СПОСОБ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЯ ДНА И ПОЙМЫ РЕКИ
METHOD OF HYDROMETRIC MEASUREMENTS OF RIVER BOTTOM AND FLOOD LAND PROFILE

Изобретение относится к гидрометрии, гидрологии и инженерной экологии речного ландшафта по гидрометрическим створам.
Известен способ измерения глубин воды, в частности в реках по наиболее типичным поперечным сечениям (см.: Железняков Г.В. Гидрометрия: учебное пособие. - М.: Колос, 1964. - 304. - С.69-82), включающий промеры глубин, определение в плане положения промерных вертикалей, на которых измеряются глубины реки.
Недостатком является отсутствие учета в измерениях поймы реки с террасами. Это не дает возможности количественно узнать гидрометрию далекого прошлого реки и динамики процесса ее руслообразования. А без знания динамики водного сечения реки невозможно прогнозировать будущее реки и ее экологический режим.
Аналогичный недостаток имеют описания способов и в последующих учебниках, например, способ промера глубин реки (см.: Константинов Н.М. Гидрология и гидрометрия: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1980. - 199 с. - С.60-61) также не обращает внимания на речную пойму.
Известен также способ гидрометрических измерений профиля дна реки промерами глубин (см.: Лучшева А.А. Практическая гидрометрия. Упражнения по обработке гидрометрических наблюдений: учебное пособие. - Л.: Гидрометеоиздат, 1951. - 334 с. - С.54-62), включающий выбор гидрометрического створа поперек реки, установление промерных точек на гидрометрическом створе с измерением их положения в плане и глубины реки в промерных точках от водной поверхности до дна, вычисление с учетом поправок абсолютной отметки дна реки в каждой промерной точке, причем промеры глубин выполняются от левого берега к правому по линии створа, построение промерного профиля водного сечения реки по каждому гидрометрическому створу реки, вычисление основных гидравлических характеристик профиля у каждого водного сечения реки, причем для построения водного сечения реки до отметки наивысшего уровня необходимо иметь промеры или данные нивелирования поймы до этой отметки, а смоченные периметры и площади водного сечения разного уровня реки для одного гидрометрического створа реки определяются аналитическими расчетами.
Достоинством прототипа является то, что для построения водного сечения реки до отметки наивысшего уровня водной поверхности необходимо иметь промеры или данные нивелирования поймы до этой отметки.
Недостатком является то, что профиль поймы реки не измеряется, что не дает возможности узнать прошлую гидравлическую работу изучаемой реки в заданном гидрометрическом створе.
Технический результат - повышение точности гидрометрических измерений поймы реки в гидрометрическом створе, расширение функциональных возможностей гидрометрических измерений в поперечном сечении совместно дна реки с ее поймой и террасами, а также снижение трудоемкости расчетов основных гидравлических характеристик на основе применения статистических закономерностей формы поймы и дна реки в каждом гидрометрическом створе.
Этот технический результат достигается тем, что способ гидрометрических измерений профиля дна и поймы реки, включающий выбор гидрометрического створа поперек реки, установление промерных точек на гидрометрическом створе с измерением их положения в плане и глубины реки в промерных точках от водной поверхности до дна, вычисление с учетом поправок абсолютной отметки дна реки в каждой промерной точке, причем промеры глубин выполняются от левого берега к правому по линии гидрометрического створа, построение промерного профиля водного сечения реки по гидрометрическому створу, вычисление гидравлических характеристик профиля у водного сечения реки, причем для построения водного сечения реки до отметки наивысшего уровня выполняют промеры или нивелирование поймы до этой отметки, а смоченный периметр и площадь водного сечения на разном уровне реки определяют аналитическими расчетами, отличающийся тем, что дополнительно к построению водного сечения реки до отметки наивысшего уровня на крутом берегу реки или на крутой террасе поймы выбирают крутой склон, на нем отмечают самую высокую точку на линии перехода к равнинному ландшафту, причем эту наивысшую точку принимают за опорную точку нивелирования для расположенных на пойме по характерным местам ландшафта промерных точек, затем выполняют нивелирование поймы по высотам расположения промерных точек относительно геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, причем в измерения включают и нулевую точку измерений глубин реки, после этого над водной поверхностью реки определяют общую глубину до дна реки от геодезической опорной точки на крутом берегу суммированием глубины водного сечения реки к высоте от нулевой точки измерений глубин реки до геодезической опорной точки на крутом берегу, а за нулевую общую точку в системе координат для измерения расстояний вдоль гидрометрического створа до промерных точек на пойме и дна реки принимают точку пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега, после получения табличных данных измерений статистическим моделированием выявляют закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега.
