Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока (10.03.2009)

Автор: Хаширова Татьяна Юрьевна

В условиях Кабардино-Балкарской республики важное значение приобретают селепропускные и селенаправляющие устройства. Наибольший вред, причиняемый прохождением селей в долинах Баксана, Чегема, Черека Балкарского и Черека Безенгийского, вызывается либо полным отсутствием селепропускных сооружений на дорогах, проложенных вдоль этих долин, либо их неудовлетворительными конструктивными решениями.

Селевую массу, сходящую с селеопасных рек, можно рационально использовать для уменьшения проектных уклонов горных участков рек путем заиления запруд, что будет снижать опасность появления чрезвычайных ситуаций.

Рисунок 5 – Алгоритм выбора оптимального варианта защитного покрытия в зависимости от величины морфологических элементов потока и русла

Рисунок 6 – Поверхности отклика вариантов моделей защитных покрытий 1,3,5

Селезащитное сооружение (Патент РФ № 2223361) задерживает определенные фракции селевого потока, разрушающие или забивающие селепроводящий лоток. Для повышения эффективности работы сооружение может состоять из каскада плотин, устраиваемых на скальном основании, с уменьшающимися по ходу движения селя отверстиями.

Давление селевого потока воспринимается пологим верховым откосом плотины. Арочная конструкция селезащитного сооружения позволяет полностью использовать несущую способность бетона. Селевой поток проходит через отверстия селезадерживающей плотины. При этом фракции размером менее 1-1,5 м беспрепятственно проходят через сооружение, а более крупные задерживаются в верхнем бьефе.

Характерной особенностью практически для всех рек Кабардино-Балкарской республики является затяжной паводковый период, и некоторые реки на предгорных участках подвержены аккумуляции, что наносит большой ущерб народному хозяйству. Во многих местах образовались широкие поймы и происходит отложение наносов, что в конечном итоге приводит к подтоплению близлежащих территорий. Главным способом решения этой проблемы является расчистка русел рек, которая на сегодняшний день производится в основном бульдозерами, экскаваторами и автосамосвалами. Так, разработаны новые ресурсосберегающие технологии очистки русел рек от наносов: очистка русел рек методом удаления крупных фракций с использованием транспортирующей способности потока (патент РФ № 2256023, № 2318952, № 2318954).

Суть метода состоит в том, что транспортирующая способность потока зависит от фракционного состава наносов. Для этого бульдозерами, имеющими грабельные отвалы, производится расчистка русла реки от крупных фракций. Количество крупных фракций в наносах может колебаться от 5 до 20 процентов от общей массы, поэтому нет необходимости осуществлять очистку от всей массы, а можно использовать энергию потока воды для очистки. Для этого удаляют крупные фракции и увеличивают размывающую способность русла реки. При наличии крупных фракций постепенно образуется отмостка, которая защищает русло реки от размыва. Размеры крупных фракций могут быть 50 – 400мм. Для удаления крупных фракций бульдозеры перемещаются в поперечном направлении от оси реки к берегу, постепенно образуя дамбы.

Для определения требуемого диаметра камня, который необходимо удалять из поймы грабельными отвалами, предложена формула

? средняя скорость потока у дна.

Зная среднюю придонную скорость, можно определить средний диаметр русловых отложений, который в состоянии транспортировать поток, а по нему – и ширину прозоров в грабельном отвале.

Одним из основных способов снижения поступления наносов в системы ирригации является эффективная работа водозаборных и очистных сооружений в голове магистральных каналов. Обследования эксплуатируемых в настоящее время водозаборов и мелиоративных отстойников показывают недостаточную эффективность очистки воды. Анализ проектных решений показал недоучет механизма переноса наносов в толще потока и распределение мутности по вертикали. Согласно этому распределению, эффективным является проектирование водозаборных и очистных сооружений с забором воды из верхних слоев потока.

принята во внимание максимальная скорость вихреотделений, то во всей остальной зоне потока можно величину вертикальной составляющей скорости считать постоянной:

При установившемся переносе частиц, обладающих гидравлической крупностью u, уравнение баланса для выделенной единичной площадки получит следующий вид:

. За пределами этих значений становятся вероятными нарушения статистической связанности наносонесущих объемов, а баланс переноса твердых веществ вверх и вниз может принять отличные от нуля значения.

и выполняя простые преобразования, получаем дифференциальное уравнение

которое после интегрирования дает распределение мутности по вертикали

получаем расчетную формулу для распределения мутности по вертикали

– относительная высота точки над дном.

Уравнение профиля мутности (21) представлено в расчетном виде и подтверждается результатами измерений. Графики изменения мутности потока по глубине приведены на рис.7. Из построенных графиков видно влияние скорости потока на распределение мутности потока по глубине. Увеличение скорости потока усиливает взмучивание частиц более мелких фракций и не оказывает заметного влияния на более крупные фракции.

Для улучшения работы фронтальных водозаборов предложен ряд технических решений, позволяющих устранить отмеченные выше недостатки. Так, например, простейшим вариантом, позволяющим улучшить работу водозаборного сооружения, является преобразование кармана в отстойник с периодической промывкой (Патент РФ № 2323297). Для этого в голове кармана необходимо установить шлюз–регулятор, а дно образовавшегося однокамерного отстойника с периодической промывкой – запроектировать под уклоном. Наиболее совершенной конструкцией водозаборного сооружения являются фронтальные водозаборы с двух–многокамерными отстойниками с лотковым забором воды из отстойника. Длина рабочей камеры-отстойника определяется по формуле:

– гидравлическая крупность расчетных фракций наносов, подлежащих осаждению.

