CC BY
15УДК 627.8
К ВОПРОСУ О ЛИКВИДАЦИИ ВОДОХРАНИЛИЩ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ИХ ЛОЖА И БЕРЕГОВОЙ ПОЛОСЫ
Сообщение 3. Методические подходы к оценке водной эрозии донных отложений в ложе спущенных водохранилищ
© 2012 г. А.Н. Попов1, В.И. Штыков2
1ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Екатеринбург
2Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения, Санкт-Петербург
Ключевые слова: пруд, водохранилище, ликвидация искусственных водоемов, донные отложения, эрозия, методы оценки.
А.Н. Попов В.И. Штыков
Рассмотрены основные факторы, влияющие на интенсивность эрозии донных отложений и методические подходы к оценке ее интенсивности. Рекомендованы действия по ее снижению или ликвидации.
Значительная часть малых и средних водохранилищ России создавались для целей орошения и сельскохозяйственного водоснабжения. В целом, в настоящее время по предварительным оценкам до 50 % этих водных объектов по разным причинам утратили свое хозяйственное значение. Более того, старение водохранилищ, их заиление, неудовлетворительное состояние гидротехнических сооружений напорного фронта становится дополнительным фактором экологической опасности и причиной возникновения чрезвычайных ситуаций. Эта проблема усугубляется увеличением в последнее десятилетие напряженности гидрометеорологической обстановки, частоты возникновения гидрологических катастроф.
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
В сложившейся к настоящему времени ситуации возникают обстоятельства, требующие ликвидации прудов, малых и (в исключительных случаях) средних водохранилищ. Такое мероприятие может быть целесообразным по следующим показаниям:
1) аварийное состояние гидросооружений напорного фронта;
2) бесхозность водоема, отсутствие собственника ГТС, потеря водохозяйственного значения;
3) длительный срок эксплуатации сооружений, заиление мертвого объема водохранилищ, интенсивное зарастание мелководий;
4) негативное влияние на водные ресурсы - неоправданно большие потери стока на испарение, цветение воды, вторичное загрязнение протекающих вод иловыми отложениями.
Из указанного перечня приоритетными являются утрата водохозяйственного значения, как правило, сопутствующая отсутствию собственника ГТС, и негативное влияние на водные ресурсы.
Процесс ликвидации прудов и водохранилищ требует научно обоснованных решений по организованному и контролируемому демонтажу гидротехнических сооружений, спуску водохранилищ, рекультивации их ложа и береговой полосы с возвращением аквальных ландшафтов в земельный оборот.
Негативными экологическими последствиями спуска водохранилищ могут являться:
- развитие водно-эрозионных процессов в ложе водохранилища;
- сползание верхнего разжиженного слоя отложений;
- активизация оползней коренных берегов речной долины;
- поступление большого количества взвешенных веществ в нижний бьеф;
- заиление нижележащих участков русла водотока;
- загрязнение воды в нижнем бьефе ингредиентами, содержащимися в поровых водах донных отложений;
- продолжительные сроки естественного самозарастания ложа водохранилища.
Нормальная или естественная эрозия природных ландшафтов подчиняется известным законам природы - геологическому и биологическому круговороту и, в конечном итоге, направлена на выравнивание поверхности суши. Темпы естественной эрозии весьма низки и не представляют угрозы для окружающей среды.
Эрозионные процессы в ложе спущенных водохранилищ усугубляются низкой устойчивостью отложений к размыву, характером рельефа речных долин, отсутствием растительности, обводненностью склонов. Ускоренная эрозия, возникающая в результате спуска водохранилищ и обнажения
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
донных отложений, приводит к нарушению баланса между аккумуляцией и выносом твердого материала. В отличие от ущерба, причиняемого эрозией почв на сельскохозяйственных угодьях, проявляющегося в сокращении мощности гумусового горизонта почвы, потере питательных веществ, ухудшении физических и биологических свойств почвы, недоборе сельскохозяйственной продукции, эрозия в ложе спущенных водохранилищ опасна, прежде всего, заилением нижележащих участков водотоков, загрязнением их взвешенными и биогенными веществами.