Для повышения надежности результатов измерений вначале выполняют промерные работы по измерениям глубины реки, а затем переходят к измерениям промерных точек на пойме реки.
За характерные места прибрежного ландшафта на речной пойме вдоль гидрометрического створа поперек реки принимают ложбины, прежде всего ложбины стока, и выступы на поверхности поймы.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные и вероятностно-волновые закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега по общей структурной формуле:
где Н - глубина поверхности поймы реки и ее дна под водной поверхностью от горизонтальной линии визирования, исходящей из точки пересечения поверхности поймы с горизонтальной линией визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу, м;
∂
Н - детерминированная структурная часть формулы, показывающая долговременные процессы руслообразования реки, м;
в
Н - вероятностная часть формулы, показывающая волновые колебания относительно кратковременных процессов новообразования профиля поймы и дна реки в зависимости от многолетней динамики водотока, м.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные закономерности первой структурной части изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по многочленной формуле:
∂
где H - детерминированная часть общей высоты над поверхностью поймы и дна реки до линии визирования, м;
∂1
H - первая составляющая детерминированной части, показывающая углубление дна от левого берега на террасе поймы реки, то есть от точки пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега, м;
∂2
H - вторая составляющая детерминированной части, показывающая нарастание профиля до геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, м;
∂3
H - третья составляющая детерминированной части, показывающая сопротивление эрозии поверхности проймы, то есть изменение холмистости на пойме реки;
… - другие составляющие, показывающие крупные местные изменения профиля поймы и дна реки вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
a…a - параметры статистической модели детерминированной части формулы изменения дна реки и поверхности поймы от линии визирования.
Статистическим моделированием выявляют вероятностные волновые закономерности по второй структурной части колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по многочленной волновой формуле:
в
где H - вторая структурная часть колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования;
в1
H - первая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья левого берега водотока реки, м;
в2
H - вторая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья у правого берега водотока реки, м;
в3
Н - третья вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение при формировании дна реки, м;
в4
H - четвертая волна, показывающая возмущение профиля поймы и продолжение влияния на формирование поверхности дна реки, м;
i - номер составляющей вероятностной волновой части формулы;
… - другие волновые составляющие, показывающие микроколебания поверхности поймы и дна реки;
А - половина амплитуды колебательного возмущения высоты или глубины, м;
p - половина периода колебательного возмущения по расстоянию вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
b…b - параметры статистической модели вероятностной части общей формулы изменения глубины дна и поверхности поймы от линии визирования относительно высокой точки на крутом берегу реки.
Сущность технического решения заключается в том, что русло реки рассматривается не только по водотоку на момент измерения, но и с учетом поймы как русла реки в далеком прошлом.
Сущность заключается также в том, что дно реки и поверхность поймы рассматриваются как единое целое, как общий ландшафт, в котором содержится детерминированный за столетия и тысячелетия рельеф поймы и дна, образованные изменяющимся в плане и по глубине, а также по полноводности, одним динамичным водотоком вместе.
Сущность предлагаемого изобретения заключается также в том, что на равнинной местности за долгое время водоток прорезает вначале пойму, а затем и русло реки и при этом образуется крутой склон, на котором заметна самая высокая береговая точка. Она принимается за основу создания новой системы координат, покрывающей систему координат промера глубин реки, и у которой за начало принимается точка пересечения визирной линии от самой высокой береговой точки с поверхностью поймы на противоположной стороне реки от крутого склона.
