Отработка методики и отбор проб донных наносов батометром, созданным авторским коллективом

Для отбора проб донных (влекомых) наносов использовался авторским батометр, исполненный в виде металлического лотка с длиной в 3 раза более ширины для снижения сопротивления сетки попаданию в наносов в его входную часть и имеет следующие размеры: длина лотка – 430 мм, ширина – 155 мм, высота стенок – 100 мм, масса – 20 кг, длина сетчатого мешка – 600 мм также способствует снижению сопротивления сетки течению на входе в батометр, ячея сетки 0,15 мм; для стабилизации относительно направления течения в конце лотка оборудовано хвостовое оперение. Первое исполнение такого батометра разработано и опробовано в 1999-2000 гг. на реке с гравийным руслом (Томь), в этом исполнении отсутствовала возможность погружения батометра на лебедке, установка на дно осуществлялась вручную на мелководьях или с помощью водолазного снаряжения. Впоследствии конструкция батометра усовершенствована.

Батометр опускается на дно и поднимается на поверхность с помощью гидрометрической лебедки ГР-36 с катера, установленного на якоре, при этом контролировалось стабильное положение катера. Для измерения осредненных по вертикали скоростей течения во время отбора пробы донных (влекомых) наносов использован акустический допплеровский профилограф (ADP) River Surveyor фирмы SonTek (США) (рисунок 2.1). Данный прибор позволяет вести запись скоростей течения с 5-секундным интервалом осреднения. В момент касания батометром дна запускалась запись измерения скорости течения прибором АDP, выдержка батометра на дне составляла около 10 минут, в момент начала подъема запись скорости останавливалась. Всего в 2017 году отобрано около 20 проб донных наносов по разработанной методике, определены единичные расходы донных наносов на вертикалях.

Рисунок 2.1 – Расположение приборов на судне.

В качестве объекта исследований 2017 г. выбрана одна из крупнейших рек Западно-Сибирской равнины в среднем течении – Обь на участке в 6 км выше по течению с. Красный Яр (1006-1008 км по лоцманской карте 2011 г.) – русло здесь почти прямолинейное, у правого берега имеется остров, отделенный протокой, на 1/3 ширины русла у левого берега располагается осередок. Донные отложения представлены, в основном, средними и крупными песками, в большинстве своем фракцией 0,25-0,5 мм – 86 %, также присутствует гравий до 5-6 %, средний диаметр наносов 0,3-0,4 мм. Отбор проб донных (влекомых) наносов во время прохождения осеннего паводка 2017 г. вблизи пос. Красный Яр проводился, в том числе, по поперечному профилю для расчета полного расхода воды. Распределение единичных расходов донных наносов и средних скоростей течения на вертикалях приведены на рисунке 2.2. Полный расход донных наносов составил 11,7 кг/с.

Рисунок 2.2 – Результат измерения расхода донных наносов.

Результаты промерных работ по определению рельефа и деформаций дна русла реки Томь у г.Томска

Проблема оценки стока руслообразующих наносов реки Томи у г. Томска не получила окончательного решения уже в течение почти 40 лет. Как известно, в течение длительного времени участок русла реки Томи в черте г. Томска интенсивно подвергался техногенной нагрузке в виде выемки руслового аллювия для нужд строительства. Кроме русловой добычи песчано-гравийных материалов (ПГМ) в прошлом и настоящем, техногенные воздействия также связаны с руслоисправительными работами для поддержания судового хода, строительством и эксплуатацией берегозащитных сооружений и, возможно, работами по поддержанию нормальной работы речного водозабора в районе Лагерного сада.

Интенсивная добыча ПГМ в русле Томи на ее приустьевом участке ведется с начала 1950-х гг.: до середины 1970-х гг. – подразделениями предприятиями «Химстрой» и «Промстройматериалы», затем Томским речпортом и его преемником – ОАО «Томская судоходная компания» (ОАО ТСК), а также ЗАО «Карьероуправление». В первые три десятилетия из русла Томи добывалось в среднем около полутора миллионов тонн ПГМ. Максимум добычи – 6.9 млн. м³/год – был достигнут в 1982 г.

В 1986 г. были выведены из эксплуатации Томское, Эуштинское, Попадейкинское, Нижне-Попадейкинское месторождения ПГМ, расположенные в районе г.Томска. В 1993 г. решением Малого Совета народных депутатов Томской области русловая добыча в р. Томь остановлена. В последние 15-20 лет техногенные воздействия на русло реки Томь в черте г.Томска фрагментарны и не имеют значительных объемов по извлечению аллювия. 

Всего в черте г. Томска из русла извлечено по разным оценкам от 60 до 100 млн. м³ руслового аллювия. С начала 2000 гг. с увеличением частоты возникновения ледовых заторов возникло мнение о восстановлении русла реки Томи за счет накопления донных наносов. По оценкам различных ученых среднемноголетний сток донных наносов в черте г.Томска варьируется от 20-25 до 290 тыс. м³, таким образом минимальное время восстановления русла составляет около 200 лет. При этом оценка стока донных наносов, в основном, основывалась на расчете транспортирующей способности потока по различным формулам, при этом к настоящему времени на найдено универсальной методики расчета расходов донных наносов для рек с гравийным руслом. В данной ситуации, при отсутствии дноуглубительных работ в течение нескольких последних лет) наиболее надежным способом расчета годового стока донных наносов и темпов восстановления русла реки Томь в черте г. Томска является расчет деформаций русла по разновременным промерам глубин.

В рамках полевых наблюдений за рельефом дна р. Томи в черте г. Томска проведены промеры участка с необратимой аккумуляцией донных наносов - от стадиона ТГУ до створа гидрологического поста Томск-пристань. Анализ деформаций дна по поперечным профилям показывает накопление наносов на всем протяжении, в течение 2014-2017 гг. общий объем накопившихся наносов составил около 416 тыс. м³. Таким образом, среднегодовой сток донных наносов приблизительно можно оценить в 100-110 тыс. м³ в год.

На рисунке 2.3 приведено распределение объемов деформаций на 1 м по длине исследованного участка реки.

Рисунок 2.3 – Деформации русла реки Томи от гидрологического поста Томск-пристань вверх по течению.

График деформаций иллюстрирует, что наибольшие объемы деформаций приходятся на верхнюю и нижнюю части участка. Судя по всему в верхней части участка, характеризующейся резким изменением уклона водной поверхности и продольного профиля дна откладываются наиболее крупные фракции – гравий и галька, песок и мелкий гравий проходят этот участок транзитом и откладываются в нижней части участка.