Гидрологические аспекты формирования антропогенного рельефа при рекультивации нарушенных горными работами земель Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

В

СЕМИНАР 10

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Ю.В. Кононенко, 2001

УДК 622.014.3:502.76

Ю.В. Кононенко

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОГО РЕЛЬЕФА ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ЗЕМЕЛЬ

ском равновесии с доминирующим, длительно действующим геоморфологическим процессом [1, 2], например, воссоздавать разрушенную речную сеть, придавая руслам уклоны, обеспечивающие выравнивание транспортирующей способности [3].

Как показал геоморфологический анализ территорий основных регионов открытой добычи России, общей задачей рекультивации является восстановление флювиальных морфосистем [8].

Расчет уклонов форм восстанавливаемого рельефа и склонов флювиаль-ных морфосистем предлагаем осуществить на основании методов инженерной гидрологии [4], положив в основу условие, что величина уклона при протекании потока по рекультивируемой поверхности должна обеспечивать скорость потока меньше, чем размывающая скорость для данного литологического состава основания. Скорость движения гидросмеси в ручьях, которые возникают на намытой при рекультивации поверхности, описываются уравнением Шези [5]:

(1)

се формы рельефа, составляющие морфосистему земной поверхности, сфор-мированы в результате действия геоморфологических процессов, зависящих от набора факторов рельефооб-разования. К числу таких факторов, относятся:

• климат (количество, интенсивность и режим осадков, ход температуры и т.д.);

• растительность;

• почвенный покров;

• гидрологические характеристики территории;

• хозяйственное освоение.

Часть факторов рельефообразова-

ния, такие как климат, морфострукту-ра и хозяйственное освоение, а иногда растительность и почвы, вызывают рельефоформирующие процессы непосредственно воздействующие на формы рельефа. Действие других факторов, например величины, интенсивности и режима стока, опосредуется самими формами рельефа через такие морфологические характеристики, как площадь и форма водосбора, длина и крутизна склонов и т.д. Таким образом, формы рельефа выступают и в качестве факторов формирования: следствие в функциональной схеме развития рельефа является причиной самого себя.

Многие исследователи при проектировании техногенного рельефа (при рекультивации) часто рекомендуют воспроизводить такие формы рельефа, которые бы находились в динамиче-

Vср = • J ,

где Уср - средняя скорость течения жидкости, м/с; J - уклон поверхности потока; К - гидравлический радиус потока; С - коэффициент Шези, который рассчитывается по формуле Маннинга [5]:

С = - К1/6, (2)

п

где п - коэффициент шероховатости.

Величина коэффициента шероховатости для различных условий при-

ведена в соответствующих таблицах и справочниках [5].

Г идравлический радиус потока зависит от площади сечения потока (Ь •/) и смоченного периметра потока (Ь + 2/):

К = -—^, (3)

2/ + Ь

где / - глубина потока, м; Ь - ширина потока, м.

Обозначив отношение — = А , /

скорость потока можно представить в виде:

0,667

. (4)

47 ( Ah

Уср ' / {2 + А

Эта зависимость не позволяет в явном виде учитывать влияние расхода гидросмеси на уклон поверхности. Выразив величину / из известной за-

висимости Q = Ь к

Q

к =-

ЪУр

ср, тогда но Ъ = А-к, и окончательно

ср

получим, что

к =

Q

ау:

(5)

ср

Подставим выражение (5) в (4) и после преобразований получим -Ю,667

VI • к3 • (А + 2)

ср

А • Q

(6)

Если в зависимость (6) вместо величины Уср подставить значение неразмывающей скорости для определенного типа пород, то можно рассчитать критические уклоны, при превышении которых на намываемой поверхности будет происходить эрозия. Величина коэффициента п учитывает фактор задернованности рекультивируемой поверхности.

