CC BY
22УДК 622:556.3
А.Н. Ситнов, д.т.н., проф., ФБОУВПО «ВГАВТ».
М. В. Шестова, к.т.н., доцент, ФБОУ ВПО «ВГАВТ».
А. В. Погодин, аспирант, ФБОУ ВПО «ВГАВТ».
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А
ТРАНСФОРМАЦИЯ РУСЛА РЕКИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ И ДОБЫЧНЫХ РАБОТ (НА ПРИМЕРЕ Р. ОКИ)
В статье представлены результаты исследований характера русловых деформаций русла р.Оки под влиянием
землечерпательных работ, влияющих на судоходное состояние исследуемого участка реки.
Добыча нерудных строительных материалов (НСМ) из русловых карьеров оказывает техногенное воздействие на характер естественных процессов деформации русла и при значительных объемах вносит в них кардинальные изменения. Теоретическими исследованиями и многолетними натурными наблюдениями на ряде рек установлено, что безвозвратный забор грунта из речных русел отрицательно сказывается на состоянии уровенного режима, режиме скоростей течения в местах расположения карьеров. Все это в целом оказывает прямое воздействие на состояние внутренних водных путей и эксплуатирующихся на них гидротехнических сооружений. В качестве примера можно привести реку Оку, особенностью которой является то, что она до настоящего времени остается практически в свободном состоянии.
Массовая разработка русловых карьеров на верхней Оке была начата в конце 1940-х - начале 1950-х гг. и с течением времени постоянно нарастала. Еще в начале 1990-х годов объемы добычи руслового песчаногравийного материала составляли в среднем более 4 млн. куб.м в год. В среднем с 1 км русла участка Калуга-Кашира из карьеров было извлечено более 20 тыс. куб.м аллювия [1]. При этом карьеры нередко занимали всю ширину русла и достигали в длину нескольких километров.
Исследования, выполненные К.М. Берковичем [1, 2] на верхней и средней Оке, отражают широкий спектр негативных последствий, возникших в результате проводимых землечерпательных (дноуглубительных и добычных) работ. Прежде всего, существенно изменились морфометрические характеристики русла. Так, на участке 970-850 км от Устья средняя глубина при одном и том же уровне увеличилась более чем на 1 м, а максимальные глубины достигли в карьерах 10-13 м.
В результате русловой добычи в районе расположения карьера или группы карьеров развивается глубинная эрозия. Отработанные карьеры сохраняются в русле в виде протяженных плесовых лощин, для которых характерны малые уклоны и скорости течения. Благодаря искусственному (за счет карьеров) увеличению пропускной способности русла, происходит понижение уровней воды, особенно в межень и в длинных карьерах. Например, на участке реки Оки от Калуги до Рязани со времени начала массовой добычи НСМ за период с 1950 по 2002 гг. минимальные уровни воды понизились в среднем на 1,5 м [1].
Известно, что наряду с добычей НСМ одним из важных факторов, способствующих трансформации продольного профиля, являются дноуглубительные работы. Посадка уровней воды приводит к необходимости выполнения дополнительных работ для поддержания заданных судоходных глубин. Причем, объемы дноуглубления тем больше, чем больше посадка уровней в пределах нижележащего карьера. В свою очередь, разработка дноуглубительных прорезей на перекатах в условиях больших продольных уклонов приводит к дополнительной посадке уровня воды. Все это крайне негативно сказывается на условиях судоходства. В исследованиях, выполненных К.М. Берковичем, было показано, что в период с начала 70-х до начала 90-х годов XX века на перекатах верхней Оки объемы дноуглубительных работ возросли вдвое. Это привело к тому, что посадка уровня воды 90%-ой обеспеченности в районе Каширы составила 50 см [1].
