CC BY
167
70
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 551.435.13 (470.51)
К.М. Беркович, С.Ю. Ившин, И.И. Рысин, Л.А. Турыкин
МОНИТОРИНГ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ Р. КАМЫ НА УЧАСТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОГО СЫРЬЯ «ГОЛЬЯНОВСКОЕ»
Представлены материалы 2-го этапа мониторинга русловых процессов р. Камы на участке разрабатываемого месторождения песчано-гравийного сырья «Г ольяновское», включающие картографирование текущего состояния русла, исследование современного гидрологического режима, анализ русловых деформаций, определение объема изъятого материала и скорости заиления существующих карьеров.
Ключевые слова: мониторинг, песчано-гравийное сырье, русловые процессы, руслообразующие наносы. Введение
Исследование русловых процессов р. Камы в нижем бьефе Боткинского гидроузла проводится с 2007 г. Общая задача исследования состоит в разработке рекомендаций по минимизации неблагоприятного воздействия русловых карьеров на природную среду путем определения экологически допустимых параметров добычи песчано-гравийных материалов (ПГМ) и осуществления оперативного контроля за состоянием руслового комплекса в условиях техногенного воздействия.
Объект исследования расположен в Завьяловском районе Удмуртской Республики (УР). Он включает русло р. Камы на участке Гольяновского и части Макаровского месторождений ПГМ (18861891 км по судовому ходу - Атлас ЕГСЕЧ РФ 2001 г.).
По данным исследования, проведенного в 2006 г. ООО НПП «Геомониторинг» [1], полезная толща месторождений образована современным русловым аллювием, мощность ее изменяется от 2,6 до 7,9 м, составляя в среднем 5,3 м. Площадь участка в границах горного отвода равна 2564.9 тыс.м2. По состоянию на 2006 г. запасы ПГС категории С1 в пределах горного отвода залегают на площади 781 тыс. м2 и составляют 4131 тыс. м3.
Предварительный цикл натурных исследований гидрологического и руслового режима р. Камы на участке Боткинская ГЭС - г.Сарапул проведен в мае 2007 г. до начала освоения указанных русловых месторождений [2]. Б результате данного исследования были определены оптимальные для сохранности природной среды параметры разработки месторождений - допустимые объемы добычи ПГМ, расположение блоков добычи в пределах месторождения, порядок их отработки. Кроме того, был дан прогноз последствий русловой добычи ПГМ для состояния руслового комплекса Камы [3]. Б связи с тем, что разработку месторождения планируется проводить в течение 10 лет, было указано на необходимость организовать русловый мониторинг в сопровождение добычных работ.
Цель такого мониторинга - наблюдение за состоянием руслового комплекса Камы в условиях разработки Гольяновского месторождения ПГМ для своевременного выявления опасных процессов, обусловленных техногенным фактором, оперативной подготовки рекомендаций по устранению вызывающих их причин, а также для создания базы натурных данных по исследуемому участку реки. Последнее позволяет при необходимости уточнять параметры, определяющие возможности добычи ПГМ: гидравлические характеристики потока, объем стока руслообразующих наносов, темпы самовосстановления русла и т. д., а также разрабатывать прогнозы динамики русла и вероятности развития неблагоприятных процессов на участке месторождения и в зоне его влияния.
Многолетняя программа мониторинга предусматривает регулярное его проведение. При этом мониторинг должен охватывать основные гидрологические фазы и фиксировать состояние русла на отдельных этапах разработки месторождения. Для условий Гольяновского месторождения наиболее целесообразным признано проведение мониторинга ежегодно в два этапа: 1 - на пике или спаде весеннего попуска с Боткинского ГУ перед началом сезона добычи (предварительный); 2 - в период глубокой межени после окончания сезона добычи либо после полной отработки основного блока месторождения (контрольный).
Добыча ПГМ на Г ольяновском месторождении проводилась с помощью земснаряда ПЧС-600 в период с 1 по 22 октября 2007 г. на 3-м и 4-м блоках месторождения. Суммарный объем добычи ПГМ составил 140 тыс. т без учета объема вскрыши. Б апреле-июне 2008 г. добыча ПГМ была продолжена на 2-м блоке месторождения. Б этот период было изъято около 16,4 тыс. т донного грунта
Первый этап мониторинга был проведен в феврале 2008 г. Его основной задачей являлась контрольная съемка русла Камы на участке добычи ПГМ. Мониторинг подтвердил выполнение пользователем недр (ООО «Монолитстрой») требований по допустимым годовым объемам добычи ПГМ и расположению в русле отдельных блоков разработки. Также были определены особенности многолетних русловых деформаций на участке месторождения.
Настоящая статья подготовлена по данным второго этапа мониторинга, который был осуществлен на заключительной стадии добычных работ начала 2008 г. В задачи работы входили картографическое отображение текущего состояния русла, исследование современного гидрологического и руслового режима, анализ русловых деформаций, определение объема изъятого материала, уточнение величины стока руслообразующих наносов и скорости заиления существующих карьеров.
Наряду с авторами в полевых работах и подготовке отчета приняли участие сотрудники географического факультета МГУ - ведущий инженер Б.В. Белый, аспирант С. Л. Горин, к.г.н. А.К. Ильясов, инженер Л.Н. Никитина, инженер А. А. Попрядухин.
1. Состав и методика полевых работ
1.1. Инженерно-геодезические работы
Инженерно-геодезические работы включали развитие планово-высотной геодезической сети (планово-высотного обоснования) на участке мониторинга, а также выполнение геодезических засечек в ходе гидрологических и гидрографических работ.
Планово-высотное обоснование на реках используется для решения геодезических задач при проведении гидрографических съемок, а также выносе объектов в натуру, например, при разбивке створов для землечерпательных работ. Планово-высотное обоснование на местности закрепляется геодезическими пунктами, для которых определяются координаты и высоты. Пункты должны быть долговременного закрепления с учетом местных физико-географических условий.