Анализ известных механизмов эрозии почв показывает, что смыв донных отложений будет происходить под влиянием удара дождевых капель и механического воздействия рассеянных струй и ручейков дождевой и снеговой воды, стекающей по склонам, и характеризуется следующими особенностями:
- размывающая и транспортирующая способности потока при увеличении удельного расхода воды возрастают;
- переход потока из нерусловой формы в русловую резко снижает гидравлические потери напора, освободившаяся энергия затрачивается на размыв, в результате чего русловые эрозионные формы приобретают тенденцию к развитию;
- размывающая и транспортирующая способности нерусловых потоков сильно возрастают во время интенсивных ливней, благодаря турбулентному действию капель; смыв происходит даже при уклонах, близких к нулевому, распространяясь на относительно горизонтальные поймы и надпойменные террасы;
- в зависимости от гидравлического режима потока его эрозионная способность пропорциональна уклону (точнее синусу угла склона) в первой или второй степени;
- шероховатость поверхности сильно замедляет скорость потока.
Основной объем эрозии осуществляют потоки, имеющие своеобразные
гидравлические свойства - очень низкое число Рейнольдса и высокое число Фруда.
Физико-химические особенности эрозии изучены плохо [1]. Известно, что на равнинах количество вещества, удаляемого водой в виде растворов и коллоидов, значительно превосходит количество твердого материала в форме взвешенных и влекомых наносов.
Эрозия донных отложений в ложе спускаемых водохранилищ будет определяться следующими факторами:
- уклон поверхности и длина склона;
- податливость самих донных отложений смыву;
- наличие и защитная роль остатков высшей водной растительности;
- интенсивность осадков;
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
- характер снегоотложения и последовательность схода снега на склонах.
Интенсивность выноса частиц определяется мутностью воды, сильно варьирующей в зависимости от конкретных условий. В.В. Звонков [2] установил три критические скорости течения воды, обуславливающие вынос и отложение мелкозема. Первая критическая скорость - начало движения частиц по дну потока; вторая - конец разбега частиц и начало их полета в потоке; третья - конец взвешенного состояния и начало ее тормозного пути на дне потока.
Согласно А.И. Желобову [3], наиболее опасный диаметр частиц грунта 0,015-0,033 см, ему соответствует наименьшая критическая скорость воды в потоке 0,18-0,22 м/с. При увеличении и уменьшении диаметра частиц наименьшая критическая скорость возрастает. Однако, как отмечает Н.И. Маккавеев [4], когда частицы поступают в турбулентный поток со стороны, то транспортируемое их количество тем больше, чем мельче их размеры. Введение крупного материала в поток может резко уменьшить его способность к эрозии, а добавление некоторого количества мелкого материала в поток стимулирует движение более крупных частиц, которые до этого поток не передвигал. Н.И. Маккавеев обращает также внимание на особенности эрозионной работы струй малой глубины на склонах и их недостаточную изученность. Эти склоновые потоки чаще всего ламинарные и высоко кинетические с бурным режимом течения. Их скорость не зависит от шероховатости поверхности, но в большей степени реагирует на изменение уклона, чем при турбулентном режиме.
Мутность воды при одной и той же крутизне склона может колебаться в широких пределах. Она зависит, с одной стороны, от живой силы потока ту2/2, а с другой стороны - от податливости грунтов смыву, диапазон ее колебаний для почв составляет 0,5-40,0 г/л.
Значения интенсивности смыва почвы на склонах при ливнях и в период снеготаяния обобщены в работах [4-8]. При снеготаянии по мере обнажения почвы из-под снега почвенные комочки верхнего только что оттаявшего слоя легко распадаются на агрегаты, которые захватываются водой и уносятся. Известно [4-8], что при легкой податливости донных отложений смыву рассеянное прохождение вод при одном и том же объеме стока может обусловить больший смыв, чем концентрированное. На участках, защищенных остатками водной растительности, наоборот, при рассеянном стоке можно ожидать меньшего смыва, чем при концентрированном.
Анализ работы [9] по склоновой эрозии почв показывает, что при весеннем снеготаянии на первом этапе (до образования проталин) почвы защищены снегом, стекающая вода прозрачна, а смыв почвы практически отсутствует. Можно предположить, аналогичное развитие процесса и для
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
обнаженных донных отложений. На склонах без ложбин проталины обычно образуются, когда оставшийся запас воды в снеге при равномерном его отложении снижается приблизительно до 18-28 мм. В связи с этим важно учитывать перераспределение снега на склонах разной экспозиции и по элементам склонов.
