CC BY
88
3. Казакова Е.В., Тимофеев Р.Н. Оценка воздействия на окружающую среду радиоактивных отходов (№ 412/08-05 — 24.05.05) 3 с. --------------------------------------------------- © Р. А. Болотный, 2005
УДК 622.271.53 Р.А. Болотный
О ДИНАМИКЕ И ПРИЧИНАХ ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ РУСЛА ВЕРХНЕЙ ОКИ
Семинар № 7
раткая характеристика р. Оки
Бассейн реки вытянут с запада на восток. Длина Оки - около 1500 км. Река берет начало в центре Средне-Русской возвышенности на высоте 226 м над уровнем моря. Полное падение русла 162 м, средний уклон -0,11 м / км. Продольный профиль имеет в целом вогнутую форму. Оку подразделяют на два отрезка: верхнее течение (длина 650 км) - от истоков до впадения р. Москвы и нижнее течение - от впадения р. Москвы до устья. Водность течения увеличивается постепенно вниз по течению в соответствии с ростом площади водосбора. График нарастания имеет ступенчатый вид, где ступени приурочены к впадению притоков. Наиболее заметный рост водности отмечается после впадения рек Угры, Москвы, Мокши.
От устья р. Угры до устья р. Москвы р. Ока протекает в узкой долине шириной 0,5-3 км. Ниже устья р. Москвы и до г. Касимова река протекает в обширной Мещерской низменности, где ширина долины местами достигает 20 км. Ниже Касимова долина реки опять сужается.
Русло верхнего участка Оки сложено в основном крупно-зернистыми песками с примесью гравия. Выше г. Калуги в песках встречаются включения гальки и валунных камней. Большая часть русла в нижнем течении сложена мелкозернистыми песками, иногда встречаются глины. Ниже г. Касимова - участок с каменистым ложем.
Коренные берега долины реки возвышаются над меженным уровнем воды на 40-60 м, склоны сложены преимущественно песчаными и глинистыми грунтами. В ряде мест ниже г. Алексина и у г. Касимова имеются обнажения известняков.
Пойменные берега обычно возвышаются над меженным уровнем воды на 5-18 м с понижениями до 4 м и повышениями до 11 м. Пойменные земли Оки обладают высокой биологической продуктивностью, пойменные сенокосы и пастбища составляют основу лучших естественных кормовых угодий. Притеррасная часть поймы выполняет роль геохимического барьера, задерживающего сток химических элементов в реку. Пойма реки большей частью распахана и используется для интенсивного сельскохозяйственного производства. Нераспаханная часть пойменной территории покрыта кустарником и луговой растительностью. Пойменные почвы легко разрушаются, в т. ч. и при чрезмерном выпасе скота, при распашке они подвержены эрозии. Интенсивное сельскохозяйственное использование поймы Оки, применение тяжелой техники привело к утрате значительной части ценных агрофизических свойств почвы. Отрицательно сказывается внесение завышенных доз минеральных удобрений. До 1966 г. пойма часто затапливалась, позже выход воды на пойму наблюдался лишь в многоводные годы. Массовая распашка лугов, сведение лесов, кустарников привели к развитию эрозионных процессов. Как показали обследования, почти негде не соблюдаются
требования охраны, где проводится распашка земель выпас скота, применение удобрений, выгрузка стро-ительных сыпучих материалов.
Первоочередным мероприятием по сохранению поймы Оки должно стать создание соответствующих водоохранных зон и соблюдение водоохранных требований за антропогенной деятельностью на их территории.
Река Ока относится к числу равнинных рек, для которых характерны высокие весенние половодья и низкие летне-осенние межени. Основным источником питания служит снежный покров, удельный вес которого в стоке реки составляет 60 %. Весенние половодья отличаются быстрым подъемом и спадом уровня воды - до 2 м / сутки. Среднегодовая амплитуда колебания воды у г. Калуги составляет 11-12 м, у г. Нижнего Новгорода - 7 м.
Многолетние изменения уровенного режима р.Оки
Многолетние изменения минимальных за период открытого русла уровней воды зависят от изменений морфометрических характеристик русла и направленности развития продольного профиля, которые различны для отдельных участков русла.