При развитии планово-высотного обоснования и выполнении геодезических засечек измерения выполнялись двумя приемниками геодезического класса Trimble Navigation 5700. Данные приемники являются двухчастотными, позволяющими выполнять наблюдения за спутниками по фазовым измерениям на двух (Li/L2) волнах. Они имеют выносную антенну. При измерениях использовались антенны Trimble Zephyr Geodetic и Trimble Zephyr. Оба приемника при измерениях использовали спутниковую систему NAVSTAR (GPS).
Основной задачей развития планово-высотного обоснования в ходе настоящего обследования являлось заложение системы реперов для наблюдения за понижением (в процессе разработки месторождения) высоты равнообеспеченных уровней водной поверхности. С этой целью в дополнение к двум имеющимся на участке мониторинга реперам (МГУ 1 и Рп №23а) были установлены еще пять реперов, равномерно распределенных по длине участка (рис 1.). Основные требования к выбору площадки для закладки реперов состояли в следующем: удобство подхода с реки, отсутствие препятствий при наблюдении за спутниками, расположение выше горизонта высоких вод. В качестве реперов использовались металлические уголки и трубы, длиной около 1,5 м.
- ИЗ
■ Ml y-U,'
л
4
Д - пункт с фиксированный» координатами б □ - пункт с известной высотой (Балтийская система)
О нуї шт о координата му . оп рс^спсі і ый споообо м статики • - пункт с координата му. опрадапеный спослЄйм кинемэггиш
Рис. 1. Расположение пунктов локальной спутниковой сети и вектора, полученные по данным
полевых измерений
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Измерения выполнялись способом статики, где впоследствии определялся пространственный вектор между фазовыми центрами двух антенн. Для этого на каждом пункте строго над репером устанавливалась антенна, а приемник накапливал во внутреннюю память наблюдения за спутниками. Так как пространственный вектор определяется по одним и тем же спутникам, наблюдаемым с двух разных точек, то измерения на них приемниками спутникового позиционирования должны производиться синхронно. Способом статики можно выполнять наблюдения только приемниками спутникового позиционирования, позволяющими осуществлять фазовые измерения на одной (Li) или на двух (Li/L2) волнах. Продолжительность измерений на точке обусловлена количеством наблюдаемых спутников и значением пространственного геометрического фактора (PDOP). Чем больше спутников и меньше значение PDOP, тем меньше требуется времени для наблюдений. Длительная продолжительность наблюдений повышает точность и надежность проведенных измерений. В нашем случае длительность измерений на пунктах способом статики составляла не менее 1 часа.
По выполненным измерениям на пунктах в программе Trimble Geomatic Office были рассчитаны пространственные векторы. В качестве начального пункта, координаты которого были приняты как фиксированные, служил МГУ-01. Относительно него по рассчитанным векторам были вычислены координаты остальных пунктов. Схема итоговой сети (рис.1) соответствует радиальному типу, то есть отсутствуют замкнутые ходы. Точность определения положения каждого пункта относительно центрального (МГУ-02) соответствует точности измерений. Для более точного определения положения пунктов необходимо в дальнейшем замкнуть векторные ходы, что позволит получить избыточные измерения и выявить неувязки.
Для перехода от геодезических (эллипсоидальных) высот к нормальным (Балтийская система) использовался репер №23а. Данный пункт с известной отметкой в Балтийской системе находится в середине участка мониторинга. Протяженность всего участка составляет 6,5 км. Поэтому для перехода от геодезической высоты к нормальной (балтийской) было использовано общее значение высоты квазигеоида, которая составила 0,231 м. В этом случае при таком территориальном охвате погрешность перехода высот от геодезических к нормальным не превысит точности измерения высот спутниковым методом. Значение высоты квазигеоида является расчетным относительно геодезической высоты пункта МГУ-01, поэтому точность его абсолютного значения зависит от точности исходных параметров. Итоговые координаты пунктов в системе WGS-84 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Каталог координат пунктов локальной спутниковой сети на участок мониторинга
Название пункта Координаты
широта долгота высота (БС)
МГУ-01 56046'07.75031" 53044'51.76298" 91,355
МГУ-02 56044'43.39973" 53045'32.41675" 69,316
МГУ-07 56042'45.94898" 53045'02.94692" 72,474
МГУ-06 56043'34.91101" 53044'57.88980" 81,103
Рп №23а 56044'50.36196" 53044'58.51497" 67,04
МГУ-03 56045'19.98127" 53044'48.65436" 71,639
Памятник 56045'42.73108" 53044'55.80934" 75,487
МГУ-04 56045'08.46408" 53044'46.02549" 67,704
МГУ-05 56044'03.80741" 53044'54.04502" 84,988
1.2. Измерение продольного уклона водной поверхности
Измерение продольного уклона водной поверхности выполнено методом мгновенной связки уровней на отрезке протяженностью 5,4 км. Мгновенная связка уровня заключается в определении положения мгновенного продольного профиля водной поверхности в пределах исследуемого участка реки. В соответствии с требованием нормативного документа СП 11-104-97 [4] на реках шириной до 800 м мгновенная связка уровня выполняется по одному (прижимному) берегу с переходами от одного берега к другому в местах перевала динамической оси потока. На исследуемом участке Камы
мгновенная связка уровня проведена по правому коренному берегу 26 мая 2008 г. Высотное положение уреза воды было зафиксировано в 16 часов 15 минут по местному времени колышками (урезны-ми колами), забитыми вровень с горизонтом воды в шести пунктах в створах установленных ранее реперов (табл. 2).
