CC BY
22
УДК 627.81.-33:624.131.6:624.152.612
ПРОГНОЗ ВЛИЯНИЯ ЮМАГУЗИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА НА ПОДТОПЛЕНИЕ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ В РЕЧНОЙ ДОЛИНЕ
© 2003 г. Ю.М. Косиченко, В.Л. Бондаренко, А.З. Абуханов, А.В. Ищенко, М.Ю. Косиченко
В связи со строительством Юмагузинского водохранилища и его предстоящего заполнения возникает задача оценки подтопления населенных пунктов и сельхозугодий, расположенных в речной долине нижнего бьефа гидроузла. Решение данной задачи осложняется тем, что ниже водохранилища грунтовый поток в речной долине перекрывает недостроенная плотина Иштугановского гидроузла с глубокой противофильт-рационной завесой в основании и прораном в русле р. Белой (рис. 1). Очевидно, что эта противофильтраци-онная завеса будет являться преградой на пути движения фильтрационного потока из Юмагузинского водохранилища, создавая тем самым подпор грунтовых вод и увеличивая вероятность подтопления населенных пунктов и сельхозугодий в речной долине, расположенных между двумя гидроузлами. Имеющийся в теле завесы проран в русле реки шириной 60 м будет играть роль дрены, способствующей, наоборот, отводу грунтового потока и понижению степени подпора грунтовых вод.
Таким образом, возникает сложная гидродинамическая задача взаимодействия фильтрационного потока из водохранилища с естественным грунтовым потоком, формирующимся в речной долине и частично перекрывающимся противофильтрационной завесой второго гидроузла.
Исследуемая территория составляет около 50 км2, на которой находятся следующие населенные пункты: Верхнебиккузино, Прибельский, Сыртланово, Нижне-биккузино, Петропавловка и Иштуганово, а также огородные участки и сельхозугодья. Данная территория расположена в западном предгорье Уральских гор и представляет собой чашеобразное ложе, по которому протекает р. Белая.
Целью данных исследований является изучение влияния Юмагузинского водохранилища и недостроенной плотины Иштугановского гидроузла на подтопление населенных пунктов (Верхнебиккузино, Сыртланово, Иштуганово и др).
Задачи исследований включают:
- моделирование методом ЭГДА плановых схем влияния фильтрации из Юмагузинского водохранилища и подпора за счет противофильтрационной завесы в основании недостроенной плотины Иштуганов-ского гидроузла на подтопление населенных пунктов;
- разработка методики расчета для оценки влияния двух гидроузлов на подтопление населенных пунктов;
Рис. 1. Схема размещения населенных пунктов в нижнем бьефе Юмагузинского водохранилища: 1 - Верхнебиккузино; 2 - Прибельский; 3 - Нижнебиккузино; 4 - Петропавловка; 5 - Сыртланово; 6 - Иштуганово; 7 - Юмагузинская плотина; 8 - Иштугановская плотина; 9 - Юмагузинское водохранилище
Исследования методом ЭГДА проводились в такой последовательности:
- влияние Юмагузинского водохранилища на изменение режима движения грунтовых вод (без учета влияния р. Белой);
- совместное влияние Юмагузинского водохранилища и р. Белой;
- совместное влияние Юмагузинского водохранилища, р. Белой и недостроенной плотины Иштугановско-го гидроузла на подтопление населенных пунктов.
Для прогнозирования влияния Юмагузинского водохранилища на изменение режима движения грунтовых вод была изготовлена электрическая модель в масштабе 1:10000 на электропроводной бумаге с сопротивлением ^=4000 Ом, которая имела размеры в плане 1,2x0,6 м. Границами модели приняты:
- ось плотины Юмагузинского водохранилища, с одной стороны, а с противоположной стороны — ось завесы Иштугановского гидроузла;
- две противоположные стороны участка моделирования приняты по линии, ограничивающей переход плоского рельефа поймы в горный.
