CC BY
84
Физико-географические исследования
УДК 627.521 502.64:551.435
К.М. Беркович, Л.В. Злотина, С.Ю. Ившин, Л.А. Турыкин
УЧЕТ СОВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ РУСЛА КАМЫ НИЖЕ ВОТКИНСКОГО ГИДРОУЗЛА ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ ДОБЫЧИ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОГО МАТЕРИАЛА
Регулярные повторные исследования позволили выявить основные черты развития русловых процессов на участке р. Камы ниже плотины Воткинского гидроузла. Выявлены направленные деформации русла, обусловленные регулированием стока воды и сокращением стока наносов. Потребность в аллювиальных строительных материалах, источником которых является долина и русло Камы, заставляет разрабатывать русловые карьеры. Анализ многолетних вертикальных деформаций позволил выявить участки, на которых допустима добыча в разном объеме и по разной технологии.
Ключевые слова: русловые процессы, морфология русла, антропогенные нарушения русловых процессов.
Аллювиальные пески и песчано-гравийная смесь широко используются в строительстве. Во многих регионах они добываются при помощи тяжелой техники из карьеров, как на пойме, так и непосредственно из русла. Аллювиальный материал, который в течение столетий и тысячелетий транспортируется и накапливается рекой, хорошо отсортирован, требует меньшей обработки, чем материал из других источников. К тому же реки являются транспортными маршрутами, находятся вблизи рынков сбыта или строящихся объектов. Одним из основных источников песчано-гравийного сырья, необходимого для экономики Удмуртии, является р. Кама, из русла которой на протяжении нескольких десятилетий извлекалось большое количество аллювиальных материалов. Восполнение извлеченного аллювия осуществляется за счет стока наносов, переносимых рекой. Вместе с тем гидрологический режим и сток наносов реки изменен в результате создания водохранилищ, тем самым возможности восстановления русла ограничены. Нижний бьеф Воткинского гидроузла находится в свободном состоянии, так как на него не распространяется подпор от Нижнекамского водохранилища. В связи с этим важно выявление как направленных и периодических деформаций русла, так и формирования стока наносов по длине нижнего бьефа. Это возможно посредством регулярных наблюдений - мониторинга русловых процессов. Начиная с 2002 г. на участке от Воткинского гидроузла до г. Сарапула учеными МГУ и УдГУ проводятся повторные натурные исследования, выполняется анализ материалов предыдущих работ и картографических материалов. Они позволяют обоснованно подойти к размещению карьеров, объему и технологии добычи.
Объектом детальных исследований является участок р. Камы от оголовка о. Журавлик (1911 км судового хода от Южного порта Москвы) до о. Докшанский (1896 км), на котором предполагаются геологические изыскания и последующая разработка месторождений песчано-гравийных материалов (ПГМ). Участок включает русло Камы и второстепенные рукава (воложки) островов Журавлик, Си-винский и Докшанский.
Цель работы заключается в следующем:
на основании исследования геолого-геоморфологического строения долины и русла, гидрологического и руслового режима реки оценить допустимость русловой добычи ПГМ, определить характер и масштабы последствий разработки русловых карьеров на исследуемом участке Камы для экологического состояния реки;
разработать рекомендации по организации добычных работ исходя из необходимости уменьшения их неблагоприятного воздействия на речной комплекс, в частности, определить допустимые объемы добычи ПГС, а также расположение блоков добычи в пределах месторождения.
Для достижения этой цели на участке Камы ниже Воткинской плотины в течение нескольких лет проводились регулярные (1-2 раза в год) натурные исследования. Они включали в себя съемку и промеры русла, измерения гидравлических элементов потока и расхода взвешенных наносов, отбор и анализ проб донного грунта, нивелировку водной поверхности. Вместе с тем анализировались данные сетевых гидрологических наблюдений, сопоставлялись разнообразные картографические материалы.