Авторы, в свою очередь, попытались оценить негативное влияние землечерпательных работ на ход русловых процессов и условия судоходства на примере нижней Оки (участок от Устья до входа в канал Сейма, 0 - 58 км), особенностью которой является то, что устьевой участок реки Оки (примерно до 20-го км) находится в зоне выклинивания подпора Чебоксарского водохранилища, а выше река находится в свободном состоянии. В границах рассматриваемого участка р.Оки имеется много инженерных сооружений, русло реки пересекается несколькими мостами, трубопроводами. Здесь же сосредоточено до семи русловых месторождений общей протяженностью 10,2 км с суммарным годовым объемом добычи НСМ около 1380 тыс.м3 (рис.1). Все это делает необходимым тщательное изучение состояния русла реки с учетом воздействия техногенных факторов и обоснования допустимых параметров добычи НСМ с тем, чтобы негативные последствия были минимальными.
На нижней Оке добыча руслового аллювия началась в 1970-х годах в незначительных объемах и своего пика достигла в 80-е гг., что связано со строительством нового моста через р. Ока на 25,3 км от устья. В период с 1991 по 1995 гг. на 0-58 км р.Оки добыча НСМ велась на пяти месторождениях: Оленинском, Дуденевском, Дзержинском, Сокольском и Хабаровском. В период с 2004 по 2006 гг. разработка карьеров НСМ на реке Ока не производилась и возобновилась только с 2007 г. (рис.2).
£
о
Годы
<2> - информация отсутствует
Рисунок 2 - Динамика добычи НСМ на участке от устья реки до канала Сейма в период с
1986 по 2010 гг.
Для оценки устойчивости русла реки использовались данные по проводимым дноуглубительным работам. Их анализ за период с 1992 по 2010 гг. (рис.3) показал, что наиболее интенсивно дноуглубление проводилось на участке от 32 до 45 км, менее интенсивно - на 0-32 км и в очень малых объемах - на 45-58 км. Нами выполнен анализ русловых деформаций в период с 1992 по 2010 гг. на участке р.Оки от 0 до 58 км, при котором весь исследуемый участок был разбит 48 поперечными сечениями. По типу руслового процесса нижняя Ока относится к рекам свободного меандрирования с переходом к русловой многорукавности. На протяжении 58 км имеется четыре двухрукавных участка. Причем, параметры живого сечения несудоходных рукавов в некоторых случаях превышают параметры основного русла и по расчетам авторов их удельный вес от общего расхода воды составляет от 12 до 64%.
о
ю
га
о.
¡E
о
Л
ю
О
1
111
.1
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2008 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Рисунок 3 - Объемы дноуглубительных работ за период с 1991 по 2010 гг. на участке 0-58
км р.Оки
Анализ совмещенных планов участка р. Ока 0-58 км за период с 1992 по 2010 гг. показал, что наиболее нестабильными являются Гнилицкий, Новинский, Второй и Третий Оленинские перекаты, Дуденевский перевал, Нижний Желнинский и Сокольский перекаты. Подтверждением этого являются и постоянные дноуглубительные работы, проводимые здесь для поддержания габаритов судового хода. Для более наглядного представления динамики изменения основных параметров русла реки были построены зависимости изменения емкости русла (рис.4) и средней скорости течения (рис.5) по длине участка за период с 1991 по 2010 гг.
Важной характеристикой русла является степень его устойчивости, которая отражает характер взаимодействия руслового потока и грунтов, слагающих берега и дно реки. Устойчивое русло характеризуется сохранением в пределах протяжённого участка в течение длительного времени своих основных размеров и положения на местности в условиях неизменности расхода наносов по длине реки. Для характеристики степени относительной устойчивости русла на исследуемом участке были определены коэффициенты Гришанина К.В. (М) и Карасева И. Ф. (Ку). Согласно существующей шкале относительной устойчивости русел рек [3], к категории относительно устойчивых относятся русла с коэффициентами устойчивости 0,75<М<1,05 и 0,2< Ку< 0,3. По результатам исследований были сделаны следующие выводы:
1) на 32 - 45 км р.Оки: за 18-летний период уменьшилось с 75% до 25%количество сечений, размеры которых обеспечивают местную устойчивость русла реки. Количество же сечений, которые относятся к категории абсолютно устойчивых, т.е. характеризующихся пониженной транспортирующей способностью и склонных к аккумуляции наносов, наоборот, увеличилось с 25% до 75%. Водный узел Третий Оленинский можно отнести к категории относительно устойчивых.
