Томский эксперт рассказал о причинах образования ледяных заторов и возможных способах борьбы с ними
Издание продолжает цикл публикаций, подготовленных главным маркшейдером ООО «Спецгеострой» Дмитрием Замараевым. По мнению специалиста, проблема возникновения заторов на реке Томи является для региона весьма существенной. Подтверждением тому служат наводнения в районе областного центра, участившиеся в последние годы.
Три основных типа вскрытия
На реках Сибири, текущих с юга на север, по характеру разрушения ледяного покрова и очищения реки ото льда можно выделить три основных типа вскрытия.
Первый тип характеризуется разрушением ледяного покрова путём таяния льда под влиянием потоков тепла от солнечной радиации, воздуха и воды. В этом случае лёд тает на месте. Такое вскрытие типично для малых и некоторых промерзающих до дна средних рек.
Второй тип вскрытия обусловлен разрушением ледяного покрова за счёт таяния и механического разрушения под воздействием динамических нагрузок со стороны водного потока и ветра. Он сопровождается образованием закраин, подвижками, разделением сплошного ледяного покрова на поля и льдины. Наблюдается на многих средних и больших реках бассейнов Оби, Енисея, Амура и других сибирских рек.
Для третьего типа вскрытия определяющим является механическое разрушение ледяного покрова под воздействием паводковой волны. Вскрытие сопровождается формированием заторов.
Возникновение заторов льда на реке Томи, участившееся в последние годы вблизи областного центра, и соответственно, угроза наводнений является следствием комплекса причин. Факторы, оказывающие влияние на процессы формирования скоплений льда, можно разделить на постоянные (морфометрические) и изменяющиеся от года к году (гидрометеорологические).
Морфометрическими факторами являются особенности дна русла и берегов реки. Это естественные, а в последнее время и искусственные, препятствия на пути водного потока и ледовой массы в период вскрытия реки. Считается, что максимальная аккумуляция льда и шуги во время прохождения ледового паводка происходит на участках с наименьшей пропускной способностью русла, обусловленной естественными и антропогенными условиями.
К естественным условиям относятся крутые излучины, сужения русла скальными выступами, разветвления. Антропогенными нарушениями, которых много в нижнем течении Томи, служат мостовые переходы, набережные, дамбы обвалования, защитные сооружения и тому подобное.
Наиболее яркой особенностью морфологии русла Томи в нижнем течении является наличие резкого перегиба продольного профиля на нескольких участках, обусловленного выходом скальных пород в основании дна русла и лежащего в основе практически всех перекатов.
Характерно, что перегиб продольного профиля отчётливо выражен и в половодье. В районе перегиба русло реки стеснено естественными или искусственными препятствиями. Это одно из возможных мест формирования заторов, где проявляются сразу два морфологических фактора: резкое уменьшение уклона и стеснение потока половодья.
Отметим, что протяжённость поворотов, участков с сужением русла и перекатов, как правило, меньше длины прямолинейных участков с последовательно уменьшающимся уклоном. Поэтому скопления льда в подобных местах менее устойчивы.
Дно углубляли десятки лет
На однородных по морфометрическим особенностям участках реки место образования затора определяется гидрометеорологическими условиями осеннего или весеннего периодов конкретного года.
Однако существует устойчивое мнение, что в борьбе с заторами на морфометрические факторы необходимо воздействовать, используя дноуглубительную технику (которая бывает как плавучая, так и сухоройная).
Возможно, с этим можно было бы согласиться, но не в случае Томской области. На территории региона долгие годы проводились крупномасштабные дноуглубительные работы, направленные на изменение морфометрических характеристик реки. Так, проведено выравнивание продольного профиля путём изъятия речного аллювия на разных участках реки, применялась расчистка и перекатов, и плёсовых участков, «сработаны» острова. При этом объём выемки речного аллювия выражается в миллионах кубических метров.Работы начались в 1953 году и завершились в 2020-м. За этот почти полувековой срок объём извлечённого речного аллювия составил приблизительно 190–195 миллионов кубометров. В первые годы добычей песчано-гравийных материалов одновременно занимались Управление «Химстрой» (Томск-7), Карьероуправление объединения «Промстройматериалы» и Томский речной порт (Западно-Сибирское речное пароходство). Однако с середины 70-х годов большинство месторождений на реке Томи переданы на баланс Томскому речному порту (ОАО «Томская судоходная компания»). Кроме того, систематически, но в меньшем объёме, дноуглубительные (по расчистке судового хода) работы проводит Томский район водных путей и судоходства. Ежегодно безвозвратно извлекалось от одного до 13 миллионов тонн ПГС (объёмный вес 1,8 т/м3), что в несколько раз превышает естественный сток наносов реки.