По данным Новосильской станции [10] количество снега на склонах (снежность склонов) характеризуется в среднем следующими коэффициентами:
- ровная приводораздельная площадь (контроль) - 1,0;
- склоны восточной, юго-восточной и южной экспозиции - 0,5;
- склоны северо-восточной экспозиции - 1,0;
- склоны юго-западной экспозиции -1,2;
- склоны северной и западной - 1,5;
- склоны северо-западной - 2,0.
На снегосдуваемых склонах мощность снежного покрова, как правило, уменьшается в направлении гидрографической сети, а на снегозаносимых -увеличивается. Следовательно, регулирование снегоотложения таким образом, чтобы на нижних выпуклых отрезках склонов было больше снега, чем на вышележащих, является важным приемом контролирования процессов эрозии.
В безморозный период возникновение водных потоков на склонах определяется осадками. Один из важнейших показателей развития эрозии на склонах - эрозионный потенциал осадков (ЭПО). Его абсолютная величина и географическое распределение во многом определяют интенсивность и распространение эрозии [1]. Для оценки ЭПО применяются в различном сочетании такие характеристики дождей, как слой осадков, интенсивность и энергия. Выполненные исследования показали, что произведение энергии дождя на его максимальную 30-минутную интенсивность тесно коррелирует со смывом. Значения ЭПО, вычисленные по 10-, 15- и 20-минутным интервалам, тесно коррелируют между собой [13].
В зонах с умеренным количеством осадков величина их ЭПО определяется не только слоем осадков, но и соотношением высокоинтенсивных ливней и обложных низкоинтенсивных дождей. Так, по меридиану Архангельска с севера на юг вплоть до Ростова-на-Дону количество осадков практически не изменяется, а величина ЭПО возрастает от 1,8 до 7-8 единиц, т. к. в Ростовской области значительная часть осадков выпадает в виде ливневых дождей. На широте Москвы до Красноярска, несмотря на уменьшение слоя осадков на 100-200 мм и более, ЭПО остается постоянным или даже несколько возрастает. Используя карту ЭПО, где вводится внутригодо-вое распределение ЭПО в виде нарастающей величины от месяца к месяцу в процентах от годового значения, и данные, представленные в работе [1], методом интерполяции можно рассчитать значение ЭПО на любую дату.
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
Способность почв противостоять смыву и размыву зависит от их физико-химических и водно-физических свойств и механического состава. Из физико-химических свойств важнейшими являются содержание гумуса и состав поглощающего комплекса. Органические вещества и тонкие коллоидные фракции почвы в присутствии катионов Са2+ и Mg2+ способствуют образованию водопрочных агрегатов, что обуславливает более рыхлое строение почвы, уменьшение ее объемного веса и увеличение водопрочности.
Механический состав почв в значительной степени определяет их податливость к эрозии: более тяжелые почвы лучше противостоят смыву, чем легкие. Наиболее податливы смыву при значительных уклонах и наличии стока песчаные почвы, при этом основная масса твердых продуктов передвигается по дну и в придонной зоне.
С учетом особенностей донных отложений водохранилищ можно предположить, что по уменьшению своей устойчивости к смыву они будут располагаться в следующем ряду: размытые глинистые и суглинистые почвы - размытые супесчаные почвы - песок - илистый песок - ил.
Комплекс свойств рельефа, способствующих возникновению стока, его концентрации и быстрому стеканию воды, по своей физической сути, определяет энергию потока. Роль рельефа при рассмотрении эрозии почв сельскохозяйственных земель нельзя рассматривать отдельно от других факторов и прежде всего обработки земель (вспашка, боронование, культивация), которая при прочих равных условиях увеличивает интенсивность эрозии на порядок [11].
Эрозионный потенциал рельефа (ЭПР) определяется прежде всего морфологией склонов - крутизной, длиной, формой, экспозицией, нано- и микрорельефом поверхности.