2) на 15 - 32 км и 45 - 58 км р.Оки: около 80% сечений имеют размеры, обеспечивающие местную устойчивость русла и 20% сечений относятся к категории абсолютно устойчивых (Старицкий перекат); перекаты Желнинского водного узла в целом можно отнести к категории относительно устойчивых.
Расстояние до устья, км
25<М-------*-----.------------------> . ». ■*-----------------<-------------.-------—
С" Г" о п «1 ое о ©
О »Л п (Ч >Н о* 'О «О
«П >Л >/-, V-; VI 'Л Т 'Т ^
б)
в)
Расстояние до устья, км
\У, м
Рисунок 4 - Изменение площади живого сечения по длине участка за период с 1991 по 2010 г..: а) 58-45 км до устья р.Оки; б) 45-32 км; в) 32-15 км
б)
Расстояние до устья, км
в)
V, м/с
а)
Уср.1 м/с 0,7 т 0,6 -0,5 +-0.4 -0.3 *
0,2 -
56,7 55,7
53,0 52,3 51,5 50,8
47,5 46,0 45,0
Расстояние до устья, км
Рисунок 5 - Динамика изменения средней скорости течения по длине участка за период с 1991 по 2010 г..: а) 58-45 км до устья р.Оки, б) 45-32 км, в)
32-15 км
На всем участке (0-58 км) отсутствуют сечения, относящиеся к категории с повышенной транспортирующей способностью (неустойчивые или слабоустойчивые). В целом можно сказать, что на большинстве перекатов нижней Оки имеется тенденция к заилению. Таким образом, выявлены значительные русловые переформирования р.Оки на участке от Сеймы до Устья, причем наиболее интенсивные деформации отмечены на участке 32-45 км.
Также авторами выполнена статистическая оценка горизонтальных деформаций исследуемого участка реки за период с 1992 по 2010г. по методике, предложенной Институтом водных проблем АН СССР [4]. Данная методика предполагает определение изменения положения тальвега Y(X), левого Yл(X) и правого Yпр(X) берегов относительно условной оси, которая выбирается таким образом, чтобы ее азимут совпадал с азимутом направления долины. Индексом X в этом случае обозначается расстояние вдоль условной оси. Положение условной оси выбиралось для расчетов по картографическим данным 1992, 2009 гг.
На основании многочисленных измерений (измерения Y, Yл, Yпр в среднем велись через каждые 500 м) получен ряд значений Y(t), Yл(t), Yn(t) в момент времени t = 1992, 2009 гг. Оценка плановых деформаций выполнена при этом по отдельным участкам р.Оки (рис.1). Статистическая обработка сводилась к определению ряда характеристик, в том числе Y(t) - среднее отклонение русла от условной оси в момент времени t, а - дисперсия, /ДY(т)/ - средний модуль приращения, где т - время разделяющее съемку карт. На основе проведенной статистической обработки информации выяснено, что величины Y(X,t), Yл(X,t) и Yп(X,t) в статистическом отношении идентичны, поэтому в дальнейшем рассматривалась лишь функция Y(X,t).
Исследования показали, что происходит постоянное смещение тальвега в сторону правого берега. Интенсивность плановых деформаций нижней Оки во времени оценивались по соотношению Ду(т) /т. На рисунке 6 показаны изменения этого параметра на всех выделенных участках. Интересные результаты дает сопоставление данной диаграммы с объемами добычи НСМ (рис.2) на выделенных участках. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что наиболее интенсивно плановые деформации происходят в зоне расположения карьеров НСМ.