Исходя из этого, первая серия опытов проводилась без учета влияния р. Белой. Методика проведения опытов первой серии следующая.
Исследуемый участок моделировался в соответствии с законом подобия. При постановке опытов за граничные условия принимались: шина с потенциалом 100 %, которая прикреплялась к электропроводной бумаге на отметке НПУ Юмагузинского водохранилища, и шина с потенциалом 0 %, прикрепленная на завесе недостроенного Иштугановского гидроузла.
Во второй серии опытов шина с потенциалом 0 % прикреплялась к завесе Иштугановского гидроузла с предположением, что в ней будут выполнены четыре прорана шириной по 60 м;
В третьей серии опытов шина с потенциалом 0 % также прикреплялась к завесе Иштугановского гидроузла в месте существующего прорана шириной 60 м, что соответствует ширине р. Белой.
Методика проведения опытов второй серии аналогична первой, но учитывается влияние протекающей по этой территории р. Белой. Учет влияния реки в этой серии опытов осуществлялся путем подачи расчетного потенциала на смонтированную по руслу реки электропроводную шину.
Потенциал на плане в русле реки подавался для трех случаев уровней воды в водохранилище (соответственно УМО НПУ, ФПУ), расчет производился в соответствии с известными методиками [1-4].
Четвертая серия опытов по прогнозированию подтопления населенных пунктов проводилась с учетом влияния р. Белой, разделенной по всей длине на три участка с подачей разных потенциалов на участки, при различных уровнях воды в водохранилище.
Пятая серия опытов проводилась с учетом фильтрации через малопроницаемый склон по левому борту водохранилища на значительном расстоянии от верхнего бьефа.
По проведенным опытам на схемах построены гидродинамические сетки, по которым изучался прогноз подтопления поймы нижнего бьефа Юмагузин-ского водохранилища [5, 6].
Анализ результатов опытов первой серии показал, что неучет влияния р. Белой приводит к значительному повышению величины подтопления всех населенных пунктов нижнего бьефа Юмагузинского водохранилища. Модели первой серии опытов не полностью соответствуют реальной картине подтопления поселков, поэтому в следующей серии опытов модели выполнялись с учетом влияния реки.
Во второй серии опытов учитывалось влияние реки и подавался одинаковый потенциал по всей длине реки при различных напорах. Установлено, что при потенциалах, отличающихся от 0 %, наблюдается снижение подтопления. Это подтверждает, что река выполняет функцию дренажа.
Для расчета уровня воды в населенных пунктах используем следующую формулу:
где к1, к2 - глубины грунтовых вод соответственно в начальном и конечном сечении; кг - приведенный напор на исследуемом участке (потенциал), опреде-
ляемый как
h =
hp2 - h22 К2 - К22
(2)
где кр - напор в русле реки и различных населенных пунктов.
В третьей серии опытов определялись остальные приведенные напоры и высоты подтопления в населенных пунктах исследуемой территории;
В четвертой серии опытов изучалось подтопление населенных пунктов при различных отметках подошвы завесы. При проведении четвертой серии опытов учитывалось несовершенство берегов реки, которое определялось по следующей формуле:
Мр = 0,44 т,
где т - мощность фильтрующей толщи (120 м), а также учитывалось несовершенство бортов водохранилища, которое определялось Д£бУМО = 0,44 (т + НУМО) = 0,44 (120 + 15,0) = 59,4 м ; Д!бНПУ = 0,44 (т + ННПУ) = 0,44 (120 + 43,0) = 71,7 м ; Д£бФПУ = 0,44 (т + НФПУ) = 0,44 (120 + 57,0) = 77,9 м .
В пятой серии опытов была скорректирована модель плановой задачи, т. е. были учтены несовершенство берегов реки и бортов водохранилища, а также изменено место за крепления шины с потенциалом 100 % и изменен максимальный напор при ФПУ.
На основе анализа результатов исследований (табл. 1) построен график значений величины подтопления кподт для различных населенных пунктов в
пойме нижнего бьефа Юмагузинского водохранилища (рис. 2). Из графика следует, что подтопление населенных пунктов зависит от напоров и удаленности от водохранилища.
