Ученые рассказали о полигоне, где меняют русла рек

Лето в России – время природных катаклизмов. Дожди заливают города и села, реки выходят из берегов, затапливают плодородные земли. Наводнения, паводки многомиллионный ущерб, людские страдания – можно ли все это предсказать? Оказывается, можно!

В поселке Ильичево под Санкт-Петербургом, в бывшей финской Ялкале, где скрывался от царской охраны В.И. Ленин, находится Главная экспериментальная база Государственного гидрологического института (ГЭБ ГГИ) с русловой лабораторией.

Это ангар размером с футбольное поле, заполненный различной аппаратурой, а в центре – небольшая речка, точнее – рукотворный фрагмент русла реки, воссозданный для того чтобы понять закономерности её течения и решить ряд важных практических задач. Репортер «МК» выяснил, что это такое и для чего нужно.    

«Сухая» модель участка Волги в районе Самары. фото: Андрей Афанасьев.

По словам Владимира Георгиевского, главного научного сотрудника ГГИ, заведующего отделом водных ресурсов, доктора географических наук, это абсолютно уникальное место. ничего подобного в стране больше нет. «Конечно, природа всегда сложнее любых моделей, – рассуждает Владимир Юрьевич. – Смоделировать реку с ее течениями и перепадами глубин непросто. Но именно это и есть наука. При построении гидравлических моделей используются научно обоснованные критерии – подобия. Вода для лаборатории берется из речки, которая протекает в Ильичево. Недавно удалось модернизировать систему насосов, обновить приборную базу».

Специалисты-русловики из ГГИ ценятся во всем мире. Их не раз приглашали в другие страны, где они оказывали методическую помощь по организации и проведению экспериментальных гидравлических исследований. Кроме того, в Ильичево находится специальный метрологический бассейн, на котором производится поверка гидрометрических приборов, в том числе, профилографов – систем измерения скорости рек, определения рельефа дна и расчета объема речного стока. Но главная Ценность института, по словам моего собеседника, люди.   

Вот уже 65 лет на главной экспериментальной базе ГГИ трудится доктор технических наук Альберт Борисович Клавен, 40 из которых он руководил русловой лабораторией. Это живая история института, человек, который помнит, как всё начиналось.    

– Я работаю в этих стенах с 1957-го года, – рассказывает Альберт Борисович. – Вспоминается, как молодым специалистом распределился сюда после института. ничего не было. Голые стены. Аппаратуры никакой. Мы придумали использовать перловку в качестве индикатора. Пускали её в водный поток и так изучали <span class="wp-tooltip" title="Целеориентированная активность животного организма служащая для осуществления контакта с окружающим миром В основе поведения лежат потребности животного организма над которыми надстраиваются исполнительные действия служащие речной воды.

Потом взяли для таких исследований полистирол, популярный упаковочный материал – частицы разного диаметра. Это оказалось куда удобнее. Но первые наши эксперименты требовали не только знаний, но и большой изобретательности.

– Для чего вообще нужно было создавать такую лабораторию?

– Необходимость гидравлического моделирования участков рек стала очевидной к моменту начала гидроэнергетического строительства. В стране одна за другой строились ГЭС, и потребовались надежные оценки возможных последствий сооружения плотин на реках, сильно меняющих режим стока.   

За прошедшие 60 с лишним лет выполнены сотни работ теоретического, методического и прикладного характера. Мы исследовали более 200 участков разных рек под народнохозяйственные проблемы. Для этого созданы экспериментальные комплексы с независимыми системами оборотного водоснабжения, где имеются бетонные резервуары и насосные станции. Это сложная инженерная система, для разработки которой потребовались годы кропотливого труда.

Альберт Клавен. фото: Андрей Афанасьев.

– Какие работы в этой области считаете самыми важными?

– В 1960-е годы была создана первая модель Финского залива для защиты Ленинграда от наводнений. Тогда это была настоящая беда. Питерские наводнения воспеты Пушкиным в поэме «Медный всадник». Строительство дамбы решило эту проблему, хотя у проекта было немало противников. 

Потом был смоделирован участок реки Белой, где она пересекается с нефтетрубопроводом. Река – живой организм, необходимо учитывать все русловые процессы, чтобы грамотно проложить нефтепровод. Глубина всё время меняется, речной поток турбулентен, труба через пару лет оказывается обнаженной и взрывается. Чтобы такого не произошло, и нужны наши модели.

– Были какие-то неожиданные заказы?

– Однажды к нам за помощью обратились из Министерства иностранных дел. На границе с Норвегией прямо в реку падали пограничные столбы. Я выехал на место. Помню, стою на берегу, смотрю вокруг и вижу на том берегу норвежских детишек. Беленькие такие, смотрят на меня с любопытством. Дети везде дети.

