Река Иртыш - наиболее крупный левобережный приток реки Обь, общая площадь водосбора 1 643 тыс. км2. Наиболее значительные притоки, в том числе р. Конда, отмечены в нижнем течении на участке от г. Тобольска. Скорость течения в период половодья может превышать 1 м/с. Глубины на плесах достигают 25 м и более, ширина русла реки - до 1 200 м [1]. На меандрах образуются участки со значительными глубинами, где могут формироваться русловые ямы, имеющие важное значение для сохранения водных биологических ресурсов всего Обь-Иртышского бассейна, на этих участках круглогодично запрещено рыболовство. К наиболее крупным из них - как по площади, так и по глубине - относятся Горнослинкинская и Кондинская, которые расположены в нижнем течении р. Иртыш в пределах Уватского и Ханты-Мансийского районов Тюменской области и Ханты-Мансийского автономного округа соответственно. Скопления рыб на этих участках русла образуются круглогодично. В глубоководной части ям в результате резкого поворота русла наблюдаются вихри (водовороты) [2, 3], образующиеся из-за турбулентного кругового вращения водных масс [4, 5], и облака повышенной мутности («облака вскипания»), образование которых является следствием крупномасштабных вихревых структур, поднимающих взвешенные частицы со дна к поверхности воды [6]. Резкие колебания движений водных масс и перенос частиц грунта в водную толщу формируют гидродинамическую и оптическую неоднородность среды, которую различные водные организмы используют в качестве укрытий от хищников [7-9], при этом условия кормления гидробионтов могут как улучшаться [10], так и ухудшаться [11]. Цель работы - выявить особенности гидравлики речных участков русловых зимовальных ям, формирующих турбулентность и повышенную мутность. Материал и методика Исследования выполнены в период открытой воды 2014-2017 гг. в акватории Горнослинкинской и Кондинской русловых ям на территории Тюменской области и Ханты-Мансийского автономного округа-Югры соответственно. Для определения батиметрических характеристик русла использовали программно-технический гидроакустический комплекс AsCor (ООО «Промгидроакустика», г. Петрозаводск). В основе методики работы с данным комплексом используется серийный эхолот Furuno с двойным лучом вертикального обзора и рабочими частотами 50 и 200 кГц. Вместе с эхолотом в систему встроены аналогово-цифровой преобразователь сигнала и GPS-приемник. Выполняемая гидроакустическая съемка с батиметрическими характеристиками исследуемого участка реки записывается на полевой планшет, при этом по изучаемым акваториям передвигается моторная лодка по сетке галсов (зигзагами) согласно общепринятым методикам проведения гидроакустических съемок [12]. Запись гидроакустической съемки обрабатывают в лабораторных условиях с помощью программных приложений. Для построения визуализации рельефа дна используется геоинформационная программа Surfer 9.0: интерполяционный метод кригинга («Kriging method») и метод 3D Surface. Перед построением планшета карта исследуемого участка реки предварительно калибруется в программе Map Viewer 6.0, в которую импортируется снимок данной территории из программы Google Earth Pro в формате JPEG. Показатель кривизны меандр (изгибов русла) рассчитывается как отношение ширины русла (W) до вхождения в поворот к радиусу поворота (R), определяемого по стрежню [13, 14] на исследуемом участке реки. Если данное соотношение превышает 0,5, то кривизна меандры (поворот) считается высокой. Для определения видового состава рыб выполняли контрольный лов рыбы разноячейными ставными и плавными сетями (размер ячеи 14, 25, 35, 45, 55, 65 мм, длина сети 35-75 м). Результаты исследований и их обсуждение По данным контрольного лова в районе исследований рыбное население представлено следующими видами: стерлядь (Acipenser ruthenus Linnaeus, 1758); сибирский осетр (Acipenser baerii Brandt); нельма (Stenodus leucichthys nelma Pallas, 1773); пелядь (Coregonus peled Gmelin, 1788); муксун (Coregonus muksun Pallas, 1814); плотва (Rutilus Linnaeus, 1758); язь (Leuciscus idus (Linnaeus, 1758)); елец (Leuciscus (Linnaeus, 1758)); лещ (Abramis brama Linnaeus, 1758); золотой карась (Carassius Linnaeus, 1758); серебряный карась (Carrassius auratus Linnaeus, 1758); окунь (Perca fluviatilis Linnaeus, 1758); ерш (Gуmnocephalus cernuus Linnaeus, 1758); судак (Sander lucioperca Linnaeus, 1758); щука (Esox lucius Linnaeus, 1758); налим (Lota Linnaeus, 1758). Доминируют карповые виды рыб. В результате анализа акваторий Горнослинкинской и Кондинской русловых ям установлено, что рассматриваемые участки рек расположены на меандрах с высокой кривизной, значения которой равны 0,560 (620/1050 м) и 0,546 (610/1120 м) соответственно. Схематическое изображение гидрологических особенностей исследуемых участков представлено на рис. 1 [13, 14]. W R W R а б Рис. 1. Карта-схема течений, циркуляций и кривизны меандр русла на участках р. Иртыш с Кондинской (а) и Горнослинкинской (б) зимовальными ямами в г