На основе анализа гранулометрического состава донных и взвешенных наносов была определена крупность руслообразующих наносов (донные и наиболее крупная часть взвешенных). На средней Каме к таким наносам относятся частицы крупностью более 0,1 мм.
Специфика исследованного участка реки заключается в том, что на него распространяется действие регулирования стока воды и сокращение стока взвешенных наносов, характерных для нижних бьефов гидроузлов. Кроме того, на этом участке еще до постройки плотины (1961 г.) и сразу после нее разрабатывались русловые карьеры. Потребность в аллювиальных песчано-гравийных материалах для строительства очень велика, в том числе и в Удмуртской Республике, а долина Камы является одним из главных источников аллювиальных материалов, находящихся к тому же на важном транспортном маршруте.
Сток наносов является важным условием развития русловых деформаций. Для гидропоста Яромаска (65 км ниже Воткинской плотины) получена зависимость расхода взвешенных наносов от расхода воды в естественных условиях, согласно которой годовой объем стока наносов составлял 2300 тыс. т [1]. Данные, опубликованные в Гидрологических ежегодниках в 1960-80-е гг., а также измерения мутности потока на разных участках Камы ниже Воткинской плотины, выполненные в 2002-2011 гг., позволили рассчитать сток взвешенных наносов в условиях регулирования. Общий сток взвешенных наносов составляет 1600 тыс. т в год, то есть он сократился на 30%.
Руслообразующие наносы представлены разнозернистыми песками, гравием и галькой. Пески в общей сложности покрывают более 55% площади русла. Средневзвешенный диаметр русловых отложений составляет 10,62 мм, средневзвешенный диаметр песчано-гравийной смеси - 1,13 мм. Вместе с тем в деформациях русла участвует определенная часть взвешенных наносов. На основе сведений о гранулометрическом составе взвешенных наносов и донных отложений установлены нижняя граница крупности руслообразующих фракций (0,1 мм) и их доля во взвеси. Доля взвешенных руслообразующих наносов в общем расходе составляет до 30%.
Для расчета расхода руслообразующих наносов вначале вычисляются гидравликоморфометрические характеристики, входящие в принятую формулу расхода наносов, от расхода воды. В большинстве случаев эти зависимости имеют следующий вид: V, ^ Вг = а^Р, где V - скорость течения; h - глубина потока, Вг - ширина зоны движения донных наносов (наибольшее значение Вг соответствует ширине русла в пойменных бровках); а и в - коэффициенты, зависящие от морфологии русла. Подстановка данных зависимостей в формулу расхода влекомых наносов дает аналитическое выражение последнего как функции от расхода воды.
Для расчета стока руслообразующих наносов на исследуемом отрезке р. Камы использованы данные гидрологического поста г. Сарапула (70 км от плотины), скорректированные на основании данных натурных обследований. Значения стока взвешенных и влекомых РОН, полученные для опорного гидрологического створа, перенесены на базовый гидрологический створ исследуемого участка по модулю стока. В качестве базового принят створ временного водомерного поста в вершине Паздеринской излучины. Объем стока взвешенных руслообразующих наносов в средний по водности год может быть принят равным 139,4 тыс. т.
Основная часть руслообразующих наносов перемещается в форме донных гряд. Расход влекомых наносов вычислялся на основании скорости смещения и параметров донных гряд по формуле
G = к-В-ог-Сг^г,
где к - коэффициент формы гряды (0,67); В - ширина полосы движения гряд; о - плотность русловых отложений (1700 кг/м3); и Сг - соответственно высота и скорость смещения гряд порядка «Г», являющихся основной формой переноса влекомых наносов. Для определения Сг использована формула [2], адаптированная к условиям Камы по измеренным скоростям движения гряд:
V 2
Сг = 0,01 V —, ёк
где V - средняя скорость течения, к - средняя глубина потока. В качестве высоты гряд (кг) принята средняя для всего диапазона водности величина - 0,5 м.