Таблица 2
Данные мгновенной связки уровней
Название репера Положение репера, км по судовому ходу Высота репера, м БС Превышение репера над рабочим урезом воды, м Отметка рабочего уреза воды, м БС
Памятник 1891,23 75,487 7,873 67,614
МГУ-03 1890,5 71,639 4,073 67,566
Рп №23а 1889,58 71,646 4,2 67,446
МГУ-05 1888,15 84,988 17,657 67,331
МГУ-06 1887,29 81,103 13,865 67,238
МГУ-07 1885,73 72,474 5,369 67,105
Отметки верха урезных колов определялись двойным тригонометрическим нивелированием от ближайшего репера. Измерения проводились тахеометром Sokkia Set600.
1.3. Батиметрическая съемка русла
Батиметрическая съемка выполнялась 21-22 мая. Она включала промеры глубин и съемку линии рабочего уреза по обоим берегам. Батиметрическая съемка проводилась с помощью программноаппаратного комплекса, включающего: эхолот ПЭ-2, гидролокатор бокового обзора (ГБО), ноутбук Panasonic, приемники спутникового позиционирования Trimble Navigation, радиомодемы Satel, программное обеспечение AquaEcho, AquaScan, разработанное НТФ «Гидромастер».
Такой комплекс позволяет в полевых условиях в цифровом виде собирать геометрические (координаты) и атрибутивные (глубину) данные.
Засечка промерных точек осуществлялась относительным способом кинематики с помощью системы спутникового позиционирования. Точность определения координат составила в плане до 2 см. Измерения производились относительно базовой точки с фиксированными координатами, которая располагалась на пункте МГУ-02. Координаты базовой точки получены по расчетам относительно пункта МГУ-01 и приведены в табл. 1. Подвижный приемник находился на лодке, выполнявшей промеры русла. При координировании промерных точек использовался режим RTK (реального времени), позволяющий в процессе промеров сразу получать плановые координаты с точностью до 2 см. Для реализации этого режима была налажена радиомодемная связь между базовым и подвижным приемниками. Расположение пункта МГУ-02 в центре объекта исследования позволяло на всем участке работ устойчиво получать информацию от базового приемника, без каких-либо радиопомех.
Измерение глубин производилось эхолотом ПЭ-2. Приемо-излучатель размещался на транце промерной лодки, заглубленный относительно водной поверхности на 20 см. Перед началом и в конце работ производилась поверка и тарировка эхолота с помощью программы AquaEcho. Данные о тарировании сохранялись в отдельный файл, позволяющий использовать информацию о тарировании и заглублении при обработке промерных данных. Параллельно при выполнении промеров также велось наблюдение за колебанием уровня водной поверхности.
Регистрация промерных данных производилась в программе AquaEcho, которая была установлена на ноутбуке Panasonic. Аппаратно к этому ноутбуку перед началом проведения промеров подключались эхолот и приемник спутникового позиционирования. Промеры осуществлялись с лодки по поперечным галсам. Расстояние между галсами составляло около 100 м. В районе добычи ПГМ имело место сгущение промерных точек. Регистрация промеров в программе AquaEcho осуществлялась в виде электронной эхограммы, которая записывалась в отдельный файл. При выполнении промеров с помощью данной программы также контролировалось наличие РТК режима.
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Съемка линии рабочего уреза проводилась с помощью гидролокатора бокового обзора, подключаемого к программно-аппаратному комплексу вместо эхолота ПЭ-2, с регистрацией гидролокационных данных в программе Лдиа8еап. Съемка урезов выполнялась при движении промерной лодки вдоль берега на минимально возможном расстоянии (около 50 м от правого берега и около 100 м от левого берега). Геодезические засечки при этом так же, как и во время промеров, осуществлялись с помощью ССП в режиме реального времени (ЯТК). Положение урезов определялось камерально в программе «Акваметрика» в процессе дешифрирования гидролокационного изображения дна, привязанного к системе координат СК42.
1.4. Гидрологические исследования
Основной задачей полевых гидрологических исследований являлось уточнение гидродинамических условий транспорта руслообразующих наносов на участке Гольяновского месторождения, а также определение расхода взвешенных руслообразующих наносов. Гидрологические работы включали в себя организацию временного водомерного поста, наблюдения за уровнем воды в р. Каме, измерение скоростей и направлений течения воды, определение расходов воды и расхода взвешенных наносов на отрезке 1886 - 1891 км (табл. 3)
Таблица 3
Состав гидрологических работ на р. Каме
Вид работ Период Количество
Наблюдения за уровнем воды 20-26 мая 47 отсчетов
Измерение расходов воды, скоростей и направлений течения воды 20, 21, 24, 26 мая 35 створов
Отбор проб мутности воды 23 мая 45 проб
Временный водомерный пост (в/п) реечного типа «Гольяны-2» был организован в затоне выше Гольяновского острова. Отсчеты брались около 10 раз в сутки по закрепленной на неподвижной опоре рейке. Расходы воды, скорость и направление течения воды измерялись с помощью доплеровского профилографа течений «Уорхоз Рио-Гранде» (ЛБСР) фирмы КШ. Обработка результатов измерений проводилась в рекомендованной производителем программе <^іпЯіуєг II».
Для определения расхода взвешенных наносов произведен отбор проб воды на мутность батометром-бутылкой на трех гидростворах по стандартной методике ГГИ [5]. На каждом гидростворе пробы отбирались на пяти вертикалях трехточечным способом. Пробы фильтровались в поле с помощью прибора Куприна (ГР-60). Взвешивание фильтров проводилось в лаборатории на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Гидрологические исследования проводились в соответствии с существующими методиками [6-9]
1.5. Исследование донных отложений
Исследование донных отложений состояло в определении их гранулометрического состава и распределения по площади русла. Отбор донных проб производился с помощью специального пробоотборника, представляющего собой обрезок металлической трубы диаметром 100 мм, длиной 300 мм с приваренным дном и дужкой для крепления капронового линя. Засечки точек отбора проб делались портативным ОР8-навигатором Бхріоі^ 600, дающим точность определения координат в пределах 5-10 м. Сплошная грунтовая съемка выполнена на участке Гольяновского месторождения (1886 - 1891 км). Пробы отбирались с моторной лодки по поперечным створам, проложенным через 150-200 м. На каждом поперечнике бралось по 5 проб. Всего отобрана 151 проба донных отложений.
