Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 3, стр. 251-258
Особенности гидролого-морфометрических характеристик рукавов дельты Дуная в зоне подпора
М. В. Михайлова a, *, М. В. Исупова a, **, В. Н. Морозов b, ***
a Институт водных проблем РАН,
119333 Москва, Россия
b Дунайская гидрометеорологическая обсерватория,
68609 Измаил, Украина
* E-mail: mv.mikhailova@gmail.com
** E-mail: misupova@yandex.ru
*** E-mail: morozov@dhmo.org.ua
Поступила в редакцию 20.11.2019
После доработки 10.12.2019
Принята к публикации 24.12.2019
Аннотация
На примере Килийской русловой системы в крупной неприливной дельте Дуная проанализированы особенности связей между разными гидролого-морфометрическими характеристиками русел рукавов в зоне подпора. На эту зону оказывает стабилизирующее влияние мало изменяющийся средний уровень Черного моря. Рассмотрены критерии для определения границ этой зоны.
Крупные неприливные дельты обладают важной особенностью: в них есть зона подпора, где все гидролого-морфометрические характеристики русел рукавов находятся под стабилизирующим влиянием относительно неизменного среднего уровня моря. В устьях таких рек формируются (не только в межень, но и при расходах воды реки, превышающих среднемноголетние величины) вогнутые кривые водной поверхности – гидравлического подпора. Такие процессы отмечены в крупных дельтах сибирских рек [4] и в некоторых зарубежных дельтах. Причины этих процессов не были изучены из-за недостатка данных, небольшого количества гидрологических постов и гидрометрических створов в области подпора. Однако эти процессы представляют не только научный интерес, но и имеют важное практическое значение, например, при проектировании водозаборов и улучшении судоходных условий в дельтах рек.
Задачи статьи следующие:
1) выявить особенности гидролого-морфометрических характеристик русел рукавов Килийской системы неприливной дельты Дуная; при этом особое внимание уделить этим особенностям в зоне подпора, где сказывается стабилизирующее влияние уровня моря;
2) установить эмпирические связи между разными гидролого-морфометрическими характеристиками русел рукавов, в частности между главным внешним фактором – расходом воды рукава и другими характеристиками, и количественно оценить тесноту таких связей;
3) установить приблизительную верхнюю границу зоны подпора в разные фазы водного стока реки.
При решении поставленных задач использованы результаты многочисленных измерений на большом числе гидрометрических створов (створ) и гидрологических постов (пост), проведенных в последние время Дунайской гидрометеорологической обсерваторией (ДГМО) [1], а также результаты обобщения этих данных в монографии [1], написаннoй при участии всех авторов статьи. Кроме того, учтены сведения о дельте Дуная в [2–4]. Влияние эвстатического изменения уровня моря на режим дельт в статье не рассматривалось; этот вопрос специально рассмотрен в [5].
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ
Исследование проведено на примере части устьевой области Дуная, включающей в себя придельтовый участок реки и многорукавную систему крупного Килийского рукава, выходящего на приглубое взморье в северо-западном районе неприливного Черного моря (рис. 1). Придельтовый участок начинается ниже впадения левого притока Прут (в 3 км выше г. Рени); до этого места в низкую межень могут распространяться сильные нагоны. В системе Килийского рукава выделяют три разветвления: первое – ниже г. Измаил (первая внутренняя дельта), второе – ниже г. Килия (вторая внутренняя дельта), многорукавное разветвление ниже г. Вилково (так называемая морская Килийская дельта).
Рассматриваемая часть устьевой области Дуная хорошо обеспечена данными наблюдений ДГМО [1, 2]. В настоящее время ДГМО проводит регулярные измерения на 14 створах и семи постах. Списки створов и постов, материалы по которым использованы в статье, приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1.
