CC BY
167
Экологические проблемы и природопользование
УДК 627.521 502.64:551.435
К.М. Беркович, Л.В. Злотина, Л.А. Турыкин
ПРИРОДНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ПОДХОДЫ К ДОБЫЧЕ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ РЕЧНЫХ РУСЕЛ И ПОЙМ
Добыча аллювиальных песчано-гравийных материалов является крупной отраслью промышленности, получившей широкое развитие во многих регионах России. Исследование направленности и темпов развития последствий добычи аллювиальных ПГМ актуально с точки зрения перспектив как восстановления рек, так и обеспечения народного хозяйства строительными материалами. Влияние карьеров ПГМ на природную обстановку определяется их местоположением на дне речной долины: в русле, на отмелях, на пойме. Выделяются карьеры русловые, прибрежные и пойменные. Наибольшее, часто негативное влияние оказывают русловые карьеры, нарушающие естественную морфологию русла и транспорт наносов. В качестве альтернативы русловым карьерам рассматриваются прибрежные карьеры, разрабатываемые в зонах аккумуляции наносов: на прирусловых отмелях, массивах молодой формирующейся поймы, в отмирающих рукавах и староречьях. Перспективной разновидностью прибрежных карьеров являются карьеры, разрабатываемые в нижней по течению части отмели с сохранением и укреплением ее приверха. Адекватная оценка влияния карьеров аллювиальных ПГМ на русловые процессы и вероятные последствия для природных и хозяйственных условий должна основываться на исследовании режима и скорости смещения форм руслового рельефа, горизонтальных деформаций. Кроме того необходим постоянный мониторинг русла, включающий выявление переформирований, связанных как с естественными причинами, так и с разработкой карьера. На этой основе может быть установлена норма и способ добычи, состав компенсирующих сооружений. Такой природно-ориентированный подход позволяет предотвратить или минимизировать последствия антропогенного воздействия, устраняя многие отрицательные явления, которые его сопровождают.
Ключевые слова: русловые процессы, морфология русла, антропогенные нарушения русловых процессов.
Механическое изменение рельефа речного русла связано с удалением наносов или их перераспределением в русле. Оно широко применяется для улучшения условий судоходства, мелиорации земель, защиты от наводнений, стабилизации русла. Но самая большая индустрия во многих регионах мира - добыча песка и песчано-гравийной смеси для строительных целей.
Аллювиальные песчано-гравийные материалы (ПГМ) широко востребованы в строительстве, так как в процессе длительного перемещения в речных потоках они хорошо отсортированы, непрочные частицы удалены в процессе истирания. Эти материалы требуют меньшей обработки, чем материалы из других источников, легко разрабатываются тяжелой техникой; запасы аллювиальных материалов часто находятся вблизи рынков сбыта или на транспортных маршрутах, что снижает их стоимость. Подъем промышленной добычи ПГМ в России связан с массовым жилищным строительством в 1950-1960-е гг., строительством крупных гидроэлектростанций на Волге, Каме, Оби и других реках. Так, объем добычи ПГМ при строительстве Куйбышевской, Нижнекамской, Чебоксарской ГЭС в отдельные годы достигал 100 млн. м3 [1].
Практически все реки - большие и малые, протекающие вблизи крупных и средних городов, подверглись этому виду механических нарушений. В промышленных масштабах ПГМ добываются из русла рек, их поймы и террас. Наиболее активную роль в деформациях русла играют русловые и пойменные карьеры, это так называемые обводненные карьеры, то есть карьеры, большую часть времени затопленные водой реки.
Полных данных по объему безвозвратно удаленных из рек наносов нет; известно, что к концу 1980-х гг. годовой объем добычи ПГМ из русел и пойм рек России составлял 190 млн. м3 [2]. При этом более двух третей этого объема добывалось непосредственно из русел рек. Около 25% добываемых в России песчано-гравийных материалов приходится на предприятия речного транспорта, то есть добываются на крупных реках. Только в русле Томи в районе Томска к этому времени ежегодно добывалось до 6 млн. м3, в русле верхней Оки - 4 млн. м3 аллювиального материала. Средний сток взвешенных наносов рек России составляет около 400 млн. т в год. Если полагать, что донные наносы, которые являются объектом разработки, составляют в среднем 10% стока взвешенных, то оказы-
вается, что объем добычи в несколько раз превышал сток донных наносов, то есть в процессе добычи запасы аллювия, накопленные рекой в разных морфологических образованиях, катастрофически истощались. В настоящее время объемы добычи несколько снизились, но последствия многолетних крупномасштабных нарушений продолжают сказываться. Длительность влияния карьеров обусловлена тем, что русло и пойма являются динамичной средой, в которой нарушения гидравлики потока и морфологии русла могут распространяться далеко вверх и вниз от места их возникновения. Речной поток непрерывно регулирует русловой рельеф, в частности, продольный профиль дна во время половодий, карьеры заносятся, и при этом создается иллюзия, что их влияние на русло прекращается. Однако трансформация русла продолжается долгое время по окончании активной добычи и охватывает все новые участки. Таким образом, нарушение русла не ограничивается только лишь самим карьером. Исследование направленности и темпов развития последствий добычи аллювиальных ПГМ актуально с точки зрения перспектив как восстановления рек, так и обеспечения народного хозяйства строительными материалами.
