Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Режим деформаций перекатов и его влияние на условия судоходства р. Северной Двины

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Режим деформаций перекатов и его влияние на условия судоходства р. Северной Двины"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи УДК506.535.6 (282.247.13)

МИХАЙЛОВА Надежда Михайловна

РЕЖИМ ДЕФОРМАЦИЙ ПЕРЕКАТОВ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ СУДОХОДСТВА р. СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

13 НАР 2014

МОСКВА-2014

005545967

005545967

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: ЧАЛОВ Роман Сергеевич

доктор географических наук, профессор кафедры гидрологии суши

Официальные оппоненты: БЕЛЯКОВ Алексей Алексеевич

доктор географических наук, зав. отделом ФГБНИУ Совет по изучению производительных сил (СОПС) Минэкономразвития России и РАН (г. Москва)

ПАНИН Андрей Валерьевич

кандидат географических наук, доцент кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Ведущая организация: Государственный университет морского и

речного флота имени адмирала С.О. Макарова (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 10 апреля 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А-8. Автореферат размещен на сайте географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru). Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять в адрес ученого секретаря совета.

Автореферат разослан 3 марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, /4/" ¿2

профессор (//1&&- Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Река Северная Двина является основной воднотранспортной магистралью севера Европейской территории России. До 90-х годов XX века судоходство на реке имело огромное транспортное, экономическое и рекреационное значение, осуществлялись крупномасштабные выправительные и дноуглубительные работы. В 90-е годы произошло резкое сокращение выполнения работ по обеспечению водного пути. Это поставило вопрос об оптимизации путевых мероприятий при минимальных экономических затратах и дноуглублении в ограниченных объемах. Решение этой проблемы представляется возможным на основе выявления пространственно-временных закономерностей переформирований мелководных перекатов и использования закономерностей при проектировании землечерпательных прорезей.

В связи со слабой устойчивостью русла Северной Двины, большим количеством наносов, а, следовательно, практически повсеместного развития сложных для судоходства перекатов (преимущественно в верхнем и среднем течении реки), перекаты стали предметом активного мониторинга к 50-м годам XX века. Накопленные материалы позволили дать научное обоснование метода воднотранспортного регулирования русел и трассирования прорезей. Обобщение итогов изучения перекатов было выполнено в научных работах Н.И. Маккавеева [1949, 1955].

В 50-е годы изучение руслового режима реки и условий формирования перекатов проводили ученые МГУ имени М.В. Ломоносова [Сахарова, 1960; Маккавеев и др., 1961; Чалов, 1963]. Эти исследования легли в основу проведения работ по регулированию русла (капитального землечерпания и выправления русла), которые изменили естественный режим переформирований русла, сезонный, а иногда и многолетний режим перекатов. При коренном улучшении условий судоходства вопросы, связанные с режимом перекатов, утратили свою значимость, и на протяжении последних десятилетий они почти не освещались в литературе по русловым процессам.

За время, прошедшее с начала снижения техногенной нагрузки на реку, произошло частичное восстановление (релаксация) естественных русловых процессов, хотя эффект работ по коренному улучшению условий судоходства, выполненных в 50-80-е годы XX века, на отдельных участках реки пока еще продолжает сказываться в режиме перекатов. Изменившиеся условия и практические задачи обусловили необходимость исследования перекатов, выдвинули проблему их режима как актуальную, позволяющую оптимизировать путевые работы. В настоящее время благодаря осуществляемым службой пути Северо-Двинского бассейна регулярным промерно-съемочным работам (мониторингу) появилась возможность изучить естественный режим деформаций перекатов за последние 10-15 лет, и использовать полученные результаты для обоснования приемов эксплуатационного землечерпания.

Защищаемые положения.

1. Морфология, многолетний и сезонный режим перекатов зависят от условий их формирования в русле с различным морфодинамическим типом. На слабоустойчивых участках перекаты образуют перекатные участки, группы перекатов и отдельные перекаты, различающиеся по морфологии и продольному профилю. Одиночные перекаты также отличаются друг от друга по форме продольного профиля, которая изменяется в течение гидрологического года вследствие вертикальных деформаций (размыв - аккумуляция).

2. Изменение динамических характеристик (скорость смещения гребней, побочней; объем гряды, высота гребня и т.п.) зависит от морфологии переката и его положения в русле. Для перекатов, формирующихся в сходных условиях, характерны идентичные схемы многолетних переформирований, их периодичность и темпы.

3. Сезонная динамика перекатов зависит от положения перекатов в русле. За период навигации гребни в плане могут перемещаться как трансгрессивно, так и регрессивно за счет процессов эрозии и аккумуляции наносов; скорости этих перемещений зависят от фазы водного режима реки.

4. Учет сезонного и многолетнего режима перекатов (изменения морфологии и динамики перекатов в разные фазы водного режима, стадия многолетних переформирований) позволяет планировать сроки и место проведения дноуглубительных работ, а также оптимизировать путевые работы в течение навигации.

Цель и задачи работы. Целью работы является выявление условий формирования перекатов Северной Двины, закономерностей сезонного и многолетнего режимов деформаций в естественных условиях и разработка рекомендаций по их учету при выполнении путевых мероприятий на реке.

Достижение этой цели связано с решением следующих задач:

• дать оценку условий формирования перекатов на участках реки с руслом разного морфодинамического типа;

• изучить особенности морфологии и динамики перекатов и на этой основе установить закономерности их сезонного и многолетнего режимов переформирований в зависимости от соответствующих изменений водности;

• выявить специфику механизмов деформаций перекатов в различных условиях их формирования;

• разработать морфодинамическую классификацию перекатов;

• разработать схемы переформирований перекатов каждого типа, позволяющие давать прогнозные оценки переформирований;

• разработать на основе учета сезонного и многолетнего режимов перекатов приемы оптимизации проведения дноуглубительных работ, трассирования прорезей и проведения других подобных мероприятий.

Методика исследований. Для оценки условий формирования перекатов Северной Двины на участках реки с разными морфодинамическими типами русла выполнен анализ переформирований русла за период с 1881 по 2010 гг. по сопоставленным лоцманским картам реки. Морфологические и динамические характеристики перекатов, их сезонный и многолетний режим, скорости

смещения в плане, изменения объемов и пр. определялись по совмещенным разновременным планам перекатов.

Для оценки оптимизации проведения дноуглубительных работ проведен анализ заносимости эксплуатационных прорезей путем расчета объема накопления наносов в прорезях на перекатах разных типов; количественные показатели аккумуляции и размыва перекатов в разные фазы водного режима.

Фактический материал. В качестве исходного материала были использованы: лоцманские карты, предоставленные Администрацией Северодвинского бассейна внутренних водных путей за период с 1881 по 2010 гг.; планы русла в изобатах с 1997 по 2009 гг. (в навигацию 2004 г. автор принимал участие в работах изыскательской партии Северной Двины и составлении планов русла, внедрении автоматизированной системы обработки материалов промерных работ); данные о ежедневных уровнях воды за эти же годы и о среднемноголетних расходах воды с 1880 по 2009 гг., отчеты о выполненных дноуглубительных работах за навигации 1997 - 2009 гг.; а также материалы натурных исследований Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева в 2000-е годы, в которых автор принимал участие.

Научная новизна. Впервые проведен анализ режима деформаций перекатов в их естественном состоянии после резкого сокращения или полного прекращения дноуглубительных работ на реке. Установлены закономерности сезонного режима перекатов на фоне многолетних деформаций форм руслового рельефа. Впервые разработана концепция оптимизации дноуглубительных работ на основе закономерностей многолетнего и сезонного режима перекатов в условиях восстановления естественного режима русловых деформаций.

Практическая значимость результатов работы. Учет многолетнего режима деформаций перекатов позволяет прогнозировать размыв или аккумуляцию наносов на перекатах, формирование осередков, рост побочней и их трансформацию на ближайшие несколько лет, а, следовательно, определить оптимальное положение дноуглубительных прорезей с минимальными объемами извлечения грунта. Учет сезонной динамики (вертикальных деформаций и

смещений гребней, изменение объемов размыва/намыва) перекатов с разной морфологией позволяет определить сроки проведения дноуглубительных работ.

Результаты диссертационной работы использовались НИЛ эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева географического факультета МГУ при исследовании русловых процессов и обосновании мероприятий по улучшению судоходства на реках бассейна Северной Двины, а также в методическом плане -при выполнении работ по государственной программе «Обоснование объемов дноуглубления на внутренних водных путях Сибири и Дальнего Востока. Река Обь».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XVIII (Курск, 2003), и XXII (Новочеркасск, 2007) пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов; международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых (Киев, 2007 г.); научно-практической конференции «Водные пути и русловые процессы» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (2007), научно-практической конференции «Современные методы эксплуатации внутренних водных путей Российской федерации» (Нижний Новгород, 2013).

