1 Термины и определения
Береговая линия – линия пересечения поверхности моря или озера с поверхностью суши. В связи с тем, что уровень воды изменяется даже за короткий промежуток времени, береговая линия представляет собой условное понятие, применяемое относительно среднего многолетнего положения уровня водного объекта [13].
Водный режим – изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах и почва грунтах [13].
Гидрологический режим - совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния водного объекта, присущих ему и отличающих его от других водных объектов [13].
Наводнение – затопление территории водой, являющееся стихийным бедствием (наводнение может происходить в результате подъема уровня воды во время половодья или паводка, при заторе, зажоре, вследствие нагона в устье реки, а также при прорыве гидротехнических сооружений) [13].
Затопление – образование свободной поверхности воды на территории в результате паводков, нагонов волн и повышения уровней воды [13].
Зона затопления – территория, покрываемая водой в результате превышения притока воды по сравнению с пропускной способностью русла [13].
Затор – скопление льдин в русле реки во время ледохода, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды [13].
Зажор – скопления шуги с включением мелкобитого льда в русле реки, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъем уровня воды [13].
Паводок – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интенсивным обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей [13].
Катастрофический паводок – выдающийся по величине и редкий по повторяемости паводок, могущий вызвать жертвы и разрушения [13].
Ледовый режим – совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на водных объектах [13].
Подтопление – подъем уровня грунтовых вод, вызванный повышением горизонта вод в реках, водохранилищах [13].
Подпор воды – повышение уровня воды из-за наличия в русле препятствия для ее движения [13].
Пойма – часть дна речной долины, сложенная наносами и периодически заливаемая в половодье и паводки [13].
Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды, и вызываемая снеготаянием или совместным таянием снега и ледников[13].
Уровень воды – высота поверхности воды в водном объекте над условной горизонтальной плоскостью сравнения [13].
2 Методика исследования
Методика исследований пространственно-временных изменений гидрологических характеристик включала в себя:
1) сбор данных расходов и уровней воды, их анализ и исключение недостоверных данных;
2) расчет статистических параметров рядов наблюдений и погрешностей их определения;
3) проверку временных рядов на однородность.
Все статистические расчеты проводились в соответствии с [34,50].
1. При изучении колебаний водного стока использовались данные о расходах и уровнях речных вод, опубликованных фондовых данных Росгидромета, а также полученные сотрудниками ТПУ, ТГУ в 1918–2015 гг. (сведения о 4 постах на р. Томь).
2. Расчет статистических параметров рядов гидрологических показателей проводился в соответствии с [34,54]:
1) среднеарифметическое значение:
(2.1)
, (2.2)
где n – длина ряда; - среднее квадратическое отклонение;
2) среднее квадратическое отклонение:
(2.3)
(2.4)
где ? – среднее квадратическое отклонение;
3) коэффициент корреляции r:
, (2.5)
, (2.6)
где x и y – значения анализируемых характеристик;
r – по приближенной зависимости;
4) коэффициент вариации:
(2.7)
– модульный коэффициент, характеризующий водность года;
5) коэффициент асимметрии:
(2.8)
3. Статистический анализ гидрологических, данных включал в себя, прежде всего, проверку однородности рядов наблюдений, она осуществлялась с помощью критериев Фишера (Fk) и Стьюдента (Sk), ряд данных делился на две части в периоды, когда начата хозяйственная деятельность на реке.
Критерий Фишера оценивает однородность дисперсий:
(2.9)
где , – выборочные дисперсии.
По критерию Стьюдента можно судить об однородности средних значений в рядах:
(2.10)
где Qsrx, Qsry – выборочные средние значения рядов наблюдений;
nх, ny – объемы выборки.
Полученные фактические значения Fk и St сравнивались с теоретическими значениями при уровне значимости 5% с учетом с коэффициента автокорреляции r(1) [34].