Роль карьеров в трансформации речных русел привлекла широкое внимание в 1980-х гг., когда в гидрологическом режиме ряда рек проявились ярко выраженные внешние негативные проявления -понижение меженных уровней воды, приводившее в ряде случаев к экологическим последствиям. Одновременно наблюдались значительные изменения руслового режима рек. Понижение меженных уровней на многих реках достигало нескольких сантиметров в год, а в масштабе десятилетий - 2 м и более. Понижение минимального летне-осеннего уровня составило: на Оке в Кашире - 2 м, на Томи в Томске - 2,5 м, на Белой в Уфе - 1,8 м, на Иртыше в Омске - 1,3 м. Подобные явления наблюдались на многих реках мира: понижение уровня воды в дельте р. Жемчужной в Китае составило 1,6-3,1 м [3]; уровень воды Миссури (США) в Канзас-Сити за 40 лет понизился на 3 м [4]. Огромные размывы наблюдаются на реках Европы [5].
Типизация карьеров по их влиянию на русло и пойму по существу не разработана. Среди карьеров, разрабатываемых в русле, Б.Ф. Снищенко и Г.Г. Месерлянц [6] выделили большие и малые; к малым они предложили относить карьеры, если сток донных наносов на участке их размещения больше годового объема извлекаемого аллювия. Таков же подход Г.Л. Гладкова [7], который в качестве критерия интенсивности влияния карьера на гидравлические характеристики потока использовал отношение объема добычи аллювия к среднему за многолетие объему стока донных наносов. Пренебрежимо малое влияние оказывают карьеры, объем которых менее 0,35 стока наносов, значительное влияние оказывают карьеры объемом более половины среднего годового стока наносов. Такой подход характеризует косвенным образом восполнение материала - то есть скорость, с которой донные наносы доставляются взамен добытого материала. Следует отметить, что транспорт наносов трудно моделируется, и расчет донных наносов до настоящего времени недостаточно надежен. Годовое поступление донных наносов сильно варьирует от года к году, и средняя годовая величина может сильно отличаться от стока наносов в каждый конкретный год. Кроме того восполнение материала идет по-разному на реках разного типа, отличающихся составом наносов и гидрологическим режимом, и даже на разных участках одной реки. Вместе с тем, на реке могут существовать условия, которые не допускают неконтролируемых деформаций русла. К ним относятся, например, мосты, подводные переходы трубопроводов, береговые объекты, которым эти деформации могут угрожать.
Влияние добычи аллювиальных песчано-гравийных материалов на русловые процессы зависит от местоположения карьера, количества добываемого материала, технологии добычи. Вместе с тем, большую роль играют размеры и гидрологический режим реки, состав и расход наносов, в том числе руслообразующих, морфологические характеристики русла, исходный режим русловых деформаций.
В практике геологической разведки запасов аллювиальных песчано-гравийных материалов обычно различают русловые и пойменные месторождения. В большинстве случаев преобладают русловые месторождения; так, они составляют 3/4 всех разведанных месторождений верхней Оки, занимая 58% длины участка Калуга-Коломна. На нижней Оке таких месторождений почти 80%. Русловые месторождения преобладают также на рр. Белой и Томи.
Разработанное месторождение становится карьером - антропогенной отрицательной формой рельефа русла или поймы. В качестве основных видов обводненных карьеров аллювиальных ПГМ по их местоположению на дне речной долины и влиянию на русловые процессы будем выделять русловые и пойменные.