Публикации. По теме диссертации имеется 11 публикаций, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 3 раздела в коллективной монографии, 7 статей в прочих сборниках и тезисы докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 215 страниц, содержит 15 таблиц и 72 рисунка. Список литературы включает 116 наименований, в том числе 9 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризована ее научная новизна и практическая значимость, даны сведения о методике и исходных материалах, использованных в работе, сформулирован предмет защиты.

Глава 1. Перекаты как составная часть морфологии речных русел и история их исследований на Северной Двине

Перекаты представляют собой крупные скопления наносов в виде вала, пересекающего русло от одного берега до другого и создающего мелководные участки на реке [Маккавеев, 1955]. Перекат может быть образован одной грядой -макроформой типа А (по Н.И. Алексеевскому [1998]), либо представлять собой несколько гряд типа Б, совокупность которых создает вал наносов. По длине реки перекаты обычно располагаются неравномерно - группами (перекатные участки) или в виде отдельных форм. Наиболее повышенные прибрежные части переката, обсыхающие обычно в межень, являются побочнями, находящиеся посередине русла - осередками. Между побочнями находится седловина переката, по которой осуществляется сток воды в меженный период, когда побочни и осередки возвышаются над уровнем воды.

Количество перекатов зависит от устойчивости русла, его извилистости и разветвленности, водности рукавов, условий прохождения руслоформирующих расходов воды. В рукавах с повышенной относительной водностью количество перекатов уменьшается; там, где преобладают сложные разветвления, в русле наблюдается наибольшее количество перекатов, которые составляют наиболее протяженные перекатные участки.

Изучение морфологии, режима переформирований и гидравлики потока на перекатах проводили Н.И. Маккавеев, А.И. Лосиевский, И.Ф. Попков, К.В. Гришанин, В.В. Дегтярев, P.C. Чалов, А.Н. Бутаков, Г.Л. Гладков, K.M. Беркович. Исследования русловых процессов и перекатов на Северной Двине начинались еще во второй половине XVIII века, когда появилось первое изображение русла реки на планах Генерального межевания. В 50-е годы XIX века был издан первый подробный атлас Северной Двины; с этого времени на реке стали проводиться регулярные промерно-съемочные работы на затруднительных для судоходства перекатах. В первой половине XX века на реке была создана планово-высотная опорная сеть (1910 г.) и определен проектный горизонт на перекатах (с 1916 г.). Созданное Северное бассейновое управление

пути (1937 г.) организовало регулярные съемки русла силами 19 изыскательских партий, осуществлявших по существу мониторинг состояния русла.

Существенный вклад в изучение русловых процессов р. Северной Двины внесли исследования в 1957-1960 гг. экспедиции географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова под руководством Н.И. Маккавеева. Благодаря им, а также обобщениям, выполненным специалистами-путейцами (В.В. Петровский, A.C. Вильперт и др.), была дана общая характеристика условий формирования русла, его морфологии, влияния на русловые процессы поймы, был сделан анализ многолетних переформирований русла и перекатов, разработаны принципы и методы проектирования мероприятий по регулированию русловых процессов для коренного улучшения условий судоходства и трассирования прорезей.

Впоследствии изучением русловых процессов и режима переформирований перекатных участков Северной Двины занимались P.C. Чалов, A.C. Завадский, С.Н. Рулева, С.Р. Чалов, автор диссертации (их исследования отражены в монографии «Русловые процессы и водные пути на реках бассейна Северной Двины» [2012]), а также китайский ученый Лю Шугуан.

Глава 2. Судоходная обстановка на реке и ее связь с перекатами

История развития водных путей на Северной Двине начинается со времен Петра I, который в Архангельске основал кораблестроительную верфь, тогда же возникла верфь в Вавчуге. В середине XIX в. было создано «Северо-Двинское пароходное общество». К 70-м годам XX века судоходство на Северной Двине достигло пика своего развития. Это определило необходимость реконструкции водного пути, развития дноуглубительных работ, разработки прорезей на перекатах. Однако в 80-е годы XX в. судоходство на Северной Двине, как и на всех реках России, стало сокращаться, произошло ухудшение судоходных условий из-за сокращения дноуглубительных работ.

Малые глубины и сезонный режим перекатов осложняли судоходство уже в XVIII веке. С появлением пароходов на реке возникла необходимость в обеспечении требуемых для движения судов глубин. В течение многих десятков лет на Северной Двине проводился полный комплекс мероприятий по

поддержанию судоходных глубин (различные виды дноуглубительных и выправительных работ). В результате этого к концу 60-х годов XX в. была создана относительно устойчивая (для условий Северной Двины) трасса судового хода с гарантированной глубиной на перекатах 1,7 м. В 90-е годы XX века произошло резкое сокращение, а в отдельные годы - прекращение дноуглубительных работ, и естественный режим перекатов постепенно начал восстанавливаться, а характеристики русла стали возвращаться в исходное состояние, гарантированные глубины уменьшились до 1,3-1,5 м. В настоящее время проведение регулярных дноуглубительных работ на всех перекатах, лимитирующих судоходство, невозможно; поэтому встал вопрос об их оптимизации на основе учета многолетнего и сезонного режимов перекатов.

Глава 3. Условия формирования русла и перекатов

Северная Двина образуется от слияния рек Сухоны и Юга. В работе рассматривается участок от слияния с Вычегдой - основной водный путь в бассейне. Среднегодовой расход воды £>ср в среднем течении (г.п. Абрамково) -1930 м3/с, наибольший - 19700 м3/с, наименьший - 65 м3/с. В нижнем течении (г.п. Звоз) <2сР = 2570 м3/с, после слияния с Пинегой (устьевая область) - 3490 м3/с.

Половодье (60 % стока воды) на реке проходит в виде двух пиков (первый создается водами Сухоны и Юга, второй - Вычегды). Летне-осенняя межень в маловодные годы низкая и устойчивая, в многоводные годы прерывается дождевыми паводками, обычно продолжительными, хотя и невысокими.

Общий сток наносов - 2,03 (г.п. Абрамково) и 2,38 (г.п. Звоз) млн. тонн. Из них на влекомые наносы приходится, соответственно, 35,0 и 25,6 % (0,71 и 0,61 млн. тонн). Сток наносов неравномерно распределен в пределах гидрологического года. На долю меженного периода приходится до 21 % годового стока наносов.

Руслообразующие наносы представлены средне- и крупнозернистыми песками с примесью гравийных частиц и гальки (до 20-30%).

Русло слабоустойчивое (число Лохтина Л=3,5), устойчивость повышается там, где берега сложены трудноразмываемыми мореной, мергелями, доломитами и известняками. Геолого-геоморфологическое строение бассейна р. Северной

Двины обусловливает в верхнем и среднем течении свободные условия развития русловых деформаций, песчаный состав поступающих в реку наносов, наличие их мощных местных источников (например, размыв песчаной Толоконной горы).

Благодаря строению долины Северной Двины происходит сначала последовательная смена вниз по течению широкопойменного русла (ширина поймы до 12 км) врезанным, а затем чередование широкопойменного, адаптированного и врезанного русла. При этом оно является разветвленным почти на всем протяжении среднего течения (устье Вычегды - устье Ваги). Широкопойменное разветвленное русло сопровождается пойменной многорукавностью. Все среднее течение реки изобилует перекатами, образующими сплошную цепь перекатных участков. В нижнем течении Северной Двины русло формируется в ледниковых и водноледниковых отложениях при близком залегании скальных известняков и гипсовых отложений. Здесь преобладает врезанное русло (50-60%). На бортах долины развит карст, перекаты встречаются редко, лишь там, где понижается устойчивость русла.

Глава 4. Морфология и динамика русла Северной Двины

На Северной Двине встречаются все разновидности разветвленного русла: в среднем течении параллельно-рукавные разветвления составляют 32% длины участка, одиночные и односторонние разветвления — 18 и 17%, соответственно, пойменно-русловые - 5%, прочие - 3%. Излучины широкопойменного русла развиты всего на 8% длины, врезанные излучины - 3%. В нижнем течении распространены врезанные излучины и врезанное прямолинейное русло.

Оценка интенсивности переформирований русла Северной Двины проведена по лоцманским картам за период с 1881 по 2004 гг. За последние 120 лет наиболее сильные переформирования русла наблюдались в разветвлениях русла на рукава, на излучинах разветвлено-извилистого русла в среднем течении реки и в узлах слияния Северной Двины с Вычегдой, Северной Двины с Вагой.