В названный период дноуглубительные работы были выполнены практически на всех перекатах реки вдоль Томска и Томского района. Считалось, что именно ряд проблемных перекатов ограничивает пропускную способность русла, способствует образованию заторов. Следовательно, необходимо их расчистить, и проблема с заторами будет решена.
Но каждый год заторные проблемы выявлялись на разных участках. В результате были «просажены» уровни на всём протяжении Томи вдоль города в среднем на два с половиной - три метра. Фактически здесь была выбрана большая часть речного аллювия. Взамен гравийных перекатов и островов проявились скальные структуры плиты основания русла. При этом все усилия по расчистке русла не привели к устранению заторных явлений, хотя ряд авторов считают, что именно дноуглубительные работы привели к временному ослаблению заторных явлений с 60-х по 90-е годы. (Подробнее эти вопросы рассмотрены в статьях автора, опубликованных в 2025 году в журнале «Недра и ТЭК Сибири», № 1, 2 и 3).
В районах с суровым климатом
Помимо морфометрических условий, мощность скоплений льда при заторных явлениях определяется гидрометеорологическими факторами.
На возникновение заторов влияет сочетание двух групп таких факторов. Во-первых, тепловых, которые определяют интенсивность образования и таяния льда, его толщину и прочность. Во-вторых, механических, под действием которых происходит взлом и нарушение целостности ледяного покрова, транспортирование льда вниз по реке и тому подобное. На реках, текущих с юга на север, волна половодья часто продвигается быстрее весны. Поэтому вниз по течению сокращается продолжительность естественного подготовительного периода к вскрытию реки, и речной поток взламывает ледяной покров, мало тронутый тепловым разрушением. При этом, по мере того, как волна половодья нагоняет кромку льда, возрастает высота подъёма воды при вскрытии реки и увеличивается затороформирующий расход.
Вследствие этого в низовьях крупных рек, текущих на север (в Сибири это Обь, Енисей, Лена), заторный максимум уровня воды и максимум весеннего половодья совпадают во времени. При интенсивном снеготаянии в тылу фронта потепления создаются условия для формирования мощных заторов льда.
Можно сделать вывод, что доминирующую роль в формировании заторных явлений, сопровождаемых высокими подъёмами паводковых вод, играют гидрометеорологические факторы, определяющие толщину и прочность льда, а также скорость продвижения волны паводка.
Затор образуется, если речной поток испытывает недостаток кинетической энергии для взлома ледяного покрова, расположенного ниже по течению участка. Характеристикой сопротивляемости вскрытию может служить произведение относительной прочности льда на толщину ледяного покрова или льдин.
Перед вскрытием много льда имеется в руслах почти всех рек в районах с суровым климатом. Основным препятствием для его движения обычно являются большие по длине участки реки со сплошным и достаточно прочным ледяным покровом.
Наиболее мощные заторы возникают после многоводной осени, когда лёд образуется при высоких уровнях воды, холодной зимы, при дружном формировании весеннего половодья и расходе воды, близком к максимальному расходу за половодье.
Значительное влияние на ход заторных явлений оказывает резкое понижение температуры воздуха в период заторообразования, которое вызывает дополнительный подъём уровня воды из-за увеличения прочности льда.
Как реактор «согрел» реку
Немногие знают, что на реке Томи в ХХ веке, кроме массовой добычи гравия, был проведён другой «эксперимент», в ходе которого объём перемещённого материала исчислялся в сотнях миллионов кубометров. Речь идёт о сбросе тёплой воды Сибирским химическим комбинатом, возведённым вблизи Томска, ниже по реке. По данным Гидрометцентра, с 1958 по 1987 год заторообразование на Томи практически прекратилось (см. рисунок 1).