№ створа | Река, рукав | Местоположение |
---|---|---|
1 | Дунай, 54 миля | 136.4 км от моря, 20.4 км выше вершины всей дельты Дуная |
2 | Килийский | 115.2 км от моря, 0.8 км ниже вершины всей дельты |
3 | Килийский | 70.0 км от моря, 46.0 км ниже вершины всей дельты |
4 | Соломонов | 32.0 км от моря, 10.0 км от конца рукава |
5 | Прямой | 30.0 км от моря, 8.0 км от конца рукава |
6 | Килийский | 20.0 км от моря, 2.5 км выше вершины Килийской дельты |
7 | Очаковский | 15.5 км от моря, 2.0 км ниже вершины Килийской дельты |
8 | Полуденный | 6.0 км от моря, 1.5 км от начала этого рукава |
9 | Потаповский | 3.4 км от моря, 0.8 км от начала этого рукава |
10 | Гнеушев | 3.0 км от моря, 1.0 км от начала этого рукава |
11 | Быстрый | 9.5 км от моря, 0.7 км от начала этого рукава |
12 | Старостамбульский | 15.0 км от моря, 1.0 км ниже начала рук. Быстрого |
13 | Восточный | 7.0 км от моря, 0.9 км от начала этого рукава |
14 | Цыганский | 2.0 км от моря, 0.5 км от начала этого рукава |
Таблица 2.
№ поста | Название | Река, рукав | Местоположение | “0” поста, м БС |
---|---|---|---|---|
I | Рени | Дунай | 7.4 км ниже устья р. Прут, 163.3 км от моря, 47.3 км выше вершины всей дельты Дуная | 0.36 |
II | Измаил | Килийский | 93.3 км от моря, 22.7 км ниже вершины всей дельты Дуная | –0.18 |
III | Килия | Килийский | 47.0 км от моря, 29.5 км выше вершины Килийской дельты | –0.33 |
IV | Лиски | Соломонов | 28.0 км от моря, 10.5 км выше вершины Килийской дельты | –0.43 |
V | Вилково | Килийский | 18.0 км от моря, 0.5 км выше вершины Килийской дельты | –0.75 |
VI | Прорва | Прорва | 3.6 км от моря | –0.63 |
VII | Приморское | Жебриянская бухта, устьевое взморье Дуная | –5.00 |
Разделение понятий “гидрологический пост” и “гидрометрический створ” применительно к крупным дельтам требует пояснений. Эти понятия для обычных рек, как правило, идентичны. Посты в большинстве одновременно и уровенные, и стоковые. Пост обычно имеет в своем составе гидрометрический створ. Но в крупных дельтах дело обстоит иначе. Дельты, подверженные одновременному влиянию реки и моря, имеют особый гидрологический режим и сложную гидрографическую сеть. Поэтому методика исследования дельт отличается от принятой для обычных рек. Согласно руководствам по гидрологии устьев рек, полевые исследования делят на стационарные и экспедиционные. Первые проводят на гидрологических постах, обычно находящихся в населенных пунктах или портах. Наблюдения на постах (за уровнем и температурой воды, ледовыми явлениями) проводятся постоянно и в фиксированные сроки. Гидрологических постов в устьях рек, как правило, немного. Помимо режимных устройств, посты очень редко имеют в своем составе гидрометрические створы. К экспедиционным исследованиям относятся прежде всего периодические измерения расходов воды и наносов на створах. Их разбивают, ориентируясь на структуру русловой сети дельты. Число створов в многорукавных дельтах может достигать нескольких десятков.
В комплекс измеренных гидролого-морфометрических характеристик в дельтах входят: расход воды на створе Q, м3/с; средняя и максимальная скорость течения Vm и Vmax, м/с; средняя и максимальная глубина русла hm и hmax, м; ширина русла B, м; уровень на ближайшем посту Н, см на “0” поста; расход взвешенных наносов R, кг/с; средняя мутность sm, г/м3, или кг/м3.
В качестве примера в табл. 3 приведены гидролого-морфометрические характеристики на створе Килийский рук. (20 км) в 2002, 2003 и 2004 гг.
Таблица 3.