Обработка образцов песчаного и песчано-галечного грунтов проводилась в лабораторных условиях по стандартной методике [10]. Для каждого образца выполнялся механический анализ, то есть определялся гранулометрический состав грунта путем рассеивания сухой навески на почвенных ситах. Пробы разделялись на фракции: 50-25; 25-10; 10-7; 7-5; 5-3; 3-2; 2-1; 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1 и менее 0,1 мм, с последующим их взвешиванием на технических весах с точностью до 0,1 г. Веса от-
дельных фракций пересчитывались в проценты от веса взятой пробы, затем определялся средневзвешенный диаметр:
аСр =0,0ца1р1 ,
где ё;- среднеарифметический размер фракции, мм; Р1 - процентное содержание фракции в пробе. По соотношению фракций и величине среднего диаметра определялся тип грунта в соответствии с классификацией, принятой в научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов МГУ [11] (табл. 4).
Таблица 4
Классификация песчаных руслообразующих наносов равнинных рек
Тип наносов Содержание характерных фракций Средний диаметр, мм
Пылеватый песок частиц < 0,1 мм - > 80% 0,07-0,10
Тонкозернистый песок частиц < 0,25 мм - > 95% 0,10-0,14
Тонкомелкозернистый песок частиц < 0,25 мм - >90%, преобладает фракция 0,25-0,1 мм до 70% 0,14-0,16
Мелкозернистый песок частиц 0,25-0,1 мм - > 75% 0,16-0,20
Мелкосреднезернистый песок частиц 0,5-0,1 мм - 90%, преобладает фракция 0,25-0,1 мм 0,20-0,30
Среднезернистый песок частиц 0,5-0,25 мм - >60%, 0,5-0,1мм - около 90% 0,30-0,40
Среднекрупнозернистый песок частиц 1,0-0,25мм - около 70-75%, преобладает фракция 0,5-0,25 мм 0,40-0,60
Крупнозернистый песок частиц 1,0-0,25 мм - >80%; 1,0-0,5 мм - >30% 0,60-0,90
Для галечного грунта крупность и тип отложений определялись в соответствии с существующей классификацией гальки и валунов [11] (табл. 5.) При плотном залегании галечного материала, когда малое весовое количество пробы не позволяло делать механический анализ, фиксировалось наличие в данном месте галечной отмостки и визуально определялась крупность гальки.
Таблица 5
Классификация гальки и валунов по их крупности
Тип наносов Крупность Размер, мм
Валуны крупные 1000 - 500
средние 500 - 250
мелкие 250 - 100
Галька крупная 100 - 50
средняя 50 - 25
мелкая 25 - 10
1.6. Исследование донных гряд
Наблюдения за донными грядами проводились для уточнения их параметров, скоростей смещения и распределения по площади русла. Обследование выполнялось методом эхолотных промеров и повторной гидролокационной съемки дна. Работа проводилась с помощью эхолота ПЭ-2 и гидролокатора бокового обзора (ГБО), разработанных в НТФ «Гидромастер».
Наблюдения выполнены на двух ключевых участках. Один из них (верхний), расположенный на 1890,8-1891,6 км, обследован вторично (первый цикл наблюдения за грядами на нем проведен в мае 2007 г.). Кроме того, был разведан второй (нижний) участок (1886,9-1887,1 км) с хорошо развитыми песчаными грядами.
Наблюдения проводились несколько раз строго по закрепленным створам, что обеспечило сопоставимость полученных разновременных гидролокационных изображений дна. На верхнем участке было проложено шесть створов, на нижнем - пять. Ширина полосы обзора гидролокатора составляла 60 м. Обследование проводилось два раза в сутки в период с 23 по 26 мая 2008 г. (табл. 6).
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Таблица 7
Периодичность повторных гидролокационных съемок по закрепленным галсам
Дата Ключевой участок Время (местное) Интервал, часы
23 мая Верхний 14-00
21-30 7-30
24 мая 13-00 15-30
22-00 9-00
25 мая Нижний 14-30
21-00 6-30
26 мая 12-00 15-00
22-30 10-30
Засечки поперечных галсов, последующая навигация по ним, а также привязка гидролокационных изображений дна осуществлялись с помощью спутниковой системы позиционирования в реальном времени в дифференциальном режиме определения координат (DGPS-RTK). Точность определения координат точек дна составила не менее 0,5 м. Обработка данных гидролокационной съемки проводилась в программе «Акваметрика», позволяющей объединять и редактировать акустическую (эхолот, ГБО) и навигационную (GPS) информацию.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ
2.l. Морфологическое строение долины и русла
На участке мониторинга (верхняя граница - створ Памятника в Гольянах, нижняя - устье р. Макаровки) Кама протекает вдоль правого коренного берега, образуя прямолинейное адаптированное русло. На верху участка правый берег Камы прорезан хорошо выработанной долиной р. Гольянки, благодаря чему здесь на протяжении 1,2 км (вдоль Камы) развит массив поймы (общей для двух рек), а также широкие субгоризонтальные поверхности, соответствующие уровню 1 и 2-й надпойменных террас (абсолютные отметки 75-85 м БС). На последних располагаются нижние кварталы с. Гольяны. Аналогичное строение правого берега наблюдается на нижней границе участка мониторинга в устье еще одного притока Камы - р. Макаровки. Здесь также развита пойма и фрагменты низких 1-2 надпойменных террас. На остальном протяжении участка правый берег представляет собой крутой залесенный коренной склон, прорезанный двумя балочными долинами. Высота его при-долинной бровки составляет 70-80 м над меженным горизонтом воды. Левый берег пойменный. Развита пойма двух типов - высокая (6-7 м над меженным горизонтом воды) и низкая (до 3 м), формирующаяся в результате зарастания тыловых частей прирусловых отмелей.