Представим себе прямой склон с уклоном 7. При выпадении дождей на нем формируется плоский поток, причем интенсивность осадков ід и интенсивность впитывания К не изменяются ни по длине склона, ни с течением времени. Тогда удельный расход q в створе, удаленном на L метров от вершины склона выразится как

q = (ід - (7)

Выразим глубину плоского потока Н и его скорость и через удельный расход. Используя для этой цели уравнение Шези и уравнение неразрывности [6], получим

тт г,-2/3 2/3 г 1/3

H = С q Г

2/3 1/3 1/3

и = С q Г

(8)

(9)

Очевидно, что работа по перемещению и удалению частиц породы со склона (смыв Щ является функцией как глубины потока, так и его скорости. В то же время, как глубина, так и скорость - функции уклона поверхности.

Удельный расход и объем поверхностного стока - одного из основных агентов водной эрозии - при прочих равных условиях - определяются интенсивностью и слоем осадков. Действительно, заметный смыв может иметь место в случае образования поверхностного стока, т.е. при условии, что интенсивность осадков (Е1) выше интенсивности впитывания дождевой

воды в почву. Поскольку водопроницаемость изменяется в широких пределах в зависимости от свойств почвы и ряда других условий, то, очевидно, пороговое значение интенсивности не может быть одинаковым для всех грунтов. Но в таком случае эрозионный потенциал осадков не может картироваться, что значительно усложняет использование этого параметра. Группа учёных под руководством В.Х. Уишмейера [6] нашли, что смыв более тесно коррелирует с максимальной интенсивностью за 30 мин. В Грузии в приморской зоне лучшие результаты дает 30-минутная интенсивность, а в среднегорном поясе - 15минутная [7].

Показатель Е1зо в условиях северной Евразии также показал удовлетворительные результаты. Во всяком случае, оценки интенсивности эрозионных процессов на территории Среднерусской возвышенности, Северного

Кавказа, Нижнего Дона и Западной Сибири с использованием эрозионного потенциала осадков с 30-минутной максимальной интенсивностью показали хорошее совпадение с фактическим распространением эрозионных процессов [6].

Использование в расчётах по проектированию форм рекультивируемого рельефа зависимостей и закономерностей, представленных в (1-9) позволяет разработать довольно точную методику расчёта параметров данных форм. Использование показателей интенсивности дождя (энергии дождя) в связи с показателями слоя стока и расходов воды позволяет методически легче подсчитать величины уклона (неразмывающую скорость для различных типов грунтов) на поверхностях антропогенного выравнивания при рекультивации нарушенных земель.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кононенко Е.А., Щербакова Е.П. Гидромеханизированная рекультивация нарушенных земель. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Вып. 3. - М.: МГИ, 1992. - С. 56.

2. Таран О.А. О возможности применения моделей устойчивого рельефа при проектировании малых водохранилищ и прудов // Вестник Харьковского ун-та. 1987. - Вып. 306. - С. 79-80.

3. Черванцев И.Г., Куценко Н.В., Магмедов В.Г. Проектирование динамически равновесного эрозионно-денудационного рельефа в связи с водоохранной деятельностью // Охрана вод от загрязнения поверхностным стоком. - Харьков, 1983. - С. 92-101.

4. Леви И.И. Инженерная гидрология. - М.: Высшая школа, 1968. - 237 с.

5. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Ляшевич В.В. Гидротранспорт горных пород. - М., 1974. - 168 с.

6. Ларионов Г.А. "Эрозия и дефляция почв". - М., МГУ, 1993

7. Гогичайшвилли Г.П. Климатический и почвенный факторы эрозионной опасности земель Грузинской ССР // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов. Тезисы докладов 4-й Всесоюз. Научной конференции. - М., 1987. - 61 с.

8. Кононенко Ю.В. Влияние геоморфологических процессов на техногенный рельеф.// Горный информационноаналитический бюллетень, - №9, Из-во МГГУ, 2000.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

,__________________________________________________________________________________

Со

Кононенко Ю.В. — аспирант, Московский государственный горный университет.