кпод 6 4 2
ФПУ НПУ УМО
ВБ - Верхнебиккузино
ПБ - Прибельский
СП - Сыртланово
НБ - Нижнебиккузино
ИГ - Иштуганово
К = д/ К2 +((2 - к К
(1)
Рис. 2. График значений величины подтопления кподт для различных населенных пунктов в пойме нижнего Юмагузинского водохранилища
Таблица 1
Результаты исследований подтопления населенных пунктов при различных значениях уровней воды
в водохранилище (УФПУ=270,0 м)
№ п/п Наименование поселка Отметка уровней УМО НПУ ФПУ
Точка определения потенциалов в населенных пунктах на окраине в центре на окраине в центре на окраине в центре
1 Верхнебиккузино Значения потенциалов, % 39,0 34,0 20,0 12,0 23,0 16,0
Аподт при отметке подошвы завесы У87 -4,6 -5,7 -4,7 -1,2 -0,4 -4,3
2 Прибельскии Значения потенциалов, % 35,0 32,5 13,0 7,5 17,0 14,0
^подт при отметке подошвы завесы У87 -1,5 -2,0 3,6 -0,6 0,3 -1,4
3 Сыртланово Значения потенциалов, % 24,5 27,0 4,5 5,5 9,0 10,0
Аподт при отметке подошвы завесы У87 -4,9 -4,4 -4,1 -3,3 -5,4 -4,8
4 Нижнебиккузино Значения потенциалов, % 24,0 22,5 4,5 3,0 10,0 7,0
^подт при отметке подошвы завесы У87 -7,4 -7,7 -7,0 -7,6 -7,1 -8,8
5 Иштуганово Значения потенциалов, % 15,5 14,5 1,7 1,2 3,7 2,0
Аподт при отметке подошвы завесы У87 -1,0 -1,3 -0,3 -0,9 -2,5 -3,5
Таблица 2
Результаты исследований подтопления населенных пунктов при разбивке длины реки на 15 участков
Отметка уровней УМО НПУ ФПУ
№ п/п Наименование Точка определения
поселка Ф потенциалов в населенных пунктах на окраине в центре на окраине в центре на окраине в центре
1 Верхнебиккузино Ф, % 17,5 23,0 47,5 53,0 15,0 21,0
hподт, м -3,4 -0,4 -2,7 -1,5 1,1 5,4
2 Прибельский Ф, % 17,0 20,0 37,0 38,5 16,0 19,0
hrnrn, м 0,3 2,0 -1,0 -0,7 5,8 8,0
3 Сыртланово Ф, % 10,5 11,0 34,0 34,5 10,0 9,5
^одт, м -4,5 -4,2 -2,8 -2,7 0,2 -0,2
4 Нижнебиккузино Ф, % 9,5 11,0 25,5 27,0 8,5 10,5
hподт, м -7,4 -6,5 -7,0 -6,7 -3,3 -1,7
5 Иштуганово Ф, % 4,5 4,7 15,0 15,5 3,7 4,0
hподт, м -2,0 -1,9 -1,1 -1,0 1,3 1,5
6 Петропавловка Ф, % 1,9 3,8 8,0 14,0 2,7 3,5
^одт, м -4,7 -3,5 -3,9 -2,5 -0,6 0,0
Ддя более точного получения результатов значений величины подтопления Аподт в шестой серии опытов длина реки
на исследуемой территории разбивалась на 15 участков. В зависимости от отметки уреза воды в водохранилище (УМО, НПУ, ФПУ) подавались различные потенциалы на участки р. Белой.
Анализ табл. 2 показал, что при более детальной разбивке длины реки на 15 участков, затопленными могут оказаться населенные пункты Верхнебиккузино, Прибельский и Иштуганово при ФПУ и НПУ.