Рис. 1. Изменение максимальных заторных уровней воды реки Томь в районе Томска (1 – суммарная стоковая и русловая составляющая уровня воды; 2 – заторная составляющая) с 1918-го по 2010 год.
В ноябре 1955 года был запущен в эксплуатацию единственный промышленный прямоточный ядерный реактор «Иван-1» (И-1), от которого производился сброс тёплой воды. В начале 1958-го состоялся запуск двухцелевого реактора ЭИ-2, а в сентябре того же года от тепловой энергии этого реактора заработала Сибирская атомная электростанция.В 1964-м был сдан в эксплуатацию ядерный реактор АДЭ-4 с комплексом основного и вспомогательного оборудования; в 1965-м – реактор АДЭ-5. На тот период выпадение тёплых сточных вод с СХК чётко фиксировалось от устья реки Ромашка вниз по течению Томи (см. рисунок 2).
Рис. 2. Участок сброса тёплых вод с СХК в устье реки Ромашка и распространение тёплых вод вниз по течению реки Томь.
В декабре1973 года начал действовать комплекс дальнего теплоснабжения – для отопления жилого фонда Томска «атомным теплом» Сибирской АЭС. По мере подключения новых потребителей подача тепла возросла со 160 Гкал/час до 300 Гкал/час в 1985-м. Возможно, именно в этот период (1970–1974 годы) сток тёплой воды был приуменьшен, что повлекло образование локальных заторов со сравнительно небольшим подъёмом уровня воды.
Наконец, в 1990 году в рамках реализации межправительственного соглашения России и США были выведены из эксплуатации два ядерных реактора Сибирской АЭС. Из-за их остановки сбросы горячей воды в реку в районе села Белобородово резко сократились.
Таким образом, единственный практически беззаторный промежуток времени за период наблюдений за гидрологическими характеристиками Томи в районе областного центра практически точно совпадает с работой промышленных реакторов Сибирской АЭС (взято из открытых источников). Далее заторные явления возобновились с «завидным» постоянством, повторяясь практически регулярно.
Добавим, что в тот же период существовали ещё как минимум два заметных источника поступления тёплой воды в реку Томь в период ледостава. Они также вносили свою лепту в ослабление ледового покрова. Имеются в виду река Ушайка, протекающая через центр города, и «труба» мясокомбината, сбрасывавшего тёплую воду в русло Томи в районе острова Нижний Боярский. Впрочем, информации о тепловом стоке этих источников в открытом доступе не обнаружено.
Данных о количестве и температуре воды, сбрасываемой с реакторов Сибирской АЭС, также мало, за редким исключением. В частности, в апреле 2013 года портал Energyland.info опубликовал сообщение о совещании рабочей группы комиссии по чрезвычайным ситуациям Томской области. Ведущие гидрологи ТГУ и ТПУ вместе со специалистами ТЦ «Томскгеомониторинг» рассмотрели сложившуюся на тот момент паводковую обстановку и предложили ряд решений. Одно из них касалось увеличения сбросов внутренних вод в Томске через ТЭЦ ОАО «Сибирский химический комбинат» с целью прогреть воду в Томи и повлиять на объёмы ледовой преграды. Рабочая группа отмечала, что, пока работали реакторы Сибхимкомбината, подобных зажоров не было. Однако специалисты СХК назвали данную идею неосуществимой, поскольку ТЭЦ физически не способна оказать серьёзное воздействие на температуру речной воды, чтобы повлиять на ликвидацию ледяного затора. Во-первых, объёмы сбросной воды с ТЭЦ ничтожно малы по сравнению с объёмами реки. Во-вторых, температура сбрасываемой в Томь воды находится в пределах плюс 10–12 градусов. А с таким перепадом температур и таким объёмом воды невозможно растопить лёд и ликвидировать затор.
С этим можно было бы согласиться, но…
По информации НИА-Томск от 04.04.2016, 15:20: «Сибирский химический комбинат за последние шесть лет, с 2010 по 2015 годы, уменьшил на 44 процента забор речной воды для нужд производства.
