CC BY
146
УДК 504.4.054
Косарев Сергей Геннадьевич Sergey Kosarev
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ВЗВЕШЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ ДОБЫЧЕ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОГО МАТЕРИАЛА В РУСЛАХ РЕК
POLLUTION OF WATER BODIES BY SUSPENDED SEDIMENTS IN MINING OF SAND AND GRAVELS MATERIALS IN RIVERS
Рассматриваются способы добычи песчаногравийного материала в руслах рек. Предложена методика оценки загрязнения водных объектов взвешенными веществами при разработке песчано-гравийных кос на участках рек, незатопленных водой
Ключевые слова: водный объект, взвешенные вещества, песчано-гравийная смесь, расчетный расход, диаметр частиц
The article deals with production of sand and gravel materials in rivers. The technique of assessment of water pollution by suspended sediments in exploitation of sand and gravel braids of rivers, unflooded by water is proposed
Key words: water bodies, suspended sediment, sand and gravel soil, calculated flow rate, particle size
Добыча песчано-гравийного материала (далее ПГС — песчано-гравийная смесь) в руслах рек приводит к загрязнению водных объектов взвешенными веществами. Повышенная мутность водотоков оказывает отрицательное воздействие на рыбные ресурсы, водную растительность, зообентос, зоопланктон.
Учитывая все возрастающие в последние годы требования к охране окружающей среды при производстве любых видов работ, в том числе и к охране водных ресурсов, разработка методик оценки загрязнения водных объектов взвешенными веществами является важной научной задачей, требующей решения.
В зависимости от способов разработки ПГС в руслах рек будем различать:
1) добычу ПГС в руслах рек под водной массой техническими средствами речных портов;
2) добычу ПГС в руслах рек на участках, незатопленных водой, наземными
средствами в межень или при наличии ледостава.
В первом случае отрицательное воздействие мутности на водоток наблюдается в течение всего периода добычи, причем количество взвешенных веществ, поступающих в водный объект, в зависимости от технологии производства, может достигать 10 % и более от суммарной массы добытых ОПИ. Данный способ добычи менее перспективен, применяется крайне редко, поскольку оказывает значительное отрицательное воздействие на водный объект (кроме указанных воздействий, это повреждение и гибель личинок и молоди рыб от механического воздействия) . Данный способ используется, в основном, как сопутствующий вид работ при расчистках и углублении русел рек.
В настоящей статье подробнее остановимся на втором способе добычи ПГС.
Данный способ получил достаточно широкое распространение в Забайкаль-
ском крае. Суровые климатические условия зимнего периода года, когда реки перемерзают практически полностью на всех участках (за исключением отдельных лет), позволяют проводить добычу ПГС с декабря по март включительно при минимальном воздействии на водный объект.
При данном способе объектом добычи являются песчано-гравийные косы, которые разрабатываются выше уровня льда, а предметом — ПГС, используемая, в основном, в строительстве.
Гранулометрический состав ПГС по высоте косы различен. Верхний слой в результате длительного воздействия на него потока воды более крупный. Процесс укрупнения верхнего слоя носит название са-моотмостки. Средний диаметр частиц верхнего слоя Вв определяется скоростями течения, соответствующими руслоформирующему расходу. Толщина верхнего слоя составляет (2...3) Ов . Для рек Забайкальского края (р. Чита, р. Ингода) верхний слой песчано-гравийных кос, в соответствии с классификацией [ 1 ], представлен крупнообломочным галечниковым грунтом (Бв > 10 мм при содержании таких частиц более 50 % по массе). Нижние слои песчано-гравийных кос не подвержены воздействию потока, поэтому их гранулометрический состав мельче и представлен, в основном, крупнообломочным гравийным грунтом и песком гравелистым [1].
При добыче ПГС нарушается верхний (защитный) слой косы. В теплый период года происходит затопление места производства работ. Вследствие уменьшения фракционного состава поверхностного слоя грунта на отработанном участке наблюдается транспорт наносов. Учитывая неоднородность фракционного состава, отдельные, наиболее мелкие частицы грунта могут перемещаться потоком во взвешенном состоянии [2; 3], что приводит к загрязнению водного объекта.
В результате проведения работ по добыче ПГС в русле реки образуется выемка, которая в литературе обозначается как карьер. Различают малые и большие карьеры [4]. Малым называется карьер, при затоп-
лении которого транзитным потоком всю площадь его поперечного сечения занимает водоворот ( Ьк < 6Нк , где Ьк — длина карьера по дну; Нк — средняя глубина карьера). Если Ьк > 6Нк , то карьер называется большим.
В соответствии с рекомендациями [4], разработку песчано-гравийных кос в ме-андрирующих речных руслах следует проводить поперечными прорезями (малыми карьерами). Ширину прорези по дну следует назначать в пределах 5кк , а расстояние между прорезями — (5... 10) Нк . Способ разработки песчано-гравийной косы поперечными прорезями, в отличие от ее сплошной разработки, предпочтительней по следующим причинам:
1) при разработке косы поперечными прорезями не нарушается ее верхний ( защитный) слой, что значительно снижает поступление взвешенных частиц в водный объект;
2) сплошная разработка косы приводит к снижению кривой свободной поверхности на участках выше и ниже от места производства работ. Это, в свою очередь, приводит к увеличению скоростей потока, и, как следствие, к размыву дна и берегов на этих участках, что крайне нежелательно. При разработке косы поперечными прорезями данный процесс не наблюдается.