Дата | Q, м3/с | Vm, м/c | Vmax, м/c | hm, м | hmaх, м | B, м | R, кг/с | sm, г/м3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
17.04.2002 | 3400 | 0.7 | 0.87 | 0.7 | 0.87 | 605 | 89 | 26 |
16.06.2002 | 2990 | 0.61 | 0.78 | 0.61 | 0.78 | 592 | 80 | 27 |
22.05.2003 | 2840 | 0.59 | 0.73 | 0.59 | 0.73 | 602 | 21 | 7.4 |
27.06.2003 | 1930 | 0.42 | 0.52 | 0.42 | 0.52 | 595 | 21 | 11 |
22.07.2003 | 1600 | 0.35 | 0.42 | 0.35 | 0.42 | 591 | 13 | 8.1 |
05.09.2003 | 1200 | 0.27 | 0.37 | 0.27 | 0.37 | 573 | 9.6 | 8 |
05.11.2003 | 2630 | 0.55 | 0.7 | 0.55 | 0.7 | 590 | 133 | 51 |
18.03.2004 | 3650 | 0.74 | 0.99 | 0.74 | 0.99 | 580 | 150 | 41 |
08.04.2004 | 4610 | 0.96 | 1.28 | 0.96 | 1.28 | 550 | 370 | 80 |
25.04.2004 | 5670 | 1.09 | 1.46 | 1.09 | 1.46 | 620 | 1000 | 180 |
24.05.2004 | 4240 | 0.9 | 1.19 | 0.9 | 1.19 | 606 | 160 | 38 |
24.06.2004 | 3830 | 0.78 | 1.28 | 0.78 | 1.28 | 615 | 100 | 26 |
18.07.2004 | 3040 | 0.66 | 0.96 | 0.66 | 0.96 | 600 | 92 | 30 |
25.08.2004 | 2310 | 0.45 | 0.54 | 0.45 | 0.54 | 565 | 24 | 12 |
14.09.2004 | 2250 | 0.45 | 0.65 | 0.45 | 0.65 | 585 | 21 | 9.3 |
17.10.2004 | 2240 | 0.47 | 0.63 | 0.47 | 0.63 | 600 | 13 | 5.8 |
14.11.2004 | 2700 | 0.57 | 0.72 | 0.57 | 0.72 | 596 | 58 | 21 |
Основной метод расчета, используемый в статье, – определение зависимостей между разными гидролого-морфометрическими характеристиками и расходом воды на данном створе. Результаты расчетов представлены в двух вариантах:
линейном
и степенном x – Q в рукаве, y – другие характеристики.На рис. 2 в качестве примера приведены степенные зависимости от расхода воды Q других гидрологических характеристик на створе 6 Килийский рук. (20 км), построенные по измерениям в 2002, 2003 и 2004 гг.
Кроме того, рассчитаны линейные зависимости:
Все расчеты сопровождались оценкой степени тесноты связей и вычислением коэффициента детерминации R 2.
ОСОБЕННОСТИ ЗОНЫ ПОДПОРА В НЕПРИЛИВНОЙ ДЕЛЬТЕ
Расчеты зависимостей между сезонными изменениями Q на разных створах и изменениями других характеристик выявили, что линейные связи вида (1) и степенные вида (2) оказались близкими. Кроме того, оказались схожими оценки тесноты этих связей (величины R 2). Это дало основание привести в итоговой табл. 4 более простые и компактные степенные зависимости.
Таблица 4.