На участке расположен одиночный пойменный остров (Гольяновский). Длина его составляет около 600 м, ширина в средней части - 130 м, относительная высота поверхности - 6 м. Остров делит русло на неравнозначные рукава: левый рукав - основной (ширина между пойменными бровками 500-650 м), правый - второстепенный (ширина 200-250 м).
Ширина меженного русла плавно изменяется в интервале 630 - 950 м. На верхней границе участка ширина русла составляет около 630 м, вниз по течению она постепенно нарастает до 950 м в створе оголовка Гольяновского острова. Ниже острова река снова сужается до 670 м, после чего начинается ее постепенное расширение до 930 м в устье р. Макаровки.
Морфология русла на участке мониторинга определяется расположенным здесь перекатом (Гольяновским). Последний представляет собой перекатный участок, образованный тремя гребнями и двумя разделяющими их внутренними плесовыми лощинами (верхней и нижней).
Непосредственно на участке мониторинга представлены средний и нижний гребни переката, часть верхней и нижняя внутренние плесовые лощины, а также три слаборазвитые побочня. Верхний из них имеет форму узкой подводной отмели, располагающейся у левого берега на отрезке от Памятника до оголовка Гольяновского острова. Средний побочень - правобережный. Он также представлен подводной отмелью, протянувшейся от устья р. Гольянки к оголовку Гольяновского острова. Сам
остров можно рассматривать как наиболее возвышенную часть побочня. Нижний побочень (длиной около 2,2 км) начинается приблизительно в 1,2 км ниже ухвостья острова и тянется вдоль левого берега до нижней границы участка. Он образован подводной отмелью шириной не менее половины ширины меженного русла. В районе устья р. Макаровки отмель повышается и в межень выступает над поверхностью воды в виде песчаного осередка. От левого берега отмель отсечена протяженной, сужающейся вниз по течению ложбиной-затоном.
Средний гребень пересекает русло от левобережной прирусловой отмели (верхний побочень) напротив устья р. Гольянки к оголовку Гольяновского острова, нижний тянется от ухвостья этого острова к нижележащей левобережной отмели (нижнему побочню). Максимальная глубина при проектном уровне на гребнях переката составляет 4,1-4,3 м.
Выше среднего гребня расположена одна из двух внутренних плесовых лощин (верхняя). Ее протяженность в пределах участка мониторинга составляет около 900 м. Максимальная глубина в ней
- 5,5-5,7 м наблюдается у правого берега в створе Памятника. Гребни разделены относительно короткой нижней плесовой лощиной (длиной около 600 м) с максимальными глубинами 4,8-5,2 м. Общая протяженность переката в границах обследованного участка составляет около 2500 м.
Ниже Гольяновского острова располагается протяженный плесовый участок. Длина его в пределах участка мониторинга составляет около 2900 м. Стрежень потока здесь проходит возле правого коренного берега. Глубины на стрежне изменяются в диапазоне 4,8-5,2 м. Максимальные глубины -6,5-6,7 м - отмечены в районе устья р. Макаровки.
2.2. Г идрологические условия в период 2007-2008 годов
Транспорт наносов и деформации русла определяются конкретными гидрологическими характеристиками во время наблюдений и между ними. Первые наблюдения были проведены в 20-е числа мая 2007 г., практически на пике половодья, когда сбросные расходы в нижнем бьефе ГЭС достигали 9500 м3/с. Это половодье было достаточно высоким. Максимальный расход воды, измеренный во время работ первого цикла, составлял 8800 м3/с, однако сразу после выполнения работ произошел резкий спад половодья, и с 20-х чисел июня наблюдались низкие уровни.
Следующий цикл работ выполнялся в начале февраля 2008 г. после продолжительного периода межени, во время которого, однако, наблюдались довольно частые колебания уровней и расходов воды, особенно в течение января-марта. Энергию потока можно оценить по сумме среднесуточных расходов воды между циклами наблюдений. Так, сумма среднесуточных расходов между первым и вторым циклами наблюдений составила 4,8-105, что соответствует среднему расходу 2075 м3/с.
Третий цикл наблюдений выполнялся в 20-х числах мая 2008 г. Половодье 2008 г. было сравнительно низким. Резкий подъем уровня произошел в начале апреля, первый пик половодья пришелся на середину апреля, когда уровень воды в нижнем бьефе достигал отметки 68,85 м, а в Сарапуле 66,8 м БС. Расход воды на пике половодья составлял около 6000 м3/с. Второй пик наблюдался в первых числах июня, ему предшествовал существенный спад в 20-х числах мая.
Наблюдения 2008 г. были начаты при низких уровнях воды (65,3 м БС) после прохождения первого пика, а закончены на подъеме второго пика при уровне 67,78 м БС. Во время работ наблюдались суточные колебания уровня, составлявшие от 0,3 до 1,0 м. Расход воды увеличился при этом с 1773 до 4588 м3/с. Суточные колебания расходов воды составляли от 300 до 1100 м3/с. Сумма среднесуточных расходов воды между вторым и третьим циклами наблюдений вдвое меньше, чем между первым и вторым циклами, и составляет 2,1-105, что соответствует среднему расходу воды 1910 м3/с. Это обусловлено тем, что период между наблюдениями пришелся на меженный период и начало низкого половодья 2008 г. Вместе с тем различие по средней водности не так уж велико. Сумма расходов между первым и третьим циклами, то есть за год, составила 6,9-105 или в среднем 2020 м3/с. Это может характеризовать прошедший год как маловодный.