Вследствие слабой устойчивости широкопойменного русла размывы островов происходят со скоростью до 25 м/год при средней величине 10-20 м/год, а переформирования русла в узлах разветвлений (попеременное развитие рукавов)

происходит с периодичностью 15-20 лет; в русле формируются перекатные участки со сложным режимом переформирований.

Наибольших изменений претерпело русло в районе г. Красноборска, где к концу XIX в. стала активно развиваться протока вдоль левого коренного берега, спрямившая русло в начале XX в., сократив его длину на 10 км.

Для разветвленного русла характерным является размыв берегов и оголовков островов, рост их ухвостий и т.п. В настоящее время наибольший размыв берега (со скоростью 14 м/год) происходит у Толоконной горы - уступа 28 метровой террасы, образующей вогнутый берег вписанной излучины.

Одним из последних крупных переформирований на реке стали переформирования рукавов Ботовской излучины с островами, составляющими ее шпору, здесь за два года (2009-2010 гг.) судовой ход из левого рукава был перемещен сначала в средний, а затем в правый рукав.

Происходящие многолетние переформирования русла определили положение, тип и режим перекатов в современном русле.

Глава 5. Перекаты Северной Двины и их динамика

Условия и причины формирования перекатов

По длине реки перекаты распространены неравномерно: наибольшее их количество приурочено к среднему течению реки между устьями Вычегды и Ваги, где русло преимущественно широкопойменное, берега сложены легкоразмываемыми песчаными аллювиально-дельтовыми отложениями. Количество перекатов тем больше, чем больше общая ширина русла.

Формирование и режим перекатов зависит от морфометрических характеристик русла, его морфодинамического типа, устойчивости берегов к размыву, местных источников поступления наносов, расположения перекатов друг относительно друга и т.п. В общей форме они располагаются там, где происходит снижение транспортирующей способности потока: 1) при растекании потока половодья по широкой пойме и отвлечении значительной части стока воды в пойменные протоки (полой), вызывающего резкое изменение удельной величины руслоформирующего расхода, проходящего при затоплении поймы

2) благодаря несовпадению направления потока половодья, затапливающего широкую пойму, с направлением руслового потока; 3) перед сужениями пойменной части долины в период половодья, обусловливающими подпор потока на вышележащем участке и аккумуляцию здесь наносов; 4) при изменении направления долины или ее изгибах, создающих условия, при которых наносы перемещается от одного берега к другому [Маккавеев, 1955]; 5) благодаря интенсивному размыву берегов, сложенных рыхлым песчаным материалом, являющимся местным источником поступления наносов; 6) в разветвлениях русла, вызывающих рассредоточение стока воды по рукавам; 7) вследствие изменения структуры потока на излучинах русла, обусловливающей чередование зон эрозии и аккумуляции, причем берега в зонах ускорения течения служат местным источником поступления наносов; 8) ниже отклонения потока от коренного берега и, как правило, в местных расширениях русла («внутренние бары», по Н.И. Маккавееву).

Часто на формирование перекатов влияют одновременно несколько перечисленных условий. Будучи связанными с формой долины, русла и другими внешними причинами, перекаты приурочены к определенным местам в русле. Они могут располагаться у выступов коренных берегов на относительно прямолинейных участках русла; в вершинах, верхних и нижних крыльях излучин; при разделении или слиянии рукавов и в пределах самих рукавов. Независимо от морфодинамического типа русла режим перекатов во многом определяется либо перемещением (перевалом) потока от одного берега реки к другому, в этом случае перекаты располагаются на отрыве потока от ведущего берега или на подходе к ведущему берегу. Если поток сохраняет положение вдоль ведущего берега, перекаты следуют друг за другом, побочни располагаются в шахматном порядке.

Морфология и группировки перекатов

На Северной Двине перекаты образуют перекатные участки, разделенные протяженными плесовыми участками и группы перекатов, в пределах которых они разделены между собой короткими и неглубокими плесовыми лощинами, и отдельными перекатами.

Выделяются группы перекатов трех разновидностей: 1 - с выпуклым профилем, 2-е вогнутым профилем, 3-е профилем, близким к профилю типичного одиночного переката (рис. 1). Образование группы каждой разновидности определяется морфодинамическим типом русла и мощностью аллювиальных отложений, и другими условиями.

расстояние от устья по судовому ходу, к

расстояние от устья по судовому ходу, к

* 3

15

3 У22 373

Рис. 1. Группы перекатов (А, Б, В) и формы продольных профилей перекатов (Г, Д, Е) на Северной Двине. А - группа перекатов, имеющая выпуклую форму (перекаты а - Нюма, б -Тулгасский, в - Тулгасские гряды, г - Шидровский, д - Кургоменский); Б - группа перекатов, имеющая вогнутую форму (а - Верхний Коптельский, 6 - Нижний Коптельский, в - Верхний Ягрышский, г - Средний Ягрышский, д - Нижний Ягрышский, е - Волонковский); В - группа перекатов, имеющая профиль типичного переката (а - Березницкий, б - Верхний Борисовский, в - Нижний Борисовский); Г - нормальный перекат; Д - обратный перекат; Е - симметричный

перекат

Выпуклая форма профиля первой группы перекатов имеет вид трапеции, верхнее основание которой осложнено следующими друг за другом перекатами, разделенными между собой неглубокими плесовыми лощинами. На Северной Двине эта группа перекатов встречается наиболее часто, обычно ее границы совпадают с границами перекатных участков, хотя они могут быть и частью последних. Они приурочены к параллельно-рукавным, сопряженным и многорукавным односторонним разветвлениям. Эта группа перекатов представляет наибольшие затруднения для судоходства.

Вторая группа перекатов - с вогнутой формой профиля - сверху и снизу ограничивается крупными мелководными перекатами, в средней части группы высота перекатов уменьшается, а глубины на их гребнях увеличиваются.

Плесовые лощины между отдельными перекатами более глубокие, особенно в средней части группы. Плесы между группами в пределах перекатных участков существенно меньше глубин плесовых участков. Эта группа развита в относительно прямолинейном русле, в основных рукавах односторонних и простых одиночных разветвлений, перед сужениями русла в пойменных берегах.

Для третьей группы перекатов с формой продольного профиля, напоминающей профиль типичного переката, характерно уменьшение глубины на гребнях перекатов вниз по течению. Перекаты, расположенные в верхней по течению части группы, разделены неглубокими плесовыми лощинами, но перед последним (нижним) в группе перекатом находится относительно глубокая плесовая лощина. Группы перекатов с асимметричным профилем приурочены к простым одиночным разветвлениям и излучинам русла, относительно прямолинейным участкам русла.

Перекаты на Северной Двине разделяются по форме продольного профиля на три типа: 1) нормальный, 2) обратный и 3) симметричный. Перекаты с нормальным профилем встречаются наиболее часто (83% всех перекатов). Перекаты других типов встречаются преимущественно в первой и второй группах перекатов. Перекаты с обратной формой, как правило, приурочены к нижним частям первой и второй групп. Симметричные перекаты, контур профиля которых вписывается в равнобедренный треугольник, обычно находятся в центральной части второй (вогнутой) группы перекатов.

Перекаты, наиболее затруднительные для судоходства, как правило, имеют нормальный или обратный профиль. При этом переход от одной формы отдельных перекатов к другой - процесс периодический, с повторяемостью один раз в 2-3 года. Перекаты обратной и симметричной формы являются результатом сезонных или многолетних ее трансформаций. Наиболее мелким местом на перекате является его гребень и подвалье. Поэтому в современных лоциях внутренних водных путей этим элементам переката уделяется особое внимание. Можно выделить шесть разновидностей перекатов Северной Двины по форме их гребня и распределения течений в меженный период: 1) перекаты, имеющие в

плане ровный гребень и ровное подвалье, формируются на отрыве потока от ведущего берега; 2) перекаты с гребнем выпуклой в плане формы (при подходе потока к ведущему берегу, в рукавах разветвлений), формирующиеся в условиях активного перемещения наносов через седловину переката, очень неустойчивые, создающие для судоходства самые неблагоприятные условия; 3) перекаты с гребнем вогнутой формы (в узлах разветвления рукавов - на отрыве потока от ведущего берега). Для них характерно постоянное в сезонном плане положение стесненного побочнями корыта. Сосредоточение потока в узкой полосе вызывает регрессивный размыв гребня переката и отступление гребня вверх по течению. Перекаты этого типа неблагоприятны для судоходства; 4) при наличии в русле реки осередков или островов ниже по течению перекаты имеют два гребня, находящиеся в 300-500 м друг от друга. Верхний гребень, как правило, образуется косой от ухвостья острова или осередка; нижний - от побочня, примыкающего к берегу. Такие перекаты быстро изменяются: обычно нижний гребень мелеет или размывается, верхний - смещается вниз по течению; 5) перекаты с гребнем синусоидальной формы располагаются в рукавах крупных разветвлений при несовпадении потоков половодья и межени; 6) перекаты с развитой затонской частью, приуроченные к слияниям рукавов и расположенные при подходе потока к ведущему берегу.