Рисунок 6 - Интенсивность горизонтальных деформаций на исследуемом участке реки Оки Интегральной характеристикой, отражающей не только водоносность реки, но и ее гидрологический режим, в том числе особенности транспорта наносов, является руслоформирующий расход. Как известно, руслоформирующие
расходы, относящиеся к нижнему максимуму кривой уд = [д-р1)], влияют на формирование побочней и осередков (происходит отторжение побочней и превращение их в осередки). Из практики путевых работ известно, что именно подобные деформации русла неблагоприятно влияют на судоходное состояние реки, снижают эффективность дноуглубительных работ. Авторами был изучена динамика изменения руслоформирующих расходов за период с 2006 по 2010 г. на нижней Оке (г/п «Новинки»). Исследования показали, что нижний максимум колеблется от 1300 до 2000 м3/с. При этом нужно иметь в виду, что г/п «Новинки» находится в устьевом участке р.Оки, на уровенный режим которого оказывает влияние подпор Чебоксарского водохранилища и режим попусков Нижегородской ГЭС. С учетом связи расходов с уровнями воды (по данным за 2006-2010 гг.) можно сделать вывод, что интенсификация русловых деформаций происходит при уровнях воды от 65,0 до 65,8 м.
Таким образом, анализ проведенных исследований выявил наличие значительной антропогенной нагрузки на русло Оки и ее влияние на интенсивность русловых переформирований и судоходное состояние реки, что требует дальнейшего изучения этих процессов. Устьевой участок реки (примерно до 20-го км) находится в зоне выклинивания подпора Чебоксарского водохранилища, а выше река находится в свободном состоянии. Следовательно, на участке от устья до Доскинского переката (20 км) разработка карьеров не будет оказывать заметного влияния на состояние отметок свободной поверхности воды. На вышележащем участке реки, находящемся в свободном состоянии, добыча НСМ должна производиться при определенных условиях и ограничениях.
Влияние добычи НСМ на судоходные условия проявляется, прежде всего, в снижении меженных уровней воды в зоне карьерных разработок, что в свою очередь является следствием интенсивных русловых
деформаций. Негативное влияние деформаций также проявляется опосредованно через снижение обеспеченности проектных уровней воды. Переформирование русла реки влияет на устойчивость судового хода и береговой линии. Влияние землечерпательных работ на русловые деформации на различных реках проявляется по-разному. Поэтому, связанные с ними вопросы организации путевых работ и судоходства, являются актуальными, и требуют дальнейшего исследования.
Список литературы:
[1] Беркович К.М. Русловые процессы и русловые карьеры. - М.: 2005. - 109 с.
[2] Беляков А.А., Беркович К.М. Проблемы и перспективы реконструкции / Эрозионные и русловые процессы, вып. 4. Под редакцией профессора Р.С. Чалова. М.: МГУ. 2005. - 349 с.
[3] Чалов Р. С. Показатели устойчивости русла, их использование для оценки интенсивности русловых деформаций и пути совершенствования. // Динамика русловых потоков./ Р. С. Чалов - Л.: 1983.
[4] Отчет о НИР: «Исследовать водный и русловой режимы Нижней Волги, обосновать и внедрить комплекс путевых работ по поддержанию гарантированных габаритов судового хода в условиях планируемого отбора стока и ограничений Минрыбхоза». /ГИИВТ; рук. Фролов Р.Д.; исполн. Лебедев П. В., Ишков А. К. и др.- Горький, 1992. - 168 с. - № ГР 0187.0 090857.
TRANSFORMATION UNDER THE INFLUENCE OF RIVERBED DREDGING AND MINING (FOR EXAMPLE R. OKA)
A.N.Sitnov, M. V. Shestova, A. V. Pogodin
The paper presents results of research nature of channel deformations r.Oka channel under the influence of dredging affecting navigable condition of the test section of the river.