Положительный эффект достигается тем, что повышается точность совместной профилировки поймы и дна реки, точность математического моделирования общего профиля вдоль гидрометрического створа реки, а также снижается трудоемкость при последующих расчетах из-за применения выявленных статистических закономерностей.
Новизна технического решения заключается в том, что вместе объединяются пойма и дно реки для профилировки поперечного сечения вдоль принятого гидрометрического створа.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, авторами не обнаружено.
На фиг.1 показана карта реки Малая Кокшага с гидрометрическими створами, из которых для примера был принят створ №86; на фиг.2 приведены результаты промера глубин реки по створу №86 (ось абсцисс - расстояние в метрах от левого берега к правому, ось ординат - глубина реки в метрах); на фиг.3 показан график профиля дна реки по статистической модели с волновой составляющей; на фиг.4 показан створ №86 с поймой в координатной сетке с основой высоты при измерениях глубины дна реки; на фиг.5 показано расположение точек промеров глубины реки и измерений нивелированием высот поверхности поймы по опорной точке на кромке крутого правого берега реки; на фиг.6 - то же, что на фиг.5 с исключением точек на террасах левого и правого берегов; на фиг.7 показан график статистической закономерности профиля одновременно поймы с дном реки; на фиг.8 изображены графически остатки после трехчленной не волновой статистической закономерности; на фиг.9 показан график колебательного возмущения береговой кромки и прибрежной территории на левой стороне реки; на фиг.10 - то же, что на фиг.9, но вероятностное колебательное возмущение поверхности правого крутого берега реки; на фиг.11 - то же, что на фиг.9, но колебательное возмущение поверхности дна реки под водой; на фиг.12 - то же, что на фиг.9, но колебательное изменение профиля поймы на левой стороне реки с убыванием деформаций поверхности от террасы к правому берегу реки.
Способ гидрометрических измерений профиля дна и поймы реки включает в себя следующие действия.
Дополнительно к построению водного сечения реки до отметки наивысшего уровня на крутом берегу реки или на крутой террасе поймы выбирают крутой склон. На нем отмечают самую высокую точку на линии перехода к равнинному ландшафту, причем эту наивысшую точку принимают за опорную точку нивелирования для расположенных на пойме по характерным местам ландшафта промерных точек.
Затем выполняют нивелирование поймы по высотам расположения промерных точек относительно геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, причем в измерения включают и нулевую точку измерений глубин реки. После этого над водной поверхностью реки определяют общую глубину до дна реки от геодезической опорной точки на крутом берегу суммированием глубины водного сечения реки к высоте от нулевой точки измерений глубин реки до геодезической опорной точки на крутом берегу. За нулевую общую точку в системе координат для измерения расстояний вдоль гидрометрического створа до промерных точек на пойме и дна реки принимают точку пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега.
После получения табличных данных измерений статистическим моделированием выявляют закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега.
Для повышения надежности результатов измерений вначале выполняют промерные работы по измерениям глубины реки, а затем переходят к измерениям промерных точек на пойме реки.
За характерные места прибрежного ландшафта на речной пойме вдоль гидрометрического створа поперек реки принимают ложбины, прежде всего ложбины стока, и выступы на поверхности поймы.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные и вероятностно-волновые закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега по общей структурной формуле:
где Н - глубина поверхности поймы реки и ее дна под водной поверхностью от горизонтальной линии визирования, исходящей из точки пересечения поверхности поймы с горизонтальной линией визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу, м;
∂
Н - детерминированная структурная часть формулы, показывающая долговременные процессы руслообразования реки, м;
в
Н - вероятностная часть формулы, показывающая волновые колебания относительно кратковременных процессов новообразования профиля поймы и дна реки в зависимости от многолетней динамики водотока, м.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные закономерности первой структурной части изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по многочленной формуле:
, , ,
∂
где Н - детерминированная часть общей высоты над поверхностью поймы и дна реки до линии визирования, м;
∂1
Н - первая составляющая детерминированной части, показывающая углубление дна от левого берега на террасе поймы реки, то есть от точки пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега, м;
∂2
Н - вторая составляющая детерминированной части, показывающая нарастание профиля до геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, м;
∂3
H - третья составляющая детерминированной части, показывающая сопротивление эрозии поверхности поймы, то есть изменение холмистости на пойме реки;
… - другие составляющие, показывающие крупные местные изменения профиля поймы и дна реки вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
a…a - параметры статистической модели детерминированной части формулы изменения дна реки и поверхности поймы от линии визирования.