Если Fk< Fkp, то гипотеза об однородности дисперсий не отвергается, если Fk > Fkр, то дисперсии неоднородны. Если St < Skр, то гипотеза об однородности выборки по средней не отклоняется, если Sk > Skр, то средние неоднородны.
Построение кривых обеспеченностей проводилось в соответствии с [34, 54].
В соответствии с [42], оценка зон границ затопления устанавливаются территории, затапливаемые при максимальных уровнях воды 1, 3, 5, 10, 25 и 50-процентной обеспеченности (повторяемость 1, 3, 5, 10, 25 и 50 раз в 100 лет).
Построена модель для оценки условий затопления поймы в районе г. Томск.
Исходные данные для расчета получены:
1) Томским центром гидрометеослужбы (ТЦГМС) – данные об уровнях и расходах воды (за май и август 2004 г.), о ледовом режиме р. Томи в г. Томске;
2) материалы промерных и топогеодезических работ специалистами ОАО «Томскгеомониторинг».
С учетом сложности объекта исследования (участка р. Томи в пределах Томской области на протяжении 115 км) и ранее отмеченных затоплений как исторической, так проектируемой к освоению части жилой застройки в границах г. Томска и Томского административного района, в качестве основного метода исследования было выбрано математическое моделирование, а именно – моделирование кривой свободной водной поверхности (КСП) и поверхности реки при ледовых заторах на участке 0–115 км от устья реки Томи при различных вариантах хозяйственной деятельности.
Модель включает в себя:
а) блок описания рельефа русла и поймы с шагом по длине 1 км, по ширине меженного русла в 50 м, по ширине поймы до 1 км от меженного русла – 100 м, по ширине поймы далее 1 км от меженного русла – 200 м. Отметки русла сняты по лоциям и материалам русловых съемок АО «Томскгеомониторинг», отметки поймы и долины – по цифровым топографическим картам с уточнением по материалам топогеодезических работ;
б) блок расчета (по уровню воды в устье, при котором у г. Томска наблюдаются заданные значения уровня и расхода воды) в каждом сечении ширины и средней глубины потока, уклона водной поверхности между смежными створами, коэффициента Шези (по формуле Маннинга), средней скорости течения (по формулам Шези и Маннинга) по методу А.Н. Рахманова с подбором приращения уровня воды в выше расположенном смежном створе [23]; при этом используется допущение о незначительности бокового притока, который в целом меньше или не превышает погрешность определения расхода воды Томи [50];
в) блок расчета подпора воды при формировании на участке ледового затора и зажора по методике, изложенной в [51]:
(2.11)
где – расход воды в момент формирования ледохода и в среднем за многолетний период, м3/с (норма стока принята в размере 1130 м3/с);
– средняя глубина потока в сечении, м;
J – уклон водной поверхности, м/км;
Л – толщина ледовых образований, м.
Дополнительно выполнен расчет вертикальных деформаций русла по модифицированной методике А.В. Караушева [23] с определением мутности по формуле:
(2.12)
где Cш – коэффициент Шези;
k1, k2 – эмпирические коэффициенты (для р. Томи у г. Томска в гидростворе получены методом наименьших квадратов значения:
ln(k1) = –5,623?1,382;
k2 = –4,573?0,734; квадрат корреляционного отношения R2 = 0,37).
Моделирование КСП выполнено при следующих сценариях хозяйственного освоения:
1) отсутствие воздействий (с учетом существующей защитной дамбы на правом берегу); условия весеннего половодья в гидростворе г. Томска в среднем за май 2004 г. (расход воды Q = 4810 м3/с; уровень воды Z = 74.88 м; толщина льда Л=0.76 м);
2) углубление меженного русла на участке 64–72 км от устья до отметок 64–65 м БС;
3) строительство магистрального канала в левобережной пойме на участке 51–77 км от устья (отметка дна канала 66–67 м) для усиления отвода водных масс с городской территории;
4) строительство дамбы на левом берегу на участке 58–71 км (отметка гребня 80 м);
5) строительство дороги на левобережной пойме на участке 59–70 км (отметка дорожного полотна 80 м);
6) строительство дамбы и дороги на левобережной пойме с параметрами, указанными в вариантах 4 и 5;
7) строительство на правом берегу берегозащитного сооружения на участке 65–75 км от устья шириной 50 м с отметкой гребня 80 м;
8) отсутствие воздействий; условия летне-осенней межени в гидростворе г. Томска в среднем за август 2004 г. (Q = 451 м3/с; Z = 74.88 м).