Рис. 1 (окончание). Карта-схема течений, циркуляций и кривизны меандр русла на участках р. Иртыш с Кондинской (в) и Горнослинкинской (г) зимовальными ямами: а - компенсационное течение, образующееся в результате резкого перепада глубин; в - поперечное течение, образующееся в результате меандрирования реки; с - поперечное течение, образующееся в результате меандрирования и боковой приточности (обмен импульсами рек); d - направление основного течения рек; 1 - направление основного течения; 2 - направление струй потока на участке меандры; 3 - поперечные циркуляции, формирующиеся на меандрах Другой важной особенностью исследуемых участков реки является наличие створов резкого сужения основного русла, предшествующих глубоководной части этих акваторий: на участке Кондинской ямы на 51,61 % (с 620 до 320 м), Горнослинкинской на 51,15 % (с 610 до 312 м). Как следствие, возрастает трение потока о боковые стенки русла, в результате чего динамическая ось потока заглубляется, активизируются эрозионные процессы дна реки. При тормозящем действии боковых частей русла при его сужении [15] возникают вертикальные циркуляционные течения водных масс [16]. В результате частицы грунта переносятся к внутренней стороне русла, формируя намывные гряды и гребни [16-19], такое явление отмечено на исследуемых участках в виде намывных песчаных пляжей в левобережной части Горнослинкинской и правобережной части Кондинской русловых ям. Установлено [14], что глубины русла реки на изгибе показывают высокую корреляцию со значениями кривизны при W/R > 0,5. В первой половине меандр на участках с резкими поворотами максимум скоростей смещается к выпуклому берегу, во второй половине и ниже по течению - к вогнутому. В результате возникают поперечные циркуляционные течения в русле реки, которые в дальнейшем затухают на прямолинейном участке [3]. При описываемых значительных уклонах в продольном направлении (перепадах глубин) с 12-16 до 42-43 м (рис. 2) стабилизация течения потока в сформированной гидродинамической среде происходит [20] в среднем на участке реки протяженностью 50 значений глубин, т. е. порядка 2 км. a б Рис. 2. Визуализация 3D рельефа дна Кондинской (а) и Горнослинкинской (б) русловых ям (овалом выделены глубоководные зоны, где отмечаются наибольшие скопления рыб) При наличии донных русловых образований обтекание их речным потоком имеет сложный характер, в результате чего возникают отрывные зоны, резкие локальные изменения влекущей силы речного потока [6]. При взаимодействии описываемых гидрологических особенностей в акваториях русловых ям наблюдаются облака повышенной мутности (так называемые «облака вскипания» [6]), появление которых связано с поступлением большого числа взвешенных частиц из придонных слоев водного горизонта потока в результате действия мощных турбулентных пульсаций скорости речного потока. Исследования данного явления показали [6], что оно связано с крупномасштабными вихревыми турбулентными структурами, которые транспортируют взвешенные частицы от дна в толщу и к поверхности воды. В свою очередь, по данным [21], турбулентностью принято считать неупорядоченное движение в жидкости при обтекании ею непроницаемых поверхностей и в случаях взаимодействия различных потоков либо их взаимного проникновения. При всей сложности взаимосвязанных гидрологических особенностей и явлений, возникающих на исследуемых участках реки, здесь наблюдается концентрация массовых видов рыб Нижнего Иртыша, в том числе и ценных - стерляди, сибирского осетра и нельмы. При меандрировании р. Иртыш в нижнем течении наблюдаются резкие изгибы русла, на которых в результате взаимодействия совокупности факторов (пространственные особенности батиметрических характеристик ложа, кривизна изгиба, наличие коренных пород и т. д.) формируется сложное спиралеобразное скручивание потока [22, 23] и образование гетерогенной динамической водной среды [22, 24] с пульсациями скоростей разнонаправленных течений и мутности [25]. В горизонтально движущемся потоке на исследуемых участках рек при локальном круговом вращении водных масс [4] происходит возникновение вихрей, которые перемещаются вниз по течению со скоростью равной 0,8 средней скорости потока [6], а их интенсивность также коррелирует с кривизной изгиба русла [26]. При этом [3] внутри потока в результате перемещения вихрей (водоворотов) различного размера происходит низко- и высокочастотная пульсация скоростей [27, 28]. Из-за возникающих вихрей в акватории русловых ям моделирование гетерогенной гидродинамической среды со спиралеобразным скручиванием при изгибе русла является настолько сложной задачей, что для этого применяются только методики с использованием 3D визуализации, способные максимально отразить всю сложность среды потока [29]. Внутрирусловые образования значительных размеров, в том числе существенные глубинные участки, создают возмущения в потоке, соизмеримые со средними параметрами речного стока [30]. В результате слияния рек дополнительно