Горизонтальные деформации перекатов

Режим перекатов заключается в изменениях их состояния и положения как в течение года (сезонные деформации), так и за многолетний период, происходящих как следствие колебаний водности, стока наносов, изменений гидравлических характеристик и структуры потока. Многолетние деформации перекатов определяются условиями их формирования, морфодинамическим типом русла, имеют в зависимости от них сходные динамические характеристики и схемы переформирования, что позволяет их классифицировать (таблица 1).

Многолетний режим перекатов заключается в смещении год от года перекатов и их побочней, удлинении кос, уменьшении глубин из-за аккумуляции наносов или частичном размыве, миграции корыта переката в пределах

Таблица 1. Классификация перекатов Северной Двины по многолетнему режиму деформаций в зависимости

от условий их формирования и морфологии

Положение перекатов в русле При разделении потока на рукава В рукавах разветвлений При слиянии рукавов

На перевале главного течения реки от одного берега к другому Главное течение вдоль ведущего берега При вторичных разветвлениях Возле ведущего берега На перевале главного течения реки от одного берега к другому Главное течение вдоль ведущего берега

На отрыве потока от ведущего берега При подходе потока к ведущему берегу На отрыве потока от ведущего берега При подходе потока к ведущему берегу

Морфология перекатов две гряды, в отдельные годы формируется осередок; гребень имеет вогнутую форму перекат -перекошенная гряда с развитой затонской частью две гряды, в отдельные годы формируется осередок; верхний гребень вогнутой формы, нижний -выпуклой перекаты -перекошенные гряды с гребнем ровной формы одна или две гряды с гребнем выпуклой формы перекаты -перекошенные гряды с гребнем вогнутой формы, в отдельные годы образуется осередок перекаты -перекошенные гряды с выпуклой формой гребня одна или две гряды с ровной, в отдельные годы вогнутой формой

Периодичность многолетних переформирований, годы 20-30 30-40 50-60 около 20 40-60 35-40 10-15 20-25

Скорость смещения гребней, м/год 30-50(верхняя 20-30 5-50 :Ш| 20-40 5-200 15-30 0-15 30-50

100-170

Многолетние переформирования Быстрое смещение вниз по течению и образование нового переката Чередование периодов обмеления и размыва гребня переката, связанное с надвижением гряде вышерасположенного участка Миграция корыта переката, обмеление или размыв переката Миграция корыта, отторжение побочней и образование осередков Чередование периодов стабилизации и интенсивных перемещений Отторжение части верхнего побочня, образование осередка, миграция корыта переката Стабильное положение в русле, эпизодические перемещения, миграция корыта переката Верхняя гряда более динамична, с периодичностью 20-25 лет формируется осередок

Примеры перекатов Верх. Усть-Курский Ср. Красно-борский Верх. Слудский Ср. Ягрышский Верх. Борисовский Кургоменский Ниж. Телеговский Ср. Слудский

Продолжение таблицы 1

Тип русла Извилистое русло (судоходный рукав) Относительно прямолинейное неразветвленное русло (рукав)

Положение перекатов в русле Верхние и нижние крылья излучин Вершины излучин Возле ведущего берега

Верхнее крыло. При подходе потока к ведущему берегу Нижнее крыло. Возле ведущего берега При наличии неровностей береговой линии При относительно выровненной береговой линии

в сужении в расширении

Морфология перекатов Перекат-перекошенная гряда с выпуклой формой гребня Перекат-перекошенная гряда с ровной формой гребня Перекат-перекошенная гряда Перекат-перекошенная гряда с выпуклой формой гребня Перекат-перекошенная гряда с гребнем выпуклой или ровной формы Две гряды с гребнем ровной формы, в отдельные годы происходит регрессивный размыв гребня

Периодичность многолетних переформирований, ГОДЫ 40-60 10-20 20-30 15-20 20-40

Скорость смещения гребней перекатов, м/год 10-20 100-150 15-20 5-200

Многолетние переформирования Миграция корыта переката, рост и размыв побочней, слабо меняющаяся глубина на перекате Быстрое смещение переката со скоростью до 150 м/год Относительно стабильное положение переката в русле, большая амплитуда изменения глубин на гребне переката за период многолетних переформирований (до 2 м) Рост и размыв наиболее развитого побочня Образование перекатных участков, миграция корыта переката, образование нескольких динамических осей потока, осередков

Примеры перекатов Ниж. Церковницкий Кабельный Толоконский Абрамковский Нечаевский | Саулинский

седловины, отторжении побочней и кос, образовании осередков и их причленении к побочням у противоположных берегов, чередовании периодов обмеления перекатов в результате надвижения на них гряд с вышерасположенных участков и углублении (размыва).

Скорости смещения перекатов в пределах прямолинейных неразветвленных и слабоизвилистых участков русла или в рукавах составляют от 20-30 до 200 м/год в зависимости от устойчивости русла, морфодинамического типа русла и водности рукавов. В относительно прямолинейном русле они наиболее значительны. Перекат, сформировавшийся в начале участка, быстро смещается вниз по течению в конец участка, где изменяются гидравлические характеристики потока, размывается или надвигается на относительно стабильный перекат. Одновременно в начале участка формируется новый перекат.

Перекаты в узлах разветвления русла, как правило, сложные, состоят из нескольких гряд. Деформации этих перекатов заключаются в попеременном разрастании или частичном размыве побочней, их надвижении на заход то в один, то в другой рукав разветвления, нередко с образованием осередков. В пределах разветвлений относительно стабильными в плане являются перекаты в узлах слияния рукавов, расположенные на подходе потока к ведущему берегу. Они представляют собой гряды с выпуклой формой гребня, отличаются наименьшей периодичностью переформирований. Более динамичны перекаты, расположенные при разделении потока на рукава на его отрыве от ведущего берега, гребень которых имеет вогнутую форму. Самые продолжительные периоды переформирований характерны для перекатов, расположенных вдоль ведущего берега (при слиянии рукавов и в рукавах разветвлений).

Длительность циклов и характер переформирований перекатов зависит от их положения в русле и условий формирования. Смена периодов интенсивного смещения и относительной стабилизации связаны с чередованием периодов повышенной и пониженной водности реки в целом и рукавов.

На излучинах русла и в извилистых рукавах разветвлений наибольшей подвижностью характеризуются перекаты в нижних крыльях, представляющие

собой перекошенные гряды с ровной формой гребня. Они же отличаются наименьшей периодичностью многолетних переформирований.

Многолетние переформирования перекатов, составляющих перекатные участки и группы перекатов, взаимосвязаны между собой. Надвижение одних перекатов на другие вызывают обмеление последних. Изменение морфологии одного переката сопровождается изменением морфологии другого, а, следовательно, и его многолетнего режима.

Сезонные деформации перекатов на Северной Двине проявляются в тех же формах, что и многолетние, но совершаются в течение коротких временных интервалов от вскрытия реки до ее замерзания в течение навигации. Считается, что перекаты в половодье намываются, в межень размываются, хотя эта схема имеет и более сложные проявления [Н.И. Маккавеев, Г.И. Шамов, P.C. Чалов]. Нередко для перекатов характерен обратный ход размывов/намывов, например, при сопряженном развитии перекатов и др.

Сезонная динамика перекатов заключается как в горизонтальных деформациях их гребней, так и в вертикальных (изменение высот гряд, объема перекатов - размыв/намыв). Горизонтальные деформации перекатов могут развиваться в поперечном направлении (по отношению к оси русла) и в продольном. Последние проявляются в смещении корыта переката от верхнего побочня к нижнему, иногда с образованием осередка, сужении (стеснении) корыта переката при его стабильном положении в плане и смещении верхнего побочня. Продольные деформации проявляются в двух формах: трансгрессивной, которая происходит на спаде половодья и в межень и заключается в накоплении наносов на крутом низовом откосе - подвалье, вследствие чего гребень смещается вниз по течению, и регрессивной, которая обычно наблюдается в половодье, когда происходит аккумуляция наносов на его верховом (напорном) пологом склоне в пределах седловины переката.

