Разработка научных основ управления русловыми процессами для обеспечения гидрологической безопасности на реках (РФФИ)НИР

Development of scientific principles of river channel processes control for maintaining hydrological safety at rivers

Соисполнители НИР

МГУ имени М.В. Ломоносова Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Разработка научных основ управления русловыми процессами для обеспечения гидрологической безопасности на реках
Результаты этапа: 1. Разработка общей концепции управления русловыми процессами как основы обеспечения гидрологической безопасности на реках, протекающих в разных природных условиях. 2. Разработка теоретических основ и методологии управления русловыми процессами опирающейся на природные закономерности их развития, морфологию и динамику русел с учетом условий прохождения руслоформирующих расходов воды, устойчивости русел, стока и состава наносов, степени антропогенной измененности русел рек и их режима. 4. Обобщение положительного опыта и негативных последствии регулирования русел рек России и сопредельных государств для различных отраслей экономики с оценкой причин последних. 5. Разработка методов и приемов управления русловыми процессами для предотвращения опасных гидрологических явлений, совершенствования водных путей, прокладки через реки коммуникаций, обеспечения среды обитания ценных пород рыб с обоснованием гидроэкологической безопасности на конкретных реках. 6. Обоснование системы показателей для больших и крупнейших рек, по которым должно проводиться ранжирование их участков по условиям управления русловыми процессами. 7. Оценка условий, научное обоснование и разработка методов и приемов управления русловыми процессами на р. Оби с учетом ее водно-транспортной значимости, наличия урбанизированных и экономических освоенных участков, многонаселенных переходов через реку и т.д. 8. Разработка научных основ восстановления русел малых рек для обеспечения гидроэкологической безопасности (на примере рек Нижегородского правобережья Волги) и обеспечения среды обитания лососевых рыб (на примере рек Камчатки). 9. Выполнение исследований на реках бассейна Лены, на р. Оби, реках Камчатки, Алтая, центра ЕТР и Поволжья для получения материалов, необходимых при разработке методов управления русловыми процессами. Соответственно планируются поездки в указанные районы страны, выполнение натурных исследований и анализ имеющихся данных и материалов. 10. Разработка схем районирования России по условиям и методам управления русловыми процессами, антропогенной измененности речных русел, природной и природно-антропогенной их обусловленности, обеспечения гидроэкологической безопасности при их реализации.
2 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка научных основ управления русловыми процессами для обеспечения гидрологической безопасности на реках
Результаты этапа: Кратко 1. Защита одной и представление к защите одной кандидатских диссертаций. 2. Подготовка статьи "Гидролого-географические основы управления русловыми процессами". 3. Издание монографии "Русловые процессы и путевые работы на судоходных реках" (Р.С. Чалов в соавторстве) 4 Подготовка участниками проекта 7 научных статей для высокорейтинговых журналов и 3 статей для сборников статей. Выступление с докладами по тематике проекта на различных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах Подробно На основе ретроспективного анализа переформировании русел рек Северной Двины, Мезени, Печоры, Вычегды, Лены, Оби, малых рек Нижегородского Приволжья и Камчатки установлены закономерности их изменений за историческое время в связи c cаморазвитием русловых форм, периодическими и направленными колебаниями водности рек и антропогенными воздействиями. Получены гидролого-морфологические связи между параметрами русла и характеристиками водности рек, позволяющие оценить вклад периодических колебаний и повышений/понижений водности, связанных с направленными глобальными изменениями природной среды и климата, а также выделить воздействие антропогенных факторов на трансформацию русел, вплоть до смены их морфодинамических типов. Установлена периодичность в такой смене, обусловленная соответствующей периодичностью в колебании гидрологических характеристик реки. Временные изменения параметров русловых форм и полученные периодические и направленные изменения в морфодинамике русел определяют пространственно-временную изменчивость методов и приемов управления русловыми процессами, которые, таким образом, зависят от стадии развитости русловых форм (излучин, разветвлений) и крупных форм руслового рельефа (перекатов) и от цикла в периодических колебаний стока воды и наносов и направленных тенденции их изменений. Например, установлено, что в многоводные циклы сопряженные разветвления трансформируются в параллельно-рукавные, в маловодные – снова становятся сопряженными; в пойменно-русловых разветвлениях меандрирующего русла в маловодные годы развиваются рукава, по которым осуществляется «короткий перевал» реки от одного борта долины к другому, в многоводные – наоборот; в многоводные годы возникают благоприятные условия для спрямления развитых и крутых излучин, но, в то же время, размывы берегов в их привершинных частях сокращаются, а фронт размыва смещается в нижние крылья. При направленном изменении водности (в зависимости от знака) эти трансформации становится необратимыми. Учет таких изменений в морфодинамике русла позволяет в разные временные интервалы по-разному подходить к проектированию тех или иных водохозяйственных или путейских мероприятий и, при наличии, соответствующих прогнозных оценок применять разные приемы регулирования русла либо производить смену приемов (если прогнозируемые изменения носят направленный характер). Для больших рек России разработаны схемы ранжирования участков по формам проявления русловых процессов, факторам и условиям руслоформирования, затруднительности (сложности) их регулирования (управления), опасности для функционирования объектов хозяйственной деятельности в русле и на берегах, надежности сооружений и т.