Как сообщили НИА Томск в пресс-службе СХК, в 2015 году комбинат использовал на нужды производства около 236 миллионов кубометров воды. Большая часть воды (233 миллиона кубометров) была взята из реки Томь, приблизительно одинаковое количество поступило из подземных источников (1,4 миллиона кубометров) и из муниципального водопровода (1,3 миллиона кубометров). В 2015 году около трети от общего объёма использованной воды на предприятии было использовано многократно либо повторно. После чего вода возвращается в реку Томь. Фактов негативного влияния сбросов сточных вод не отмечено.
Снижение потребления и сброса воды на 44 процента за последние шесть лет стало результатом реализации программы энергосбережения, направленной на экономию природных ресурсов, энергосбережение и снижение энергоёмкости производств комбината …».
Из этих сообщений можно сделать вывод: В 2015 г. забор воды = 236 * 106 м3 (выпуск в Томь 1/3 = 33,3 %); выпуск в Томь = 78,588*106 м3. А в 2010 г. забор воды на 44% больше = 416 * 106 м3 (выпуск в Томь 1/3 = 33,3 %); выпуск в Томь = 140 335 714 м3. Используя формулы теплофизики: - количества теплоты выделяемой при остывании: Q = m*c*T, где Q – количество теплоты (Джоули); m – масса тела (кг); c – удельная теплоёмкость воды (4200 Дж/кг); T – изменение температуры = Т2 – Т1. - количество теплоты растопления льда: Q = m*l, где Q – количество теплоты (Джоули); m – масса тела (кг); l – удельная теплота плавления льда (3,4*105 Дж/кг).
Таким образом получаем за шесть зимних месяцев, с учётом объёма воды, используемой повторно: - при ширине реки b = 300 м, толщине льда h =1,0 м сброшенная в Томь вода с температурой 12оС при остывании до 3оС создаст зону ослабления льда от точки выпуска воды для 2010 года на 34,1километра, для 2015 года – 25,9 километра; - при ширине реки b = 500 м, толщине льда h = 1,0 м сброшенная в Томь вода с температурой 12оС при остывании до 3оС создаст зону протаивания (ослабления) льда, распространяющуюсядля 2010 года на 20,58 километра, для 2015 года – на 15,56.
Приведённый выше расчёт с использованием формул теплофизики, без учёта законов гидродинамики потока, скоростей течения воды, турбулентного перемешивания и прочих факторов позволяет понять масштаб влияния выпуска в русло реки в течение зимнегопериода больших масс воды с повышенной температурой.
Стоки тёплой воды существуют и сегодня
На сегодняшний день существенно снижен тепловой сток с реки Ушайка и Сибирского химического комбината, прекращён сброс вод из трубы мясокомбината, однако в Томь проводится сброс очищенных тёплых вод из очистных сооружений ниже деревни Орловка (21 километр Л.К. р. Томь 1990 г.в.) (см. рис. 3).
Рис. 3. Выброс тёплой воды в реку Томь с очистных сооружений в районе деревни Орловка и шлейф незамерзающей воды ниже точки выпуска, уходящий в сторону устья Томи мимо села Козюлино (6–10 км от точки выпуска).
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
1. Дноуглубительные работы на лимитирующих перекатах для выправления перегибов продольного профиля, на плёсовых участках, включая уничтожение островов,с целью борьбы с заторами неэффективны, финансово затратны и даже вредоносны.
2. Взрывные (на лимитирующих перекатах), ледорезательные и ледочернящие работы в первую очередь ввиду недостаточного покрытия площадей рыхления, на которых они проводятся перед вскрытием реки, затратны, неэффективны и также вредоносны.
3. При проведении исследовательских (мониторинговых) работ в русле и пойме Томи вектор исследований необходимо направить на исследование затопляемости пойменных участков при высоких уровнях, в том числе при заторных явлениях, с целью проектирования и строительства на пойме защитных сооружений от паводковых вод.
4. Единственным способом реальной борьбы с заторами является возобновление воздействия на ледовый покров Томи тепловыми стоками, как это было с 1958 по 1997 годы. Подчеркнём: речь идёт о тепловом, а не загрязнённом стоке.
Источники тёплых вод существуют в настоящее время и проектируются на будущее. Выпуск тёплой воды в зимнее время в реку существенно ослабит лёд на момент вскрытия и, возможно, в перспективе позволит забыть о заторах на Томи в окрестностях областного центра.
Дмитрий Замараев, главный маркшейдер ООО «Спецгеострой»