Русловыми являются карьеры, которые располагаются целиком в границах меженного русла реки. Они делятся на два подвида: карьеры в русле (собственно русловые) и карьеры на прирусловых отмелях, которые можно назвать прибрежными. Первые разрабатываются ниже меженного уровня воды в постоянном водотоке. В некоторых случаях русловые карьеры разрабатывают во временно сухом русле (рукаве) или русле временного водотока, однако во время паводка они становятся элементом руслового рельефа и оказывают существенное влияние на гидравлику потока и русловые процессы. Основной вид русловых карьеров - линейные русловые карьеры или траншеи неправильной формы, вытянутые вдоль реки. Глубина карьеров обычно существенно превышает глубину естественных плесовых лощин, в процессе их разработки часто уничтожаются перекаты. Карьеры имеют обычно резкие верхнюю и нижнюю кромки. Иногда добыча ПГМ производится по всему руслу, при этом дно выравнивается и равномерно понижается. Русловые карьеры разрабатываются плавучими земснарядами, реже кранами или экскаваторами.
К прибрежным относятся карьеры, разрабатываемые на прирусловых отмелях, зарастающих или свободных от растительности, в побочневых протоках, на массивах молодой формирующейся поймы, а в некоторых случаях - в отмирающих рукавах и староречьях. Одна из разновидностей таких карьеров - разработка аллювия на побочнях, с которых удаляют поверхностный слой аллювия выше меженного уреза, оставляя неправильный и неровный рельеф (срезание отмели). Другим способом разработки прирусловых карьеров является добыча во внутренней и нижней по течению части по-бочня. Края отмели при этом остаются нетронутыми.
Пойменные карьеры разрабатываются на высокой сформировавшейся пойме, они могут соединяться с руслом или быть изолированными от него. Часто карьеры разрабатываются вблизи русла и отделены от него только укрепленной дамбой. Многие из них в несколько раз глубже прилегающей реки. Пойменные карьеры наименее выгодны экономически, так как требуют отвода земель и большого объема вскрышных работ.
Собственно русловые карьеры являются наиболее изученными в отношении гидравлических характеристик потока, структуры течений в них [6-8]. Достаточно хорошо известны и последствия разработки карьеров для русловых процессов [9-11]. Независимо от техники добычи русловые карьеры нарушают естественную морфологию русла и одновременно создают локальный дефицит наносов. Русловые карьеры непосредственно меняют морфометрические характеристики русла и понижают отметку дна, при этом разрабатываются глубокие ямы. Так, глубина русловых карьеров на верхней Оке достигает 12 м, что в три раза превышает глубину естественных плесовых лощин.
102 101 100 99
= 98
2 97
95 94 93 92
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
расстояние, м
....1 ----2 ~—~3 ....4
Рис. 1. Продольный профиль дна р. Оки (930 км от устья) выше руслового карьера: 1 - исходное дно в 1973 г.; 2 - дно после разработки карьера к 1979 г.; 3 - положение дна после размыва к 1992 г.; 4 - частичное занесение карьера к 2003 г.
Разработка карьеров траншейным способом часто создает резкую верховую кромку (на верхнем конце выработки). Вследствие значительного понижения дна, которое больше на единицу объема, чем при других способах добычи, траншеи усиливают врезание, увеличивают опасность понижения уровня воды. На входе в карьер возникает локальный участок с крутым уклоном. На этом перегибе продольного профиля, отличающемся повышенной энергией потока развивается регрессивная эрозия. Врезание может распространяться на большое расстояние вверх по реке и ее притокам. Кромка карьера, разработанного в русле Оки выше Каширы в 1970-1990-х гг., продвинулась за 13 лет не менее чем на 2,5 км (рис. 1).
Понижение дна русла на месте первоначального положения кромки (в 1979 г.) составило 4 м. Среднее понижение дна в зоне регрессивной эрозии составило 2,7 м, а объем выноса материала -около 30 тыс. м3 в год. На участке выше карьера уклон реки в межень достигает 0,15%о, при среднем уклоне - 0,06-0,08%о.
Часто, однако, отчетливого продвижения верховой кромки руслового карьера не наблюдается, и верхняя часть карьера быстро заносится. Так, верхняя часть карьера, разработанного в 1970-1980-х гг. на Оке выше Серпухова, длиной 700 м была полностью занесена за 10-12 лет. При этом понижение дна выше карьера не превысило 1,5 м. На участках эрозии выше крупных карьеров скорость понижения дна равнинных рек составляет 3-5 см в год.