Анализ данных по эрозии почв на склонах позволяет предположить, что большинство эмпирических зависимостей имеет следующую структуру [1, 7, 8]:
М=АI" Ьт
г1,5
(1)
где М - расход смытого материала, кг/с; I - уклон склона; Ь - длина склона, м;
х - интенсивность осадков или водоотдачи из снега, мм/мин; " - показатель степени влияний уклона склона, " = 0,75-1,45; т - показатель степени влияния длины склона, т = 1,4-1,5; А - коэффициент учитывающий другие факторы эрозии. Анализ составляющих уравнения позволяет сделать заключение, что в условиях спущенных водохранилищ до формирования растительного пок-
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
рова наиболее эффективными противоэрозионными мероприятиями будут фрагментация склонов, перехват, отвод и отстой вод, поступающих с вышележащей части склона.
При классификации видов водной эрозии обычно выделяют два основных вида - плоскостной смыв и линейный размыв. Для поверхностно-склоновой водной эрозии в ложе спущенных водохранилищ наиболее приемлемой представляется классификация Г.И. Швебса [12] (табл. 1).
Таблица 1. Классификация поверхностно-склоновой водной эрозии в ложе спущенных водохранилищ [12]
Вид Подвид Характерные черты процесса Специфические условия, усугубляющие развитие эрозии
1. Эрозия разбрызгивания Образуется при разбрызгивании капель, падающих на увлажненную поверхность почвы, имеющую наклон. В условиях негоризонтальной поверхности происходит преимущественное перемещение частиц в одном направлении Отсутствие защитного действия растительности. Высокая увлажненность склона в период сработки грунтовых вод в бортах водохранилища
2. Поверхностный смыв 2.1. Поверхностный мелкоструйчатый Происходит при образовании поверхностного стока в микроструях с глубиной, соизмеримой с крупностью перемещаемых частиц. Направление струй часто не совпадает с направлением максимального уклона (режим ламинарный или переходный) Характер грунтов: ил, илистый песок, размытые почвы, песчаные отложения. Потеря размытыми почвами структуры
2.2. Ливневой поверхностный Имеет место в тех же условиях, что и поверхностный мелкоструйчатый смыв, при наличии турбулентности, создаваемой падающими каплями
3. Струйчатая эрозия 3.1. Струйчатый размыв Проявляется в ручьях поверхностного стока, направление которых преимущественно совпадает с направлением максимального уклона. Режим турбулентный, распределение скоростей по глубине не выражено Рельеф речных долин - чередование склонов и террас. Малые значения размывающих скоростей
3.2. Ливневый струйчатый размыв Образуется при тех же условиях, что и струйчатый размыв, при наличии дополнительной турбулентности, создаваемой ливневыми осадками, влияние которых убывает с ростом глубины потока
Водное хозяйство России
Учитывая гидромеханическую сущность водно-эрозионного процесса, его математическую модель можно получить при помощи аналитического сопоставления лобовой и подъемной сил, с одной стороны, и силы сопротивления отрыву, с другой. Г.И. Швебсом [12] на основе аппроксимации теории речных наносов В.Н. Гончарова выведена следующая зависимость для поверхностного смыва почвы:
Я =
( V - V
у
V
(2)
где Я - расход наносов; аф - коэффициент; й - крупность наносов;
V - скорость потока;
V) - значение энергетического параметра, при котором начинается смыв;
V = V + 0,01АМг°'75, А - параметр, зависящий от покрытия почвы растительностью иМ\ - мощность осадков.
Подробные методики определения составляющих уравнения (2) изложены в работах Г.И. Швебса [7, 8, 12].
Ввиду отсутствия экспериментальных данных для оценки размеров эрозии в ложе спущенных водохранилищ необходимо использовать расчетные зависимости. В настоящее время их известно более трех десятков [12]. С учетом целевой функции - оценки эрозии в ложе спущенных водохранилищ, логической обоснованности, четкого выделения гидрометеорологических, рельефных и грунтовых факторов, одной из наиболее обоснованных представляются зависимости Г.И. Швебса.
Величину ливневого смыва рассчитывают по формуле:
Жто = 1,2 • 10-4/де~яР(0'85-100т)Ф(Ь, I) I Кгм; (3)
где- показатель относительной смываемости почвы;
А,Р - параметр функции влияния растительности на смыв почвы (изменяется от 1 для оголенной поверхности до 5 для целины и леса); т - параметр формулы скорости, учитывающий шероховатость; Ф(Ь, I) - рельефная функция;
КГМ - гидрометеорологический фактор ливневого поверхностного смыва почвы.
