Численный прогноз русловых процессов на участке реки Обь в районе барнаульских речных водозаборов с целью ихустойчивого водопотребления

11. Прогноз изменения гидрогеолого-мелиоративной обстановки в условиях орошения в бассейне р. Бурлы Алтайского края: отчет о НИР : в 3 т. / Ленингр. гидрометеорол. ин-т ; науч. рук. доц. Морозов ; состав. Поставнич Л. И. [и др.]. — Л., 1975. — Т. II., Текстовые приложения. — 71 с.

Статья поступила в редакцию 19.01.09

УДК 556.531.4

А.Т. Зиновьев, канд. физ.-мат. наук, с.н.с., зав. лаб. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул К.Б. Кошелев, канд. физ.-мат. наук, доц., с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул К.В. Марусин, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул

ЧИСЛЕННЫЙ ПРОГНОЗ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА УЧАСТКЕ РЕКИ ОБЬ В РАЙОНЕ БАРНАУЛЬСКИХ РЕЧНЫХ ВОДОЗАБОРОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ УСТОЙЧИВОГО ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ

Представлены результаты численного моделирования русловых процессов на участке р. Обь в районе Барнаульских речных водозаборов. Показано, что построенная математическая модель потока, транспорта наносов и деформаций дна правильно отражает основные особенности русловых процессов на рассматриваемом участке. Данная модель может быть использована в целях, как прогноза, так и разработки инженерных мероприятий для обеспечения устойчивой работы поверхностных водозаборов.

Ключевые слова: русловые процессы, математическое моделирование

Эффективность мероприятий по строительству и эксплуатации водозаборных сооружений на реках во многом зависит от того, в какой мере они учитывают специфику русловых процессов. Изменение плановых очертаний русла, вертикальных отметок дна, смещение аллювиальных форм руслового рельефа (побочней, кос, осередков) весьма часто может сопровождаться опасными проявлениями. Это особенно характерно для рек юга Западной Сибири [1].

Существующая уже более двух десятилетий проблема устойчивого функционирования двух поверхностных водозаборов г. Барнаула, которые обеспечивают 95% водоснабжения города, непосредственно обусловлена естественным ходом русловых процессов на р. Обь (рис. 1а).

Вследствие смещения вниз по течению системы излучин водоприемный ковш водозабора №1 оказался в настоящее время практически полностью отсеченным от основного русла реки (рис. 1б). Для обеспечения его функционирования необходимо ежегодно разрабатывать подходной канал длиной около 100 м через толщу песчаных отложений.

Аналогичная ситуация, только на более ранней стадии развития, наблюдается и в районе водозабора №2, расположенного у вершины вынужденной излучины (рис. 1в).

Верхнее крыло излучины ориентировано практически по нормали к левому коренному берегу, динамическая ось потока прижимается к нему лишь ниже водозабора, а подходы к водозабору оказались в водоворотной зоне, аккумуляция наносов в которой является основным фактором заносимости этого сооружения. Ежегодно дно ковша покрывается песком примерно на 1 м, идет активный рост пляжа, образовавшегося непосредственно выше водозабора.

Как правило, противодействие такому негативному ходу руслового процесса состоит в выполнении некоторого комплекса русловыправительных работ, направленных на то, чтобы остановить сползание излучин вниз по течению и отклонить динамическую ось потока к водозаборам путем, Это может быть достигнуто, в частности, путем строительства берегозащитных сооружений и струенаправляющих шпор на размываемом берегу выше по течению.

Рис. І. Река Обь в районе водозаборов г. Барнаула: а) общий вид

Однако при разработке инженерных мероприятий необходимо обеспечить оптимальный выбор местоположения и параметров сооружений как с точки зрения достижения нужного эффекта, так и — их влияния на русло на сопредельных участках выше и ниже по течению. Например, с 1985 г. периодически выполнялись работы по укреплению правого берега в верхнем крыле вынужденной излучины около водозабора №1. К улучшению ситуации это не привело. Более того, усилился размыв естественного берега примыкающего сверху к участку берегозащиты, что повышает вероятность спрямления излучины через пойменные понижения с окончательным отходом русла от водозабора и выходом реки непосредственно к жилому массиву поселка Затон [2].

Методы математического моделирования позволяют детально изучить особенности течения и транспорта наносов на проблемном участке в различных гидрологических ситуациях, как в естественных условиях, так и при наличии различных сооружений. Результаты расчетов могут служить основой для выработки эффективной схемы инженерных мероприятий для решения проблемы.

В ИВЭП СО РАН разработана компьютерная модель русловых процессов на участке р. Обь у г. Барнаула, в том числе, и в районе городских водозаборов. Она включает в себя цифровую модель рельефа (ЦМР) участка речной долины и русла, плановую модель речного потока в русле сложной плановой конфигурации, модель транспорта наносов и вертикальных деформаций дна.

На входе моделируемого участка задается расход воды. На выходе могут использоваться два подхода. При наличии экспериментальных данных задается уровень воды, а при отсутствии таковых — ставится «мягкое» граничное условие на глубину воды. Граница области, покрытой водой, определяется в ходе численного решения.