д. Произведено на основе дополнительных материалов уточнение подобных схем для Оби, Северной Двины, Вычегды, Лены, причем для наиболее сложных участков рек разработаны и обоснованы конкретные мероприятия по воднотранспортному регулированию русел (Северная Двина, Печора, Обь, Лена) на большей части их протяженности или, на урбанизированных и экономически освоенных участках, по комплексному управлению русловыми процессами (Лена в Якутском водном узле, Северная Двина от слияния Сухоны и Юга до устья Вычегды, Обь в районе г. Новосибирска и др.). Дана оценка русловых процессов как фактора развития опасных гидрологических явлений (наводнения, заторов льда, заломов и др.), а также опасности проявления самих русловых процессов (размыва берегов, заносимость акваторий водозаборов, портов и т.д.). На примере Северной Двины, Лены, Оби, Томи, Вычегды, Катуни, Колымы, Амура обоснованы рекомендации по управлению русловыми процессами для снижения вероятности возникновения кризисных и особенно катастрофических ситуаций, связанных с русловыми процессами. Для р. Катуни в Уймонской котловине и Томи на участке г. Междуреченск - г. Новокузнецк предложены комплексы мероприятий по предотвращению затоплений из-за неблагоприятного развития русловых переформирований и воздействия антропогенных факторов; для низовий Катуни разработаны предложения по регулированию русла для обеспечения водных подходов к Бийскому карьеру гравийно-галечных стройматериалов и защите берегов от размыва; на средней Оби уточнены проектные предложения по защите г. Колпашево от размыва в связи с задержкой реализации проекта по спрямлению излучин для отвода реки от города; на р. Лене в Якутском водном узле обоснована комплексная схема управления русловыми процессами в связи с «уходом» реки от города для обеспечения нормального функционирования городского водозабора, водных подходов к порту и Жатайскому ССРЗ. Выполнены натурные исследования на малых реках Нижегородского Предволжья (бассейн р. Кудьмы), Камчатки, крупнейших судоходных реках – Оби, Амуре, Лене, Северной Двине, Печоре. На р. Аваче (Камчатский край) впервые установлены закономерности русловых деформации, определяющие постоянные изменения русла и вызывающие регулярную опасность разрушения населенных пунктов. На р. Кудьме и ее притоке р. Озерке, бассейны которых охватывают староосвоенные в сельскохозяйственном отношении территории, выявлено неблагоприятное влияние массового спрямления русла (р. Кудьма) или разрушения мельничных плотин, приведших к врезанию рек и избыточному осушению бывших пойменных земель. Стационарные наблюдения (мониторинг) на этих реках позволил установить зависимость темпов размывов берегов от водности половодий конкретного года. Полученные новые материалы о русловом режиме исследованных рек позволили разработать научно-обоснованные рекомендации по обеспечению гидроэкологической безопасности на урбанизированных и экономически развитых территориях (Якутск на Лене, Великий Устюг – Котлас на Северной Двине, Новосибирск, Барнаул на Оби, Зырянка на Колыме и др.), а также перспективных для водохозяйственного и воднотранспортного освоения реках (последнее, в том числе, в связи с северным завозом народнохозяйственных грузов и тем вниманием, которое сейчас уделяется Крайнему Северу и Северному морскому пути). При этом установлены новые особенности развития русловых процессов благодаря применению новейших технологий и аппаратуры для натурных исследований. Так впервые получили в натурных условиях скоростные поля крупнейших и больших рек на участках с наиболее сложными типами русла – параллельно-рукавными разветвлениями на Лене и Оби, в местных расширениях русла на верхней и средней Оби (использовался допплеровский измеритель течения, совмещенный со спутниковым навигатором). Это позволило установить схему режима деформаций соответствующих типов русла и перекатов; на этой основе были разработаны упомянутые выше методы и приемы управления на них русловыми процессами. Особое внимание было уделено выявлению специфических особенностей и форм проявления русловых процессов, связанных с вулканической деятельностью (Камчатка), влиянием селевых потоков (реки Северного Кавказа), оползневых явлений (верхняя Обь вдоль 100-метровых уступов Предалтайского степного плато, сложенного лессовидными суглинками, выносов в реки продуктов овражной эрозии, воздействием биогенных факторов – массового прохода на нерест по малым рекам рыб (Камчатка), бобров (Кудьма). Показано, что оползни на Оби (как и на других реках) приводят к отклонению потока от коренного берега и развитию боковых, часто второстепенных рукавов, что необходимо учитывать при проектировании водохозяйственных мероприятий. На Оби сход оползня привел к уходу реки от райцентра Шелаболиха, который в итоге лишил водного подхода к