На гидрологической станции Орел наблюдается постоянное повышение минимальных уровней воды, за период с 80-х гг. 19 в. до середины 50-х гг. они выросли почти на 80 см, т.е. примерно 1 см в год. На нижележащих гидропостах Верхней Оки многолетний ход минимальных уровней иной. В Калуге в конце 19 в. происходило понижение минимальных уровней (до 1890 г. более чем на 50 см), затем имел место постепенный рост уровней, примерно на 40 см к началу 60-х годов 20-го столетия. Впоследствии уровни воды резко понижаются - к началу 80-х гг. - более чем на 100 см. Если сопоставить уровни воды при одном и том же расходе воды (200 м 3/с в г. Калуге), то общее понижение уровня с 1963 по 1991 гг. составило 124 см, максимальные скорости “посадки” приходились на 1967 - 1971 гг. - период
средней водности. В Серпухове понижение уровней наблюдалось еще в 30-е годы, однако если за 30 лет (1920-1950) уровни понизились всего на 30 см, то в последующий период - на 110-120 см. В Кашире ход уровней аналогичный - отмечается их постепенное понижение с конца 19 в. до середины 50-х годов, оно составило около 50 см (0,6 см в год). Затем происходило быстрое понижение уровней (более 1 м за 1955-1975 гг.). В целом понижение минимальных уров-ней в Кашире достигло за 1949-1992 гг. 160 см.
Особый ход уровней характерен для гидропоста Щурово. Уровни воды здесь повысились с начала З0-х гг., это связано с переброской стока из Волги по каналу им. Москвы, в результате чего Ока в районе Коломны оказалась в подпоре при минимальных расходах воды. Минимальные расходы р. Москвы выросли почти в три раза.
Ход минимальных уровней Нижней Оки на всех гидропостах идентичен: с 80-х гг. XIX в. до середины 30-х гг. отмечается понижение уровней более чем на 1 м в Муроме и Г орбатове и на 0,6-0,7 м в Рязани и Касимове. С конца 30-х гг. происходило постепенное повышение минимальных уровней почти до исходных значений на всех гидропостах за исключением Мурома.
Понижение минимальных уровней на Нижней Оке с 80-х гг. XIX в. до 30-х гг. 20 в. совпало в целом с многоводным периодом. Здесь наблюдается отчетливая связь многолетнего хода минимальных уровней с ходом наименьших летних расходов воды, которые мало связаны с общими колебаниями водности реки. Для гидропостов Верхней Оки связи хода уровней и наименьших расходов не наблюдается.
В материалах Гипроречтранса рассматривается посадка уровней в целом за 60 летний период. По данным Гипроречтранса общая посадка уровней Верхней Оки за период с 1931 по 1992 гг. составляет (см. табл. 1).
Створ Расстояние от устья, км Общая посадка уровня в межень, м
г. Калуга 1100 1,3
г. Алексин 1030 1,9
г. Серпухов 970 2,1
г. Кашира 920 2,2
г. Коломна 854 подпор г / у “Белоомут”
нижний бьеф гидроузла “Кузьминский” 753 0,2
г. Рязань 696 0,4
Причины понижения уровня русла р. Оки
Естественные геологические факторы, влияющие на ход уровней различны для Верхней и Нижней Оки. Длительное время Верхняя Ока врезалась под влиянием поднятия ее истоков, находящихся в пределах Воронежской антеклизы. Устойчивая тенденция к поднятию характерна для нее, по-видимому, на протяжении всего четвертичного периода, а амплитуда поднятия составила 200-300 м.
Естественным фоном развития русла и долины Оки в нижнем течении следует считать прогибание Мещерской низины, которая в четвертичном периоде была зоной устойчивой водно-ледни-ковой аккумуляции. Прогибание территории Мещерской низины не компенсируется аккумуляцией наносов в связи с низким стоком руслообразующих наносов.
Изменения уровенного режима Верхней Оки в наше время связаны и значительно с антропогенной деятельностью на территории бассейна, главным образом, с добычей песчано-гравийных материалов из русла реки. Только за период 19811992 гг. Серпуховский порт извлек из русла Оки более 28 млн м 3 ПГМ. На участке Серпухов - Коломна объем русла за счет выемок увеличился примерно на 30 млн м 3. Прирост объема русла в районе Каширы составил 24 млн м 3. В районе Коломны (850-862 км) объем русла увеличился на 7 млн м 3. В результате разработки карьеров увеличилась глубина русла и площадь по-
перечного сечения. Существенная посадка уровней характерна для больших по протяженности участков добычи. Так, выше Каширского участка длиной около 20 км посадка уровней составила к настоящему времени 1,6—1,8 м (Соколова Пустынь). В верхней части Алексинского участка добычи длиной 17 км посадка уровней за несколько лет составила 100 см.