Для весеннего периода величину модуля смыва определяют по формуле: Жв = 10-5/рСэЯрвРвФб(Ь, ^ЛХз; (4)
где /Р- частная характеристика относительной смываемости почв;
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
Сэ - коэффициент, характеризующий влияние экспозиции;
А,РВ - параметр, учитывающий состояние подстилающей поверхности;
рВ - мутность стока;
ФВ(Х, I) -рельефная функция, отличающаяся от аналогичной в предыдущей формуле более низким показателем степени при уклоне;
^ - средний коэффициент стока;
ДХВ - среднегодовые запасы воды в снеге.
Достоинством уравнений (3) и (4) является возможность определения эрозионных потерь для любого отрезка времени с использованием стандартной гидрометеорологической информации. Подробные методики определения параметров этих уравнений и изложены в работах [7, 8].
Таким образом, обобщая все сказанное выше, можно сделать следующие выводы:
Высокая эрозионная опасность в ложе спущенных водохранилищ определяется характером рельефа речных долин, низкой устойчивостью донных отложений к смыву, полным отсутствием защитного действия растительности, обводненностью склонов речных долин при длительной сработке грунтовых вод.
При легкой податливости донных отложений смыву рассеянное прохождение вод при одном и том же объеме стока может обусловить больший смыв, чем концентрированное. На участках, защищенных остатками водной растительности, наоборот, при рассеянном стоке можно ожидать меньшего смыва, чем при концентрированном.
Уменьшать эрозию в весенний период можно путем регулирования сне-гоотложения таким образом, чтобы на нижних выпуклых отрезках склонов было больше снега, чем на вышележащих.
С учетом особенностей донных отложений водохранилищ можно предположить, что по уменьшению своей устойчивости к смыву они будут располагаться в следующем ряду: размытые глинистые и суглинистые почвы - размытые супесчаные почвы - песок - илистый песок - ил.
В условиях спущенных водохранилищ до формирования растительного покрова наиболее эффективными будут мероприятия по фрагментации склонов, перехвату, отводу и отстою вод, поступающих с вышележащей части склона.
Ввиду отсутствия экспериментальных данных, для оценки размеров эрозии в ложе спущенных водохранилищ целесообразно использовать расчетные зависимости, наилучшим образом соответствующие целевой функции, обладающие логической обоснованностью, четким выделением гидрометеорологических, рельефных и грунтовых факторов.
Водное хозяйство России
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Работа водных потоков / под ред. Р.С. Чалова. М. 1987. 194 с.
2. Звонков В.В. Водная и ветровая эрозия земли. М. 1962. 175 с.
3. Жолобов А.И. Экономическая эффективность удобрений на каштановых почвах // Химиза-
ция сельского хозяйства Волгоградской области. Волгоград. 1965. С. 19-24.
4. МаккавеевН.И. О научных основах методики борьбы с эрозией // Эрозия почв и русловые
процессы. М. 1970. Вып. 1. С. 52-60.
5. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М. 1955. 346 с.
6. ЗаславскийМ.Н. Эрозия почв. М.: Мысль, 1979. 245 с.
7. Долгилевич М.И., Швебс Г.И., Зыков И.Г. Научные основы прогнозирования и система
предупреждения эрозионных процессов. М.: Колос, 1992. 147 с.
8. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. Киев; Одесса. 1981. 224 с.
9. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. Д. 1976. С. 17-28.
10. Козменко А.С., Ивановский А.Д. Режим поверхностного стока в Центральной лесостепи //
Гидротехника и мелиорация. 1953. № 1. С. 3-18.
11. Прыткова М.Я. Осадконакопление в малых водохранилищах. Д. 1981. 152 с.
12. Швебс Г.И. Формирование водной эрозии, стока наносов и их оценка (на примере Укра-
ины и Молдавии). Д. 1974. 184 с.
13. Заславский М.Н. Карта эрозионного индекса дождевых осадков Европейской территории
СССР и Кавказа // Эрозия почв и русловые процессы. М. 1981. Вып. 8. С. 17-29.
Сведения об авторах:
Попов Александр Николаевич, д. т. н., профессор, заведующий отделом, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ), 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; e-mail: pan1944@rambler.ru
Штыков Валерий Иванович, д. т. н., профессор, кафедра водоснабжения, водоотведе-ния и гидравлики, Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Водное хозяйство России № 6, 2012
Водное хозяйство России