Регрессивная эрозия - не единственное последствие разработки русловых карьеров. Выработанные в русле емкости перехватывают часть донных наносов. В результате транспорт наносов прерывается, баланс наносов ниже по течению нарушается, что является причиной развития трансгрессивной эрозии. На некотором расстоянии ниже карьера эрозия прекращается либо за счет восстановления расхода наносов, либо вследствие формирования отмостки. Последнее определяется крупностью донных наносов. В гравийно-галечных реках врезание ниже карьеров бывает сравнительно кратковременным, так как быстро формируется отмостка. В песчаных реках врезание развивается быстро и занимает долгое время. Так, размыв русла ниже одного из карьеров Оки занял около 20 лет при максимальной скорости врезания 8 см в год (рис. 2).
я
Б
У
РЇ
СІ
і—
=
•JU
¡£
2
а
Р
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
0,4
0,6
-0,8
-1
-1Д
-1,4
р.Ока
“□ □ О-
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
расстояние от карьера, м
Рис. 2. Эрозия ниже руслового карьера на р. Оке (985 км от устья) в 1980-2003 гг.
Добыча в русле выражается в полном разрушении комплекса форм руслового рельефа. Интенсивность добычи часто намного превышает скорость восстановления естественного рельефа. Наиболее сильное влияние русловых карьеров прослеживается в случае массовой их разработки. Зоны влияния одного карьера перекрываются с другими, давая кумулятивный эффект, который один карьер не дает. Разработка глубоких выемок, срезание перекатов приводят к увеличению как средней, так и максимальной глубины русла. Так средняя меженная глубина Оки на участке массовой добычи ПГС (Калуга-Коломна) за 1950-80-е годы увеличилась на 1,3 м. Среднее понижение отметок дна р. Белой на 135-километровом участке ниже Уфы, где в 1980-1990-х гг. добывалось 4-6 млн. м3 ПГС в год, составило почти 1 м.
Другим важным следствием русловой добычи является увеличение средней крупности наносов. Хотя в процессе добычи извлекается крупный материал, что должно приводить к уменьшению крупности донных наносов, глубинная эрозия способствует укрупнению наносов между карьерами и ниже
участка массовой добычи. Например, на участке массовой добычи на р. Белой ниже Уфы средняя крупность донных наносов увеличилась с 0,8 мм в естественном состоянии до 9 мм, а ниже участка добычи - до 4 мм. Наконец, для участков рек с русловыми карьерами характерно увеличение среднего уклона. Так, средний уклон Оки между Серпуховом и Коломной увеличился с 0,06%о в конце 1940-х гг. до 0,09%о. Увеличение среднего уклона происходит за счет неравномерности распределения уклонов: в карьерах, особенно длинных, уклон уменьшается, однако на отрезках между карьерами возрастает в 2-3 раза по сравнению с естественным.
Влияние карьеров, разработанных на отмелях, практически не исследовано. Одним из вариантов таких карьеров является срезание частей отмелей, возвышающихся над меженным урезом воды в реке: побочней или отмелей на выпуклых берегах излучин. Такой вид нарушения руслового рельефа встречается на небольших реках с песчано-гравийными и гравийно-галечными наносами. Это отчетливо видно на космическом снимке, изображающем прибрежный карьер - срезание правобережного побочня р. Тулвы (Пермский край) (рис. 3). Это река длиной около 100 км, средний уклон составляет 0,8%о. Русло, сложенное гравийно-галечными наносами, интенсивно меандрирует. Срезание большей надводной части отмели меняет структуру потока и влияет на транспорт наносов. При этом также уничтожается первичная растительность, которая в естественных условиях способствует аккумуляции наносов и устойчивости отмелей. Русло в пойменных бровках расширяется, становится неустойчивым; удельный расход воды и транспортирующая способность потока уменьшаются. На р. Тулве ширина в бровках поймы увеличивается в 5 раз. Это может привести к блужданию главного течения, отложению наиболее крупных частиц наносов, формированию осередков. Уменьшение размера и высоты отмелей приводит к быстрой эрозии прилегающих берегов часто там, где размыва не было. Разрушение отмостки в галечных руслах делает дно подвижным при меньшей водности, происходит увеличение расхода донных наносов ниже по течению и частичное заиление русла. Срезание отмели может послужить причиной ее отторжения от берега и спрямления излучины.