Объем стока влекомых наносов в средний по водности год для г/п Сарапул, рассчитанный по приведенным зависимостям, равен 422,6 тыс. т в год. Таким образом, общий сток руслообразующих наносов Камы в створе временного г/п Паздеры составляет около 560 тыс. т или 330 тыс. м3 в год.
Русловые деформации определяются соотношением транспортирующей способности потока и расхода наносов. Транспортирующая способность потока - это предельное количество наносов определенной гидравлической крупности, которое речной поток может переносить через поперечное сечение русла. Вычисление транспортирующей способности потока по методике, рекомендованной для прогноза эрозии в нижнем бьефе [3], показало, что суммарная транспортирующая способность может составить 450 тыс. м3 в год. Соотношение транспортирующей способности потока и фактического стока наносов характеризует эрозионный потенциал потока. Так как суммарная за год транспортирующая способность превышает годовой сток наносов, на исследуемом участке Камы существуют условия для дальнейшего развития русловой эрозии.
Русловый анализ позволил выявить характер многолетних деформаций русла, включающих в себя как вертикальные, так и горизонтальные деформации.
Вертикальные деформации в период 1978-2001 годов
Вертикальные деформации представляют собой изменение отметок дна в процессе транспорта руслообразующих наносов. Изменение режима и величины стока наносов, формирующих русло, приводит к направленным деформациям русла ниже плотин гидроузлов - врезанию. Первоначально врезание развивается вблизи плотины, а затем распространяется вниз по течению. В ситуации, когда дно на большую глубину сложено подвижным материалом, врезание развивается до формирования так называемого стабильного уклона, при котором оно прекращается. Такой уклон вычислен по зависимости [4]:
6.°92
/ = 0.000315^р37.
Для условий средней Камы он равен 0,018 %о. Уклон естественного русла на этом участке Камы составлял 0,05-0,06%о. В настоящее время на 20-километровом участке ниже плотины уклон при проектном уровне меньше или равен уклону стабильного русла (рис. 1). Это может быть признаком того, что врезание здесь достигло предельной глубины. Ниже по течению уклоны приближаются к бытовым значениям.
Рис. 1. Зависимость уклона р. Камы от расстояния от плотины
Ретроспективный расчет, выполненный на основе уравнения баланса наносов [2], позволил определить размеры врезания в районе о. Сивинский. Расчетная величина врезания у плотины к настоящему времени может составлять в среднем около 1,2 м. Полная длина распространения врезания может достичь около 60 км, если не изменятся условия формирования русла. Например, дальнейшее повышение отметки верхнего бьефа Нижнекамского водохранилища приведет к прекращению врезания. Расчетная дальность распространения глубинной эрозии к 1990 г. составляла 18 км, а к 2000 г. - 30 км от плотины. При этом понижение дна здесь могло бы составить около 0,5 м.
Общая картина вертикальных деформаций русла Камы от Воткинской плотины (1928 км) до д. Докша (1894 км) показана на графике совмещенных профилей дна по линии судового хода (рис. 2), построенных по лоцманским картам 1978 и 2001 гг. По характеру развития вертикальных деформаций в этот период выделяются две зоны.
На отрезке 1928 - 1908 км четко прослеживается зона трансгрессивной эрозии, характерная для нижних бьефов ГЭС. Понижение низших отметок дна здесь имеет почти сплошное распространение, составляя в среднем 1,2 м. Максимальная величина размыва наблюдается в нижней плесовой лощине Ниж. Соколинского переката (1911 км) и достигает 3 м. При этом смещение наименьшей отметки дна на профилях вниз по течению фиксирует общее смещение Ниж. Соколинского переката, которое за 23 года составило 900 м (около 40 м/год).