формируются крупномасштабные турбулентные вихревые структуры [31] и спиралеобразное скручивание потоков [27] за счет поперечных [16, 18, 19, 32, 33] и обратных компенсационных течений, образующихся на резких изгибах русла и при значительном перепаде глубин. В акватории Кондинской русловой ямы эти факторы дополняют впадение р. Конда в левобережье р. Иртыш под углом 90º и взаимодействие потоков этих рек [21] с их взаимным проникновением, резким смещением водных масс из бокового притока в нижнюю часть поперечного сечения русла [34], в результате формируются интенсивные турбулентные участки [35]. Показано [36], что несогласованность батиметрических характеристик между сливающимися реками увеличивает интенсивность турбулентности и апвеллинг потоков внутри зоны слияния. При прохождении речного потока над резким свалом глубин в акваториях ям он испытывает сложное гидродинамическое воздействие. Таким образом, в нижней части свала - подвалье - происходит взаимодействие подвижного транзитного потока с водными массами из зоны подвалья, что приводит их в движение. Водные массы подвалья, вовлеченные в поток, образуют обратное компенсационное течение [16]. При таком взаимодействии происходит значительное изменение характеристик потока и обмен импульсами рек [37]. Установлено [34, 38], что ниже по течению зоны слияния потоков наблюдается эрозия ложа, которая, в свою очередь, дополняет размыв подвалья русловой ямы. Возникающие возвратные течения и вихри [39] выполняют дальнейшее разрушение (размыв) подвалья [37], не давая образовываться в этой области грядам и другим русловым донным образованиям. Дополнительно показано, что на изгибах русла формируется сильный нисходящий поток со значительными скоростями, который концентрируется в нижней части поперечного сечения и поддерживает большую глубину размыва [18], препятствуя заилению русловых ям. Отклонение струи потока, возникающее при меандрировании русла реки, обязательно приводит к размыву берегов и образованию поперечных циркуляционных течений в потоке [19]. На таких изгибах русел многие исследователи [3, 16-18, 27, 32, 33, 40, 41] отмечают наличие донных поперечных течений, начинающихся выше входного створа и направленных от вогнутого берега к выпуклому. Поверхностные струи потока смещаются к вогнутому берегу несколько выше входного створа [19, 42]. В результате взаимодействия противоположно направленных поверхностных и придонных струй потока на изгибах русла в поперечном сечении потока образуется от одного до нескольких замкнутых циркуляционных течений [17, 18]. Одно циркуляционное течение, как правило, занимает большую площадь поперечного сечения, остальные имеют второстепенное значение. Сила поперечной циркуляции зависит от степени кривизны русла и скорости продольного течения [26, 41]. На поверхности потока р. Иртыш в акватории обоих русловых ям отмечаются ровные полосы - зоны встречи двух циркуляционных течений, такие течения называют сбоями или сбойными [3]. На участке Кондинской ямы множество сбойных течений отмечено в месте впадения р. Конда в р. Иртыш. Кроме того, показано [43], что при слиянии водотоков впадающий боковой приток может усиливать поперечные циркуляции [27] основного изгибающегося потока путем передачи импульса водных масс при условиях [44] разницы глубин сливающихся потоков минимум на 25 % и соразмерных скоростях течения. В зоне слияния скорость потоков может возрастать, а зоны их максимальных скоростей в поперечном сечении перемещаются в нижнюю часть потока [45]. При этом показано [40] образование застойной зоны жидкости непосредственно перед участком слияния и боковое отклонение второстепенного потока (р. Конда) - доминирующим (р. Иртыш). Впадение второстепенной реки под прямым углом на изгибе доминирующей создает взаимное отклонение потоков, в результате чего поток второстепенной реки резко смещается в нижнюю часть доминирующей, поток которой отклоняется от внешнего берега, при этом отмечают значительную эрозию дна доминирующей реки [34]. Дополнительно показано [34], что на участках слияния рек под острым углом значительных скоплений рыб не обнаруживают. Заключение Таким образом, в акваториях зимовальных русловых ям в местах скоплений рыб отмечена совокупность особенностей русла, способствующих формированию поперечных циркуляций (течений) воды и вертикальных вихревых структур. Основная причина возникновения поперечных циркуляций на отмеченных меандрах русла - центробежная сила инерции, развивающаяся в водной массе, и связанный с этим поперечный уклон поверхности воды, причиной возникновения водоворотов является высокий показатель кривизны меандры. При спиралеобразном движении водных масс и вертикальных вихревых структур происходит пульсация мутности и скорости разнонаправленных течений, в результате чего формируется сложная оптическая и турбулентная гидродинамическая неоднородность водной толщи русловых ям, в которой концентрируются массовые виды рыб Нижнего Иртыша, в том числе и ценные.