Уничтожение отмели меняет гидравлические характеристики потока и транспорт наносов также и выше по течению. В период паводка гидравлические сопротивления зависят, прежде всего, от русловых форм (островов, излучин, отмелей) в отличие от межени, когда большую роль играет зернистая шероховатость или сопротивления, связанные с песчаными грядами. Приверх отмели регулирует гидравлические характеристики потока - оказывает подпорное влияние на вышележащем участке в паводок. В случае уничтожения отмели уклон на вышележащем участке увеличивается и там может развиваться глубинная эрозия.
Рис. 3. Карьер - срезание отмели на выпуклом берегу излучины р. Тулвы
К прибрежным можно отнести также карьеры, разрабатываемые на подводных в межень положительных формах рельефа русла крупных судоходных рек. Они не производят радикального изменения руслового рельефа, однако серьезно влияют на гидравлические характеристики потока. Подобный карьер планировался в левобережной части русла Камы выше г. Сарапула. Здесь в периферической части русла, где глубина в межень составляет менее 3 м, предполагалось в течение 10-12 лет извлечь около 5 млн. м3 песчано-гравийной смеси. Глубина карьера составляет 3-9 м, при глубине в стрежневой зоне русла 4,5-5,0 м; ширина - от 5 до 30% ширины русла Камы в пойменных бровках. Согласно измерениям карьер располагается в зоне русла, где придонные скорости течения в период половодья составляют 0,3-0,6 м/с. Учитывая это, а также принимая во внимание, что около 40% донных наносов Камы представлены песками со средней крупностью 0,5 мм (неразмывающая скорость
0,52 м/с), можно полагать, что в карьере будет ежегодно накапливаться не более 1/5 стока донных наносов. По расчетам это составляет около 30 тыс. м3. Первые работы показали, что в выемке объемом 73,5 тыс. м3 за одно половодье отложилось 12 тыс. м3 наносов, то есть, занесена 1/6 часть карьера. С учетом частичного занесения в результате разработки может образоваться плесовая лощина, что в свою очередь приведет к изменению скоростного поля - возникновению второй ветви стрежня и блужданию потока. Это повлечет за собой усиление размыва левого берега реки, а также обмеление перекатов на нижележащем участке.
Еще одной разновидностью прибрежных карьеров являются карьеры, разрабатываемые в нижней части отмели. При разработке таких карьеров края отмели и ее приверх оставляются нетронутыми и они соединяются с руслом ниже по течению. Подобные карьеры часто разрабатываются одновременно с русловыми. Когда запасы русловых месторождений исчерпаны, прибрежные карьеры становятся преобладающим видом нарушений руслового рельефа. Характерным примером таких нарушений является русло р. Белой ниже Уфы. Несколько крупных прибрежных карьеров в 1980-1990-е гг. разработаны на участке 75-100 км от Уфы. Следует отметить, что прибрежные карьеры часто начинают разрабатывать, когда русловой рельеф уже в разной степени изменен русловыми карьерами, либо на участках, подверженных влиянию русловых карьеров (врезание выше или ниже них). На упомянутом участке р. Белой врезание, сопровождаемое понижением меженных уровней, прослеживалось со второй половины 1960-х гг. К середине 1990-х гг. дно реки понизилось в ходе врезания на 0,6-0,8 м. Один из таких карьеров разработан внутри отмели на выпуклом берегу излучины в начале 1990-х гг. (рис. 4). Согласно измерениям, выполненным в 1995 г., в основном русле выше входа в карьер сформировался перепад водной поверхности. Уклон здесь в несколько раз больше, чем выше и ниже по течению (рис. 5). Вероятно, это обусловлено резким увеличением площади поперечного сечения русла на входе в прибрежный карьер. Характерно, что занесения прибрежного карьера в последние 16 лет не наблюдалось.
Серия прибрежных карьеров была разработана в пределах левобережной отмели на пологой излучине реки Оки выше Серпухова. В начале 1980-х гг. этот массив длиной около 4 км представлял собой песчано-гравийный побочень, слабо закрепленный растительностью. К настоящему времени побочень полностью закрепился растительностью и превратился в низкую пойму (рис. 6). Закрепление отмели растительностью, очевидно, стимулировалось ходом русловых деформаций. Участок русла располагается между двумя русловыми карьерами и подвержен интенсивной глубинной эрозии, хотя разработка карьеров уже прекращена. Это отразилось в быстром понижении минимальных меженных уровней воды. Понижение уровней происходит, хотя и неравномерно, с начала 1960-х гг., и на расположенном в 4 км ниже по течению гидрологическом посту Серпухов к 2010 г. оно превысило 140 см. Объективные данные можно получить, оценивая изменение уровня при одном и том же расходе воды. В 2011 г. на участке выше Серпухова выполнена нивелировка водной поверхности. Расход воды, при котором она сделана, составлял 190 м3/с. Сопоставление с кривыми расходов, представленными в работе ОАО «Гипроречтранс» [12], показало, что с 1985 г. уровень воды понизился при этом расходе на 70 см. Снижение уровней и сокращение времени пребывания отмели под водой способствовало интенсивному зарастанию ее поверхности.