1
-1
-5 -7 -9
1930^^ 1925 1920 1915 1910 1905 1900 1895
км по судовому ходу
1978 г 2001 г ------деформации
Рис. 2. Совмещенные профили дна р. Камы по оси судового хода
На отрезке 1908-1894 км развивались разнонаправленные вертикальные деформации с преобладанием аккумуляции. По тальвегу русла она наблюдается на 62% длины отрезка. Повышение отметок дна в среднем составило 0,7 м. Наибольшее повышение - до 2 м - характерно для нижней плесовой лощины Паздеринского (1902-1903 км) и для верхней плесовой лощины Верхнедокшанского перекатов (1900-1899 км). Значительное повышение минимальных отметок дна (до 1 м) произошло также на гребне Нижнедокшанского переката (1866 - 1897 км). В то же время понижение отметок дна по тальвегу (до 2 м) отмечено в глубоком плесе у д. Сидоровы Горы (1900,5-1901,5 км), а также в верхней (1897,5-1898,5 км) и нижней (1894-1894,5 км) плесовых лощинах Нижнепаздеринского переката. Среднее понижение минимальных отметок дна составило 0,5 м.
Таким образом, в нижнем бьефе Воткинской плотины трансгрессивная глубинная эрозия с 1961 по 2001 г. распространилась на 20 км (до 1908 км). Ниже по течению она сменяется зоной умеренной аккумуляции. Средняя скорость распространения трансгрессивной эрозии в этот период составляла
0,5 км/год. С годами скорость распространения трансгрессивной эрозии затухает. Вместе с тем на всем исследованном участке активно проявляются горизонтальные деформации, дающие существенный вклад в восполнение дефицита наносов, возникшего в нижнем бьефе плотины.
Развитие трансгрессивной эрозии в нижнем бьефе Воткинской ГЭС в сочетании с разработкой русловых карьеров привело к понижению (посадке) равнообеспеченных уровней воды (рис. 3). По данным А.Б. Векслера и В.М. Доненберга, к началу 1990-х гг. понижение дна и меженного уровня воды вблизи плотины составляло около 0,9 м (с учетом роли русловых карьеров) [5]. Согласно прогнозу понижение уровней воды при навигационном расходе 1200 м3/с должно было к 2000 г. составить 1,3 м. К настоящему времени понижение уровня оценивается в 1,1 м. Однако если проектный уровень (66 м) в 1962 г. соответствовал расходу 880 м3/с, то этот же уровень в 2009 г. должен отвечать расходу 1300 м3/с. Таким образом, реальное понижение меженного уровня у плотины приблизительно может составлять 1,5 - 1,6 м. В последние два десятилетия наблюдается сокращение темпа понижения уровня.
—^отметка уровня
Рис. 3. Понижение уровня в нижнем бьефе Воткинской плотины (по данным Камского ГБУВПиС)
По данным Камводпути, снижение величины судоходного попуска до 850-900 м3/с в период маловодной навигации 2010 г. привело к понижению уровня воды в нижнем бьефе плотины на 65 см от проектного.
Горизонтальные деформации в период 1995-2006 годов
Г оризонтальные деформации речного русла можно определить как изменение конфигурации берегов, а также плановых очертаний форм руслового рельефа - побочней, осередков, кос и других аккумулятивных образований.
Горизонтальные деформации русла Камы на участке от Воткинской плотины до о. Докшанский определялись путем сопоставления топографических карт масштаба 1:25000, отражающих состояние местности на 1995 г., и космического снимка исследуемой территории от 8.05.2006 г. Путем наложения космического снимка и топокарт с помощью программы Mapinfo построена схема горизонтальных деформаций и посчитаны площади размыва и отложения наносов. Затем с учетом относительной высоты фрагментов, а также доли в них руслообразующего материала определены объемы размытых и отложившихся за 11 лет руслообразующих наносов.
Основным источником руслообразующего материала на исследованном участке служит разрушение поймы и размыв прирусловых отмелей. Разрушение пойменных яров, преимущественно на левом берегу и на островах, происходит под совместным воздействием боковой эрозии (размывающего воздействия потока) и гравитационных процессов - оползания блоками, осыпания, оплывания. В значительно меньшей степени разрушению подвержен уступ коренного правого берега [6]. Основным фактором разрушения последнего выступают обвально-осыпные и оползневые процессы. Интенсивность их усиливается под действием метеорологических и гидрогеологических факторов, линейной склоновой эрозии и подмыва основания коренного берега при высоких уровнях воды в Каме. Небольшая часть материала поступает также из притоков. На исследованном участке в Каму впадает один довольно крупный приток - р. Сива.