Характеристикой смещения гребней перекатов является скорость. Для большинства перекатов характерно снижение скорости смещения гребня от половодья к межени. При этом наряду с перекатами со скоростями смещения до

10 м/сут и более, существуют малоподвижные, гребни которых смещаются со скоростями менее 3 м/сут. В случаях, когда перекаты развиваются сопряженно, располагаясь один за другим на перекатных участках и в группах перекатов, скорости их смещения в зависимости от интенсивности изменения уровня воды имеют разные тенденции: если для верхнего переката скорости смещения в половодье растут, то у следующего ниже по течению — наоборот, уменьшаются.

Внутригодовое распределение скоростей смещения гребней зависит от интенсивности изменения уровня воды: от половодья к межени скорости трансгрессивного смещения уменьшаются, а в глубокую межень увеличиваются (на подходе потока к коренному берегу и в рукавах крупных разветвлений; в узлах разделения и слияния рукавов); при регрессивном смещении в плане -наоборот: растут в межень, снижаются в половодье (таблица 2).

Таблица 2. Скорости смещения гребней перекатов Северной Двины в различных

условиях формирования

Группы перекатов по основному условию формирования Смещение гребня

Средние скорости за многолетний период, м/сут на спаде половодья в межень

направление смещения скорость смещения, м/сут направление смещения скорость смещения, м/сут

Вдоль ведущего берега 0,5 -12 трансгрессивное 1-7 трансгрессивное 0,5 - 12

регрессивное 1,5-11 регрессивное ~ 8

На отрыве от ведущего берега 1-19 трансгрессивное 1,5-19 трансгрессивное 2-15

регрессивное 3 регрессивное ~ 2

Разветвленное русло 1-10 трансгрессивное 1-9 трансгрессивное ~ 8

регрессивное 1

На подходе к ведущему берегу 0,5-6 трансгрессивное 0,5-4 трансгрессивное 2-6

Сужение дна долины или русла в пойменных берегах 1-3 трансгрессивное 1-3 трансгрессивное 2

Относительно малой подвижностью отличаются перекаты, расположенные на подходе потока к высокому берегу и перед сужением русла в пойменных берегах (рис. 2), как следствие подпорных условий потока при их формировании. Скорости смещения гребней таких перекатов не превышают 6-7 м/сут. Наоборот, наибольшей подвижностью (скорости смещения - до 19 м/сут) отличаются перекаты, расположенные на отрыве от ведущего берега.

Интенсивность изменения уровня воды, см/сут

Рис. 2. Зависимость скорости смещения гребней перекатов от интенсивности изменения уровня воды при их расположении: А, Б - на отрыве потока от коренного берега; В, Г - на подходе потока к коренному берегу и в рукавах крупных разветвлений; Д, Е - в узлах разделения и слияния рукавов; 1 - трансгрессивное смещение гребней; 2 - регрессивное

смещение гребней

Вертикальные деформации перекатов

Вертикальные деформации перекатов проявляются, в первую очередь, в изменении высоты гряды, Аг вследствие размывов или аккумуляции наносов, которая изменяется в зависимости от глубины потока /г. Для Северной Двины характерна линейная связь высоты гряд с глубиной русла (рис. 3), изменяющейся при колебании уровней (что соответствует изменениям величины срезки уровней), т.е. ЬГ=/(ЛЬ) и дифференцируется по фазам водного режима: для половодья и паводков кТ=0,59ЛЬ-111, для межени Ь^0,9ЛН-128.

Высота гребней перекатов /гг изменяется примерно одинаково при разных значениях уровней. При одной и той же срезке высота гребня переката тем меньше, чем меньше глубина потока. С увеличением срезки, т.е. при повышении уровня воды, при одинаковой глубине русла высота гребня переката понижается.

Глубина потока на перекатах К находится в обратной связи с глубиной

Рис. 3. Влияние глубины потока h на высоту гряд hT перекатов Северной Двины при различных величинах срезки уровня: 1 - менее 0 см; 2 - от 0 до 30 см; 3 - от 30 до 60 см; 4 - от 65 до 100 см; 5-от 100 до 155 см; 6-от 155 до 210 см; 7- от 210 до 330 см; 8-от 330 до 400 см; 9-более 400 см. На врезке - схема соотношения высоты гряды hT и глубины потока в нижней плесовой лощине при наблюдаемом (рабочем) уровне РУ h, при проектном уровне ГТУ и

срезки Л h

русла в нижней плесовой лощине h: увеличение глубины на перекате при размыве его гребня сопровождается уменьшением глубины в плесовой лощине, и наоборот. Обратная связь хорошо выражена у перекатов с нормальным и симметричным продольным профилем. У перекатов с обратным продольным профилем эта связь проявляется только в половодье, в межень она имеет вид общей тенденции, что очевидно связано с интенсивным регрессивным размывом гребня переката.

При снижении уровней воды (на спаде половодья) происходят наиболее интенсивные изменения отметок дна на перекатах (намыв, размыв). На пике половодья скорости вертикальных деформации минимальны, что свидетельствует о преимущественном транзите наносов в русле.

Количественным показателем сопряженности процессов размыва/намыва на смежных перекатах служит изменение их объемов. Установлены обратные связи изменения объемов аккумуляции и размыва (увеличение объема верхнего переката - аккумуляция наносов сопровождается уменьшением объема нижнего -его размывом, и наоборот) (рис. 4, А-В) в зависимости от фазы водного режима и водности конкретного года (рис. 4, Г, Д). Зависимости изменения объемов перекатов с сопряженным развитием могут быть крутыми (Шидровский -

Кургоменский перекаты), и пологими (Троицкий - Лобановский перекаты), когда существенное увеличение объема верхнего переката (аккумуляция) приводит к незначительному уменьшению объема нижерасположенного переката, т.е. часть

материала проходит через него транзитом.

а

р I 800 ООО" = 1 1600 000 Н = 1 400000

С. Ж

if 1 200 0001" О

\

I 600 000 2 000 000

Объем Шнлровского переката, м3

■5 4 000 000 3S 3 500 000■ £ £ 3 000 000 2 500 000 ~ 2 000 000

2 3

1 500 000 2 1 300000-S I 100 000000 000700 000

! 500 000 2 500 000

Объём Ниж. Коптельского переката, м3

1 500 000 I 900 000

Объём Троицкого переката, м3

Январь Апрель Июль Октябрь

Январь Апрель Июль Октябрь

Рис. 4. Обратное соотношение объемов перекатов Северной Двины, развивающихся сопряженно: А - Шидровский-Кургоменский; Б - Ниж. Коптельский-Верх. Ягрышский; В -Троицкий-Лобановский; Г, Д - изменение объемов перекатов в половодье и в межень

На некоторых смежных перекатах Северной Двины отмечены прямые соотношения в сезонных изменениях объемов: их увеличение происходит как на верхнем перекате, так и на нижнем, т.е. наносы, поступающие на эти перекаты, распределяются по следующим друг за другом перекатам. Наоборот, уменьшение поступления наносов с вышерасположенных участков влечет за собой уменьшение объемов всех смежных перекатах (рис. 5).

X <5 2500000 X S 2 о.

{5 1600000 -о §

3. о. 1400000 -

г g в-

юплппп -

е-е 5 |

| Л500000

1200000 1500000 1800000 2100000 Объем гряды Ср. Ягрышского переката, м

Объем гряды Верх. Яфышского переката, м3

Рис. 5. Прямые соотношения объемов смежных перекатов на Северной Двине: А - Верх.и Ср. Ягрышского; Б - Ср. и Ниж. Ягрышского

Для перекатов, развивающихся автономно по отношению друг к другу,

такие соотношения отсутствуют.

Объемы размыва или аккумуляции наносов в годы с более пологим спадом половодья меньше, чем в годы с резким падением уровней. На спаде половодья интенсивность аккумуляции наносов и размыва переката тем больше, чем быстрее падает уровень воды. В межень объемы размыва и намыва на перекатах не зависят от колебаний уровня воды

Глава 6. Учет режима перекатов при проведении дноуглубительных работ в современных условиях

После проведения дноуглубительных работ на перекате происходит

постепенное восстановление его исходного состояния вследствие продолжающегося поступления наносов. Однако режим их накопления в судоходных прорезях различается для перекатов, имеющих разные условия формирования, морфологию и режим деформаций. Одни перекаты быстро восстанавливаются, другие сначала размываются и углубляются, обеспечивая улучшение судоходных условий, но затем к концу межени в них аккумулируются наносы. Например, увеличение скоростей смещения гребней перекатов, расположенных на отрыве от высокого берега на перевале потока, к середине спада половодья определяет увеличение транзита наносов на седловине переката и последующий размыв его гребня. Для перекатов, расположенных при разделении или слиянии рукавов, скорости смещения к концу межени уменьшаются, а, следовательно - увеличивается аккумуляция наносов.