Для оценки влияния недостроенной плотины Иш-тугановского гидроузла и Юмагузинского водохранилища при различных отметках его наполнения в процессе эксплуатации (УМО, НПУ, ФПУ) проведены соответствующие расчеты двумя способами [7-9]:
- с использованием формулы Дюпюи;
- с использованием уравнения неравномерного плавноизменяющегося движения грунтовых вод.
Данные способы позволяют определять положение уровня грунтовых вод в случае безнапорного плавноизменяющегося движения грунтовых вод.
Расчетная схема влияния двух гидроузлов на подтопление речной долины без учета и с учетом влияния реки приведена на рис. 3. Исходные данные для расчета использовались следующие: глубина грунтовых вод в створе Юмагузинского водохранилища h = 138 м (V УМО), 166 м (V НПУ), 180 м (V ФПУ) - для I способа; h1 = 127 м (V УМО), 155 м (V НПУ), 169 м (V ФПУ) - для II способа; глубина грунтовых вод за Иштугановским гидроузлом h2 = 116 м ; коэффициенты фильтрации грунта речной долины к0=21,75; 46,0 м/сут; коэффициент фильтрации относительно малопроницаемого склона левого берега Юмагузинского водохранилища к'0 = 4,24 м/сут ; коэффициент фильтрации противофильтрационного устройства (ПФУ) в основании Иштугановского гидроузла кПФУ = 0,01 м/сут ; толщина ПФУ
8 п
= 2 м ; общая длина участка по линии тока ме-
жду Юмагузинским водохранилищем и Иштугановским гидроузлом L = 11500 м; длина малопроницае-
мого склона Ь = 800 м ; общая ширина ПФУ Ишту-гановского гидроузла ВПФУ = 2400 м ; ширина прорана в ПФУ в русле реки Белая В0 = 60 м; средний уклон дна грунтового потока 1 = 0,000957. Расстояние до населенных пунктов: Верхнебиккузино - х=2400 м; Сыртланово - х=4800 м; Иштуганово - х=9000 м; отметки поверхности земли V ПЗ соответственно -216,6; 214; 207,6 м.
водохранилища; ко - коэффициент фильтрации грунта речной долины; Ьо - длина грунтового потока с учетом сопротивления малопроницаемого склона (ДЬ^ и сопротивления ПФУ Иштугановского гидроузла (ДЬПФУ); Ь - общая длина грунтового потока по линии тока между двумя гидроузлами; Ь - длина малопроинцаемого склона; V УГВ=87+к - отметка уровня грунтовых вод; V ПЗ - отметка поверхности земли.
0
1
1в 5
S? й
ь и
'S?
I
£ * аз
l1
и »
I j
I
S.O 8«
|V2I6,6| |?2I4 | | gZ()7.f; |
721)7
"V
J„=0,6 - 10
i'u - 21.75 M/cvt
120 м
+7777
х'-оосюу5? ________________IM
L\ °8Wm
f-
1
1 = 11500м
7 203
,87
\ 0,01 kow - 0,001 ч/сут
Рис. 3. Расчетная схема влияния двух гидроузлов на подтопление населенных пунктов без учета влияния реки
Для расчета подтопления грунтовыми водами населенных пунктов на основе дифференциального уравнения неравномерного плавно изменяющегося движения грунтовых вод [9] используем расчетную схему рис. 3 и следующие зависимости:
Расчеты выполнены для трех характерных уровней воды в Юмагузинском водохранилище: V УМО = 225 м; V НПУ = 253 м; V ФПУ = 267 м.
Для сравнения были проведены расчеты на ПЭВМ с использованием формулы Дюпюи и уравнения неравномерного плавноизменяющегося движения грунтовых вод.
Как известно [9], формула Дюпюи получена для плавноизменяющегося движения грунтовых вод при следующих двух допущениях:
- живые сечения потока считаются плоскими, поскольку кривизна их невелика;
- живые сечения считаются вертикальными, поскольку уклон дна русла мал.