Руслообразующий материал частично переотлагается в русле и у берегов. Наиболее существенная аккумуляция на исследованном участке наблюдается во второстепенных протоках, отделяющих о-ва Журавлик и Сивинский от правого берега. Нижняя часть Сивинской протоки оказалась в значительной степени заиленной, в результате чего о. Сивинский в ухвостье почти причленился к правому берегу. Учитывая, что средняя глубина Сивинской воложки в 1995 г. составляла 1,5 м, объем ее заиления к 2006 г. составил около 884 тыс. м3. Вероятно, основная часть отложившегося здесь материала поступила из р. Сивы. Почти полностью перекрыт выход из протоки справа от о. Журавлик, сама протока значительно сузилась и стала более извилистой. Небольшие по площади очаги аккумуляции сформировались в виде обсыхающих в межень русловых форм - побочней, кос, осередков.
На исследованном участке наблюдается положительный баланс руслообразующих наносов, то есть в состав русловых наносов поступает больше материала, чем аккумулируется в виде неподвижных русловых отложений, постепенно зарастающих и трансформирующихся в низкую пойму. За 11 лет в русло поступило около 7100 тыс. м3, что составляет 645 тыс. м3 в год и равнозначно в среднем
126
К.М. Беркович, Л.В. Злотина, С.Ю. Ившин, Л.А. Турыкин
2013. Вып. 1
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
23 тыс. м3 наносов в год с одного погонного километра русла. Нарастание стока руслообразующих наносов вниз по течению представлено в виде кумулятивной кривой (рис. 4). Видно, что наибольший прирост руслообразующего материала в реке происходит на отрезке 1912-1905 км, где расположены о-ва Журавлик и Сивинский и происходят наиболее интенсивные горизонтальные деформации.
Таким образом, для исследованного участка характерно достаточно интенсивное развитие горизонтальных деформаций. Наиболее распространенным видом деформаций выступает размыв пойменных берегов. Нормальные для исследованного участка скорости отступания пойменного уступа составляют 4-6 м/год, максимальные - 10-13 м/год. Характерным следствием преобладающего размыва является сокращение площади трех находящихся на участке островов, составившее за 11 лет 20-45 %.
Интенсивные горизонтальные деформации выявлены на приустьевом участке р. Сивы. Скорость размыва пойменных яров на вогнутых берегах излучин составила в среднем 2,7-3,6 м/год, максимальная 7,4 м/год. Отмечено также спрямление двух наиболее крутых излучин.
700000
600000
500000
х 400000
S
3
2
s 300000
200000
(5 100000
0 1925
1920 1915 1910 1905
Километраж по судовому ходу
1900
1895
Рис. 4. Нарастание стока руслообразующих наносов на участке 1925-1895 км р. Камы
Русловые деформации на участке 1912 - 1893 км в период 2007-2011 годов
В 2007-2011 гг. были выполнены повторные детальные наблюдения на участке, где не проявляется ярко выраженная глубинная эрозия. Они включали нивелировку водной поверхности, измерение расходов воды и взвешенных наносов Камы и Сивы, опробование донных наносов. Они позволили выявить многолетние деформации русла за период 2007-2011 гг. в районе островов Сивинский и Журавлик. Исходными материалами для анализа послужили батиметрические планы Камы за 2007 и 2011 гг. Первый из них предоставлен Нижнекамским районом водных путей на бумаге, второй построен в цифровом виде ООО НПП «Геомониторинг». План 2007 г. был преобразован в цифровой формат с помощью программного пакета MAPINFO, после чего по обоим планам средствами MAPINFO и SURFER созданы цифровые модели рельефа - матрицы глубин, по которым и выполнялись морфометрические расчеты. Путем вычитания первичной и вторичной матриц глубин была получена матрица деформаций за период 2007-2011 гг.