В общем, осмотрелся и понял, в чем дело. У реки подмываемый берег всегда вогнутый, поэтому все вогнутые берега надо закрепить камнем. Это и было сделано, после чего столбы падать перестали. Так решили проблему.

Модель участка р. Белой в Главном экспериментальном зале. фото: Андрей Афанасьев.

– Что за модель создается сейчас?

– Нынешняя модель участка Волги делается по заказу городских властей Самары. Там проблема в том, что наползающие пески закрывают водозабор, и питьевая вода становится загрязненной песком. Поэтому мы моделируем участок Волги, чтобы просчитать, как этого избежать.

Аналогичную проблему в свое время мы решали в Барнауле, когда пески из Оби наползали на водозабор. Когда строили модель, высчитывали и половодье, и паводки. Всё это надо учитывать, детально исследовать характер реки, только тогда можно спрогнозировать, что там ожидать. В Барнауле долго разбирались, несколько месяцев провозились.

Выяснилось, что русловые процессы привели к тому, что река подмывала опору проложенной через неё ЛЭП, оттуда вымывался песок. Решили разом проблему и с водой, и с электроэнергией, порекомендовав законсервировать эту ЛЭП, а на противоположном берегу поставить другую. А если придут пески на этот берег, опять ту ЛЭП открыть.

– Какой случай был самый сложный?

– Ну вот, например, на Селенге построили целлюлозно-бумажный <span class="wp-tooltip" title="(лат combinare — соединять сочетать) — объединение промышленных предприятий разных но технологически связанных отраслей в котором продукты одного предприятия служат сырьем полуфабрикатом или вспомогательным материалом друго, и берег стал «валиться». Сделали модель, провели работу. Там много рукавов, река непростая. Три года работали – решения нет. Потом поняли, что нельзя ставить установки глубинного типа. Не будет работать, занесет песком, размоет или разнесет. Так и вышло. А нужно сделать надводный рассеивающий выпуск – есть такая специальная технология. Она трудоемкая и недешевая, поэтому сначала нас не хотели слушать, потом решили всё-таки попробовать – и проблема была решена.

– Как может модель, даже самая хорошая, повторить реку?

– Конечно, любая гидравлическая модель – это схематизация прототипа, где воспроизводятся с возможно большей точностью самые значимые для конкретной задачи свойства натурного объекта. Самое распространенное препятствие к созданию идеальной модели – недостаточные размеры лабораторных площадок. Наша работа состоит в том, чтобы минимизировать возможные неточности и создать модели, наиболее полно отражающие все особенности данной реки, её динамики, турбулентности, течений, словом, её особого «характера». Ведь одинаковых рек не бывает – любая река неповторима.

– Что для этого требуется?

– Для этого мы выезжаем на место и проводим русловую съемку участка реки, производим наблюдения за уровнем воды, измеряем скорость течения и расходы воды, делаем эхолотирование дна… Такая работа может занимать не один летний сезон, после чего можно приступать к созданию моделей, на которых отрабатываются разные варианты решения проблемы и, в конце концов, подбирается самый оптимальный.

– Какое сегодня вы используете оборудование?

– Исследования в русловой лаборатории ведутся на гидравлических пространственных моделях участков рек, в так называемых гидравлических стеклянных лотках. Наш экспериментальный зал для пространственного моделирования водных объектов площадью 1500 кв. м оснащен разнообразным технологическим оборудованием. Это стометровый гидравлический лоток шириной в один метр с горизонтальным дном и стеклянными стенками, оборудованный измерительной тележкой с автоматическим приводом, гидравлические лотки с возможностью подачи воды, а также измерительная аппаратура, которая представлена как стандартными приборами, так и оригинальным технологическим оборудованием. В общем, это уже не перловка.

– А что за гидрофизическая лаборатория находится в этом же здании?

– здесь начинались первые в стране экспериментальные работы по исследованию миграции воды в почве, инфильтрации воды в мерзлые и талые грунты. Именно в этой лаборатории были впервые изучены явления, механизм которых был долгое время непонятен, – образование в почве весной так называемого водонепроницаемого запирающего слоя.

сейчас здесь ведутся теплофизические исследования, изучается механизм нарастания или разрушения ледяного покрова, формирования заторов и зажоров. На основе математического моделирования процессов тепломассообмена здесь выявили механизм влияния климатических изменений на зимний и весенний сток рек и гидрологический режим болот. Установлено, что основные факторы, влияющие на увеличение зимнего стока, – это уменьшение глубины промерзания почвы, что ведет к оттепелям и увеличению осеннего увлажнения почв.

А еще лаборатория исследует водопоглотительную способность речных бассейнов, чтобы усовершенствовать методы расчета потерь талых вод в прогнозах весеннего половодья. Работа наша сложная, но творческая, интересная, а самое главное – нужная людям. 

Источник