Для расчета подтопления населенных пунктов вследствие фильтрации из Юмагузинского водохранилища используем зависимости, вытекающие из формулы Дюпюи при условии горизонтального расположения дна грунтового потока.
h = h2 -
л1 1 К ;
q =
К - К2 k
2Lo 0
L0 = L - L + AL1 + Lr
Кподт = VYfB -vro;
где к1 - глубина грунтового потока в створе Юмагу-зинского водохранилища относительно водоупора; к2 - глубина грунтового потока за Иштугановским гидроузлом; q - удельный фильтрационный расход из
П2 + ln(1 -Л2) = А-2Т" + П1 + ln(1 -П1)
ho
hi
к„ =—, П = , П2 = , к2 = к , о к 1 к к ко1 ко ко
/1-2 = 1о - Ь +ДЬ1, 1о = X, VУГВ = 98 - ио + к2,
где П1 и п2 - относительные глубины грунтового потока; 1 - уклон дна грунтового потока; ко - нормальная глубина грунтового потока при равномерном давлении; 1о - расстояние от створа Юмагузинского водохранилища до рассматриваемого населенного пункта.
Результаты расчета по оценке подтопления населенных пунктов без учета влияния реки как при наличии завесы с прораном в основании плотины Иштуга-новского гидроузла, так и для сопоставления при отсутствии завесы, выполненные двумя способами по разработанным программам на ПЭВМ, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов и исследований подтопления (в м) населенных пунктов, находящихся в речной долине между Юмагузинским и Иштугановским гидроузлами (УНПУ=253 м, &0=21,75 м) без учета влияния реки
Методы расчета (исследования) При отсутствии завесы При наличии завесы с прораном (без учета влияния реки)
Верхнебиккузино Сыртланово Иштуганово Верхнебиккузино Сыртланово Иштуганово
С использованием формулы Дюпюи 19,14 13,85 5,25 19,24 14,00 5,50
С использованием уравнения неравномерного плавноизменющегося движения грунтовых вод 21,87 17,65 8,67 21,97 17,82 8,93
ЭГДА (плановая модель) 21,40 15,50 7,40 27,40 25,00 22,90
Таблица 4
Результаты определения подтопления населенных пунктов (в м) при подъеме уровня грунтовых вод вследствие фильтрации из Юмагузинского водохранилища с учетом дренирующего влияния реки и уточненного очертания берега водохранилища (при отметке У87 м)
Метод определения УМО (V225 м) НПУ (V253 м) ФПУ (У270м)
Верхнебиккузино 5300м Прибельский 5820м Верхнебиккузино 5300м Прибельский 5820м Верхнебиккузино 5300м Прибельский 5820м
Формулы Дюпюи тщ ЩЯЩ Аш!
Уравнения неравномерного плавноизменющегося движения грунтовых вод ЩЩ ■6-251
ЭГДА (плановая модель) d 0130° k И-'Тс"! : ¿о Ь
Примечание. Числитель - величина подтопления в центре населенного пункта; знаменатель - в крайней точке населенного пункта; I I - область и зона подтопления.
Сопоставление расчетов с экспериментами методом ЭГДА, для всех трех характерных уровней воды в водохранилище (УМО, НПУ, ФПУ) свидетельствует о близком совпадении результатов при отсутствии завесы в створе Иштугановского гидроузла.
Анализ результатов расчета подтопления населенных пунктов с учетом дренирующего влияния реки, представленных в табл. 4, свидетельствует о существенном влиянии реки. При этом подтопление населенных пунктов наблюдается частичное при НПУ (V 253 м) (н.п. Прибельский) и возможное полное кратковременное подтопление при ФПУ (V 270 м) (н.п. Верхнебиккузино, Прибель-ский).
В целом проведенные расчеты и исследования методом ЭГДА подтверждают, при каком уровне воды в водохранилище и для каких населенных пунктов будет наблюдаться подтопление. Расхождение в количественных характеристиках подтопления для отдельных населенных пунктов можно объяснить различными расчетными схемами и используемыми исходными данными. В этих условиях более правильным будет учет величины подтопления в определенном диапазоне от минимального до максимального значения.
Выводы
1. Результаты предварительных исследований методом ЭГДА позволяют сделать вывод о вероятности подтопления населенных пунктов Верхнебиккузино и Прибельский при наполнении Юмагузинского водохранилища до отметок НПУ и ФПУ. Для остальных населенных пунктов Сыртланово, Нижнебиккузино и Иштуганово подтопление не выявлено.
2. Результаты уточненных исследований методом ЭГДА при разбивке длины реки в зоне моделирования на 15 участков позволяют говорить о вероятности подтопления при наполнении водохранилища до отметки НПУ только населенного пункта Прибельский и частично — Верхнебиккузино, а при наполнении водохранилища до отметки ФПУ — населенных пунктов Верхнебиккузино, Прибельский, Сыртланово и Ишту-ганово. В случае учета дополнительного сопротивления, обусловленного меньшей проницаемостью берегового склона водохранилища, величина подтопления всех указанных населенных пунктов будет снижаться, а для населенных пунктов Сыртланово и Иштуганово подтопление практически будет исключаться.
3. В процессе исследования путем электромоделирования и в результате расчетов установлено несущественное влияние на подтопление населенных пунктов подпора от противофильтрационной завесы
в основании недостроенной плотины Иштугановско-го гидроузла, находящегося ниже Юмагузинского водохранилища на расстоянии 11,5 км. Несущественное влияние на подпор грунтовых вод завесы объясняется достаточно высокой пропускной способностью имеющегося прорана в завесе шириной около 60 м.
4. Результаты расчетов, выполненные на ПЭВМ по двум способам — с использованием формулы Дюпюи и уравнения неравномерного плавноизме-няющегося движения грунтовых вод, дают в целом сопоставимые результаты с методом ЭГДА и подтверждают как зону, так и область подтопления грунтовыми водами населенных пунктов при отметках уровня воды в Юмагузинском водохранилище -НПУ и ФПУ.
5. В качестве рекомендуемых мероприятий по подтоплению населенных пунктов Верхнебиккузино и Прибельский могут рассматриваться варианты устройства глубокого отсечного дренажного коллектора в месте выхода фильтрационных вод на откос горного склона со стороны водохранилища и устройство закрытого контурного дренажа по границам населенных пунктов с выводом их в русло реки.
Литература
1. Фильчаков П.Ф., Панчишин В.И. Интеграторы ЭГДА, моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев, 1961.
2. Дружинин Н.И. Изучение региональных потоков подзем-
ных вод методом электрогидродинамических аналогий. М., 1966.
3. Булдей В.Р. Моделирование гидромелиоративных систем. Киев, 1975.
4. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчеты
гидротехнических сооружений. М.; Л., 1955.
5. Косиченко Ю.М., Абуханов А.З., Ищенко А.В. Прогноз подтопления левобережной надпойменной террасы нижнего бьефа плотины Юмагузинского водохранилища //Мероприятия антропогенных ландшафтов. Т. 15: Экологические аспекты природопользования / НГМА. Новочеркасск, 2001. С. 135-145.
6. Косиченко Ю.М., Ищенко А.В., Бондаренко В.Л., Абуханов А.З. Оценка подтопления надпойменной террасы нижнего бьефа Юмагузинского водохранилища на р. Белой // 5-й Междунар. конгр. ЭКВАТЕК-2002. Вода: экология и технология: Сб. материалов конгресса (4-7 июня 2002 г.). М., 2002. С. 122-123.
7. ЧугаевР.Р. Гидравлика: 4-е изд. Л., 1982.
8. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: 2-е изд.; Кн. 1, 2. М., 1991.
9. Косиченко Ю.М., Степанов П.М., Храпковский В.А. Гидравлика: Курс лекций. Ч. 1, 2. Новочеркасск, 1998.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия 2 июля 2003 г.