Для количественной оценки русловых деформаций рассчитано относительное приращение объема русла - ОД (относительная деформация, %) в пределах участка с закрепленными граничными створами:
ОД =
Vt-V2
V,
*100
где У] и У2 - соответственно начальный и конечный объемы русла. Данный показатель удобен тем, что отражает суммарный эффект русловых деформаций противоположных знаков. Уменьшение объема русла, по сравнению с его предыдущим состоянием (ОД>0), говорит об аккумуляции руслообразующих
наносов, увеличение (ОД<0) - об их размыве (выносе за пределы участка). Определение площадей и объемов русла проведено для его части, ограниченной изобатой «0».
Расчеты показали, что с 2007 по 2011 г. объем меженного русла всего исследуемого участка уменьшился приблизительно на 800 тыс. м3 (т.е. на 2% от первоначального объема русла), что говорит о преобладании процесса аккумуляции руслообразующего материала.
Параметры русловых деформаций в целом соответствуют выявленной тенденции к умеренной аккумуляции, однако по участку деформации распределены весьма неравномерно.
Материалы последнего натурного обследования показывают, что на рассматриваемом участке характер вертикальных русловых деформаций в целом остался неизменным по сравнению с предыдущим периодом. Понижение отметок дна в большинстве случаев составляет 0,3-0,5 м. Максимальное понижение - 1,1 м наблюдается локально на Паздеринском перекате. Среднее повышение дна составляло 0,3-0,7 м, а наибольшее - до 1 м отмечено в плесе у д. Сидоровы Горы.
Смещение границы зоны трансгрессивной эрозии по данным с 2001 по ноябрь 2011 г. составило лишь 400 м, или 40 м/год, что на порядок величины меньше, чем для периода 1961-2001 гг. Таким образом, можно отметить относительную стабильность русла на исследованном участке реки.
Вместе с тем, сравнивая результаты опробования донных отложений в межень 2008 и 2011 гг., можно заметить общее укрупнение донного материала на участке 1903-1911 км, то есть непосредственно на участке, на котором находятся о-ва Журавлик и Сивинский и который находится на границе зоны трансгрессивной эрозии. Средневзвешенный диаметр русловых отложений увеличился почти в два раза - с 7,49 мм (2008 г.) до 13,95 мм (2011 г.). Это связано с увеличением площадей русла, занятых галечниками, а также некоторым укрупнением песков на перекатах. Возрастание крупности донных отложений является следствием тенденции выравнивания глубин между перекатами и плесами, характерной для многих нижних бьефов. Размыв перекатов сопровождается аккумуляцией в плесовых лощинах. Выравнивание глубин обусловлено регулированием стока: уменьшением водности половодья и увеличением водности низкой межени. Оба фактора способствуют нарушению естественной цикличности вертикальных деформаций и ускоренному размыву перекатов по сравнению с плесами.
О возможности разработки карьеров ПГМ на участке 1911 - 1896 км
Влияние добычи аллювиальных песчано-гравийных материалов на русловые процессы зависит от местоположения карьера, количества добываемого материала, технологии добычи, гидрологического режима реки, состава и расхода руслообразующих наносов, морфологических характеристик русла. По местоположению и участию в переформированиях русла можно выделить собственно русловые и прибрежные карьеры. Первые находятся в пределах меженного русла и образуют искусственные плесовые лощины, вторые находятся на прирусловых отмелях или в несудоходных протоках и являются переходными к пойменным карьерам.