Разная направленность процессов, происходящих в прорезях в течение навигации, позволила разделить перекаты Северной Двины на три класса:

1. Перекаты с постоянной аккумуляцией наносов в прорезях в течение всей навигации. Сюда относятся перекаты, которые формируются в условиях местного расширения русла в пойменных берегах, в излучинах, на отрыве потока от ведущего берега; как правило, это перекаты с нормальной формой профиля, имеющие две гряды; иногда на таких перекатах формируются осередки.

2. Перекаты, на которых накапливающийся объем наносов в прорезях практически не меняется в течение навигации. К ним относятся перекаты, расположенные в относительно прямолинейном русле у коренного берега, при

разделении или слиянии рукавов, где главное течение сохраняет свое положение вдоль ведущего берега. Большинство таких перекатов часто приобретают симметричную форму.

3. Перекаты, для которых характерен размыв в местах проведения дноуглубительных работ на спаде половодья и аккумуляция наносов в меженный период. Перекаты этой группы находятся в узлах разветвления или слияния рукавов на перевале главного течения от одного берега к другому. В основном они имеют обратную форму продольного профиля, на некоторых из них формируется осередок.

При правильном трассировании дноуглубительной прорези перекат, лимитирующий судоходство, в течение нескольких лет после разработки может не требовать землечерпания. Однако со временем он мелеет, глубина потока уменьшается, дноуглубительные работы возобновляются. Это объясняется периодичностью в развитии перекатов, связанной с многолетним режимом его переформирований (надвижением верхнего побочня, смещением корыта переката и т.д.).

Положение эксплуатационной прорези на перекате должно определяться как условиями формирования переката, его положением в русле и морфологией, так и сезонным режимом переформирований переката, его динамическими характеристиками (скоростями смещения гребня, миграции корыта и т.п.). Кроме общих сезонных деформаций перекатов, каждый тип перекатов различается по скорости смещения гребня в разных его частях, которые распределяются неравномерно и зависят от скорости течения и положения (одной или нескольких) динамических осей потока.

Правильный учет перечисленных условий и параметров позволяет прогнозировать наиболее выгодные сроки и место проведения дноуглубительных работ (трассу прорези), способствующее концентрации потока в прорези, обеспечению вдоль неё транзита наносов и дальнейшего саморазмыва. На перекатах одного типа целесообразно проводить дноуглубительные работы в половодье в нижнем положении, на перекатах другого типа - в глубокую межень.

На Северной Двине выделяются перекаты, которые в отдельные годы не требуют землечерпания. При правильном прогнозе смещения корыта таких перекатов достаточно варьировать судоходной обстановкой. Для перекатов, режим которых связан со смещением, ростом и размывом кос, побочней и осередков, в отдельные годы проведение дноуглубительных работ должно ускорять естественный процесс отторжения части верхнего побочня или причленения осередка к нижнему побочню и т.п., что в свою очередь меняет морфологию переката, а, следовательно, его режим. На некоторых перекатах проведения дноуглубительных работ один раз за навигацию недостаточно, однако возможно снижение объемов работ путем смещения сроков и места их проведения, исходя из сезонного режима таких перекатов.

Например, серьезные затруднения для судоходства часто создают перекаты, формирующиеся в узлах разветвления у оголовков островов и при слиянии рукавов, имеющие гребень вогнутой формы и располагающиеся на перевале потока от одного берега к другому. Прорези на таких перекатах обычно трассируют в центральной части или с некоторым смещением к нижнему побочню, так как положение корыта у перекатов этого типа относительно устойчиво. Аккумуляция наносов в прорези к межень начинается в верхней и средней частях прорези. Во многих случаях однократное проведение эксплуатационного землечерпания на таких перекатах недостаточно. При разработке прорези ближе к нижнему побочню (где происходит размыв гребня в межень) скорость аккумуляции наносов уменьшается, а, следовательно, сокращается объем работ при повторном дноуглублении.

Также важно учитывать сопряженность развития смежных перекатов, их размыв или аккумуляцию наносов на спаде половодья и в межень. Это дает возможность либо достаточно определенно установить сроки выполнения дноуглубительных работ или отказаться от разработки прорези и ограничиться варьированием обстановки.

Таким образом, учет сезонного и многолетнего режима перекатов влияет на сроки и место проведения дноуглубительных работ (трассы прорези). В

зависимости от положения переката в русле и условий его формирования меняется не только морфология переката и общие динамические характеристики, но и динамика отдельных частей переката, скорости смещения которых различны в разные фазы водного режима (спад половодья, межень, летний паводок и т.д.), их направленность и темпы зависят от типа переката и его положения в русле.

Учет сезонной динамики (вертикальных деформаций и смещений гребней) перекатов с разной морфологией позволяет определить место и сроки проведения дноуглубительных работ, варьировать их смещением (ближе к спаду половодья или к межени); знание многолетнего режима перекатов разного типа дает возможность планировать место и объемы проводимых работ.

Заключение

1. Установлены связи между морфологическими типами перекатов Северной Двины, формой их гребней и положением в русле, с одной стороны, и их многолетними деформациями, с другой. На основе этого разработана классификация перекатов по многолетнему режиму, опирающаяся на два основных признака: динамику и положение в русле. Установлено, что переформирования перекатов, формирующихся в сходных условиях, происходят идентично.

2. Определены принципиальные схемы и продолжительность циклов (периодичность) многолетних переформирований перекатов разного типа. Наиболее короткие циклы переформирований характерны для перекатов в относительно прямолинейном русле, формирующихся вдоль коренных берегов; наиболее продолжительные циклы имеют перекаты в верхних крыльях излучин и при разделении потока на рукава.

3. Впервые выявлена сезонная динамика перекатов разных типов с разными условиями формирования, заключающаяся в горизонтальных деформациях гребней, в зависимости от высоты гряд перекатов, глубины потока: определены особенности изменений объема перекатов при разной интенсивности колебаний уровней воды. Определены трансгрессивные и регрессивные смещения гребней перекатов в зависимости от интенсивности изменения уровня воды. Выявлены

перекаты с сопряженным развитием, для которых характерно либо размыв на одном перекате вследствие аккумуляции наносов на вышерасположенном и наоборот (взаимосвязанное распределение наносов), либо относительно равномерное распределение поступающих наносов. Установлена зависимость влияния глубины потока на высоту гряд, позволяющая определить высоту гряд перекатов при различной водности реки, а, следовательно, установить, в какие периоды навигации перекат будет лимитировать по глубине.

4. Обоснован учет сезонного и многолетнего режима перекатов (морфологических изменений, динамики, в том числе скоростей смещения частей гребней в разные фазы водного режима, их направленность и темпы в зависимости от типа переката, его положения в русле и условий формирования) при планировании сроков и места проведения дноуглубительных работ. Установлено, что учет сезонной динамики разных частей перекатов позволяет оптимизировать трассирование прорезей в течение навигации, т.е. прогнозировать возможное изменение глубины и сроки выполнения дноуглубительных работ и, в первом приближении, необходимые объемы прорезей.

5. Выявленные многолетние закономерности переформирований перекатов (смещение корыта перекатов от верхнего побочня к нижнему, образование на седловине осередка, периодическое развитие проток возле него) позволяет установить оптимальное положение прорези или варьировать плавучей и береговой обстановкой. Таким образом, учет многолетнего режима перекатов дает возможность планировать дноуглубительные работы, оценивать необходимость их проведения в отдельные годы.

6. Выделение групп перекатов и типизация самих перекатов по форме их продольных профилей, закономерности размыва-аккумуляции в прорезях на перекатах, отражают сезонный режим самих перекатов.

7. Учет сезонного режима перекатов позволяет трассировать прорези в направлении их естественного углубления, при этом можно свести к минимуму объем грунта, извлекаемого из прорезей за период навигации при дноуглубительных работах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В научных журналах, которые включены в перечень российских рецензируемых

научных изданий

1. Чалов P.C., Михайлова Н.М. О классификации перекатов равнинных рек // Геоморфология, №4,2010. С. 4 - 12.

2. Чалов P.C., Михайлова Н.М., Жмыхова Т.В.. Морфология, морфометрические характеристики и динамика побочней на Северной Двине // Вестник Московского университета. Серия 5. География, №6,2012. С. 54-60.