Изменение морфометрических характеристик русла служит не единственной причиной понижения уровней, тем более, что при малой длине карьера посадка уровней мала. Существование карьера приводит в действие скрытые механизмы руслоформирования: регрессивную и
трансгрессивную эрозию. Первая распространяется выше карьера как результат приращения уклона, связанного с посадкой уровней и распластыванием потока в вертикальной плоскости. Так, уклон выше Алексинской группы карьеров за период 1987-1991 гг. увеличился в 1,7 раза, составив в среднем 0,16 м / км. Примерно такое же приращение уклона отмечается выше Каширской группы карьеров. Это приводит к росту транспортирующей способности потока и размыву русла, посадка уровней распространяется на десятки километров выше участков добычи.
Трансгрессивная эрозия обусловлена тем, что сток русловых наносов оседает в карьерах, и ниже по течению поток восстанавливает сток наносов путем размыва дна. Ниже Криушинского и Никольского карьеров размыв прослеживается более
чем на 20 км и составляет от 20 до 60 см. Примерно такие же величины вертикальных деформаций зарегистрированы ниже отработанного Михайловского месторождения.
Еще одним существенным фактором, влияющим на уровенный режим, являются дноуглубительные работы, выполняемые для поддержания судоходных глубин. Объемы дноуглубительных работ достаточно велики: на участке Калуга - Серпухов по данным МРП и МГУ средний годовой объем работ за последнее десятилетие составил 1,4 млн м3 или 10,5 тыс. м 3 на 1 пог. км. На участке Серпухов - Кашира объем дноуглубления за 1981-1992 гг. составил в среднем 1,5 млн м 3 (до 30 тыс. м3 на 1 пог. км). Ниже Каширы объем дноуглубления невелик - в среднем 0,3 - 0,4 млн. м 3 в год (5 тыс. м 3 на 1 пог. км). На участке от Кузьминского шлюза до По-ловского средний годовой объем дноуглубления - 1,2 млн м 3 (11 тыс. м 3 на 1 км). Объемы дноуглубительных работ косвенно зависят от объемов добычи.
Перекаты и их участки служат местными базисами эрозии и играют гидравлическую роль водосливов, на которых глубины уменьшаются. Это приводит к необходимости проводить дноуглубительные работы в тем больших объемах, чем больше посадка уровней в карьерах.
В целом, можно констатировать, что наблюдаемые посадки уровней р. Оки вызваны, главным образом, добычей песчано-гравийной смеси из русловых карьеров и дноуглубительными работами. При этом, влияние карьеров существенно преобладает. По имеющимся оценкам величины просадок на 70 % вызваны добычей ПГМ, на 20 % - дноуглубительными и вы-правительными работами и на 10 % - другими факторами (распашка земель, вырубка лесов, отбор подземных вод).
Водопотребление народохозяйственного комплекса на территории бассейна Оки не оказывает заметного влияния на стоковые характеристики в расчетных створах ствола Оки и посадку уровней
благодаря широкому использованию подземных вод, примерно половина из которых не связана с ущербом поверхностному стоку. Практически на участке от Калуги до Коломны бытовой сток можно принимать за естественный.
Ниже г. Коломны - в г. Рязани и ниже в связи с переброской воды по каналу “Волга - Москва” бытовой сток устойчиво превышает естественный. Поэтому влиянием безвозвратного водопотребления на посадку уровней Оки можно пренебречь.
Влияние посадок уровней на природную среду оценивалось исходя из условия, что любое антропогенное воздействие не должно вызывать колебаний природных процессов, выходящих за пределы генетически обусловленных периодических естественных колебаний этих процессов. В соответствии с этим в створах гг. Калуги, Алексина, Серпухова и Каширы имеет место нарушение природного процесса, ниже - значения минимальных уровней можно считать экологически безопасными.
При расчетах прогноза падения уровней р. Оки принято, что русло Оки сильно изменено и последствия этих изменений будут проявляться благодаря развитию регрессивной и трансгрессивной эрозии выше и ниже существующих карьеров. Это приведет к дополнительной посадке уровней, независимо от того, прекращена или продолжается добыча ПГМ.