Ведущим принципом планирования добычи из русловых карьеров является возможность быстрого восполнения материала, добытого из русла, потоком. На основе измерения и расчета расхода наносов устанавливается норма восстановления - тот годовой объем добычи, который соответствует расходу наносов или определенной его части. По поводу последней единого мнения нет: иногда она принимается равной половине, иногда 0,35 расхода наносов. Это связано с тем, что восполнение материала идет по-разному на реках разного типа, отличающихся составом наносов и гидрологическим режимом. Вместе с тем на реке могут существовать условия, которые не допускают неконтролируемых деформаций русла, неизбежно возникающих при разработке русловых карьеров. В любом случае ежегодный объем добычи на отдельном русловом месторождении не должен превышать величины годового стока руслообразующих наносов на данном участке реки, а на реке, русло которой врезается, то есть в условиях дефицита наносов, добыча из русловых карьеров недопустима.
Прирусловые карьеры, более или менее изолированные от основного русла, взаимодействуют с ним преимущественно при высоких уровнях воды, если через карьер устанавливается транзитное течение. Поэтому влияние прирусловых карьеров на основное русло носит местный характер. Кроме того, не существует жестких ограничений объема добычи из таких карьеров и его привязки к расходу наносов.
Тем не менее в процессе развития горизонтальных деформаций существует опасность прорыва потока основного русла в прирусловой карьер. Поэтому обязательным условием применительно к прирусловому карьеру является сохранение основных элементов естественной конфигурации разрабаты-
ваемой формы рельефа. Для предотвращения прорыва потока в прирусловый карьер его следует ограждать защитной дамбой.
Анализ многолетних вертикальных деформаций показал, что исследуемый участок лежит в пределах двух зон деформаций: отрезок 1911-1903 км расположен в зоне преобладания глубинной эрозии, отрезок 1903-1896 км - в зоне умеренной аккумуляции. На верхнем отрезке сформировался дефицит руслообразующих наносов песчаных фракций, что и вызвало трансгрессивную глубинную эрозию. Весь руслообразующий материал, поступающий в реку за счет разрушения пойменных яров, выносится за пределы отрезка. В таких условиях дополнительное искусственное изъятие материала из русла недопустимо, так как в реке отсутствует достаточное количество наносов для занесения русловых выемок и восстановления русла. Здесь добыча ПГМ может осуществляться на прирусловых месторождениях, к которым относится отмершая протока за о. Журавлик и отмирающая правая протока
0. Сивинский.
При разработке месторождений сами острова, высота которых составляет от 3 до 7 м, не должны затрагиваться, оставаясь как бы барьером между карьерами и основным руслом. Глубина разработки карьеров не должна превышать максимальной глубины основного русла - в среднем 5,0-6,0 м. Неблагоприятные последствия могут возникнуть только в том случае, если острова будут отторгнуты потоком в ходе размыва проток за островами.
Протока за о. Журавлик полностью занесена, то есть в межень она полностью пересыхает, а незначительное течение отмечается в ней в период половодья. Что касается протоки за о. Сивинский, то благодаря впадению в нее р. Сивы гидрологический режим протоки более сложный. Режим распределения стока определяется соотношением уровней Сивы и Камы. В низкую межень сток Сивы в основном происходит по верхней части протоки - к оголовку о. Сивинский. С повышением уровней Камы и усилением подпора большая часть стока Сивы устремляется в нижнюю часть протоки. При дальнейшем повышении уровня Камы протока начинает пропускать сток из Камы и в ней устанавливается транзитное течение от оголовка о. Сивинский к его ухвостью. Таким образом, разработка карьера в протоке за о. Сивинский без защитных мероприятий может привести к неблагоприятным последствиям.
Для предотвращения прорыва потока Камы в протоки при разработке карьеров необходимо провести ряд защитных мероприятий: перекрыть дамбой вход в воложку за о. Журавлик; перекрыть дамбой вход в Сивинскую протоку от ухвостья о. Журавлик к оголовку о. Сивинский; соорудить насыпные дамбы вдоль берегов о. Журавлик и Сивинский со стороны основного русла на участках понижения берегового уступа, чтобы исключить переток воды через острова в воложки при высоких уровнях.