3. Михайлова И. М., Львовская Е. А. Количественная оценка сезонных переформирований перекатов (на примере Северной Двины) // География и природные ресурсы, № 3, 2013. С. 139-142.

Разделы в коллективной монографии:

4. А) Перекаты // Русловые процессы и водные пути на реках бассейна Северной Двины. М.: ООО «Журнал РТ», 2012. С. 227-256.

Б) Северная Двина от г. Котласа до устья Ваги // Русловые процессы и водные пути на реках бассейна Северной Двины. М.: ООО «Журнал РТ», 2012. С. 292 - 315. В) Северная Двина от устья Ваги до г. Архангельска // Русловые процессы и водные пути на реках бассейна Северной Двины. М.: ООО «Журнал РТ», 2012. С. 315 - 322.

Публикации в других журналах и сборниках:

5. Завадский A.C., Михайлова Н.М. Сопряженное развитие перекатов Северной Двины и способы оценки их переформирований // Восемнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Курск, 2003. С. 190-191.

6. Михайлова Н.М. Трансформация и сезонный режим перекатов Северной Двины, их влияние на условия судоходства // Эрозионные, русловые процессы и проблемы гидроэкологии. М.: Географический факультет МГУ, 2004. С. 145 - 152.

7. Михайлова Н.М. Оценка трансформаций дноуглубительных прорезей на перекатах Северной Двины // Общие и прикладные вопросы эрозионных и русловых процессов М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 173 - 181.

8. Михайлова Н.М. Учет особенностей морфологии перекатов при проведении дноуглубительных работ // Межвузовский сборник. Водные пути и русловые процессы. Санкт-Петербург, 2007, С. 105 - 114.

9. Михайлова Н.М. История развития судоходства на Северной Двине, проблемы 90-х годов и перспективы улучшения водных путей // Шевченковская весна. Материалы научно-практической конференции молодых ученых- Вып. V. К.: Логос, 2007. С. 220 - 223.

10. Михайлова Н.М. Морфология грядового рельефа Северной Двины // Двадцать второе межвузовское научно-координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Новочеркасск, 2007, С. 228 - 229.

11. Михайлова Н.М. Сезонный режим перекатов и его учет при планировании эксплуатационного землечерпания и трассирования прорезей (на примере Северной Двины) // Водные пути и русловые процессы: Сборник трудов. Вып. 1. - СПб.: ГУМРФ,

Формат 60x90/16. Заказ 1755. Тираж 150 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Михайлова, Надежда Михайловна, Москва

московским государственный университет

имени М.в. Ломоносова Географический факультет

На правах рукописи

04201456634

УДК 506.535.6(282.247.13)

МИХАЙЛОВА Надежда Михайловна

режим деформаций перекатов и его влияние на условия судоходства р. северной двины

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

ЧАЛОВ Роман Сергеевич

Москва 2014

Содержание

Ведение..............................................................................................4

Глава 1. Перекаты и их деформации как составная часть русловых процессов......9

1.1. Структура грядового рельефа русла и место перекатов в ней...............9

1.2. История-исследований морфологии и режима-перекатов. . . _

на Северной Двине.......................................................................19

Глава 2. Судоходная обстановка на реке и ее связь с перекатами.....................26

2.1. История развития судоходства...................................................26

2.2. Выправительные и дноуглубительные работы на Северной Двине......31

2.1. Современное состояние водных путей..........................................35

Глава 3. Условия формирования русла и перекатов.......................................39

3.1. Водный режим и многолетнее колебание водности

Северной Двины..........................................................................39

3.2. Сток и состав наносов..............................................................48

3.3. Геолого-геоморфологические условия формирования русла..............55

3.4. Руслоформирующие расходы воды Северной Двины.......................58

3.5. Устойчивость русла.................................................................61

Глава 4. Морфология и динамика русла Северной Двины..............................64

4.1. Морфодинамические типы и их распространение на реке.................64

4.2. Переформирования русла.........................................................76

Глава 5. Перекаты Северной Двины и их динамика....................................109

5.1. Распространение перекатов на Северной Двине............................109

5.2. Перекаты как фактор состояния водного пути..............................112

5.3. Условия формирования, морфология и динамика перекатов,

их типизация..............................................................................113

5.4. Многолетний режим перекатов................................................133

5.5. Сезонный режим перекатов......................................................159

Глава 6. Учет режима перекатов при проведении дноуглубительных

работ в современных условиях..............................................................179

6.1. Влияние дноуглубительных работ на динамику

и режим перекатов................................................................179

6.2. Состояние перекатов в условиях резкого сокращения

или прекращения дноуглубительных работ.................................180

6.3. Учет сезонного и многолетнего режима перекатов для оптимизации дноуглубительных работ.......................................183

Заключение.......................................................................................204

Список литературы.............................................................................206

Введение

Актуальность работы. Река Северная Двина является основной воднотранспортной магистралью севера Европейской территории России. До 90-х годов XX века судоходство на реке имело огромное транспортное, экономическое и рекреационное значение, осуществлялся мониторинг состояния реки и перекатов, крупномасштабные выправительные и дноуглубительные работы. В 90-е годы произошло резкое сокращение выполнения работ по обеспечению водного пути. Это поставило вопрос об оптимизации путевых мероприятий при минимальных экономических затратах и выполнении дноуглубительных работ в ограниченных объемах. Решение этой проблемы представляется возможным при условии хорошей изученности руслового режима реки, выявления пространственно-временных закономерностей переформирований мелководных перекатов, и использования их при проектировании землечерпательных прорезей.

В связи со слабой устойчивостью русла Северной Двины, большим количеством наносов, а, следовательно, практически повсеместного развития сложных для судоходства перекатов (преимущественно в верхнем и среднем течении реки), перекаты стали предметом активного изучения вплоть до 50-х годов XX века. К этому времени накопленные материалы позволили дать научное обоснование метода воднотранспортного регулирования русел и трассирования прорезей. Обобщение итогов многолетнего изучения перекатов было выполнено в научных работах Н.И. Маккавеева [1949, 1955].

В 50-е годы мониторинг руслового режима реки и условий формирования перекатов проводили ученые МГУ имени М.В. Ломоносова [Сахарова, 1960; Маккавеев и др., 1961; Чалов, 1963]. Эти исследования легли в основу проведения работ по регулированию русла (капитального землечерпания и выправления русла), которые изменили естественный режим переформирований русла и перекатов. При коренном улучшении условий судоходства вопросы, связанные с режимом перекатов, утратили свою значимость, и на протяжении последних десятилетий они почти не освещались в литературе по русловым процессам.

За время, прошедшее с начала снижения техногенной нагрузки на реку, произошло полное или частичное восстановление (релаксация) естественных

русловых процессов, хотя эффект работ по коренному улучшению условий судоходства, выполненных в 50-80-е годы XX века, на отдельных участках реки пока еще продолжает сказываться в режиме перекатов. Изменившиеся условия и практические задачи обусловили необходимость исследования перекатов, _ „выдвинули, проблему их режима как актуальную, позволяющую решить задачу оптимизации путевых работ. В настоящее время, благодаря осуществляемым службой пути Северо-Двинского бассейна регулярным промерно-съемочным работам (мониторингу), появилась возможность изучить естественный режим деформаций перекатов за последние 10-15 лет, и использовать полученные результаты этого исследования в решении вопроса оптимизации эксплуатационного землечерпания.

Защищаемые положения.

1. Морфология, многолетний и сезонный режим перекатов зависят от условий их формирования в различных морфодинамических типах русла. На слабоустойчивых участках русла перекаты образуют перекатные участки, группы перекатов и отдельные перекаты, различающиеся по морфологии и продольному профилю. Одиночные перекаты также отличаются друг от друга по форме продольного профиля, которая изменяется в течение гидрологического года вследствие вертикальных деформаций (размыв - аккумуляция).

2. Изменение динамических характеристик (скорости смещения гребней, побочней; измерение объема гряды, высоты гребня и.т.п.) зависит от морфологии переката и его положения в русле. Для перекатов, формирующихся в сходных условиях, характерны идентичные схемы многолетних переформирований, их периодичность и темпы. Они также имеют схожую морфологию.

3. Сезонная динамика перекатов зависит от положения перекатов в русле. За период навигации гребни в плане могут перемещаться как трансгрессивно, так и регрессивно за счет процессов эрозии и аккумуляции наносов; скорости этих перемещений зависят от интенсивности изменения уровня воды.