Статистическим моделированием выявляют вероятностные волновые закономерности по второй структурной части колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега по многочленной волновой формуле:
в
где Н - вторая структурная часть колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования;
в1
Н - первая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья левого берега водотока реки, м;
в2
H - вторая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья у правого берега водотока реки, м;
в3
H - третья вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение при формировании дна реки, м;
в4
H - четвертая волна, показывающая возмущение профиля поймы и продолжение влияния на формирование поверхности дна реки, м;
i - номер составляющей вероятностной волновой части формулы;
… - другие волновые составляющие, показывающие микроколебания поверхности поймы и дна реки;
А - половина амплитуды колебательного возмущения высоты или глубины, м;
p - половина периода колебательного возмущения по расстоянию вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
b…b - параметры статистической модели вероятностной части общей формулы изменения глубины дна и поверхности поймы от линии визирования относительно высокой точки на крутом берегу реки.
Способ гидрометрических измерений профиля дна и поймы реки выполняется, например, следующим образом.
Для повышения надежности результатов измерений вначале выполняют промерные работы по измерениям глубины реки, а затем переходят к измерениям промерных точек на пойме реки. Это связано с тем, что гидрометрический створ вначале может быть принят в неудачном месте реки. Поэтому промеры глубин иногда выполняют в нескольких местах прямым и обратным ходами поперек реки, а затем выбирают результаты наилучших измерений. После завершения промеров глубин рекомендуется выполнить промеры высот на пойме и крутом берегу, например, с использованием теодолита, начиная от нулевой точки промера глубины реки. Затем выполняют пересчет в новой системе координат.
За характерные места прибрежного ландшафта на речной пойме вдоль гидрометрического створа поперек реки принимают ложбины, прежде всего ложбины стока, и выступы на поверхности поймы.
После промера глубин реки дополнительно к построению водного сечения реки до отметки наивысшего уровня на крутом берегу реки или на крутой террасе поймы выбирают крутой склон. На нем отмечают самую высокую точку на линии перехода к равнинному ландшафту, причем эту наивысшую точку принимают за опорную точку нивелирования для расположенных на пойме по характерным местам ландшафта промерных точек.
Затем выполняют нивелирование или теодолитную съемку поймы по высотам расположения промерных точек относительно геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, причем в измерения включают и нулевую точку измерений глубин реки.
После этого над водной поверхностью реки определяют общую глубину до дна реки от геодезической опорной точки на крутом берегу суммированием глубины водного сечения реки к высоте от нулевой точки измерений глубин реки до геодезической опорной точки на крутом берегу. За нулевую общую точку в системе координат для измерения расстояний вдоль гидрометрического створа до промерных точек на пойме и дна реки принимают точку пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега.
После получения табличных данных измерений статистическим моделированием выявляют закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные и вероятностно-волновые закономерности изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по общей структурной формуле:
где Н - глубина поверхности поймы реки и ее дна под водной поверхностью от горизонтальной линии визирования, исходящей из точки пересечения поверхности поймы с горизонтальной линией визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу, м;
∂
Н - детерминированная структурная часть формулы, показывающая долговременные процессы руслообразования реки, м;
в
Н - вероятностная часть формулы, показывающая волновые колебания относительно кратковременных процессов новообразования профиля поймы и дна реки в зависимости от многолетней динамики водотока, м.