Разработка карьера за о. Сивинский может вызвать развитие регрессивной глубинной эрозии в нижнем течении р. Сивы, которая будет сопровождаться некоторым усилением размыва берегов этой реки. Карьер в Сивинской воложке будет достаточно интенсивно заноситься песчаными наносами из р. Сивы, сток наносов которой составляет в среднем 80 тыс. м3 в год.
На нижнем отрезке (1903-1896 км) в условиях умеренной аккумуляции наносов допустима ограниченная добыча ПГМ из русла Камы. Предельно допустимый годовой объем добычи ПГМ не должен превышать объем стока руслообразующих наносов на входном створе руслового месторождения, то есть 330 тыс. м3 в год
При разработке русловых и прирусловых месторождений необходимо осуществлять русловый мониторинг для своевременного выявления опасных процессов, оперативной подготовки рекомендаций по устранению вызывающих их причин, уточнения параметров добычи ПГМ с точки зрения темпов восстановления русла. Важным элементом мониторинга является создание базы натурных данных по исследуемому участку реки. База данных, включающая гидравлические характеристики потока, объем стока руслообразующих наносов и т.д., позволяет при необходимости разрабатывать прогнозы динамики русла и вероятности развития неблагоприятных процессов на участке месторождения и в зоне его влияния.
Выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект № 11-05-00179.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 347 с.
2. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 202 с.
3. Рекомендации по прогнозу трансформации русла в нижних бьефах гидроузлов. СПб.: ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. 102 с.
4. Лапшенков В.С. Деформации русла в бьефах речных гидроузлов. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 239 с.
5. Векслер А.Б., Доненберг В.М. Трансформация русла р. Камы в нижнем бьефе Воткинского гидроузла // Гидравлика гидротехнических сооружений. СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1993. С. 145-149.
6. Рысин И.И., Петухова Л.Н. Русловые процессы на реках Удмуртии. Ижевск: Ассоциация «Научная книга», 2006. 176 с.
Поступила в редакцию 08.12.12
К.М. Berkovich, L. V. Zlotina, S. Yu. Ivshin, L.A. Turykin
Consideration of nowadays Kama-river channel dynamics downstream of Votkinsk dam when planning sand and gravel extraction
Regular repeated field studies made it possible to reveal the main features of channel processes in the section of the Kama River downstream of Votkinsk hydropower dam. We discovered directional channel deformations which had arisen due to the regulation of water course and the reduction of load runoff. The demand in alluvial building materials, the source of which is the valley and channel of the Kama riverbed leads to the development of in-stream mining. The analysis of long-term vertical deformations allowed to identify different river portions where mining is permissible in various volumes and by the use of various technologies.
Keywords: riverbed processes, channel morphology, man-induced disturbance of fluvial processes.
Беркович Константин Михайлович,
доктор географических наук, ведущий научный сотрудник E-mail: [email protected]
Злотина Леонора Владимировна,
кандидат географических наук, старший научный сотрудник E-mail: [email protected]
Турыкин Леонид Анатольевич,
кандидат географических наук, научный сотрудник
E-mail: [email protected]
НИ Лаборатории эрозии почв и русловых процессов географического факультета Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1 Ившин Сергей Юрьевич,
заместитель директора по научно-технической работе МПГМ «Кама»
426028, Россия, г. Ижевск, ул. Пойма, 7, оф. 418 E-mail: [email protected]
Berkovich K.M.,
doctor of geography, leading researcher E-mail: [email protected]
Zlotina L.V.,
candidate of geography, senior researcher E-mail: [email protected]
Turykin L.A.,
candidate of geography, researcher E-mail: [email protected]
Scientific research laboratory for soil erosion and channel processes, faculty of Geography Moscow State Lomonosov’s University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory, 1
Ivshin S.Yu., deputy director on scientific activity MPGM “Kama”
426028, Russia, Izhevsk, Poyma st., 7, office 418 E-mail: [email protected]
