CC BY
33
Пути решения проблемы заиления Краснодарского водохранилища для рационального использования водных ресурсов пойменных территорий
Ф.С. Литовка, М.А.Бандурин, В.В. Ванжа Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, Краснодар
Аннотация: В данной статье представлены полученные результаты решения проблемы заиления Краснодарского водохранилища для рационального использования водных ресурсов пойменных территорий. Прогноз изменения наносов на перспективу определен с учетом увеличения зарастаемости водохранилища, дальнейшей переработки береговой линии, а также уменьшения лесонасаждений и увеличения распахиваемых площадей в бассейне р. Кубани. С учетом этих факторов увеличения объемов наносов в створе водохранилища ежегодно будет увеличиваться на 0,13 % и к 2036 г. составит 18,01 млн м3 в год. Рассмотрены основные мероприятия по улучшению транспортировки наносов в чашу мертвого объема, и обоснованы пути решения проблемы заиления через расчистку затопленных русел рек предлагается выполнять методом взмучивания, так как данный метод используется на водоемах, имеющих проточность, т. к. суть его состоит в том, что илистые отложения взмучиваются с помощью плавучего земснаряда струями воды и пульпа не всасывается в земснаряд, а взвешенные наносы транспортируются течением воды в чашу "мертвого" объема водохранилища. Использование данного метода рекомендуется по причинам экономического характера, т. к. он в 2,4 раза дешевле расчистки с изъятием пульпы.
Ключевые слова: заиление, водохранилище, водные ресурсы, пойменные территории, рациональное водопользование, водные ресурсы.
Краснодарское водохранилище было введено в эксплуатацию в 1973 г., гидротехнические сооружения расположены в пределах Азово-Кубанской равнины, преимущественно на пойменных террасах р. Кубани и ее притоков, частично на первой и второй надпойменных террасах [1]. В пределах сооружений водосброса, судоходного шлюза и водозабора-водовыпуска на ПК 23+50 до глубины около 30 м на глинах верхнего плиоцена залегают голоценовые аллювиальные отложения представленные, преимущественно, песками разной крупности и гравийно-галечниковым грунтом с песчаным заполнителем, перекрытыми слоем глин и суглинков мощностью 3-6 м [2].
В районе земляной плотины Краснодарского водохранилища на глинах верхнего плиоцена до глубины 13-30 м залегают голоценовые и верхнеплейстоценовые аллювиальные отложения, представленные, преимущественно, песками разной крупности с гравийно-галечниковым
слоем в основании; повсеместно пески перекрыты слоем глин и суглинков мощностью от 3 до 7 м [3].
Правобережье Краснодарского водохранилища представлено второй надпойменной террасой. Здесь с поверхности повсеместно залегают голоцен-верхнеплейстоценовые эолово-делювиальные отложения, представленные суглинками лессовидными, макропористыми мощностью от 6 до 12 м. Ниже до глубины от 27 до 45 м на глинах нижнего плейстоцена [4] залегают среднеплейстоценовые аллювиальные отложения, представленные в нижней части песками и гравийно-галечниками, общей мощностью от 10 до 32 м, а в верхней слоем глин [5] мощностью от 5 до 15 м.
На левобережье Краснодарского водохранилища, сооружения располагаются в пределах пойменных и частично первой надпойменной террас р. Кубани и ее левобережных притоков. Геологическое строение здесь относительно однородное [6]. Повсеместно распространены голоцен-верхнеплейстоценовые аллювиальные отложения, залегающие на глинах верхнего плиоцена. Представлены отложения в верхней части слоем глин и суглинков мощностью от 4 до 11 м, а в нижней - песками преимущественно крупными и гравелистыми и гравийно-галечниками с линзовидными прослоями супесей общей мощностью от 4 до 12 м [7].
Гидрогеологические условия в районе Краснодарского водохранилища обусловлены расположением его в центральной части Азово-Кубанского артезианского бассейна платформенного типа. В верхней части бассейна содержится большое количество водоносных горизонтов, приуроченных к прослоям песков и гравийно-галечников в толще глин. До глубины 300-350 м водоносные горизонты гидравлически взаимосвязаны (зона активного водообмена) [8]. Водоупором для них служит толща лиманно-морских глин мощностью около 100 м. На подтопление прилегающих к Краснодарскому водохранилищу территорий [9] оказывает влияние строение первого от
поверхности водоносного горизонта, приуроченного к четвертичным отложениям, залегающим на глубинах от 13 до 45 м [10].
Левобережная часть прилегающих к Краснодарскому водохранилищу территорий находится ниже его НПУ и защищена от затопления оградительными дамбами. Для защиты прилегающих территорий вдоль земляной плотины Краснодарского водохранилища [11] и оградительных низконапорных дамб построены и действуют в постоянном режиме дренажные сооружения различного типа (горизонтальные, вертикальные и комбинированные) [12]. Уровенный режим подземных вод на этих территориях обеспечивается, в основном, работой дренажных сооружений. В меньшей степени он зависит от строения безнапорного водоносного горизонта, колебания уровня воды в Краснодарском водохранилище и инфильтрации атмосферных осадков [13].
Безнапорный водоносный горизонт в районе земляной плотины, водосброса, шлюза и на левобережье приурочен к толще аллювиальных отложений голоцена и верхнего плейстоцена и имеет двухслойное строение со слабоводопроницаемым слоем вверху и хорошо водопроницаемым внизу.
Коэффициент суммарной водопроводимости водоносного горизонта
2 2 изменяется от 100 м /сутки до 500 м /сутки.
На правобережье безнапорный водоносный горизонт приурочен к эолово-делювиальным и аллювиальным отложениям верхнего и среднего плейстоцена и имеет трехслойное строение: хорошо водопроницаемый слой макропористых суглинков вверху [14], слабопроницаемый слой глин в центре и хорошо водопроницаемый слой песков и гравийно-галечников в
основании. Коэффициент суммарной водопроводимости водоносного
22 горизонта изменяется от 150 м /сутки до 400 м /сутки.
Вместе с тем, по результатам изучения материалов инженерно-геологических и гидрогеологических исследований [15], выполненных как на
стадии проектирования, так и после завершения строительства Краснодарского водохранилища, установлено, что естественные основания бетонных сооружений: судоходного шлюза, водозабора - водовыпуска на ПК 23+50 земляной плотины, водосбросного сооружения с рыбоподъемником и земляной плотины представлены [16], в основном, разнородными водонасыщенными песчаными грунтами от рыхлого до плотного сложения, и частично, пластичными глинистыми грунтами, а земляные сооружения сложены намывными и насыпными, преимущественно, водонасыщенными песчано-глинистыми грунтами [17], т.е. грунтами III категории по сейсмическим свойствам.
За годы эксплуатации Краснодарского водохранилища резко изменились гидрогеологические условия, как площадок гидротехнических сооружений, так и прилегающих территорий: уровни грунтовых вод повысились вследствие подпора и дополнительного питания, режим их в настоящее время зависит от уровенного режима в водохранилище и в нижнем бьефе, в р. Кубани [18].
Все эти не решенные проблемы актуальны и указывают, на необходимость обоснования путей решения проблемы заиления Краснодарского водохранилища для рационального использования водных ресурсов пойменных территорий в современном водохозяйственном комплексе Юга России [19].
Материалы и методы. Фактическое использование Краснодарского водохранилища в настоящее время соответствует проектному назначению. Сток наносов в бассейне р. Кубани определяется водной эрозией. Водная эрозия особенно сильно проявляется в горной и предгорной частях чему способствует горно-долинный рельеф и большие уклоны речных русел. Выпадающие на подстилающую поверхность осадки, в особенности интенсивные ливни, бурное снеготаяние, смывают с водосборной площади в
реку обломочный материал, формируя сток наносов. Немаловажную роль здесь играет состав пород слагающих водосбор, его залесенность, агротехнические и водохозяйственные мероприятия, проводимые на водосборной площади и в русле реки [20]. Объем годового стока наносов основных рек, впадающих в Краснодарское водохранилище, в среднем составляет около 12 млн м (рис. 1.).
Рис. 1. - Процессы заиления Краснодарского водохранилища: а) аэрофотоснимок 1985 г.; б) аэрофотоснимок 2016 г.
Наблюдения за стоком влекомых наносов в бассейне р. Кубань не проводились. Модуль стока влекомых наносов определяется аналитически балансовым методом, принимая модуль стока донных отложений р. Кубань у Краснодара - 20 т/км2 [21].
В таблице №1 приводятся данные о взвешенных и влекомых наносах по каждой из нанософормирующих рек в бассейне р. Кубань.
Таблица №1
Твердый сток наносов основных рек, впадающих в Краснодарское водохранилище по данным 2016 г.
Река - населенный пункт Сток взвешенных 3 наносов, млн м Сток влекомых наносов, 3 млн м Суммарный сток наносов, 3 млн м
Кубань -ст. Ладожская 2,94 0,45 3,39
Лаба -х. Догужиев 1,89 0,21 2,10
Белая -х. Северный 1,77 0,20 1,97
Пшиш -х. Теучежхабль 2,01 0,28 2,29
Псекупс -г. Горячий Ключ 0,76 0,09 0,85
Прочие реки 1,34 0,14 1,44
Всего: 12,04
Кроме того, часть наносов формируется в чаше Краснодарского водохранилища. За счет переработки берегов, по данным 2017 г., формируется около 1,57 млн м3. За счет перегноя растительных остатков на участках акватории заросшей водной растительностью ежегодно объем наносов увеличивается на 0,76 млн. м .
Итого с учетом всех наносов, поступающих из-за пределов водохранилища и формирующихся в чаше ежегодный прирост наносов, составляет 14,37 млн. м .
Прогноз изменения наносов на перспективу определен с учетом увеличения зарастаемости Краснодаского водохранилища, дальнейшей переработки береговой линии, а также уменьшения лесонасаждений и увеличения распахиваемых площадей в бассейне р. Кубани. С учетом этих факторов увеличения объемов наносов в створе водохранилища ежегодно будет увеличиваться на 0,13 % и к 2036 г. составит 18,01 млн м в год.
Результаты исследований и их анализ. Проектирование Краснодарского водохранилища велось с учетом фиксированных уровней воды в водохранилище это:
- нормальный подпорный уровень (НПУ) с отметкой 33,65 мБс, основной эксплуатационный горизонт;
- форсированный подпорный уровень (ФПУ) с отметкой 35,23 мБс, предельно допустимый уровень воды в водохранилище;
- уровень "мертвого" объема, с отметкой 25,85 мБс, минимально допустимый уровень воды в Краснодарском водохранилище.
С учетом этих горизонтов и определялась транспортирующая способность водотока взвешенных и влекомых наносов. В начале эксплуатации Краснодарского водохранилищя объем наносов, ежегодно поступающих в чашу, составлял 6,5 млн. м3, из которых 2,5 млн. м3 приходилось на влекомые наносы и 4,0 млн. м - взвешенные.
Всего объем наносов, отложившихся в чаше за период эксплуатации составил за 10 лет 61,0 млн м ; ожидаемый объем наносов составляет 0,4 млн м3/год, а отношение фактического объема наносов к ожидаемому составляет из 100 % взвешенных и влекомых наносов в чаше водохранилища 93,8 % (по проекту до 95 %).
В 1992 г. между правительством Краснодарского края и Республикой Адыгея было подписано соглашение о снижении основного рабочего горизонта (НПУ) на 90 см, т.е. отметка НПУ стала 32,75 мБс. Это решение помимо изменения технических показателей, вызванных вводом новых нормативных документов, носило, в первую очередь, политическую окраску. Поэтому негативные последствия от снижения НПУ детально просчитаны не были. Это решение привело к снижению глубин и образованию к 2004 г. 92,0 км мелководных участков, что составляет около 24 % от площади всего водохранилища при НПУ, а в настоящее время площадь мелководья равна 100,0 км , что составляет около 26 %. Это привело к тому, что к 2004 г. в чаше Краснодарского водохранилища стало аккумулироваться ежегодно 9,1
33
млн м наносов, т.е. к 2004 г. объем наносов составил 255 млн. м , а к 2016 г. - 347 млн. м3, рис. 2.
а б
Рис. 2. - Заиление чаши Краснодарского водохранилища: а) вдоль оградительной плотины инженерной защиты долины реки Псекупс;
б) вдоль Восточной дамбы.
Постоянное ежегодное увеличение наносов из-за дальнейшего заиления Краснодарского водохранилища в случае непринятия радикальных
мер, приведет к тому, что в период с 2016 по 2035 г. в чашу водохранилища по прогнозам осядет 333 млн м3 взвешенных частиц. А средняя глубина водохранилища по отношению к 1975 г. равная 6,0 метрам уменьшится до 3,5 м к 2035 г., рис. 3.
а б
Рис. 3. - Заиление чаши Краснодарского водохранилища: а) вследствие переработки берегов в районе ст. Старокорсунской; б) вследствие переработки берегов на участке от ст. Старокорсунской
до х. Ленина.
Изменение глубин водохранилища связанное со снижением НПУ и, как следствие, увеличением объемов наносов. Современное состояние Краснодарского водохранилища и его ретроспективный анализ показывают, что большинство проблем негативного характера связано со снижением НПУ на 90 см.
Данную ситуацию можно сравнить с заилением на эту величину, что при площади водохранилища равной 382 км2 аналогично объему заиления в размере 343,8 млн м . При нормальной эксплуатации (до 1992 г.) ежегодный объем наносов составлял в среднем 6,1 млн м . Сопоставив полученные
результаты можно сказать, что заиление на 90 см при нормальном НПУ равном 33,65 мБс произошло бы через 56 лет.
Основной объем влекомых и взвешенных наносов поступает в чашу по затопленным руслам рек, впадающих в Краснодарское водохранилище.
С целью транспортирования наносов до чаши "мертвого" объема предлагается выполнить расчистку затопленных русел рек в чаше Краснодарского водохранилища заиление которых составляет около 1,0 м. (рисунок 4), в том числе:
- р. Пшиш на длине 33,5 км, глубиной 1,0 м, шириной 50 м;
- р. Псекупс на длине 19,2 км, глубиной 1,0 м, шириной 50 м; -р. Марта на длине 13,16 км, глубиной 1,0 м, шириной 20 м;
- р. Кубань на длине 33,3 км, глубиной 1,0 м, шириной 80 м.
Рис. 3. - Заиление чаши Краснодарского водохранилища вдоль левого берега, район с. Красногвардейское
Соответственно и варианты по улучшению эксплуатационных и экологических характеристик направлены на восстановление глубин до проектных показателей.
Технико-экономические показатели расчистки русел рек приведены в таблице №2.
Таблица №2
Технико-экономические показатели расчистки русел рек
№ № п/п Расчистка русел рек в чаше водохранилища методом взмучивания Количество Ширина/ глубина, м Стоимость, млн руб.
1 Кубань 33,3 км 80/1 106,560
2 Псекупс 19,2 км 50/1 38,400
3 Пшиш 33,5 км 50/1 67,000
4 Марта 13,16 км 20/1 10,520
5 Белая - - -
Итого по расчистке русел рек 99,16 км - 222,480
Расчистку затопленных русел рек предлагается выполнить методом взмучивания.
Данный метод используется на водоемах, имеющих проточность, т.к. суть его состоит в том, что илистые отложения взмучиваются с помощью плавучего земснаряда струями воды и пульпа не всасывается в земснаряд, а взвешенные наносы транспортируются течением воды в чашу "мертвого" объема Краснодарского водохранилища. Использование данного метода рекомендуется по причинам экономического характера, т.к. он в 2,4 раза дешевле расчистки с изъятием пульпы.
Выводы:
1. Катализатором всех негативных процессов является заиление Краснодарского водохранилища, так как доля глубин менее 2-х метров очень большая, а это приводят к ухудшению качества водных ресурсов, отсюда как следствие увеличение скорости заиления и зарастания.
2. Необходимо ликвидировать мелководные участки на площади 100 км2 Краснодарского водохранилища.
3. Разработать мероприятия по улучшению транспортировки наносов в чашу мертвого объема Краснодарского водохранилища.
Литература
1. Курбанов С.О., Созаев А.А., Жемгуразов С.М. Оценка влияния низконапорных водохранилищных гидроузлов на окружающую среду // Инженерный вестник Дона, 2019, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5900/.
2. Kuznetsov E.V., Khadzhidi A.E., Kilidi K.I., Kurtnezirov A.N. Management of agro-resource potential for agricultural landscape stability increase // Plant Archives. 2018. Т. 18. № 2. pp. 2151-2158.
3. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Ольгаренко И.В. Комплексная оценка технического уровня гидромелиоративных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2013. № 6. С. 8-11.
4. Бандурин М.А. Юрченко И.Ф., Волосухин В.А., Ванжа В.В., Волосухин Я.В. Эколого-экономическая эффективность диагностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем // Экология и промышленность. 2018. Т. 22. № 7. С. 66-71.
5. Алёшин В.С., Онищенко А.А. Математическое моделирование процессов в водохранилище на реке Эшкакон и ее практическая значимость // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1064/.
6. Yurchenko I.F. Automatization of water distribution control for irrigation // International Journal of Advanced and Applied Sciences. 2017. 4(2): рр. 72-77.
7. Ольгаренко В.И., Ольгаренко И.В., Ольгаренко В.И. К вопросу о модели определения эвапотранспирации с учётом изменчивости гидрометеорологических факторов // Модели и технологии природообустройства. 2017. № 4. С. 9-14.
8. Kireycheva L.V. Evaluation of efficiency of land reclamation in Russia // Journal of Agriculture and Environment. 2018. № 3 (7). 1 p.
9. Degtyarev G.V., Belokur K.A., Sokolova I.V. Modeling of the building by numerical methods at assessment of the technical condition of structures // Materials Science Forum. 2018. Т. 931 MSF. pp. 141-147.
10. Yurchenko I.F. Information support system designed for technical operation planning and reclamative facilities // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2018. V. 96. № 5. рр. 1253-1265.
11. Косиченко Ю.М., Михайлов Е.Д., Баев О.А. Экспериментальные исследования водослива с широким порогом резервного водосброса // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 3 (20). С. 7381.
12. Yurchenko I.F. Information support for decision making on dispatching control of water distribution in irrigation. // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Т. 1015. p. 042063.
13. Degtyarev G.V., Belokur K.A., Sokolova I.V. Modeling of the building by numerical methods at assessment of the technical condition of structures // International Conference on Construction and Architecture: theeory and practice of industry development. 2018. 2018. pp. 141-147.
14. Абдразаков Ф.К., Панкова Т.А., Орлова С.С., Сирота В.Т. Прогноз параметров прорывной волны при гидродинамической аварии на плотине // Аграрный научный журнал. 2017. № 1. С. 35-39.
15. Гавриловский Д.В., Гапонов В.Л., Гапонов С.В., Гапонова Е.Ю. Оценка гидро-экологических характеристик Цимлянского водохранилища // Инженерный вестник Дона, 2017, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4009/.
16. Ghebrehiwot A.A., Kozlov D.V. Hydrological modelling for ungauged basins of arid and semi-arid regions: review // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 8. pp. 1023-1036.
17. Гурьев А.П., Козлов Д.В., Ханов Н.В., Верхоглядова А.С. Результаты исследования местных размывов грунта основания в нижнем бьефе за водосбросом № 2 Богучанской ГЭС // Приволжский научный журнал. 2014. № 1 (29). С. 31-36.
18. Bandurin M.A., Yurchenko I.F., Volosukhin V.A. Remote Monitoring of Reliability for Water Conveyance Hydraulic Structures // Materials Science Forum. 2018. V. 931, pp. 209-213.
19. Бакаев А.В., Бакаева Е.Н., Игнатова Н.А. "Цветение" сине-зеленых микроводорослей (Cyanophyta) - разновидность чрезвычайных ситуаций в водохранилищах // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1289/.
20. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Программно-технический комплекс для проведения мониторинга и определения остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2013. № 1. С. 57-68.
21. Абдразаков Ф.К., Панкова Т.А., Щербаков В.А. Факторы, влияющие на эксплуатационное состояние гидротехнических сооружений // Аграрный научный журнал. 2016. № 10. С. 56-61.
References
1. Kurbanov S.O., Sozaev A.A., Zhemgurazov S.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5900/.
2. Kuznetsov E.V., Khadzhidi A.E., Kilidi K.I., Kurtnezirov A.N. Plant Archives. 2018. T. 18. № 2. pp. 2151-2158.
3. Ol'garenko V.I., Ol'garenko G.V., Ol'garenko I.V. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo. 2013. № 6. pp. 8-11.
4. Bandurin M.A. Yurchenko I.F., Volosukhin V.A., Vanzha V.V., Volosukhin Ya.V. Ekologiya i promyshlennost'. 2018. T. 22. № 7. pp. 66-71.
5. Aleshin V.S., Onishchenko A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, № 4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1064/.
6. Yurchenko I.F. International Journal of Advanced and Applied Sciences. 2017. 4(2): pp. 72-77.
7. Ol'garenko V.I., Ol'garenko I.V., Ol'garenko V.I. Modeli i tekhnologii prirodoobustroystva. 2017. № 4. pp. 9-14.
8. Kireycheva L.V. Journal of Agriculture and Environment. 2018. № 3 (7). 1 p.
9. Degtyarev G.V., Belokur K.A., Sokolova I.V. Materials Science Forum. 2018. T. 931. MSF. pp. 141-147.
10. Yurchenko I.F. Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2018. V. 96. № 5. pp. 1253-1265.
11. Kosichenko Yu.M., Mikhaylov E.D., Baev O.A. Vestnik SGASU. Gradostroitel'stvo i arkhitektura. 2015. № 3 (20). pp. 73-81.
12. Yurchenko I.F. Journal of Physics: Conference Series. 2018. T. 1015. S.042063.
13. Degtyarev G.V., Belokur K.A., Sokolova I.V. International Conference on Construction and Architecture: theeory and practice of industry development. 2018. pp. 141-147.
14. Abdrazakov F.K., Pankova T.A., Orlova S.S., Sirota V.T. Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2017. № 1. pp. 35-39.
15. Gavrilovskiy D.V., Gaponov V.L., Gaponov S.V., Gaponova E.Yu. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4009/.
16. Ghebrehiwot A.A., Kozlov D.V. Vestnik MGSU. 2019. T. 14. № 8. pp. 1023-1036.
17. Gur'ev A.P., Kozlov D.V., Khanov N.V., Privolzhskiy nauchnyy zhurnal. 2014. № 1 (29). pp. 31-36.
18. Bandurin M.A., Yurchenko I.F., Volosukhin V.A. Materials Science Forum. 2018. V. 931, pp. 209-213.
19. Bakaev A.V., Bakaeva E.N., Ignatova N.A. Inzhenernyj vestnik Dona,
2012, № 4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1289/.
20. Volosukhin V.A., Bandurin M.A. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura.
2013. № 1. pp. 57-68.
21. Abdrazakov F.K., Pankova T.A., Shcherbakov V.A. Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2016. № 10. pp. 56-61.