На основе расчетов объемов отложившихся в камере наносов определяют время ее заиления. Объем отложившихся наносов в камере к моменту ее промывки

Рисунок 7 ( Графики изменения относительной мутности потока по вертикали

– глубина, с которой отдельные фракции взвешенных наносов осаждаются в камере отстойника.

Транспортируемая вода по оросительным каналам и лотковой сети должна быть максимально очищена от наносов. Высокая степень осветления потока достигается в отстойниках с периодической промывкой с забором воды с верхних слоев потока. Разработаны новые технические решения по реконструкции действующих и строительству новых мелиоративных отстойников с периодической промывкой (Патент РФ № 2318951, № 2322547, № 2323294).

Так, в среднем и нижнем течении реки Кабардино-Балкарской республики несут большое количество донных взвешенных наносов. Средняя мутность воды у водозаборов магистральных оросительных каналов республики, по результатам натурных обследований, составляет в граммах на 1 м3 воды в реках: Терек – 6900, Малка –3200, Баксан – 3000, Черек – 3900 и Чегем – 2000. В этих же створах в период паводков наибольшая мутность достигает в реке Терек 17кг на 1м3 воды. Диаметр взвешенных частиц, например, в реке Терек, выражается в следующих величинах (в процентах): крупный песок – от 1,0 до 0,5мм в диаметре 0,2%; средний песок – от 0,5 до 0,25мм в диаметре 0,6%; мелкий песок – от 0,25 до 0,05мм в диаметре 13,7%; пыль – от 0,1.0 до 0,05мм в диаметре 47,1 %; ил – меньше 0,001мм в диаметре 38,4%. Частицы песка крупнее 0,15мм оседают в каналах, заиляют их, а при выносе на поля ухудшают качество почвы. При поливах в период повышенной мутности каналы оросительных систем могут выносить до 20 т наносов за вегетационный период, что снижает плодородие почвы. Так, на оросительных системах, забирающих воду из малокабардинского канала, после поливов образовался на полях слой песка, который снизил плодородие почв. Поэтому на головных водозаборах необходимо устройство надежных и эффективных отстойников.

В диссертационной работе приведена методика и дан пример расчета расширяющегося многокамерного отстойника с периодической промывкой.

В пятом разделе «Оценка эффективности мероприятий по охране горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока» даются оценка ущерба, наносимого водной эрозией в звеньях подсистемы природно-техногенного комплекса; оценка реализации новых разработок по управлению твердого стока на горных и предгорных ландшафтах; оценка эффективности мероприятий по защите рек от боковой и донной водной эрозии на горных и предгорных участках рек.

. Коэффициент экологической стабильности учитывает структуру основных элементов горных и предгорных ландшафтов, их экологическую значимость и определяется как

> 0,66 – стабильный.

В разделе приводится проект природоохранного обустройства поймы реки Нальчик в местах рекреации с внедрением новых разработок.

. Забор воды для заполнения каскада курортных озер будет осуществляться из отстойника фронтального водозабора.

В качестве сопрягающих сооружений, на которых планируется сосредоточенно гасить избыточную энергию потока, принято решение использовать гибкие многоступенчатые перепады (Патент РФ №2256025, №2266363). Количество перепадов определяется в зависимости от уклонов местности и условий обеспечения безопасности людей при отдыхе, т.е. принято, что высота ступеней будет в пределах одного метра. Задача многоступенчатых перепадов – сосредоточенно гасить избыточную энергию водного потока реки, изменив их установкой естественные уклоны на проектные, позволяющие предотвратить донную эрозию русла реки. Частота установки многоступенчатых перепадов определяется расчетами из условия образования каменной отмостки в русле реки с размерами фракций меньше 60 %, которые составляют 80мм.

Дана оценка экономической эффективности природоохранного обустройства поймы реки Нальчик в местах рекреации с внедрением новых разработок.

Рассматривались два варианта: первый вариант – существующие жесткие сооружения и элементы крепления откосов; второй вариант – гибкие противоэрозионные берегозащитные сооружения – армобутобетонное и армобетонное крепления откосов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Осуществлен мониторинг и комплексный анализ причиняемого ущерба от воздействия водной эрозии и природного процесса движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах из-за несовершенства техногенного управления геосистемой и сделан вывод о необходимости геосистемного подхода для решения этой проблемы.

На основе геосистемного подхода разработана методология охраны горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства, в которой вся геосистема разбита на пять взаимосвязанных звеньев: склоны; овраги; русла рек; каналы; агроландшафты, а техносистема состоит из подсистем по управлению эрозионными и аккумулятивными процессами. Каждое из звеньев является сложной техно-природной системой и состоит из подсистем.

На основе разработанной методологии построена концептуальная модель охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока. Концептуальная модель представляет собой алгоритм управления природными процессами движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах и служит основой для управления процессами движения твердого стока и построения имитационных моделей, в подсистемах и системе в целом с использованием современных информационных технологий и технических решений. Концептуальная модель в дальнейшем по мере накопления знаний может уточняться и дополняться.


загрузка...