3 Природно-антропогенные условия формирования стока р. Томи
3.1 Административное и географическое положение
Река Томь находится на юго-востоке Западной Сибири, является правым притоком Оби, вторым по водности притоком Оби (после Иртыша). Бассейн реки расположен на юго-востоке Западной Сибири, его водосбор составляет площадью 62000 км2, общая протяжённость – длина 827 км, из которых участок нижнего течения длиной 125 км расположен в Томской области; ширина поймы до 3 км, средняя глубина в районе г. Томска составляет 2,5 м, перепад высот от устья до истока 1185 м, средняя скорость течения от 0,33 м/с на равнинной части до 1,75 м/с на горных перекатах.
Река имеет более 115 притоков, наиболее крупными из них являются Бельсу, Кабырза, Кондома, Мрас-Су, Тайдон, Уса и другие. Основными источниками питания рек является осадки (жидкие и твердые) и подземные воды.
В административном отношении р. Томь протекает в пределах Республики Хакасия (горный участок реки); Кемеровской области (равнинный, самый большой по протяженности участок реки) и Томской области, где р. Томь впадает в р. Обь[47]. Водосбор р. Томи в соотношении административных зон распределяются так: в Кемеровской области – более 68%, в Томской области – 23%, а остальных зонах, республика Хакасия и Алтай и Новосибирская область – 9%.
Верхним течением Томи является расстояние от истока до устья Кондомы. На этом отрезке длина реки составляет 267 километров.
В верхнем течении Томь, на протяжении 213 километров, проходит по горным районам Республики Хакасия и югу Алатауско-Шорского нагорья Кемеровской области. На этом отрезке течение реки имеет горный характер. Долина реки узкая и глубоковрезанная, высота бортов доходит до 150-200 метров. Скорость течения быстрая – до 2,1 метров в секунду. Глубина реки на перекатах не превышает 35 сантиметров. При пересечении границы Республики Хакасия и Кемеровской области и далее до устья р. Теба ширина Томи составляет 50-100 метров, глубина – от 1 до 1,7 метров. Долина реки остается узкой с крутыми бортами, достигающими в высоту до 1000 метров, поймы нет. Скорость течения составляет 2,8 метров в секунду[41].
От устья Тебы до Новокузнецка ширина русла увеличивается до 120-300 метров, ширина долины реки достигает 1,5-2 километра. Скорость течения уменьшается до 1,5-2 м/с. После слияния Томи с ее двумя крупными притоками, рек Уса (179 км) – район г. Междуреченск и Мрас-су (350 км) – район г. Мыски, река становится более широкой и полноводной. Ширина русла составляет 200-400 метров, скорость течения – 1м/с. Правый берег реки остается крутым, левый становится пологим[41].
От устья реки Мрассу Томь пересекает границу горных массивов с Кузнецкой котловиной и приобретает более равнинный характер течения, в русле реки появляются острова, на плесах скорость течения снижается до – 0,1-0,3 м/с. Далее Томь принимает в себя около десятка более мелких притоков, после впадения реки Кондома она окончательно приобретает характер равнинной реки. От устья Кондомы до города Юрга – среднее течение Томи[41].
После впадения р. Кондома начинается участок среднего течения. Площадь 20808 км2, высота изменяется от 1000 до 500 м. Наивысшие точка 987 м данного района находится в водосборе р.Кондомы, гора Челтан.
От г. Новокузнецк до г. Томска, типичная равнинная река с медленным и неторопливым течением. Протекая через Кемеровскую область, река собирает основную массу водосбора региона. В этот район входи от устья р.Тебы до устья р.Тойдон, и все ее притоки на этом участке. Мрасс-су с притоками.
