руслового процесса отсутствуют
В качестве примера использования морфометрических характеристик для расчетов параметров русловых и пойменных потоков может быть приведена эмпирическая методика расчетов параметров русловых и пойменных потоков, основанная на графических зависимостях вида Ур/Урб. = /(кр/крб., а) для русловой составляющей пото-
бп I Еп ПЛ
ков и -= /-, — I -
6п + 6р \Рп +FV Ир/
для пойменных составляющих [1, 10 и др.]. В этих зависимостях определяющими являются глубины руслового потока как при расчетном уровне кр так и при уровне затопления бровки прируслового вала кр б, а также угол а. Для пойменного потока - площадей поперечных сечений руслового и пойменного Гп потоков, а также коэффициенты шероховатости русла ир и поймы ип. Значения расчетных характеристик, таких как средние глубины, скорости и расходы воды потоков, приведены в относительных величинах.
При этом важную роль играет еще одна морфометрическая характеристика - отметка бровки прируслового вала к б. Именно к этой отметке относят как параметры русловых и особенно пойменных потоков (средние скорости и др.), так и морфомет-рические характеристики: средние глубины речных русел, площади их поперечных сечений и др. Прирусловой вал - одна из важнейших морфологических особенностей пойм. Процесс его формирования обусловлен отложением наносов, особенно донных, при выходе русловых потоков на поймы.
Как показывает проведенный анализ, точность расчетов средних скоростей русловых потоков по этой методике, находится в прямой зависимости от точности определения величины угла а и, соответственно, от масштаба съемки и, что особенно важно, от особенностей морфологии расчетного участка, в частности, от сечения рельефа, отражаемого горизонталями. Последние на крупномасштабных планах и картах, как правило, проводятся через 0.25 или даже 0.2 м, а точность расчетов уровней, как известно, составляет ±1 см. Существенное влияние на точность расчетов также оказывает точность определения отметки бровки прируслового вала, тем более, что его высота изменяется по длине водотока.
В прирусловых валах могут образовываться различные понижения, как естественного, так и антропогенного происхождения, которые принято называть "прорвами". Особая роль при этом отводится растительности, так как прирусловые валы могут зарастать не только травянистой растительностью, но и деревьями различных пород высотой до нескольких и даже десятков метров.
Следует отметить, что выбор отметки бровки прируслового вала в качестве репер-ного значения позволил представить все расчетные (морфометрические и гидравлические) характеристики русловых составляющих потоков в относительных величинах. Для пойменных составляющих потоков использование этой характеристики вызывает значительные трудности, обусловленные особенностями морфологии пойм, и, в частности, их гривистым строением и динамикой их затопления, когда транзитные потоки на поймах наблюдаются при уровнях, значительно превышающих уровни затопления не только прорв, но и самих прирусловых валов.
Прирусловые валы, высота которых может достигать десяти и более метров, совместно с гривами, являющимися рудиментами прирусловых валов, определяют особенности морфологического строения пойм. Их роль, особенно заросших растительностью, не ограничивается только тем, что они могут служить реперами,
а А
Рис. 2. Изменения углов а (А) и относительной ширины поймы (Б) по длине р. Хилок у пос. Жипхеген
к которым относят все расчетные морфометрические характеристики русел и пойм и гидравлические характеристики потоков для представления их в относительных величинах, но они - основа морфологии пойм (особенно при меандрирующих типах русловых процессов), определяющей не только динамику, но и направление пойменных потоков. Прирусловые валы довольно часто разделяют руслопойменные потоки на две составляющие - русловую и пойменную. Тем самым значительно снижается воздействие эффекта взаимодействия потоков. В качестве примера можно привести р. Лугу в районе пос. Толмачево, где в 1977 г. наблюдалось близкое к 1% весеннее половодье (рис. 3).
Как видно на рисунке, даже при наивысшем уровне в 532 см четко прослеживаются два практически самостоятельных потока - русловой и пойменный, наибольшие скорости которых близки между собой. Между ними над прирусловым валом наблюдается как бы вспомогательный третий поток, с максимальным скоростям в два раза меньше, чем у основных.
Еще более важно использование особенностей морфологического строения пойм и морфометрических характеристик при расчетах максимальных расходов воды в руслах с поймами на основе данных о максимальных уровнях воды и морфометрических характеристиках русел и пойм на основе системы уравнений движения потока с переменным по длине расходом воды. Для иллюстрации этого положения рассмотрим уравнение для русловой составляющей потока в конечных разностях, представленное Д.
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.