Способ разработки песчано-гравийной косы поперечными прорезями в практике проектирования в Забайкальском крае практически не применяется.
При сплошной разработке кос, как было указано, происходит загрязнение водных объектов взвешенными веществами. Для оценки этого загрязнения предлагается следующая методика, апробированная в нескольких десятках проектах, связанных с работами в руслах рек Забайкальского края (Чита, Ингода, Ага, Аргунь, Хилок, Нерча), выполненных Восточным филиалом ФГУП «РосНИИВХ» с 1997 г.
При разработке методики использованы основы теории русловых процессов, а именно, транспорт наносов.
Для проведения расчетов необходимы следующие исходные данные:
— расчетный расход QP , который можно принимать как средний за период открытого русла;
— интегральная кривая гранулометрического состава грунта нижних слоев косы, построенная по результатам отбора проб (см. рисунок);
— плотность грунта (в отложениях); при отсутствии результатов исследований
можно принимать рГР =1750 кг/м3;
— площадь косы, подверженная разработке, Г ;
— геодезическая съемка участка работ;
— средний уклон водотока і на рассматриваемом участке;
— коэффициент шероховатости русла п , определенный на момент окончания разработки.
Интегральная кривая гранулометрического состава (р. Чита в пределах г. Чита)
Порядок расчета следующий.
1. Из формулы для расхода при равномерном режиме движения жидкости определяется положение кривой свободной поверхности в пределах участка работ:
0Р - оС4к , (1)
где со — площадь живого сечения;
С — коэффициент Шези, определяемый по формуле Маннинга:
Я 16
С - - ; (2)
п
Я — гидравлический радиус.
2. По определенному положению кривой свободной поверхности вычисляем среднюю глубину потока Н в пределах разработанной песчано-гравийной косы.
3. Из формулы Шези, с учетом формулы Маннинга, находим среднюю скорость потока в пределах косы:
(3)
и - Н.
п
4. По приложению 17 [5] определяем диаметр частиц грунта d, соответствующий неразмывающей скорости, равной и .
5. Определяем динамическую скорость потока:
и.-4^Н1, (4)
где g — ускорение силы тяжести.
6. Из соотношения [6] находим максимальную гидравлическую крупность частиц, способных перемещаться потоком во взвешенном состоянии:
и.
^= — (5)
1,7
и соответствующий ей диаметр взвешенных частиц dвз .
7. По интегральной кривой гранулометрического состава определяем процен-
тное содержание (Рвз ) частиц, диаметром мельче dвз (см. рисунок).
Масса частиц, способная поступить в поток в виде взвеси, равна
Рв
M = prpFd
вз
100
(6)
Зависимость (6) получена с учетом допущения [7], суть которого состоит в том, что вынос взвешенных частиц происходит из «условно подвижного слоя», равного диаметру частиц грунта d , соответствующего неразмывающей скорости при расчетном
расходе Qp.
При расчете платы за загрязнение водного объекта взвешенными веществами вся масса частиц М, определенная по формуле (6), может быть учтена как сброс в пределах допустимых нормативов.
Предложенная методика позволяет определять количество взвешенных веществ, дополнительно поступающих в водный объект, при производстве работ, связанных с добычей песчано-гравийного материала, и других работах в руслах рек на участках, незатопленных водой.
Литература
1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://snip-info/ru>gost_25100-95.htm. — Дата обращения: 14.10.2011.
2. Косарев С.Г. Регулирование концентрации взвешенных веществ в руслоотводных каналах при вводе их в эксплуатацию (Сообщение 1. Проблемы, возникающие при применении известных методик расчета расходов воды в руслоотводных каналах) // Водное хозяйство России. — Екатеринбург: ФГУП РосНИИВХ, 2011. — № 2. — 39-45 с.
3. Косарев С.Г. Регулирование концентрации взвешенных веществ в руслоотводных каналах при вводе их в эксплуатацию (Сообщение 2. Предлагаемые усовершенствования методик расчета) // Водное хозяйство России. — Екатеринбург: ФГУП РосНИИВХ, 2011. — № 3. — 70-79 с.
4. Рекомендации по прогнозу деформаций речных русел на участках размещения карьеров и в нижних бьефах гидроузлов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — 128 с.
5. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения. —М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 60 с.
6. Гидравлические расчеты водосборных гидротехнических сооружений: справоч. пособие / Под ред. А.Б. Векслера. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 624 с.
7. Манилюк Т.А. Защита природных водных объектов от техногенного загрязнения взвешенными веществами при вводе в эксплуатацию руслоотводных каналов // Горный информационноаналитический бюллетень. Забайкалье. Отдельный выпуск. — № ОВ 4. — М.: Мир горной книги, 2007. — 375-384 с.
Коротко об авторе_________________________________________________Briefly about the author
Косарев С.Г., канд. техн. наук, доцент, профессор S. Kosarev, candidate of technical sciences, assistant кафедры водного хозяйства и инженерной эколо- professor, Water Resources and Environmental Engi-гии, Забайкальский государственный университет neering department, Zabaikalsky State University (ЗабГУ)
kosarevsg@mail.ru
Научные интересы: русловая гидравлика, безо- Scientific interests: river’s bed hydraulics, hydraulic
пасность гидротехнических сооружений, экология structures safety and ecology of water bodies водных объектов
зз
