В настоящем исследовании пространственный аспект взаимодействия рельефа русла и потока реки рассматривается при помощи инструментария одномерного моделирования, с использованием моделирующей системы HEC-RAS 4.1 (следует подчеркнуть, что такой подход не всегда обоснован, но в ситуации, когда пойма не оказывает значительного влияния на общую картину предмета исследования, он вполне применим).
Общие сведения об участке исследования. Участок реки Томь рассматриваемый в настоящем исследовании расположен в черте города Томск, а конкретно – от Северного моста, до мемориального комплекса Лагерный сад, который находится несколько выше по течению от Южного моста, и составляет по протяжённости порядка 16-18 км (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 – Участок исследования
Русло на участке исследования слабоизвилистое. Правый берег состоит из высоких террас, в наиболее низких местах защищён дамбой. На левом берегу расположена ограниченная автомобильной дорогой пойма. В самом русле в нижнем течении имеется несколько осерёдков и один большой остров, на верхнем конце участка в русле расположен выход скальных пород – Томский порог.
Методика исследования. В основе данного исследования лежит сравнительный анализ геометрии русла р. Томи по материалам двух моделей, построенных по результатам русловых съёмок 2007 и 2013 года.
На первом этапе исследования проведено сравнение глубин в русле реки по тальвегу (рисунок 4.2).
Отметим, что рельеф моделей не имеет точной географической привязки, поэтому сравнение по тальвегу ведётся условно от Северного моста. Ввиду этого, почти наверняка имеется некоторое смещение профилей относительно друг друга, и, судя по графику, оно составляет порядка 1 км.
Если же посмотреть на график с учётом смещения профилей, то видно, что наблюдается некоторое выполаживание половины участка примыкающей к верхнему течению, в то время как в нижнем течении картина относительно стабильная.
Рисунок 4.2 – Сравнение профилей двух моделей по тальвегу
Следующий этап – построение интегральных кривых объёма воды для обеих моделей. Чтобы интегральные кривые отражали только изменения в геометрии русла, для геометрии 2013 года в системе HEC-RAS 4.1 были приняты те же входные параметры (значения шероховатости дна, величины расходов и уровней воды), что и для геометрии 2007 года. Кроме того, из геометрии 2007 года были убраны данные об измеренной толщине ледового покрова (т.к. изначально модель 2007 года разрабатывалась для исследования заторов льда). Далее была проведён анализ в системе HEC-RAS 4.1 в режиме установившегося движения воды. По результатам этого анализа были получены площади поперечных сечений с частотой порядка 50-100 м. По вычисленным площадям поперечных сечений и по известным расстояниям между ними с использованием формулы объёма усечённой пирамиды были найдены сначала частные объёмы воды между сечениями, а затем построены интегральные кривые для всего участка (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Интегральные кривые объёмов воды
Интегральные кривые представлены на графике для пяти величин расходов – от межени (831 м3/с) до половодья (5000 м3/с). Соответственно, чем выше расположена кривая, тем больше расход воды, интервал между расходами воды порядка 1000 м3/с, 2007 год обозначен сплошной, 2013 – пунктирной линией.
Из графика видно, что в средней части участка, от острова Энеков до Южного моста, произошло уменьшение объёмов воды, причём наиболее значительное для средних величин расходов воды (от 1500 до 2500 м3/с). В то время как в верхней части участка, напротив, объёмы воды выросли, и в большей степени для меженного расхода.
Анализ и выводы. Сопоставляя графики тальвегов и объёмов воды можно дать оценку русловым деформациям, не прибегая к двумерному моделированию. Так, нижняя часть участка, от Северного моста до о. Энеков, находится в состоянии равновесия между руслом и потоком, ярко выраженных направленных изменений не выявлено.
В среднем течении участка вместе с уменьшением отметок дна по тальвегу наблюдается и некоторое уменьшение объёмов воды, что говорит о перераспределении донных наносов ближе к берегам, причём объёмы воды являются более сильным параметром, т.е. накопление наносов у берегов происходит интенсивнее их размытия по тальвегу. Накопление наносов по берегам можно объяснить резким расширением русла ниже Южного моста, и как следствие, падением скоростей течения. Размытие же по тальвегу связано, по-видимому, с прорывом заторов льда, в результате чего резко возрастают скорости течения. Однако возрастают они не на такое продолжительное время и в большей степени по центру реки, что не приводит к такому же интенсивному размытию у берегов.
Наверху участка наряду с уменьшение отметок дна по тальвегу наблюдается и увеличение объёма воды, что свидетельствует об общем размыве в плане. К тому же, судя по кривой объёмов воды, в наибольшей степени деформация проявляется при меженном расходе. Однако наверху участка находится выход скальных пород, которые довольно плохо подвержены размыву в отличие от аллювия. Объяснить деформации в этом месте возможно только при наличии достаточно мощного потока, обладающего большой энергией, и такие потоки там встречаются. Дело в том, что как раз несколько ниже Южного моста в последние годы формируются заторы льда [3]. Один из самых мощных заторов за историю наблюдений случился в этом месте весной 2010 г. Прорыв такого затора вполне мог высвободить достаточно мощный поток, который деформировал даже устойчивое при обычных условиях дно.
В целом картина на участке напоминает регрессивную эрозию русла, которая ранее уже отмечалась для нижнего течения р. Томи, с оговоркой, что эта эрозия приурочена к прорывам заторов льда.