Статистическим моделированием выявляют детерминированные закономерности первой структурной части изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по многочленной формуле:
∂
где Н - детерминированная часть общей высоты над поверхностью поймы и дна реки до линии визирования, м;
∂1
Н - первая составляющая детерминированной части, показывающая углубление дна от левого берега на террасе поймы реки, то есть от точки пересечения горизонтальной линии визирования от геодезической опорной точки на крутом берегу с поверхностью поймы на другой стороне реки противоположно от крутого берега, м;
∂2
Н - вторая составляющая детерминированной части, показывающая нарастание профиля до геодезической опорной точки на самой высокой отметке крутого берега, м;
∂3
H - третья составляющая детерминированной части, показывающая сопротивление эрозии поверхности поймы, то есть изменение холмистости на пойме реки;
… - другие составляющие, показывающие крупные местные изменения профиля поймы и дна реки вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
a…a - параметры статистической модели детерминированной части формулы изменения дна реки и поверхности поймы от линии визирования.
Статистическим моделированием выявляют вероятностные волновые закономерности по второй структурной части колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования в зависимости от расстояний, начиная от точки пересечения горизонтальной линии с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега, по многочленной волновой формуле:
в
где H - вторая структурная часть колебательного изменения общей глубины поймы и дна реки от горизонтальной линии визирования;
в1
Н - первая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья левого берега водотока реки, м;
в2
H - вторая вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение прибрежья у правого берега водотока реки, м;
в3
Н - третья вероятностная волна, показывающая колебательное возмущение при формировании дна реки, м;
в4
H - четвертая волна, показывающая возмущение профиля поймы и продолжение влияния на формирование поверхности дна реки, м;
i - номер составляющей вероятностной волновой части формулы;
… - другие волновые составляющие, показывающие микроколебания поверхности поймы и дна реки;
А - половина амплитуды колебательного возмущения высоты или глубины, м;
p - половина периода колебательного возмущения по расстоянию вдоль гидрометрического створа, м;
L - расстояния до промерных точек, начиная от точки пересечения горизонтальной линии визирования с поверхностью поймы на другой стороне реки от крутого берега;
1
8
b…b - параметры статистической модели вероятностной части общей формулы изменения глубины дна и поверхности поймы от линии визирования относительно высокой точки на крутом берегу реки.
Пример. Как известно, в основе учения об экосистеме лежит концепция взаимозависимости биологического и физического миров. Поэтому для государственного природного заповедника "Большая Кокшага" Республики Марий Эл, где значительная часть биотопа размещается в пойме одноименной реки, экологическое состояние водотока является одним из лимитирующих факторов. Изучение гидрологического режима реки Большая Кокшага, являющейся типичным средним водотоком лесотаежной зоны Российской Федерации, а также измерение морфологии речного русла с целью прогнозирования русловых деформаций является актуальной задачей.
Кроме того, данные об интенсивности русловых процессов, полученные для водного объекта, находящегося на территории заповедника и, следовательно, не испытывающего прямого антропогенного воздействия, могут быть использованы как фоновые процессы при оценке антропогенной нагрузки на подобные водотоки в районах с интенсивной хозяйственной деятельностью.
В ходе полевых изысканий выполнялись следующие виды работ:
- установление типа руслового процесса у обследуемого участка реки;
- морфологическая съемка русла реки, включающая промер глубин в створах по всей ширине реки и между створами по фарватеру;
- тахеометрическая съемка устьевых участков притоков и старичных образований;
- измерение скоростей течения реки инструментальным способом.
В процессе камеральной обработки данных получены следующие основные результаты:
- рассчитывалась площадь живого сечения, средняя и максимальная глубины, строился поперечный профиль сечения;
- построен продольный профиль дна участка реки по линии наибольших глубин для выявления элементов рельефа дна - плесов и перекатов;
- предложена методика математического моделирования морфологических параметров русла реки, сокращающая время изысканий.