№ створа | Vm, м/с | Vmax, м/с | hm, м | hmax, м | B, м | Н, см |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Vm = 0.0013Q0.722 R2 = 0.994 |
Vmax = 0.0021Q0.703 R2 = 0.877 |
hm = 1.5031Q0.226 R2 = 0.932 |
hmax = 3.2361Q0.197 R2 = 0.636 |
B = 493.1Q0.054 R2 = 0.816 |
H = 0.0001Q1.640 R2 = 0.907 |
2 | Vm = 0.0033Q0.667 R2 = 0.975 |
Vmax = 0.0029Q0.715 R2 = 0.980 |
hm = 0.8789Q0.284 R2 = 0.863 |
hmax = 4.3509Q0.169 R2 = 0.639 |
B = 333.2Q0.052 R2 = 0.461 |
H = 0.0001Q1.768 R2 = 0.905 |
3 | Vm = 0.0024Q0.765 R2 = 0.975 |
Vmax = 0.0027Q0.784 R2 = 0.990 |
hm = 2.3744Q0.151 R2 = 0.795 |
hmax = 6.9896Q0.076 R2 = 0.419 |
B = 210.03Q0.062 R2 = 0.365 |
H = 0.0001Q1.831 R2 = 0.901 |
4 | Vm = 0.0016Q0.848 R2 = 0.990 |
Vmax = 0.0017Q0.874 R2 = 0.968 |
hm = 3.8294Q0.079 R2 = 0.197 |
hmax = 4.3091Q0.117 R2 = 0.585 |
B = 164.1Q0.070 R2 = 0.171 |
H = 0.0178Q1.196 R2 = 0.850 |
5 | Vm = 0.0019Q0.848 R2 = 0.991 |
Vmax = 0.0018Q0.894 R2 = 0.981 |
hm = 2.8669Q0.121 R2 = 0.874 |
hmax = 3.0015Q0.171 R2 = 0.470 |
B = 166.9Q0.043 R2 = 0.416 |
H = 0.0245Q1.159 R2 = 0.872 |
6 | Vm = 0.0003Q0.937 R2 = 0.992 |
Vmax = 0.0003Q0.989 R2 = 0.952 |
hm = 5.9448Q0.040 R2 = 0.101 |
hmax = 6.0489Q0.087 R2 = 0.539 |
B = 498.3Q0.022 R2 = 0.079 |
H = 0.3972Q0.685 R2 = 0.968 |
7 | Vm = 0.0016Q0.889 R2 = 0.946 |
Vmax = 0.0024Q0.872 R2 = 0.954 |
hm =8.967Q0.053 R2 = 0.141 |
hmax = 7.3888Q0.042 R2 = 0.089 |
B = 66.99Q0.169 R2 = 0.433 |
− |
8 | Vm = 0.0056Q0.899 R2 = 0.995 |
Vmax = 0.0116Q0.819 R2 = 0.955 |
hm = 5.0140Q0.010 R2 = 0.019 |
hmax = 5.9638Q0.018 R2 = 0.045 |
B = 41.46Q0.055 R2 = 0.377 |
− |
9 | Vm = 0.0030Q0.934 R2 = 0.981 |
Vmax = 0.0034Q0.966 R2 = 0.975 |
hm = 8.5296Q0.172 R2 = 0.403 |
hmax = 4.4697Q0.033 R2 = 0.219 |
B = 42.57Q0.223 R2 = 0.497 |
H = 5.0077Q0.474 R2 = 0.843 |
10 | Vm = 0.0085Q0.849 R2 = 0.987 |
Vmax = 0.0150Q0.789 R2 = 0.932 |
hm = 2.3768Q0.041 R2 = 0.158 |
hmax = 4.3521Q0.025 R2 = 0.311 |
B = 48.54Q0.115 R2 = 0.376 |
H = 11.08Q0.391 R2 = 0.545 |
11 | Vm = 0.00170.871 R2 = 0.980 |
Vmax = 0.0021Q0.866 R2 = 0.990 |
hm = 2.9851Q0.140 R2 = 0.584 |
hmax = 12.95Q0.0003 R2 = 2 × 10–5 |
B = 207.8Q0.016 R2 = 0.090 |
− |
12 | Vm = 0.0009Q0.906 R2 = 0.990 |
Vmax = 0.001Q0.931 R2 = 0.934 |
hm = 4.320Q0.049 R2 = 0.254 |
hmax = 10.50Q0.018 R2 = 0.022 |
B = 247.5Q0.045 R2 = 0.094 |
− |
13 | Vm = 0.0066Q0.874 R2 = 0.974 |
Vmax = 0.0094Q0.862 R2 = 0.930 |
hm = 2.6278Q0.088 R2 = 0.321 |
hmax = 3.0335Q0.094 R2 = 0.441 |
B = 57.91Q0.036 R2 = 0.232 |
− |
14 | Vm = 0.0037Q0.970 R2 = 0.989 |
Vmax = 0.013Q0.768 R2 = 0.951 |
hm = 5.6181Q0.005 R2 = 0.011 |
hmax = 6.8795Q0.005 R2 = 0.017 |
B = 45.35Q0.040 R2 = 0.184 |
− |
Анализ данных табл. 4 показал следующее.