Первоначальное тестирование математической модели и реализующей ее компьютерной программы проводилось на основе данных классических лабораторных экспериментов, в частности, полученных в рамках проекта «САОАМ» [3]. Схема экспериментальной установки, состоящей из бака и канала, приведена на рисунке

2. В исходном состоянии бак изолирован от канала. Уровень воды в нем составляет 20 см, а в канале — 1 см. В начальный момент времени заслонка, отделяющая бак от канала, мгновенно открывается. На рисунке 3 представлены гидрографы в контрольных точках 3 и 4 установки «САБАМ» (рис. 2), показывающие достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Для практической апробации модели было проведено численное моделирование участка р. Обь в районе водозабора № 2 на основе имевшихся гидрологических и батиметрических данных для условий летне-осенней межени (расход воды 1320 м3/с). Результаты расчетов представлены на рисунках 4, 5.

Результаты численных расчетов реального участка реки показали, что построенная компьютерная модель правильно отражает наблюдаемые гидравлические эффекты, в частности, положение динамической оси потока, наличие зоны тиховода около ковша водозабора, интенсивный размыв правого берега выше водозабора и аккумуляцию материала на пляже, образование водоворотных зон.

10 октября 2008 г., в условиях осенней межени, на рассматриваемом участке ИВЭП СО РАН были выполнены измерения трехмерного поля скорости течения на нескольких вертикалях в двух створах: створ №1 — выше водозабора №2, створ №2 — ниже водозабора (рис. 6, 7).

Рис. 3. Сопоставление результатов расчета с данными эксперимента «САБАМ». Гидрографы в точках 3 (а) и 4 (б). Графики с тонкой линией — эксперимент, с жирной линией — расчет

Рис. 4. Результаты математического моделирования участка р. Обь в районе водозабора №2

ІЗ

ч ,V

.'r -v ; -

w

— Ті Яь Нттт+я

Рис. 5. Результаты математического моделирования участка р. Обь в районе водозабора №2 (расход воды 1320 м3/с): линии тока и скорости деформации дна

Рис. 7. Схема измерений поля скорости течения в районе водозабора №2. Расположение вертикалей на створах: а) створ №1; б) створ №2

Таблица 1

Результаты измерений скорости потока в районе водозабора № 2 г. Барнаула 10.10.2008г. Расход воды 870 м3/с.

Рис. 6. Схема измерений поля скорости течения в районе водозабора №2.

1-2 — положение измерительных створов

Створ Jfe 1 11 lip II lid реки. 11 IkpTHKiLTb Hi Расстояние от JKHfflDікрйіі. W. Г .IVixjii І:і JVkll 11:1 ко.-]'м нк:і.ін Огтиги-тьг.іьньаМ горизонт ііаіі. дном Скирт: 11, течения

h лА V

м М/НК

0,1>?7

У 22 7 ,4-82 і№

п.ппк 1,14

2W 0,2(12

1,2 91 &,І 0,15*1

1.027 0.6ft

CLW7 (УМ

й,Ш І

U.VS

2,1 ЗХ Ч ода ! XI5

2 243 0.Я2Я ЦОТ

1,3 Н5 ЇА 0,139 М

0.77» іш

По данным водомерного поста Барнаул, во время проведения эксперимента расход воды составлял 870 м3/ с при абсолютной отметке уровня 128,72 м БС. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов позволяет заключить, что разработанная модель способна не только правильно воспроизводить основные качественные закономерности руслового потока на рассматриваемом участке, но и давать вполне реалистичные количественные результаты.

Для окончательной верификации и калибровки разработанной математической модели необходимо проведение комплексных натурных исследований, программа которых должна быть дополнена измерениями

уровня водной поверхности, отбором проб руслообразующих наносов и мутности воды, наблюдениями за деформациями дна в характерных точках.

Использование данной компьютерной модели русловых процессов позволит прогнозировать местные деформации русла в районе речных водозаборов в различных гидрологических ситуациях и разрабатывать предложения по улучшению ситуации.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 06-05-65076 и проекта № 16.7 Президиума РАН «Экстремальные гидрологические явления на водных объектах Сибири: анализ, моделирование и изучение связей с климатическими условиями».

Библиографический список

1. Природные опасности России. Том. 4. Экзогенные геологические процессы / под общей ред. В. И. Осипова, С.К. Шойгу, ред.

тома В.М. Кутепов, А.И. Шеко. — М.: Издательская фирма «КРУК», 2002. — 348 с.

2. Русловые процессы на реках Алтайского региона / под ред. Р. С. Чалова. — М.: Издательство МГУ, 1996. — 244 с.

3. Soares Frazao S, Sillen S, Zech Y. Dam-break flow through sharp bends: physical model and 2D Boltzmann model validation.

Proceedings of the CADAM Meeting, Wallingford, UK, 1998.

Статья поступила в редакцию 15.01.09