В настоящее время основным средством получения данных о морфологии русла водотока остаются специальные гидрологические изыскания, проводимые на реках. При этом учитываются все составляющие процесса руслообразования: детерминированный, вероятностный и случайный.
Однако в последнее время для упрощения расчетов все большее распространение находят методы формализованного (математического) описания русел водотоков. Объективным основанием для такого подхода является положение о том, что геометрия речного русла для водотоков, протекающих в сходных условиях (географических, климатических, морфологических), при одинаковых условиях руслообразования, может быть охарактеризована математической зависимостью, справедливой для отдельного участка реки или для целой группы одиночных водотоков.
Такой метод повышает точность результатов исследований по отдельным гидрометрическим створам, причем:
- значительно снижает, а часто и полностью исключает затраты на проведение повторных гидрометрических изысканий с целью получения данных о поперечных профилях русла реки;
- позволяет выполнить прогноз деформаций русла по плановому положению на отдаленную перспективу;
- учитывает полностью детерминированную и вероятностную составляющие процесса руслообразования, не принимая во внимание случайные факторы, тем самым в явном виде представляя картину динамики русловых деформаций.
Актуальность применения такого метода подчеркивается расположением значительной нижней части реки Большая Кокшага в государственном природном заповеднике. С одной стороны, это идеальная научная база для изучения фоновых русловых деформаций, а с другой - особо охраняемая территория, где пребывание человека необходимо исключить вовсе или, по крайней мере, свести его к минимуму.
В гидрометрии рек существует несколько методик построения поперечных профилей русел рек, но большинство из них характеризуются большой неточностью (погрешность 50% и более). Причиной неточностей явилось построение только симметричных профилей дна для любых участков реки. В том числе и на участках при меандрировании, где четко заметно смещение фарватера относительно динамической оси и стрежня русла.
Методики, учитывающие асимметричность поперечного профиля русла реки, являются более точными, но требуют значительного объема данных о морфологии водотока и поверхности дна реки.
По результатам проведенных гидрологических изысканий авторами разработана новая методика на основе статистического моделирования морфологических параметров русла.
Из нескольких промерных створов (фиг.1) для примера были приняты данные глубин реки по гидрометрическому створу №86 р.Малая Кокшага.
Профиль дна реки. Вначале измерялась глубина дна реки по водотоку, в частности в гидрометрическом створе №86 реки Малая Кокшага (фиг.2). Нулевая линия показывает поверхность воды в реке.
После моделирования (фиг.3) была получена формула:
содержащая три составляющие. Коэффициент корреляции модели (1) равен 0,9974. Этот высокий показатель характеризует высокую адекватность полученной закономерности, которая в дальнейших расчетах вполне может заменить табличные данные. При этом площадь водного сечения определяется интегрированием формулы (1). Смоченный периметр также вычисляется по указанной статистической модели.
Первая часть модели (1) показывает углубление дна от левого берега реки, а вторая - подъем дна до правого берега. При этом обе части имеют вид закона показательного (аллометрического) роста.
Третья составляющая является волновой закономерностью, показывающей волновую динамику руслообразования.
Замена системы координат. Затем измерялась нивелированием пойма реки в данном гидрометрическом створе №86 (фиг.4).
Однако старая система координат недостаточно эффективна из-за появления отрицательных полуплоскостей в системе координат. Кроме того, она не позволяет привязать промерные точки дна реки совместно с произвольными промерными точками на пойме реки. А это, в свою очередь, не дает практической возможности определить динамику руслообразования в прошлом, так как хорошо известно, что пойма с террасами является результатом формирования русла в прошлом, а также при разливе в весеннее половодье. Поэтому по предложенному техническому решению на террасах поймы выбирается крутой склон поймы, который может располагаться в зависимости от географического положения реки и ее течения на левом или на правом берегу.
В данном примере крутой склон расположен на правом берегу и вполне конкретная береговая кромка террасы (фиг.5).