Ниже по течению от г. Юрга начинается участок нижнего течения. В районе пересеченных высоты изменяются от 500 до 200 м. Протекая уже от г. Югры река собирает малые притоки такие как: Лебяжья, Сосновка, Басандайка, Ушайка, Б.Черная, Киргизка, Кислока, Порос, Самуська и другие.
Ниже с. Ярского река становится шире, имеются огромные плесы шириной 700 м.
Р. Томь, чем дальше течет на север, тем более приобретает равнинный характер. Берега становятся ниже, пойма шире, возрастает извилистость, появляется много островов, перекатов осередков и кос.
Скорость течения р. Томь является непостоянными, они изменяются в зависимости от изменении уровней воды, и наблюдается резкое повышение скоростей в зимнее и летнее время.
Так, реки предгорий Кузнецкого Алатау на юго-востоке территории заметно отличаются от равнинных рек большими уклонами, скоростями течения, глубиной вреза русла. Ширина р. Томь, исключая разветвленные участки, изменяется от 8 м в истоке реки до 500 м в нижнем течении [33].
Уклоны в нижней части долины – от устья до водомерного поста Томск-пристань (70 км) – составляют в среднем 0,04 м/км, от г. Томска до г. Кемерово (370 км) – 0,19 м/км. Далее вверх по течению уклоны постепенно увеличиваются и составляют в среднем на участке от г. Кемерово до г. Новокузнецк 0,31 м/км. Продольные уклоны долины, водной поверхности и, как следствие, разрушающая способность потока по отношению к ледовому покрову в слабовсхолмленной части бассейна на порядок выше, чем в равнинной части.
3.2 Рельеф и геология
Рельеф водосбора р. Томи весьма разнообразен. В верхней части высоты отдельных гор достигают 2165 м. К северу они понижаются и в средней части достигают 1000 м, а севернее составляют 500 м. В устье высота водосбора снижается до 75 м. Водосбор имеет грушевидную форму. Ширина верхней части водосбора – около 160 км, в средней части – 40–50 км, в нижней части – около 80 км.
Истоки р. Томи расположены на высоте 800 м восточнее пос. Томалык в виде трех малых рек под общим названием «Вершина Томи». Левобережная часть водосбора, в общих чертах, возвышенная и пологая. Правобережная часть горная и сильно расчленена. На всем протяжении правобережной части водосбора сильно развиты овраги, балки и обвалы берегов. В силу орографии водосбор асимметричный. На левобережную часть приходится 61,5 %, а на правобережную — 38,5 % всей площади водосбора. Такой характер строения водосбора обуславливает собой и основные русловые процессы [33].
Основная часть водного стока берет начало на западном склоне Абаканского хребта (на высоте 1770 км над уровнем моря) и течет вначале на запад до г. Кемерово, а потом на северо-запад и впадает в р. Обь справа на 2654 км от устья. Стекая с Абаканского хребта, река протекает по Кузнецкой впадине, ограниченной с северо-востока системой гор Кузнецкого Алатау, с юго-запада Салаирским кряжем. В нижнем течении р. Томь протекает в пределах юго-восточной окраины Западно-Сибирской равнины [33].
В геологическом отношении территория бассейна р. Томи сложная и представляет собой зону двух крупных структур Алтая и Саянской горной страны, представляющаяся собой на (рис.1): Кузнецкий Алатау, Салаирский кряж, Горную Шорию, Томскую складчатую зону и Западно-Сибирскую платформу (плиту). Колывань – Томская зона является переходной зоной от Салаирского кряжа к Западно-Сибирской платорме [14].
Граница между ними достаточно условная и проходит по р. Томь и далее в северо-восточном направлении по ее первому притоку – р. Киргизка и левому притоку – р. Яя [14].
Рисунок 1 – Геологическая карта Сибирский федеральный округ [10].