1. В нижней и средней частях Килийского рук. (т.е. в зоне подпора), находящихся под стабилизирующим влиянием мало изменяющегося в течение года среднего уровня моря, средняя и максимальная глубина на створах, ширина (т.е. характеристики, зависящие от уровня воды), также меняются по сезонам очень мало. Эти изменения тем меньше, чем ближе створ к морскому краю дельты.
2. В результате все сезонные изменения расхода воды рукава в зоне подпора проявляются главным образом в изменениях скорости течения. Это легко обосновать, используя формулу Q = VmBhm. Из нее можно получить формулу Vm = Q/Bhm. Изменения знаменателя в этой формуле малы, и поэтому Vm определяется в основном изменением Q.
3. Для всех рек важен расчет ежедневных расходов воды по кривой расходов Q = f(H). Для Килийского рук. такие кривые не получаются из-за отсутствия тесных связей между Q и H именно по причине стабилизирующего влияния уровня моря. Поэтому измеренные расходы воды на створах этого рукава ДГМО связывает не с уровнем Н на ближайшем посту, а с H на посту Рени с учетом времени добегания.
4. На створе Дунай (54 миля), находящемся далеко от моря, на основе многочисленных измерений в 1921–2002 гг. [1] получена обычная для рек кривая Q = f(H):
и обратная ей (более обоснованная генетически) H = φ(Q):(6)
$\begin{gathered} Н = {\text{ }}6.9 \times {{10}^{{--11}}}{{Q}^{3}}-- \\ - \,\,3.2 \times {{10}^{{--6}}}{{Q}^{2}} + 0.0819Q--175, \\ \end{gathered} $5. Зависимости между Vm и Vmax (формула (3)) и между hm и hmax (формула (4)) для всех створов показали, что коэффициенты в этих формулах в среднем составляют k1 = 0.7374 (диапазон по разным створам – от 0.6814 до 0.8641) и k3 = 0.4564 (диапазон от 0.0899 до 0.9972). Эти соотношения позволяют обосновать экспресс-метод приближенного измерения расходов в неприливных дельтах с большой многорукавностью. Метод измерений таков: Vmax определяется на стрежне потока, hmax – с помощью эхолота, ширина русла В – дальномером, нивелиром или теодолитом. Расход воды рассчитывается по формуле
где k1 и k3 в первом приближении можно взять такими же, как для Килийской русловой системы.6. Интересны результаты исследования связи между расходами воды в водотоках устьевой области Дуная и характеристиками стока взвешенных наносов: расходом наносов R, кг/с, и средней мутностью sm, кг/м3. В табл. 5 приведены степенные зависимости вида R ~ Q x и sm ~ Q y. По данным измерений в 2002–2004 гг. рассчитаны диапазоны показателей степени x и y для всех 14 створов: для R – от 1.705 до 2.992 кг/с, для sm – от 0.710 до 2.581 кг/м3; средние: x = 2.45, y = 1.45. В итоге получены зависимости:
Таблица 5.