При прекращении добычи посадка уровней в вершине Калужской группы карьеров за счет эрозии составит около 35 см, в районе гидропоста Калуга - 20 см. Вниз по течению эрозия распространится на 30-35 км (1050 - 1055 км). Алексинская группа карьеров составляет единый участок длиной более 27 км. Ниже этой группы карьеров существенная эрозия маловероятна , так как уклон реки здесь близок к предельному, однако все же в районе устья р. Крушмы (1043-1045 км) уровни могут понизится еще на 40-45 см. Выше этой группы карьеров будет развиваться эрозия на участке длиной 15 км и перекро-ется зоной трансгрессивной эрозии от Ка-
лужских карьеров. Посадка уровней у устья р. Дугны может достичь 20 - 25 см дополнительно.
Длина участка размыва ниже Лань-шинского карьера (985 км) составит 13 км, величину дополнительной посадки уровней можно оценить в 40 см. Выше этого карьера зона эрозии распространяется на 10-11 км, т.е. до Поленово - Тарусы, где уже не будет ощущаться посадка уровней.
Ниже Серпуховского карьера размыв распространяется на 13 км, а дополнительная посадка уровней у Нижнего Под-мокловского переката (974 км) составит 15-20 см, выше по течению существенного развития не ожидается из-за высокой крупности (до 6 мм) наносов на Подмок-ловских - Дугнинских перекатах.
Большую роль будет продолжать играть группа Каширских карьеров, где русло механически изменено практически непрерывно на протяжении 22 км. Ниже этой группы карьеров развитие эрозии возможно только местами, так как уклон реки здесь сейчас близок к предельному, так что существенной дополнительной посадки уровней не ожидается. В то же время выше Каширы эрозия распространится не менее чем на 30 км (956 км), т.е. зона перекроется с зоной эрозии от Спасского карьера. В районе Пущино посадка уровней составит дополнительно 30 см.
Таким образом, при прекращении добычи понижение уровней воды продолжится, но достаточно низкими темпами. На некоторых участках можно ожидать, тем не менее, большой (до 0,5 м) посадки уровней.
Существенно ускорит эрозию и посад-
ку уровней проведение дноуглубительных работ в объемах 80-х гг. Практически на многих участках оно заменит собой эрозию из-за изменения формы живого сечения и разрушения отмостки. На многих участках русла уже достигнуты предельные, гидрологически допустимые глубины или близкие к ним. В этих условиях посадка уровней носит некомпенсируемый характер. При прекращении добычи, но сохранении объемов дноуглубительных работ следует ожидать дополнительной посадки уровней в Серпухове - около 30 см, в Калуге - 35 см.
Эти величины, очевидно, сохранятся и при проведении добычи НСМ в объеме 1,5 млн м 3 / год на участке Калуга - Серпухов и столько же на участке Серпухов - Коломна. Механизм трансформации русла начинает действовать с некоторой задержкой; при сроке добычи 10 лет на каждом из перечисленных участков будет добыто 15 млн. м 3. При этом можно прогнозировать следующие величины расчетных посадок уровней (см. табл. 2).
Таким образом, на участке от Калуги до Каширы и несколько ниже можно ожидать дальнейшего понижения уровня на 0,3-0,4 м как следствие продолжающихся процессов регрессии и трансгрессии даже при полном прекращении разработок русловых карьеров, так как здесь имеет место невосполнимое в ближайшее время естественным путем нарушение природной среды. Единственным способом спасения р.Оки от истощения на этом участке является проведение компенсационных мероприятий и резкое снижение объемов добычи и дноуглубительных работ.
Ниже г. Каширы посадка уровней не
Таблица 2
Пункт Посадка, см
Отсутствие добычи НСМ Дноуглубление Добыча НСМ Добыча и дноуглубление
Кашира 2 - 10 10
Серпухов 15 30 30 60
Алексин 40 35 35 70
Калуга 20 35 35
привела к необратимым процессам. Разработка русловых карьеров Тарбушевское, Редькинское, Горское, Белые Колодези не вызвало резкого изменения природной среды. Однако исследования зависимости
посадок уровней и их последствий здесь должны быть продолжены для решения вопроса о перспективах добычи ПГМ на будущее.
— Коротко об авторах
Болотный Р.А. - Московский государственный горный университет.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЧЕРЕПЕЦКАЯ Елена Борисовна Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах 25.00.16 д.т.н.
БОСОВА Елена Владимировна Экономическое обоснование мер по снижению экологических ущербов от возникновения чрезвычайных ситуаций на угольных шахтах 08.00.05 к.э.н.
ВИТЬКО Анатолий Дмитриевич Разработка способа и средств пылев-зрывозащиты с использованием жалю-зийных решеток для угольных шахт 05.26.03 к.т.н.