Врезание подтверждается сопоставлением последовательных съемок русла. Сравнение продольного профиля дна русла в районе прибрежных карьеров показало, что за 1991-2011 гг. отметки дна понизились в среднем на 1 м. Эрозия имела регрессивный характер, что отразилось в форме продольного профиля водной поверхности: наличии его крутого перегиба непосредственно выше прибрежных карьеров (рис. 7).
В начале 1990-х гг. побочень был огражден дамбами с отметками гребня на уровне высокой межени. В результате постройки дамб и формирования новой поймы ширина русла в бровках поймы уменьшилась в разных створах в 1,5-3,5 раза. Это, вероятно, усилило эрозию основного русла вследствие его стеснения.
Рис. 4. Русловой и прибрежный карьеры на р. Белой
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
расстояние, кил
------! ----
Рис. 5. Изменение площади поперечного сечения русла и уклона водной поверхности р. Белой у прибрежного карьера: 1 - площадь сечения, 2 - падение водной поверхности
Рис. 6. Совмещенные карта 1982 г. и план 2010 г.: пунктирная линия - ограждающие дамбы, точечная линия - граница молодой поймы; течение слева направо
ш__________
2012. Вып. 3
979 978 977 976 975 974 973 972 971
р а с стояние от устья, км
Рис. 7. Профиль водной поверхности р. Оки в низкую межень: 1 - 2011 г.; 2 - 1991 г.
Разновидностью прибрежных карьеров являются карьеры, разрабатываемые во второстепенных рукавах разветвленного русла, в староречьях (спрямленных излучинах или отмирающих рукавах). Такие карьеры довольно широко распространены на крупных реках. На р. Катуни с конца 1970-х гг. разрабатывались русловые карьеры, годовой объем которых составлял в среднем 700 тыс. м3; одновременно проводились большие работы по регулированию русла для увеличения судоходных глубин. Работы заключались в выполнении землечерпания объемом в среднем 200 тыс. м3 в год и строительстве дамб, перекрывающих истоки второстепенных рукавов. Все это вызвало существенное понижение отметок дна и соответственно уровней воды. Скорость посадки уровня в период наибольшей активности работ достигала местами 15 см в год. Врезание русла вызывало горизонтальные деформации: ускоренную эрозию берегов, смыв прирусловых отмелей и расширение русла.
Как альтернатива русловым карьерам в староречье Катуни (15 км от устья), истоки которого перекрыты дамбой, разрабатывался прибрежный карьер (рис. 8).
Важной характеристикой пойменного карьера является его удаленность от основного русла. Пойменные карьеры обычно в несколько раз глубже основного русла. Часто они разрабатываются в непосредственной близости к нему, где песчано-гравийный материал более качественный и мощность пойменных осадков небольшая. В случае высоких темпов горизонтальных деформаций перемычка может быть размыта, и карьер практически становится русловым со всеми вытекающими отсюда последствиями. Следует учитывать также расположение пойменного карьера по отношению к элементам плановой формы русла - излучинам основного русла или активных рукавов. При недостаточном учете русловых деформаций возможен перехват пойменных карьеров руслом: река течет через пойменный карьер, превращая его в русловой. Наиболее вероятен перехват, если пойменный карьер расположен близко к расположению динамической оси потока в высокий паводок, например в шпоре излучины, а также при высокой скорости горизонтальных деформаций и значительном пере-углублении карьера. В ситуации возможного перехвата находится, например, левобережный карьер на пойме р. Катуни (рис. 9).
Природно-ориентированные подходы к добыче.
11
Рис. 9. Пойменный карьер на р. Катуни (25 км от устья)
Значимыми предпосылками при планировании разработки каждого конкретного месторождения ПГМ являются всесторонние и детальные исследования природных характеристик русла и поймы реки: гидрологического режима, транспорта наносов, русловых форм и их изменений.