№ створа | R, кг/с | s, кг/м3 | № г/с | R, кг/с | s, кг/м3 |
---|---|---|---|---|---|
1 | R = 2 × 10–8Q2.643 R2 = 0.855 |
s = 2 × 10–8Q1.636 R2 = 0.711 |
8 | R = 4 × 10–5Q2.392 R2 = 0.845 |
s = 3.66 × 10−5Q1.417 R2 = 0.649 |
2 | R = 10–7Q2.566 R2 = 0.881 |
s = 10−7Q1.552 R2 = 0.728 |
9 | R = 10–5Q2.496 R2 = 0.822 |
s = 1.37 × 10−5Q1.498 R2 = 0.626 |
3 | R = 5 × 10–8Q2.717 R2 = 0.879 |
s = 5 × 10–8Q1.718 R2 = 0.744 |
10 | R = 10−4Q2.247 R2 = 0.719 |
s = 1.46 × 10−4Q1.240 R2 = 0.441 |
4 | R = 3 × 10–7Q2.620 R2 = 0.884 |
s = 4 × 10−7Q1.611 R2 = 0.748 |
11 | R = 10–6Q2.422 R2 = 0.816 |
s = 1.2 × 10−6Q1.443 R2 = 0.612 |
5 | R = 2 × 10–7Q2.719 R2 = 0.883 |
s = 2 × 10−7Q1.722 R2 = 0.754 |
12 | R = 3 × 10–7Q2.581 R2 = 0.806 |
s = 4 × 10−7Q1.561 R2 = 0.607 |
6 | R = 3 × 10–9Q2.992 R2 = 0.825 |
s = 3 × 10–9Q1.985 R2 = 0.676 |
13 | R = 3 × 10−4Q1.963 R2 = 0.646 |
s = 2.98 × 10−4Q0.961 R2 = 0.303 |
7 | R = 10–5 × Q2.191 R2 = 0.678 |
s = 1.1 × 10−5Q1.196 R2 = 0.385 |
14 | R = 1.3 × 10−3Q1.705 R2 = 0.872 |
s = 1.29 × 10−3Q0.710 R2 = 0.539 |
Зависимость (9) можно было бы найти даже без использования данных измерений; поскольку sm ~ R/Q, то sm ~ Q2.45–1~ Q1.45.
Предпринята попытка установить, где в 2003 г. была верхняя граница зоны подпора, подверженная стабилизирующему влиянию уровня моря. Для этого построен график отметок уровня воды на семи постах вдоль придельтового участка Дуная и Килийской русловой системы в половодье и межень (рис. 3а) и график разности этих отметок (рис. 3б), характеризующий сезонный размах колебаний уровня воды вдоль рассматриваемого участка. В 2003 г. размах колебаний уровня увеличивался с расстоянием от морского края дельты. Так, на посту Приморское (устьевое взморье) этот размах составлял всего 7 см, а на посту Рени (163.3 км от моря) – 3.27 м. Выше поста Килия диапазон сезонных колебаний уровня воды начинает возрастать; это дало основание считать это место границей зоны подпора. Таким образом, протяженность зоны подпора в 2003 г. составила ~50 км. В другие годы она может быть больше и меньше в зависимости от величины водного стока Дуная.
Выше поста Рени (вплоть до плотины Железные Ворота–I) средний размах сезонных колебаний уровня воды в разные годы был в пределах 3–4 м [7], т.е. близким к аналогичной величине на посту Рени в 2003 г.
ВЫВОДЫ
В крупных неприливных дельтах существует типичная только для этих условий зона подпора с особыми зависимостями между разными гидролого-морфометрическими характеристиками русел рукавов. На примере Килийского рук. дельты Дуная выявлены особенности этой зоны, главная из которых – малая сезонная изменчивость всех характеристик потока и русла, кроме расхода воды, скорости течения, расхода взвешенных наносов и средней мутности. Чем ближе к морю, тем сильнее сказывается его стабилизирующее влияние.
Из-за недостатка данных зона подпора в большинстве неприливных дельт практически не изучена. Результаты исследований, полученные для устьевой области Дуная, по которой имеются надежные данные измерений на многочисленных створах и постах, могут быть использованы при изучении других неприливных дельт.
Список литературы
Гидрология дельты Дуная. М.: ГЕОС, 2004. 448 с.
Гидрология устьевой области Дуная. М.: Гидрометеоиздат, 1963. 383 с.
Исупова М.В. Естественные и антропогенные изменения водного и руслового режима устья Дуная // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. № 5. С. 56–61.
Михайлов В.Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: ГЕОС, 1997. 413 с.
Михайлов В.Н., Михайлова М.В., Магрицкий Д.В. Основы гидрологии устьев рек. М.: Триумф, 2018. 313 с.
Устья рек Каспийского региона: история формирования, современные гидролого-морфологические процессы и опасные гидрологические явления / Под ред. В.Н. Михайлова. М.: ГЕОС, 2013. 702 с.
Mikhailova M.V. Recent extreme floods and their transformation along the Danube River // Environ. Res., Engineering and Management. 2017. V. 73. № 1. P. 20–32.
Дополнительные материалы отсутствуют.