Кузнецкий Алатау представляет собой горное сооружение со средними высотами 600–800 м, однако некоторые массивы поднимаются до высоты 1800–2000 м. Западный склон его крутой и обрывается к Кузнецкой котловине системой уступов. Много небольших стремительных речек протекает через узкие ущелья, как и сама р. Томь. Восточный склон более пологий, расчлененный широкими, хорошо разработанными с плоским дном и спокойно текущими реками [43].
Среди пород, развитых в данном регионе, выделяются: Кембрийскими мраморами и силурийскими сланцами, порфиритами и туфами. Местами они прорваны интрузиями и перекрыты куполами базальтов и диабазов. В западной части развиты известняки и песчаники. Пески и глины юрского возраста распространены по течению ряда рек. Мезозойские отложения встречаются только на севере Кузнецкого Алатау [15].
Горная Шория расположена между южными отрогами Кузнецкого Алатау и Салаирского Кряжа в верхнем течений р. Томи и ее притоков – рек Кондомы и Мрас-Су. Для центральной и северной ее частей характерно сильное расчленение и наибольшие высоты; на юге рельеф заметно сглаживается. Средние высоты 250–300 м, наибольшие – 1600 м [43].
Преобладающими горными породами являются девонские сланцы, местами прорванными гранитами. Коренные горные породы почти везде покрыты мощным плащом бурых глин. В наиболее возвышенных местах и на крутых склонах коренные породы выходят на дневную поверхность легко размываемые породы: известняки, известковые и хлористые сланцы – встречаются редко [15].
Кузнецкая котловина на северо-западе примыкает непосредственно к Западно-Сибирской низменности, на юго-востоке она окружена горным хребтом Кузнецкого Алатау, на юго-западе – Салаирским кряжем, на юге – сходящимися отрогами обоих хребтов [43].
Кузнецкая котловина представляет собой слаборасчлененную равнину с небольшими колебаниями высот и уклоном с юга на север. Средние высоты составляют около 450м на юге и 250 м на севере.
По своему геологическому строению Кузнецкая котловина представляет межгорную впадину геосинклинального типа, выполненную мощной толщей осадков различного возраста. Начало образования впадины относится к началу кембрия. В пределах ее в основном развиты породы верхне-палеозойского возраста, сильно дислоцированные, особенно по краям впадины, и включающие пласты углей. Мощность угленосных отложений 6–10 км [41].
Колывань – Томская складчатая зона представляет слабовсхолмленную приподнятую возвышенность с лесостепным ландшафтом. Абсолютные отметки на севере (в районе устья р. Томи) не превышают 200 м, у подножия Салаирского кряжа 250–300 м. Складчатый фундамент в пределах большой части плато скрыт под покровом рыхлых кайнозойских отложений, и лишь в отдельных частях они выходят на дневную поверхность (по левобережью р. Оби и на водоразделе Оби и Томи) [15,16].
В строении участвует геосинклинальный комплекс девонских и каменноугольных отложений, представляющий собой породы коренной основы. Они представлены преимущественно глинистыми сланцами с прослоями песчаников и известняков. Породы поверхностного образования здесь представлены в основном песками и глинами, перекрытые в верхней части лессовидными породами [14].
Ниже по течению от г. Томска, до впадения в р. Обь, бассейн р. Томь располагается уже на Западной-Сибирской платформе с лесостепным ландшафтом, постепенно переходящем в лесной. Это равнина местами гривистая с многочисленными западинами и блюдцами[12].
В геологическом строении равнинной части бассейна р. Томи выделяют складчатый фундамент и рыхлый мезозойско-кайнозойский чехол [12].
Палеозойский комплекс пород, рассматриваемый в качестве фундамента, представлен алевро-песчанистыми сланцами каменноугольного возраста, встречаются граниты, кварцевые диориты и др. В окрестностях Томска и выше по течению Томи породы фундамента выходят на поверхность и часто встречаются в русле реки в виде трудно размываемых порогов – «Бойцов», которые подвергаются разрушению лишь во время ледохода [14].