Изменение уровней и расходов воды за период наблюдений 2008 г. представлено в табл.7.
Поток отличался низкой мутностью, которая составляла 8-11 г/м3. Расход взвешенных наносов не превышал 30 кг/с. Гранулометрический анализ наносов показал, что наиболее крупные наносы в их составе (руслообразующие) составляют от 11 до 28%.
78 К.М. Беркович, С.Ю. Ившин, И.И. Рысин, Л.А. Турыкин
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Таблица 7
Изменение расходов воды за период наблюдений
Дата Время Уровень, м БС Расход, м/с
9:40 65,30 1773
20.05 13:20 64,43 1865
21:25 65,71 2080
10:45 65,27 1752
11:49 65,35 1808
13:00 65,39 1836
14:00 65,50 1917
15:00 65,53 1940
21.05 15:25 65,53 1940
16:00 65,55 1955
17:00 65,58 1978
18:00 65,60 1993
19:00 65,63 2017
20:00 65,66 2040
20:45 65,66 2040
9:45 65,18 1692
11:00 65,26 1745
12:00 65,32 1787
22.05 12:20 65,35 1808
13:00 65,38 1829
17:12 65,62 2009
17:30 65,63 2017
20:00 65,69 2064
9:40 65,37 1822
10:00 65,40 1844
11:00 65,54 1947
11:21 65,59 1985
12:00 65,69 2064
23.05 13:00 65,81 2163
14:00 65,95 2283
15:00 66,10 2420
16:40 66,27 2584
18:35 66,42 2737
20:50 66,43 2748
21:30 66,44 2758
22:30 66,44 2758
10:00 66,04 2364
10:45 66,10 2420
24.05 12:00 66,21 2525
13:21 66,35 2665
15:15 66,53 2855
25.05 18:23 66,77 3126
12:30 67,06 3493
14:00 67,22 3712
26.05 15:45 67,45 4050
16:43 67,56 4222
18:50 67,78 4588
2.3. Гидравлические характеристики потока на участке месторождения
Измерение скоростей течения проведено по 34 поперечным створам при расходах воды 19452030 м3/с. Это позволило получить достаточно подробное поле поверхностных и придонных скоростей течения, соответствующее фазе подъема низкого половодья. Средние скорости течения составляли 0,8-1,04 м/с. Так как ширина русла неодинакова по длине участка, распределение скоростей по живому сечению и их величина меняются. В верхней части участка, выше острова, русло постепенно расширяется вниз по течению (с 630 до 950 м). Максимальная скорость наблюдалась на стрежне потока, который располагался в наиболее глубокой центральной части русла. Скорость течения в большей части живого сечения превышала 0,9 м/с, и лишь местами поверхностная скорость достигала 1,2; придонные скорости, как и скорости у берегов, составляют 0,3-0,6 м/с.
Ниже острова ширина русла уменьшается и сохраняется примерно одинаковой (в среднем 800 м). Поверхностная скорость по стрежню всюду превышает 1,2 м/с, а на большей части живого сечения 0,9 м/с, даже в правобережной протоке за островом. От створа 1889 км возникает второй левобережный стрежень с поверхностными скоростями до 0,9 и придонными до 0,6 м/с. Измерения подтвердили расчеты поля скоростей, выполненные в 2007 г., которые показали, что второй стрежень отчетливо проявляется при меженном расходе (1600 м3/с). При расходе среднего по водности половодья (5500 м3/с) расчетный второй стрежень был менее заметен.
Уклон водной поверхности, по данным измерений, при расходе воды около 4000 м3/с составляет 0,09%о. Согласно расчетным отметкам проектного уровня уклон существенно меньше - 0,01-0,03 %о. Возможно, при малых расходах воды, отвечающих проектному уровню, сказывается влияние подпора Нижнекамского водохранилища. При больших расходах весной, когда водохранилище не заполнено до принятых в настоящее время отметок, граница подпора смещается вниз по течению, и уклон реки соответствует бытовым значениям (до повышения отметки верхнего бьефа Нижнекамского водохранилища). Большие уклоны определяют высокие скорости течения и активный транспорт руслообразующих, преимущественно донных, наносов.
2.4. Расположение и объем русловых карьеров
Русловая съемка, выполненная в ходе последнего мониторинга, показала наличие двух искусственных понижений дна. Нижняя по течению выемка, наблюдающаяся на 4-м блоке месторождения, представляет собой частично занесенный карьер №2, разработанный в октябре 2007 г.
Верхняя выемка (карьер №3) сформирована в результате добычи ПГМ в мае-июне 2008 г. Она расположена на границе 1 и 2-го блоков месторождения, при этом ее основная часть находится за пределами контура запасов категории С1 ближе к середине русла. Наименьшее удаление края карьера (выемки) №3 от пойменного уступа левого берега составляет около 200 м, от края песчаного побочня (при горизонте воды близком к проектному) - 160 м.
Кроме того, на границе 5 и 6-го блоков имеет место слабовыраженное понижение дна - остаток почти полностью занесенного карьера №1, разработанного также в октябре 2007 г.
Определение объема выработки, а также анализ русловых деформаций проведен методом компьютерного сопоставления разновременных планов русла. В качестве исходного (первичного) взят план участка Гольяновского месторождения по съемке 2-7 февраля 2008 г. В качестве контрольного (вторичного) принят план участка по съемке 21-22 мая 2008 г. Оба плана русла были построены в цифровом виде с помощью программных пакетов MAPINFO и SURFER. После этого средствами SURFER был создан файл поверхности деформаций как разность файлов исходной и вторичной поверхностей дна. Объем добычи ПГМ определяется как объем, заключенный между поверхностью деформаций и плоскостью нулевой деформации в контуре карьера. Результаты расчетов приведены в табл. 8.