нему. Разработаны принципы учета русловых процессов на нерестовых реках Камчатки. Выявлена роль экстремальных гидрологических явлений (половодий, паводков) на состояние русла. Показано, что они в основном ускоряют русловые переформирования, но не вносят кардинальные изменений в их направленность. Так на нижней Катуни и верхней Оби в экстремальное половодье 2015 г. произошло развитие рукавов, что в обычных условиях по прогнозным оценкам могло произойти еще через 2-3 года. Установлено, что ледовые заторы способствуют поддержанию активности некоторых ответвлений (пойменной многорукавности), в которые устремляется течение реки в обход ледовой плотины. Такие выводы были получены при исследовании последствий экстремальных повышений уровней воды на Оби, Амуре, Лене, В отдельных случаях (они зафиксированы на Лене и на Енисее) возможна разработка при этом второстепенных рукавов до состояния основных, в которые перемещается главное течение реки. В то же время при наводнениях повышения отток воды и затопление поймы способствует снижению транспортирующей способности потока и аккумуляции наносов (обмелению) перекатов. Также возможные и разнонаправленные воздействия экстремальных гидрологических событий должны учитываться при разработке проектов управления русловыми процессами. Наряду с этим при обосновании проектов управления русловыми процессами необходимо учитывать и оценивать воздействие на них уже существующих гидротехнических, воднохозяйственных и транспортных сооружений. Так на Северной Двине разработка капитальных прорезей привела к трансформации Телеговского одиночного разветвления в одностороннее, что, в свою очередь, привело к принципиально новому подходу к проектированию в этом узле путевых работ для улучшения условий судоходства. Аналогичная перестройка произошла на Оби, где сопряженные разветвления трансформировались также в односторонние. В нижнем бьефе Новосибирской ГЭС разветвленное русло за 50 лет превратились в прямолинейное неразветвленное или меандрирующее (пологие излучины) благодаря сбору потока в едином русле. Соответственно меняются и методы управления русловыми процессами, неодинаковые для русла с разным морфодинамическом типом русла. Во многих случаях антропогенное воздействие на русла рек (дноуглубления на затруднительных перекатных участках, укрепление берегов от размыва и т.д.) приводит к стабилизации русла, и тогда речь идет о таких мероприятиях, которые обеспечивали бы сохранность достигнутого положительного эффекта. В рамках проекта разработана ГИС «Русловые процессы реки бассейна р. Кудьмы и созданы основы ГИС «Управление русловыми процессами». Аналогичные в отчетном году исследования по настоящему проекту способствовали уточнению общей концепции управления русловыми процессами на основе гидролого-географического подхода, т.е. учета естественных закономерностей русловых процессов на реках в разных природных условиях, отличающихся водностью, стоком наносов, геолого-геоморфологических обстановкой, экстремальными и специфическими проявлениями. При этом под управлением русловыми процессами понимается искусственное воздействие на них для ограничения или предотвращения опасных проявлений или их изменений с использованием положительных тенденций развития в желательном для жизни и деятельности людей направлении; управление русловыми процессами базируется на современных знаниях в области русловедения и преследует цель наиболее полного удовлетворения потребностей водопользователей при сооружении рек как природных объектов и минимизации негативных последствий в состоянии их русел. В конечном счете управление русловыми процессами представляет собой систему организационно-технических мероприятий, направленных на стабилизацию речных русел, повышение их устойчивости и обеспечения безопасности при использовании водных и связанных с ними земельных ресурсов, эксплуатации рек как водных путей сообщением и т.д.
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка научных основ управления русловыми процессами для обеспечения гидрологической безопасности на реках
Результаты этапа: Разработана общая теория и методология управления русловыми процессами при использовании водных, минеральных и земельных ресурсов, водохозяйственном и воднотранспортном освоении рек. Обобщены материалы исследований за весь период выполнения проекта. Выполнена оценка влияния изменений стока воды и наносов (природной среды и климата), антропогенных воздействий на реки и факторы русловых процессов на трансформацию морфодинамики речных русел. Даны типизация воздействий на русловые процессы различных видов хозяйственной деятельности, оценка гидроэкологических последствий выполнения дноуглубительных, добычных, строительных и других видов работ , связанных с использование и эксплуатацией рек для различных отраслей экономики. Выявлены региональные и местные особенности управления русловыми процессами. Разработаны научные основы восстановления малых рек Нижегородского Предволжья и среды обитания лососёвых рыб на реках Качатки. Создана схема районирования территории России по условиям управления русловыми процессами. Защищена одна кандидатская диссертация, подготовлены разделы двух докторских и кандидатской диссертаций. Написан раздел в монографию "Русловедение: теория, география, практика", том 3 "Антропогенные воздействия, опсные проявления и управление русловыми процессами".

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".