Мезозойско-кайнозойский комплекс пород – платформенный чехол, представлен меловыми, палеогеновыми и четвертичными отложениями, имеющий мощность от несколько десятков до сотен метров. Он сложен морскими и континентальными отложениями – глинами, песчаниками, алевритами и песками [11].
На рисунке 2 представлен геологический разрез, который проходит в черте г. Томска на 70 км по лоцманской карте от п. Тимирязево до г. Томска.
Рисунок 2 – Геологический разрез долины р. Томи в районе г. Томска [61]
Условные обозначения: Q IV – современные пойменные отложения, Q III – отложения первой надпойменной террасы, Q III – отложения второй надпойменной террасы, Q3III – отложения третьей надпойменной террасы, Q II—III – отложения древних ложбин стока, Q II – отложения четвертой надпойменной террасы, N2KC – неогеновая система, кочковская свита, Рзпт – палеогеновая система, новомихайловская свита, К-Р – мел-палеогеновая элювиальная кора выветривания, Cjlg – каменноугольная система, лагерносадовская свита, Qbs – каменноугольная система, басандайская свита.
В строении долины Томи можно видеть, как выделяются пойма и надпойменные террасы. Долина пойменная с относительно высокими склонами. Склоны террасированы, выделяют несколько террас (ориентировочно 4–5). Левый склон относительно пологий, правый склон довольно крутой, застроен, осложнен развитием овражно-балочной сети. В основании поймы подстилаются глины с отложениями новомихайловской плинты, которые, в настоящее время, местами выходят к поверхности дна реки(.
В следующем разрезе на рисунке 3 мы можем наблюдать уже аллювиальную часть долины р. Томи рядом с устьем. По сравнению с предыдущим разрезом, с обеих сторон наблюдается несколько террас. Правобережная сторона более пологая по сравнению с левой стороной берега, которая более крутая.
Рисунок 3 – Разрез долины Томи в черте г. Томск [61]
Основания поймы большей частью представлены песком, с незначительными песчано-гравийными смесями, который больше наблюдается уже в большом количестве в нижних слоях отложений надпойменных террас. Ниже пойменных отложений – песчаные и глинистые отложения новомихайловской плиты.
В окрестностях г. Томска и выше по течению р. Томи на поверхность выходят породы палеозойского фундамента, которые встречаются в русле реки в виде трудно размываемых порогов – «бойцов». Они представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 – Выход скальных пород в районе Лагерного сада [49].
Ширина пойменной части реки составляет от 300 до 500 м. Рельеф поймы характеризуется довольно слабой расчлененностью, осложнен неглубокими пойменными озерами, протоками.
Береговой уступ левобережной поймы сложен тяжелыми и средними суглинками, подстилаемыми снизу разнозернистыми песками. Поверхность правобережной части поймы в значительной степени сформирована техногенными отложениями, мощность которых достигает 5,0 м и более. Большая мощность техногенных отложений практически превращает эту часть поймы в надпойменную террасу[62].
Мощность рыхлых осадочных пород мезозойско-кайнозойского чехла в пределах бассейна колеблется от нескольких метров, до 1 км при впадении в Обь. Отложения четвертичной системы заполняют сплошным чехлом междуречья и речные долины в нижнем течении, а там, где палеозойские и мезозойские породы выходят на поверхность, их мощность значительно сокращается[62].
Современный рельеф преобразуется под влиянием деятельности человека. На склонах междуречий к речным долинам распространены овраги. Только в Томске, в долинах рек Томи и Ушайки и на их междуречье, имеется 60 оврагов, глубина которых в устьевой части колеблется от 7 до 20 м, а длина от 10 до 1000 м. Большинство из них находится в стадии развития, что связано с интенсивной распашкой земель под сельскохозяйственные угодья, огороды, вырубкой лесов [14].
3.3 Климат
Климат рассматриваемого района континентальный. Определяется он сложным взаимодействием циркуляционных факторов и характером подстилающей поверхности.