Объемы 1 и 2-го карьеров в результате занесения уменьшились соответственно на 14,8 тыс. м3 и 19,4 тыс. м3, что составило 85% и 34% от их первоначального объема. Наибольшая ширина карьера №2 равна 130 м, следовательно, на 1 м ширины русла в створе этого карьера в период с февраля по май поступило около 150 м3 влекомых наносов. Через все поперечное сечение русла за то же время при ширине полосы транспорта влекомых наносов 350 м (0,7 от ширины русла в створе карьера) и при условии относительного постоянства удельного расхода прошло 52500 м3 влекомых наносов.
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Таблица S
Морфометрические параметры русловых карьеров
№ выемки Февраль 200S г. Май-июнь 200S г.
Объем, тыс. м3 Площадь, тыс. м2 Г лубина, м Объем, тыс. м3 Площадь, тыс. м2 Г лубина, м
Карьер 1 17,4 7,7 3,5 2,6 6,1 0,4
Карьер 2 56,1 19,0 4,2 36,7 17,9 2,0
Карьер 3 - - - 10,4 S,9 3,3
Объем нового карьера (№3) равен 10,4 тыс м3. По данным, предоставленным ООО «Монолитст-рой», с 2 по 10 мая (до контрольной съемки) было добыто 16456 т или 9.7 тыс. м3 ПГМ (при плотности грунта 1,7 т/м3). Таким образом, фактический объем карьера №3 по состоянию на 22 мая 2008 г. достаточно хорошо согласуется с заявленным объемом добычи песчано-гравийного сырья.
2.5. Русловые деформации в период 2006-2008 годов
Для количественной оценки русловых деформаций принят показатель, характеризующий их общую тенденцию - приращение объема русла в пределах участка с закрепленными граничными створами АУ=У1-У2, где У1 - начальный объем русла, У2 - конечный объем русла. Уменьшение объема русла, по сравнению с его предыдущим состоянием (АУ>0) говорит об аккумуляции руслообразующих наносов, увеличение (АУ<0) - об их выносе за пределы участка. Определение площадей и объемов русла проведено для его части, ограниченной изобатой «0» с отметкой 64.6 м БС (табл. 9).
Таблица 9
Изменение параметров русла на участке перехода
Дата промеров Отметка рабочего горизонта воды, м БС Площадь русла (до изобаты «0»), 2 тыс. м Объем русла W (до изобаты «0»), тыс. м3 Средняя глубина, м Приращение объема русла (AV), тыс. м3 / % от начального
02-07/II.0S 65,45-66,S9 1155,5 3519,3 3,1 106,5 / 3,0
21-22/V.0S 65,27-65,62 1165,2 3412,S 2,9
По сравнению с февралем 2008 г. объем русла на рассматриваемом отрезке к маю уменьшился приблизительно на 106,5 тыс. м3, что свидетельствует о преобладании процесса аккумуляции руслообразующих наносов. Параметры деформаций представлены в табл. 10. Площадь и объем аккумуляции приблизительно в 1,7 раз превышают те же характеристики размыва. При этом вертикальный размах обоих деформаций одинаков и составляет в среднем 0,3 м.
Таблица 10
Параметры русловых деформаций
Тип деформации Площадь распространения, тыс. м2 Объем, тыс. м3 / % от объема русла Средняя мощность, м
Размыв 443,9 133,31 /3,5 0,3
Аккумуляция 771,S 239,4 / 6,S 0,3
На плане деформаций видно, что аккумуляция распространена по всей средней, глубоководной части русла. При этом мощность аккумуляции возрастает вниз по течению от 0,2 м в верхней внутренней плесовой лощине до 0,5 м в пределах среднего гребня и нижней внутренней плесовой лощины. Основной размыв наблюдается на отмели вдоль левого берега, у правого берега на участке от
1 Включая объем добытого материала (10,4 тыс. м3)
устья р. Гольянки до оголовка Гольяновского острова, а также узкой полосой вдоль его левого берега. Нормальная величина размыва составляет около 0,5 м. Непосредственно ниже карьера №2 сформировалась узкая продольная полоса размыва на глубину до 1,5 м, протянувшаяся до карьера №1, что является следствием перехвата части твердого стока верхним по течению карьером. Более значительные по размаху (до 2 м) деформации обоих знаков имеют очаговое (ограниченное) распространение.
Таким образом, в половодье 2008 г. на Гольяновском перекате в целом преобладала сезонная аккумуляция руслообразующих наносов, вследствие которой отметки дна в глубоководной части русла, по сравнению с зимней меженью, повысились на 0,2-0,5 м. В то же время на левобережной отмели, в пределах которой расположен участок современной разработки ПГМ, имело место понижение отметок дна в среднем на 0,2-0,5 м, что, вероятно, отражает многолетнюю тенденцию развития русла - постепенный размыв верхнего левобережного побочня Гольяновского переката.
2.6. Состав, распределение и динамика руслообразующих наносов
Руслообразующие наносы (донные отложения) представлены песками различных типов: от мелкозернистого до крупнозернистого и галькой. Основные типы песков местами встречаются с примесью (от 10 до 35 %) гравия и гальки. Занимают такие несортированные пески около 15 % площади русла.
В составе руслообразующих наносов преобладают среднезернистые (со средним диаметром
0,39 мм) и среднекрупнозернистые (со средним диаметром 0,50 мм) пески (22,8 и 21,2 % от общей площади русла соответственно). Мелкие галечники занимают 20 % площади русла. Примерно поровну встречаются средние галечники, среднезернистые с гравием и галькой и крупнозернистые пески (9,7; 9,0 и 7,2 % соответственно). На долю каждого из остальных типов грунтов приходятся от 1 до 5 % площади русла (табл. 11). Величина средневзвешенного диаметра русловых отложений составляет 8,73 мм. Средневзвешенный диаметр песчано-гравийной смеси - 0,92 мм.