4. Учет сезонного и многолетнего режима перекатов (изменения морфологии и динамики перекатов в разные фазы водного режима, стадии многолетних переформирований) позволяет планировать сроки и место

проведения дноуглубительных работ, а также оптимизировать путевые работы в течение навигации.

Цель и задачи работы. Целью работы является выявление условий формирования перекатов Северной Двины, закономерностей сезонного и многолетнего режимов деформаций в естественных условиях и разработка рекомендаций по их учету при выполнении путевых мероприятий на реке. Достижение этой цели связано с решением следующих задач:

• дать оценку условий формирования перекатов на участках реки с разными морфодинамическими типами русла;

• изучить особенности морфологии и динамики перекатов и на этой основе установить закономерности их сезонного и многолетнего режимов переформирований в зависимости от соответствующих изменений водности;

• выявить специфику механизмов деформаций перекатов в различных условиях их формирования;

• разработать морфодинамическую классификацию перекатов;

• разработать схемы переформирований перекатов каждого типа, позволяющие давать прогнозные оценки переформирований;

• разработать на основе учета сезонного и многолетнего режимов перекатов приемы оптимизации проведения дноуглубительных работ, трассирования прорезей и проведения других подобных мероприятий

Методика исследований. Для оценки условий формирования перекатов Северной Двины на участках реки с разными морфодинамическими типами русла выполнен анализ переформирований русла за период с 1881 по 2010 гг. по сопоставленным лоцманским картам реки.

Морфологические и динамические характеристики перекатов Северной Двины, их сезонный и многолетний режим, скорости смещения в плане, изменения объемов и пр. определялись по совмещенным разновременным планам перекатов.

Для оценки оптимизации проведения дноуглубительных работ проведен ч анализ заносимости эксплуатационных прорезей путем расчета объема

накопления наносов в прорезях на перекатах разных типов; количественные показатели аккумуляции и размыва перекатов в разные фазы водного режима.

Фактический материал. В качестве исходного материала были использованы: лоцманские карты, предоставленные Администрацией Северодвинского бассейна внутренних водных путей за период с 1881 по 2010 гг.; планы русла в изобатах с 1997 по 2009 гг. (в навигацию 2004 г. автор принимал участие в работах изыскательской партии Северной Двины и составлении планов русла, внедрении автоматизированной системы обработки материалов промерных работ); данные о ежедневных уровнях воды за эти же годы и о среднемноголетних расходах воды с 1880 по 2009 гг., отчеты о выполненных дноуглубительных работах за навигации 1997 - 2009 гг.; а также материалы натурных исследований Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева в 2000-е годы на Северной Двине, в которых автор принимал участие.

В работе рассматривается участок Северной Двины от г. Котласа до вершины устьевой области.

Научная новизна. Впервые проведен анализ режима деформаций перекатов в их естественном состоянии после резкого сокращения или полного прекращения дноуглубительных работ на реке.

Установлены закономерности сезонного режима перекатов на фоне многолетних деформаций форм руслового рельефа.

Впервые разработана концепция оптимизации дноуглубительных работ на основе закономерностей многолетнего и сезонного режима перекатов в условиях восстановления естественного режима русловых деформаций.

Практическая значимость результатов работы. Учет многолетнего режима деформаций перекатов позволяет прогнозировать размыв или аккумуляцию наносов на перекатах, формирование осередков, рост побочней и их трансформацию на ближайшие несколько лет, а, следовательно, определить оптимальное положение дноуглубительных прорезей с минимальными объемами извлечения грунта. Учет сезонной динамики (вертикальных деформаций и

смещений гребней, изменение объемов размыва/намыва) перекатов с разной морфологией позволяет определить сроки проведения дноуглубительных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XVIII (Курск. 2003), и XXII (Новочеркасск, 2007) пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых (Киев, 2007 г.); научно-практической конференции «Водные пути и русловые процессы» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (Санкт-Петербург, 2007), научно-практической конференции «Современные методы эксплуатации внутренних водных путей Российской Федерации» (Нижний Новгород, 2013) и представлены в 11 публикациях.

ГЛАВА 1. ПЕРЕКАТЫ И ИХ ДЕФОРМАЦИИ КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ

РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ 1.1. Структура грядового рельефа русла и место перекатов в ней

Общие положения

Грядовые формы руслового рельефа, слагаемые речными наносами и возникающие в процессе их перемещения, разнообразные по размерам, очертаниям и подвижности [Великанов, 1958; Знаменская, 1968; 1979; Алексеевский, 1998; Чалов, 2008], составляют сложную иерархию: от гряд, соизмеримых с глубиной и шириной русла, до мельчайших форм, несоизмеримых с размерами русла, составляющих сотые и тысячные доли от них. Наличие и степень сложности этих аккумулятивных образований на равнинной реке, зависит, в первую очередь, от соотношения транспортирующей способности потока и насыщения его наносами. Количество поступающих в реку наносов и их состав, в свою очередь, зависит от литологии осадочных пород и аллювиальных отложений, слагающих коренные берега, уступы террас и пойму, устойчивости берегов к размыву, а также от гидравлических характеристик речного потока и морфометрических характеристик русла. Например, в расширениях дна долины при руслоформирующем расходе воды, проходящим при затопленной пойме, происходит распластывание потока, и перед сужениями, вызывающими его подпор во время половодья. Из-за общего снижения транспортирующей способности потока происходит массовое образование гряд разных размеров, русло в целом мелководное, и в межень поток «теряется» среди обширных прирусловых отмелей - крупных гряд или их частей, сформировавшихся в половодье. Наоборот, в сужении дна долины, где существенно увеличивается удельная величина руслоформирующего расхода воды, транспортирующая способность растет, и поток в основном проходит соответствующие участки транзитом, не формируя крупных скоплений наносов [Чалов, Алабян, и др., 1998].

При недостаточном количестве наносов русловые формы оказываются низкими по высоте, не обсыхающими в межень, что ограничивает возможность их стабилизации и зарастания. Высокая транспортирующая способность также

препятствует этим процессам. Крупные формы руслового рельефа успевают сместиться на свою длину за несколько лет - срок, недостаточный для зарастания побочней, образования островов - на осередках и т.д. Большая подвижность форм руслового рельефа, в свою очередь способствует равномерному размыву берегов за счет постоянного изменения динамической оси потока, благоприятствуя постоянному поступлению в поток продуктов размыва.

Среди грядовых форм руслового рельефа, сложенных песчаными руслообразующими наносами, в зависимости от их размеров и соотношения со структурой потока, выделяют ультрамикроформы, микроформы, мезоформы, и макроформы грядового рельефа [Чалов, 2008]. Макроформами руслового рельефа являются перекаты. По Н.И. Маккавееву [1955, с.291] типичный перекат - это крупное скопление аллювия, вызывающее в период низких уровней воды подпор на вышележащем участке - плесе. Перекаты могут представлять собой: 1) гряды, пересекающие русло от одного берега до другого, прибрежные части которых (обсыхающие в межень) образуют побочни; 2) две-три гряды, образующие самостоятельные побочни и надвигающиеся одна на другую (седловиной переката в этом случае является верхняя часть верхового ската нижней гряды, находящаяся под подвальем верхней гряды; 3) косы, формирующиеся в ухвостье островов, пересекающие русло, в пределах которых отметки дна понижаются по направлению к противоположному берегу.

К мезоформам относятся меньшие по размерам гряды, располагающиеся на верховых склонах макроформ. Микроформы формируют гофрированность поверхности прирусловых отмелей. Чем больше гряды по размеру, тем большее влияние они оказывают на структуру потока.

На реках с песчаным руслом перекаты формируются при снижении транспортирующей способности потока в половодье, когда проходит максимум стока наносов. На спаде половодья по мере уменьшения расходов наносов и снижения водности потока на поверхности сформировавшихся крупных гряд образуются более мелкие, отвечающие новым характеристикам потока (мезо- и микроформы грядового рельефа). Вторичные формы грядового рельефа могут

сохраняться или изменяться в зависимости от интенсивности спада уровня половодья и перехода к межени. При постепенном переходе от половодья к межени гидравлические характеристики потока не имеют резких градиентов изменения, поэтому происходит трансформация гряд. На реках с коротким и высоким половодьем (как Северная Двина) грядовый рельеф не всегда успевает перестроиться применительно к новым гидравлическим условиям.

Перекат состоит из нескольких морфологических элементов (рис. 1.1). Наиболее повышенные прибрежные части переката являются побочнями; если такая повышенная часть переката находится посередине русла, она называется осередком. Между побочнями находится седловина переката, по которой осуществляется сток воды в меженный период, когда побочни обсыхают и возвышаются над