Наибольшее влияние оказывают русловые карьеры. Они наиболее широко распространены, так как выгодны экономически. Врезание, вызванное разработкой таких карьеров, может продвигаться далеко вверх и вниз по течению, распространяясь на притоки. В русле, разветвленном на рукава, распространение эрозии может существенно нарушить распределение стока и вызвать нежелательное развитие второстепенного рукава. Важным обстоятельством является учет запаздывания реакции русла на добычу ПГМ и возникновения кумулятивного эффекта. Влияние добычи может быть заметно не сразу из-за многолетних колебаний стока воды и наносов, а также вследствие разной устойчивости русла и характера его деформаций. Так, в устойчивом прямолинейном русле верхней Оки посадка уровней проявилась непосредственно с началом разработки карьеров, а в меандрирующем русле нижней Оки у Рязани запаздывание реакции составило 6-8 лет. Вместе с тем следует учитывать, что нарушения сохраняются долгое время после того, как деятельность, их вызвавшая, прекращается.
Важным условием обеспечения устойчивости русла при разработке русловых карьеров является установление нормы добычи - некоторого уровня компенсации удаленного материала, соответствующего годовому поступлению наносов на участок реки. Так как поступление наносов меняется от года к году, норма добычи, вероятно, должна устанавливаться по минимальному годовому стоку наносов. Уменьшить влияние карьера, в частности в многорукавном русле, можно за счет расчленения карьера на несколько обособленных блоков, расположенных по длине в шахматном порядке [2]. В любом случае необходим контроль состояния русла, включающий выявление деформаций, связанных как с естественными причинами, так и с разработкой карьера.
При срезании отмелей объем извлечения материала не должен превышать половины поступления наносов с вышележащих участков. Недопустимо также понижение поверхности отмели до отметок уровня воды в межень. В некоторых случаях добыча песка и гравия с отмели на излучине или с осередка может способствовать стабилизации русла.
Перспективными для разработки являются прирусловые месторождения, промежуточные между собственно русловыми и пойменными, располагающиеся обычно в тыловых частях крупных стабильных зарастающих побочней. Предпочтительной является разработка прибрежных карьеров в тыловой и нижней по течению частях отмелей. При этом приверх отмели и ее речная часть должны быть ограждены укрепленными дамбами. Следует ограничить также глубину разработки карьеров, которая не должна превышать максимальную глубину основного русла реки. При отторжении отмели, приверх которой
недостаточно укреплен, могут возникнуть неблагоприятные последствия: спрямление излучины, перераспределение стока воды и наносов, размыв берегов, дестабилизация русла.
Для пойменных карьеров необходимы ограничения как их расстояния от основного русла, так и глубины разработки. Их глубины могут достигать 15-20 м в зависимости от мощности полезной толщи и используемой техники, но глубина даже крупных рек редко достигает таких величин. Удаление карьера от бровки поймы определяется его глубиной, зависит от типа русла и интенсивности горизонтальных деформаций. Минимальное удаление пойменного карьера от прямолинейного или слабоизвилистого русла не должно быть меньше 10-кратной глубины карьера. В динамичном меандри-рующем и разветвленном русле дополнительное удаление пойменного карьера от русла может быть оценено по скорости горизонтальных деформаций и планируемому времени добычи.
Карьеры более предпочтительно разрабатывать на крупных реках с высоким стоком наносов, чем на малых реках, которые обладают меньшим потенциалом самовосстановления. Тип русла играет значительную роль в оценке последствий добычи. Разветвленные русла обычно более динамичны, и удаление определенной части донных наносов меньше влияет на их переформирования. Наиболее уязвимы слабоизвилистые и прямолинейные русла, в которых могут возникать нетипично интенсивные горизонтальные деформации.
Для правильной оценки влияния карьеров аллювиальных песчано-гравийных материалов на русловые процессы и вероятных последствий для природных и хозяйственных условий требуется большое количество данных: гидрологических, гидравлических, морфометрических, а также анализ недавней истории развития русла на участке реки с особым вниманием к режиму и скорости смещения форм руслового рельефа, горизонтальных деформаций.
Методы интерпретации данных основаны на знании закономерностей движения воды и наносов в естественных руслах и переформирования русел рек в конкретных условиях. Такой природноориентированный подход позволяет предотвратить или минимизировать последствия антропогенного воздействия, устраняя многие отрицательные явления, которые его сопровождают.
Выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект № 11-05-00179.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газизуллин Р.Г., Газизуллина Е.В. Добыча и переработка песчано-гравийной смеси прибрежных месторождений // Изв. КазГАСУ. 2007. №2 (8). С. 65-67.
2. Агеев С.Н. К гидравлическому расчету русловых карьеров НСМ на многорукавных участках рек // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 1998. Вып. 2. С. 158-165.
3. Xian-Lin Luo, Eddy Y. Zeng, Rong-Yao Ji, Chao-Pin Wang Effects of in-channel sand excavation on the hydrology of the Pearl River Delta, China // J. of Hydrology. 2007. Vol. 343. Р. 230- 239.
4. Missouri River bed degradation reconnaissance study. USACE. Kansas City District. 2009. URL: http://nwk.usace.armi.mil
5. Rinaldi M., Wyzga B., Surian N. Sediment mining in alluvial channels: physical effects and management perspectives // River Res. Applic. № 21. 2005. P. 805-828.
6. Снищенко Б.Ф., Месерлянс Г.Г. Развитие руслового процесса на участках выемок речного аллювия // Динамика русловых потоков. Л.: ЛПИ, 1987. C. 96-102.
7. Гладков Г.Л. Обеспечение устойчивости русел судоходных рек при дноуглублении и разработке карьеров : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 1996. 33 с.
8. Барышников Н.Б. Антропогенное воздействие на русловые процессы. Л.: РГГМИ, 1990. 190 c.
9. Беркович К.М. Русловые процессы и русловые карьеры. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 90 c.
10. Kondolf G.M. Geomorphic and environmental effects of instream gravel mining // Landscape and Urban Planning. 1994. Vol. 28. Р. 225-243.
11. Lagasse P. F., Winkey B. R., Simmons D. B. Impacts of gravel mining on river system stability // J. of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering Division, American Society of Civil Engineers. 1980. Vol. 106. P. 398-404.
12. Определение изменений меженного уровня воды р. Оки. М.: ОАО «Гипроречтранс», 2001. 100 c.
Поступила в редакцию 30.05.12
K.M. Berkovich, L. V. Zlotina, L.A. Turykin
Environment-oriented approach to alluvial construction materials mining from riverbed and floodplain
Mining of alluvial sand and gravel materials is a large-scale industry which has developed in many regions of Russia. The research into tendencies and into the pace of development of the major consequences of sand and gravel mining is urgent from the perspective of both the river rehabilitation and the supply of construction materials for the economy. The impact of a sand and gravel mining on a river environment depends primarily upon where the pit is located within watercourses: in a riverbed, on sandbars or on floodplains. There are in-stream, riparian, and floodplain mining. Instream mining exerts the most severe influence, often negative, since it disturbs the natural river morphology and the sediment transport. As an alternative choice, there is an excavation of sand and gravel pits in riparian habitats, which is in the sediment deposition zones: on the point and side bars, on a newly-forming floodplain, in a former riverbed, in dying-out river arms. The perspective variation of a riparian pit is the one excavated in the downstream part of a bar, at that the upstream lip of the pit is to be adequately stabilized. The adequate assessment of alluvial material extraction impact upon the riverbed processes and probable consequences for environmental and economical conditions should be based on the research into the channel operation and into the velocity of riverbed forms, on a river lateral shift investigation. Also, permanent monitoring of changes in riverbed levels and river stability, which occur due to both natural causes and the excavation of pits, is required. The mining rate and the technique of extraction as well as the compensatory facility structure can be determined on the basis of the monitoring data analysis. Such environment-oriented approach enables the consequences of man's impact to be prevented or minimized and multiple negative effects of such an impact to be eliminated.
Keywords: riverbed processes, channel morphology, man-induced disturbance of fluvial processes.
Беркович Константин Михайлович,
доктор географических наук, ведущий научный сотрудник E-mail: berkovitch@yandex.ru
Злотина Леонора Владимировна,
кандидат географических наук, старший научный сотрудник E-mail: zleonora@yandex.ru
Турыкин Леонид Анатольевич,
кандидат географических наук, научный сотрудник
E-mail: filigorod@list.ru
НИ Лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.
119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, МГУ
Berkovich K.M.,
doctor of geography, leading researcher E-mail: berkovitch@yandex.ru
Zlotina L.V.,
candidate of geography, senior researcher E-mail: zleonora@yandex.ru
Turykin L.A.,
candidate of geography, researcher E-mail: filigorod@list.ru
Scientific research laboratory for soil erosion and channel processes, Faculty of Geography Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory
