CC BY
30УДК 622:556.3
М. В. Шестова, к.т.н., доцент, ФБОУВПО «ВГАВТ».
A. В. Погодин, аспирант, ФБОУ ВПО «ВГАВТ».
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ДОБЫЧИ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (НСМ) НА ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕЧНОГО ПОТОКА
В статье представлена классификация карьеров НСМ по степени их влияния на гидрологический режим
судоходных рек, приведены основные критерии оценки этого влияния. Разработана аналитическая
зависимость для определения величины допустимой посадки уровня воды в результате добычи НСМ и
дноуглубления русла реки.
В последнее время на целом ряде участков равнинных рек России стали проявляться негативные последствия, обусловленные добычей нерудных строительных материалов (НСМ) из русловых карьеров. Наиболее значительные объемы речного аллювия, существенно превышающие величину твердого стока в естественных условиях, ежегодно извлекают из русел судоходных рек Волги, Оки, Лены, Оби, Иртыша, Томи, Белой, Вятки и др. Подобная интенсификация добычных работ привела к снижению уровней воды, в ряде случаев достигающих значительных величин.
Применяемая практика организации добычи НСМ такова, что в большинстве случаев карьеры располагаются в непосредственной близости от крупных городов. Это, в свою очередь:
- сопровождается нарушением работы водозаборов и водовыпусков, подмывом мостовых опор и переходов нефтегазопроводов;
- оказывает влияние на устойчивость портовых гидротехнических сооружений;
- способствует ухудшению судоходных условий в районе карьерных разработок.
Русловые карьеры представляют собой выемки на дне реки глубиной до 10-12 м, обычно неправильных очертаний с очень неровным дном. Размеры карьеров по глубине и ширине часто соизмеримы с аналогичными размерами рек, а длина может достигать нескольких ширин речных русел, на которых они располагаются.
В ходе эксплуатации водных путей и ведения карьерных работ различными организациями и учеными проводились исследования по оценке влияния карьера на гидрологию водоема. Среди них: Гидропроект, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, ЦНИИЭЭВТ, ГГИ, ЛИВТ, ВГАВТ, Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций и др. Необходимо также отметить работы Гладкова Г. Л., Журавлева М.
B., Соколова Ю. П., Берковича К.М., Барышникова Н.Б. Результаты выполненных ранее исследований показывают, что извлечение аллювия из русел рек оказывает значительное влияние на их водный и русловой режимы. Степень этого влияния находится в прямой зависимости от размеров карьерных выемок относительно размеров реки и от того, где и на каком участке реки находится месторождение НСМ. В таблице 1 приведена классификация карьеров НСМ по степени их влияния на гидрологический режим рек, составленная на основе анализа нормативной литературы и результатов исследований других ученых [1],
[2], [3], [4].
К сожалению, четкие критерии деления карьеров на малые, большие или протяженные отсутствуют. Так, Б.Ф. Снищенко к малым относит карьеры, в которых годовой объем добычи НСМ равен объему годового стока наносов реки [3]. Г.Л.Гладковым также рекомендуется в качестве критерия использовать соотношение годового объема добычи на участке реки к среднему за многолетний период объему твердого стока [2]:
£
к
ы
н
о
о
н
¡2
о
X
р
о
н
чР
й
о
н
о
е
§
ё
я
Таблица 1 - Классификация карьеров НСМ
пол
А
и>
о
X
<ъ
о\
<ъ
X
СҐ
03
Й
X
к
о
£
СҐ
о
р
X
р
Классификация карьеров НСМ
по расположению на реках в зависимости от соотношения их размеров с размерами реки
пойменные прибрежные русловые малые большие значительной протяженности
Характеристика находятся за пределами меженного русла находятся за побочнями или в затонных частях находятся в основном русле или несудоходном рукаве Одиночные карьеры, занимающие небольшую часть русла или поймы реки Одиночные карьеры (длина которых превышает 1,5-2 ширины русла) и массовые карьеры Карьеры протяженностью несколько десятков километров
Степень влияния на гидрологический режим Практически не оказывают Зависит от их размеров, влияние в большинстве случаев незначительно Всегда оказывают влияние, степень которого определяется соотношением годового объема добычи к норме твердого стока реки Не оказывают; быстро заносятся наносами. Значительное влияние, проявляющееся в снижении уровня воды
о
03
о
X
СҐ
03
о
й
СҐ
в русле реки имеет их глубина. Для снижения негативного влияния работ по добыче аллювия на уровенный режим рекомендуется [1] отношение глубины карьера к средней глубине русла в межень принимать в интервале от 3,5 до 4.
Характер влияния русловых карьеров на гидрологию водоема зависит также от того, где и на каком участке реки находится месторождение: на прямолинейном или двухрукавном [5].
В первом случае при расположении карьера вблизи судового хода основным негативным фактором для судоходства будет возможное понижение уровня воды в районе работ.
Во втором случае определяющим является перераспределение расхода воды, которое может произойти вследствие выемки грунта, особенно, если карьер располагается в несудоходном рукаве. В свою очередь это приведет к тому, что гарантированные габариты судового хода в судоходном рукаве не будут выдерживаться применительно к прежнему режиму. Для исключения подобных последствий может возникнуть необходимость существенного увеличения объема эксплуатационных дноуглубительных работ. Все это совместно (добыча НСМ и вынужденное увеличение объема дноуглубительных работ) может вызвать регрессивно распространяющееся развитие деформаций дна выше расположенного участка.
Таким образом, с учетом выполненного выше анализа, необходимо отметить, что существующие критерии оценки влияния добычи НСМ на гидрологический являются достаточно условными, т. к. они не учитывают тип руслового процесса и конкретных условий реки. Однако, на данный момент это единственные действующие рекомендации, на основе которых определяется величина допустимой посадки уровня воды в 10-15 см не только при добычных работах, но и при дноуглублении.
В некоторых литературных источниках авторами при исследовании проблемы влияния углубления русла на положение поверхности воды для больших рек посадку уровня воды порядка 10 см рекомендуется не принимать во внимание [6]. При этом, конечно, необходимо как-то увязать допустимую величину посадки уровня воды с конкретными условиями реки или хотя бы с ее гарантированными габаритами. Однако очевидно, что при разных гарантированных глубинах эта величина не может быть одинаковой. Например, для Тгар=4,0 м потеря глубины в 10 см будет составлять 2,5% от общей величины, а для Тгар=1,3 м - 8%.
Для того, чтобы обосновать допустимую величину посадки уровня воды при различной гарантированной глубине судового хода, был использован и авторами усовершенствован подход, предложенный Ворониной Ю. Е. [7]. В данной работе при исследовании гидравлически допустимых глубин за основу было принято утверждение, что «гидравлически допустимая глубина обусловлена допустимой посадкой уровня воды». При этом под гидравлически допустимой понимается такая глубина, при достижении которой «дальнейшее понижении дна путем дноуглубления повлечет за собой существенную посадку уровня воды», превышающей допустимые значения.
Для участка р.Волга (Городец - Н.Новгород) Ворониной Ю. Е. различными методами была определена гидравлически допустимая глубина, которая составила 4,28 м (по методу Российского Университета дружбы народов (РУДН)) и 4,70 м (по методу НГАВТа). На основе полученных результатов построен график связи посадки уровня воды и глубины судового хода (рис.1) [7], по которому методом экстраполяции найдены значения понижения уровня при расчетных значениях гидравлически допустимых глубин.
All, СМ
20 -г
16,0
15 -10 -
з,б з,;
4,2 4,4 4,6 4,!
1 , м
Рисунок 1 - График зависимости посадки уровня воды от глубины разработки прорези (Городец -Н.Новгород, р.Волга).
Для того, чтобы оценить степень влияния посадки уровня воды на судоходную глубину р.Волга Ворониной Ю.Е. были построены графики связи доли посадки уровня воды с гарантированной глубиной
АИ / \
-----= Ууцм). Построения выполнены для значений понижения уровня воды 10 и 16 см при глубинах
Таад
АИ ( \
судового хода от 2 до 4 м. К каждой кривой —— = / \1айд) были проведены касательные таким образом,
аад
чтобы «на каждый метр глубины влияние посадки уровня воды ослабевало на 1%», что в свою очередь «позволит провести границу влияния понижения уровня воды» [7]. В результате графических построений Ворониной Ю.Е. получено, что при гарантированной глубине 3 м граница влияния понижения уровня воды
соответствует 10 см, при 4 м - 16 см. В диссертации [7] было показано, что посадка 16 см для реки Волги на участке Городец - Н.Новгород не является недопустимой и составит 3,4% от гарантированной глубины.
На основе вышеописанного подхода авторами была сделана попытка обобщить результаты расчетов для различных значений посадки уровня воды при судоходных глубинах от 1 до 5 м и предложена аналитическая зависимость, позволяющая расчетным путем установить допустимое значение понижения уровня воды в результате как дноуглубления русла, так и добычи НСМ. На рис.2 приведены полученные
авторами графики зависимости доли посадки уровня воды от гарантированной глубины ----------= f (Таад ) при
Таад
судоходных глубинах Т до 2 м (рис. 2,а) и глубинах Т = 2,0 ^ 5,0 м (рис. 2, б). Для упрощения определения допустимой посадки уровня воды авторами был предложен следующий математический
АН ( \
подход. Производная функции --------= } у айд) в точке соприкосновения с касательной выражает скорость
Таад
изменения самой функции в этой точке, то есть скорость протекания процесса, описанного зависимостью
АН
= ЛТш).
аад
б)
'гор
1 - при А!7 - 10 см
2 - при А1! = 9 см
3 - при АЬ = 8 см
4 - при Л/7 = 7 см
5 - при А/1 = 6 см
6 - при АН = 5 см
7 - при АИ = 4 см
8 - при АЬ = 3 см
9 - при А/1 = 2 см
10 - при А11 = 1 см
0,2 ОА 0,6 0,8 1,0 12 1А 1.6 1,8 2,0 Рисунок 2 - Графики связи доли посадки уровня воды с гарантированной глубиной: а) до
2 м, б) от 2 до 5 м.
В данном случае необходимая скорость изменения функции задана - это 1% на каждый метр глубины. Угол наклона касательной в этом случае составит 135°, а производная в точке касания равна тангенсу угла наклона касательной и определится как:
^' = -1. (2)
С учетом этого зависимость для определения границы влияния посадки уровня воды, т.е. допустимой посадки, можно записать в следующем виде:
= а (3)
х ’
где а - это допустимая посадка уровня воды, м; х - гарантированная глубина, м.
Производная уравнения (2) запишется как:
а (4)
у =—^.
С учетом (2) получаем:
X
(5)
Таким образом, зависимость для определения допустимой посадки уровня воды АНап перепишется
как:
Лк^ = о
аад
см.
(6)
где Оаад - это гарантированная глубина в метрах.
На основе полученных результатов авторами была получена кривая связи допустимой посадки уровня воды с гарантированной глубиной реки АИт = /{Таад) (рис.3). Зависимость АИШ = /{Таад) применима при гарантированных глубинах до 4 м.
Рисунок 3 - Кривая связи допустимой посадки уровня воды с гарантированной глубиной реки.
Таким образом, в ходе проведенных исследований авторами был усовершенствован существующий подход к обоснованию величины допустимой посадки уровня воды в результате дноуглубления русла реки и русловой добычи НСМ. Целью дальнейших исследований может являться увязка этой величины с условиями плавания, т.е. возможностью прохождения по участку реки судов с большей осадкой.
2
Список литературы:
[1] Руководство по проектированию мероприятий по предотвращению негативного влияния добычи НСМ в руслах судоходных рек и других водоемов. - М.: Транспорт, 1985. - 76 с.
[2] Гладков, Г. Л. Оценка воздействия на окружающую среду инженерных мероприятий на судоходных реках: Учебное пособие для вузов.// Г. Л. Гладков, М. В. Журавлев, Ю. П. Соколов - СПб, изд-во А. Карадакова 2005. - 241 с.
[3] Барышников, Н. Б. Русловые процессы. Учебник./Н.Б. Барышников - СПб.: изд. РГГМУ, 2008. - 439 с.
[4] Беркович К. М. Русловые процессы и русловые карьеры. / К. М. Беркович - М.: 2005. - 109с.
[5] Шестова, М.В. Гидрологический режим нижних бьефов ГЭС и его влияние на условия судоходства // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук./ М.В. Шестова. - Н.Новгород, 2006. - 174 с.
[6] Гришанин К. В. Водные пути: Учебник для вузов.// К. В. Гришанин, В. В. Дегтярев, В. М. Селезнев - М.: Транспорт, 1986. - 400 с.
[7] Воронина, Ю.Е. Канализирование русел судоходных рек с целью повышения безопасности судоходства. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук./ Ю.Е.Воронина. - Н.Новгород, 2004. - 181 с.
THE MODERN APPROACHES TO APPRAISAL OF INFLUENCE OF MINING NONMETALLIC MATERIALS ON THE HYDROLOGIC REGIME OF THE RIVER FLOW
M. V. Shestova, A.V. Pogodin
In article is presented classification of quarries of nonmetallic building materials according to their degree of influence on the hydrological regime of navigable rivers, were given main assessment criterions of this influence. Also in this work was developed analytic dependence for sizing admissible lowering of the water level due to mining
nonmetallic materials and dredging on the river.