Таблица 11
Состав руслообразующих наносов р. Камы на русловом месторождении ПГМ Гольяновское
Тип наносов % от площади русла
Мелкозернистые пески 1,1
Мелкосреднезернистые пески 2,3
Мелкосреднезернистые пески с гравием и галькой 0,5
Среднезернистые пески 22,8
Среднезернистые пески с гравием и галькой 9,0
Среднекрупнозернистые пески 21,2
Среднекрупнозернистые пески с гравием и галькой 4,3
Крупнозернистые пески 7,2
Крупнозернистые пески с гравием и галькой 0,7
Мелкая галька 20,0
Средняя галька 9,7
Крупная галька 1,2
По площади Гольяновского месторождения русловые отложения распределены следующим образом: в средней (стрежневой) зоне русла на Гольяновском перекате (включая два его гребня и внутренние плесовые лощины) залегают среднекрупнозернистые пески, верхняя (левобережная) прирусловая отмель, в пределах которой расположены 1 и 2-й блоки месторождения, полностью занята мелким галечником. Такой же галечник наблюдается у левого берега в начале подводной ложбины, отсекающей обширную нижнюю (левобережную) прирусловую отмель (блоки месторождения № 79), а также узкой полосой вдоль берегов Гольяновского острова в основном и второстепенном рукавах. Сама отмель, а также значительная часть ложбины сложены почти исключительно среднезернистыми песками. В протяженной нижней плесовой лощине в стрежневой зоне залегают в основном среднекрупно- и крупнозернистые пески с примесью гальки и гравия. Правобережная отмель ниже устья р. Гольянки, а также весь подводный склон коренного правого берега ниже острова образованы отложениями средней, мелкой, реже крупной гальки. В правом рукаве Гольяновского острова залегает средне- и среднекрупнозернистый песок с гравием.
2010. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Сравнивая результаты исследований 2007 и 2008 гг., можно отметить изменения в составе и распределении наносов. Вдоль правого коренного берега обнажились мелкие, средние и ранее не отмеченные крупные галечники, представляющие собой базальную фацию руслового аллювия. Общая площадь русла, занятая галькой, увеличилась примерно в 2,5 раза, а средней галькой - в 5 раз. Возросла доля среднекрупнозернистых (с 7,2 до 21,2%) и крупнозернистых (с 3,1 до 7,2%) песков. Те и другие располагаются в глубокой части русла вдоль стрежневой зоны потока, где ранее отмечались среднезернистые пески, доля которых уменьшилась с 36,7 до 22,8%. Значительно сократилась (с13,2 до 2,3%) доля мелкосреднезернистых песков. В то же время уменьшилось с 20 до 14,5% количество несортированного (в смеси с гравием и галькой) песчаного материала. Таким образам, общая средняя крупность руслообразующих наносов возросла с 3,17 мм до 8,73 мм, а средняя крупность песчаногравийной смеси (без учета коренной гальки) не изменилась - 0,91 и 0,92 мм соответственно.
Значительное укрупнение русловых отложений в 2008 г.по сравнению с 2007 г., вероятно, связано с воздействием высокого половодья 2007 г., в период которого усилился вынос относительно мелкообломочного материала из плесовых лощин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отчет по оценке песчано-гравийной смеси на участке недр «Гольяновский», расположенном в русле р. Кама в Завьяловском районе Удмуртской Республики, выполненный ООО НПП «Геомониторинг» в 2006 -2007 гг. Ижевск, 2007 (фондовый).
2. Ившин С.Ю., Рысин И.И., Турыкин Л.А. Горизонтальные и вертикальные деформации русла Камы на участке от Воткинского гидроузла до г. Сарапул // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Науки о Земле. 2007. № 1.
3. Оценка воздействия гидромеханизированной разработки русловых месторождений ПГС Гольяновское и Макаровское на гидрологический и русловой режим р.Камы на участке Воткинская ГЭС - г. Сарапул: научный отчет. Москва; Ижевск, 2007 (фондовый).
4. Свод правил по инженерным изысканиям для строительства. Ч. 3. Инженерно-гидрографические работы при инженерных изысканиях для строительства / Госстрой России. М., 2004.
5. Мутность воды. Методика выполнения измерений: метод. указания. РД 52.08.104-2002.
6. Шамов Г.И. Речные наносы. Л.: Гидрометеоиздат, 1959. 380 с.
7. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 488 с.
8. Лопатин Г.В. Наносы рек СССР. М.: Географгиз, 1952. 368 с.
9. Беркович К.М. Регулирование речных русел. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. 102 с.
10. Указания по расчету стока наносов. ВСН01-73. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
11. Чалов Р.С. Русловые исследования (избранные главы по курсу «Водно-технические изыскания»): учеб. пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 106 с.
Поступила в редакцию 25.02.10
S. Yu. Ivshin, head of the geological museum I.I. Rysin, doctor of geography, professor K.M. Bercovich, head researcher L.A. Turykin, senior researcher
Monitoring of the Kama riverbed processes on the “Golyanovskoe” sand-gravel deposit
Here are given the data of the second stage of monitoring of the Kama riverbed processes on the “Golyanovskoe” sand-gravel deposit. They include the current channel state mapmaking, the study of contemporary hydrological regime, the analysis of channel deformations, the estimation of taken ground volume and the rate of existing quarries silting.
Keywords: monitoring, sand-gravel deposit, channel forming processes, channel forming deposit.
Ившин Сергей Юрьевич, зав. геологическим музеем
Рысин Иван Иванович, доктор географических наук, профессор
ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»
426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 E-mail: rysin@uni. udm. ru
Беркович Константин Михайлович, ведущий научный сотрудник Турыкин Леонид Анатольевич, старший научный сотрудник Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ГСП-1, Воробьевы горы E-mail: [email protected]