Относительно этой кромки устанавливается новая ось абсцисс. А в точке пересечения этой оси с профилем другого берега принимается начало новой системы координат. Затем проводится ордината и от нее отсчитываются расстояния до всех промерных точек на пойме и по дну реки.
Максимальный уровень реки, как правило, всегда ниже полученной оси абсцисс. Если гидрометрический створ имеет многоступенчатую террасу, то выбирается такая точка на крутом берегу, которая находится выше любого предельно возможного уровня реки в самый полноводный год.
В данном примере оказались лишние точки промеров на обоих берегах, причем от опорной точки для измерений высоты до поверхности почвы совместно с глубиной реки в момент проведения измерений на правом берегу начинается пологая поверхность.
Убирая лишние промерные точки, получаем данные для моделирования профиля реки одновременно по дну реки и пойме (фиг.6).
Общий профиль створа по дну и пойме. Он определяется по всем точкам промера от кромки крутого берега. В данном примере эта крутизна образовалась за тысячи лет из-за влияния силы Кориолиса, возникающей от вращения Земли, и силы давления на правый берег от закручивания водотока на излучине реки (см. фиг.1). Вода реки от силы инерции давит на правый берег, медленно разрушая его, и тем самым появляется четкая опорная точка на береговой линии для геодезических измерений.
После обработки данных измерений было получено основное уравнение совместной формы дна реки и речной поймы (фиг.7) вида
Коэффициент корреляции модели (2) равен 0,9784, и это значение незначительно меньше формулы (1) для профиля только у поверхности дна реки.
Первая часть модели (2) показывает углубление дна от левого берега реки, а вторая - подъем дна до правого берега. При этом обе части имеют вид закона показательного (аллометрического) роста. Третья составляющая в виде биотехнического закона проф. П.М.Мазуркина показывает детерминированное влияние устойчивости профиля поймы реки.
Остатки после формулы (2), вычисляемые автоматически как разность между фактическими и расчетными значениями глубины промеров от кромки крутого берега реки, показаны на фиг.8.
Как видно из распределения точек на фиг.7 и остатков после формулы на фиг.8, видны волновые изменения, для математического описания которых дополнительно к уравнению (2) получили еще четыре волновых составляющие (фиг.9, фиг.10, фиг.11 и фиг.12) по волновой модели общего вида:
Первая волна на фиг.9 показывает формообразование левого берега, а вторая (фиг.10) - правого берега. График на фиг.11 характеризует волновое эрозийное образование дна реки, а на фиг.12 - поймы реки.
Таким образом, модель руслообразования реки в данном гидрометрическом створе получает семь составляющих. Из них первые три показывают детерминированное формирование дна реки и ее поймы за десятки тысяч лет, а последние четыре части общего уравнения характеризуют вероятностную динамику углубления русла реки за сотни лет. Остатки после суммы уравнений (2) и (3) показывают влияние случайных факторов, импульсно воздействующих на процесс руслообразования реки.
В естественных условиях доля случайного изменения русла весьма мала, поэтому в равнинных условиях преобладает детерминированное изменение профиля русла реки. А в горных условиях можно предположить преобладание вероятностных факторов с сильно изменяющимися колебательными возмущениями профиля поперечного сечения дна и поймы реки.
Предлагаемый способ обладает простотой и значительно повышает точность соотнесения данных измерения глубины реки от поверхности воды до дна реки с данными нивелирования поверхности поймы относительно кромки крутого берега реки. При этом получаемые статистические закономерности в дальнейших расчетах основных гидравлических характеристик реки значительно сокращают трудоемкость и повышают точность вычислений. Техническое решение позволяет сопоставлять параметры профиля реки по гидрометрическим створам вдоль реки с результатами экологических, гидротехнических, гидрологических, ландшафтных, экосистемных, биотехнических, биохимических и иных исследований. При этом предлагаемый способ позволяет составлять геоинформационные системы по отдельным сериям измерений по совокупностям гидрометрических створов реки.