Формирование информации для регулирования взаимодействия искусственного сооружения и природной среды в прибрежной территории

Катастрофические явления и чрезвычайные ситуации на водных объектах России во многом связаны с недостаточностью информации в системе мониторинга земель речных прибрежных территорий. На это указывают и ученые Института водных проблем РАН АН. Например, В.И. Данилов-Данильян в работе

На русловые процессы оказывает влияние большое количество природных и антропогенных факторов — объем и режим стока воды, объем и состав наносов, геоморфология долины, строение берегов, хозяйственная деятельность человека, строительство искусственных сооружений

Проблемы оптимизации природопользования в речных бассейнах рассматривались известными советскими и российскими учёными. Среди работ заслуживают особого внимания исследования П.Я. Бакланова, Б.А. Воронова, В.И. Данилова-Данильяна, С.С. Ганзея, В.В. Докучаева, А.М. Короткого, В.И. Лымарева, Н.И. Маккавеева А.Н. Махинова, А.А. Мурашевой, В.Ю. Новикова, В.Б. Сочавы, Р.С. Чалова, А.В. Шаликовского, В.В. Шабанова и других учёных

Задача регулирования русловых процессов в прибрежных речных территориях состоит в том, чтобы в условиях действия факторов урбанизации, отрицательно сказывающихся на ходе русловых процессов, обеспечить необходимые гидравлические, эксплуатационные, санитарно-гигиенические и экологические показатели речного русла и реки в целом.

Для организации оптимального взаимодействия искусственного сооружения и природной среды в прибрежных речных территориях следует учитывать последствия от строительства и эксплуатации различных объектов капитального строительства

От того, как выполняют свои функции регуляционные сооружения и укрепления, зависит в целом работа мостового перехода, устойчивость моста и земляного полотна подходов при воздействии водных потоков в речном бассейне.

Теоретическая и методическая база исследования основывается на использовании системного подхода, результатов исследований отечественных ученых экологов, географов, гидрологов, землеустроителей, собственных исследований авторов. В работе применялись общенаучные методы исследования: абстрактно-логический, расчетно-аналитический, анализа и синтеза.

Цель исследования — оценить роль информационного сопровождения работы искусственных сооружений в прибрежной речной территории и предложить перечень факторов, которые необходимо учитывать для организации рационального природопользования.

Речной поток являет собой взаимодействие жидкой фазы с твердой фазой (грунтовым ложем), что и определяет русловой процесс. Русловой процесс вызывает изменение очертания берегов русла, образование пойменных староречий, перемещение островов, побочней и осередков

– для равнинных рек характерны русло и поймы при скорости пропускаемого потока на поймах 0,2–0,5 м/с. Уклоны равнинных рек невелики — до 0,0005;

– предгорные реки характеризуются уклонами в пределах 0,0005–0,005 и скоростями от 1,5 до 3,0 м/с.;

– горные реки характеризуются уклонами 0,005–0,05 и скоростями 2,5–5,0 м/с.

Основная задача регуляционных сооружений — направление потока под мост — решается в зависимости от топографических, гидрологических и геологических условий, определяющих тип руслового процесса пересекаемой реки

На предгорной реке с блуждающим руслом и весьма интенсивным русловым процессом поймы практически отсутствуют. Русло представляет собой сеть постоянно изменяющихся проток, протекающих среди отложений, переносимых потоком. Протоки и наносные скопления составляют зону блуждания эволюционирующего русла. Ясно в этом случае, что отверстие искусственного сооружения (моста) должно быть меньше зоны блуждания, поэтому задача регуляции здесь — направление потока с зоны блуждания в подмостовое отверстие.

Для проектирования системы регуляционных сооружений необходима следующая информация о расчетных гидрологических параметрах: гидрографы расчетных и максимальных паводков, на ступенях которых отмечают:

– соответствующий расход и уровень;

– значения скоростей и направлений течений в местах расположений регуляционных сооружений;

– характер ледохода;

– род и характер грунтов в основании (особенно напорных) сооружений.

В качестве расчетного принимают паводок, максимальный расход которого имеет вероятность превышения, соответствующую нормам. Так как изыскания трудно приурочить к действию расчетных паводков, то прибегают к схематизации модели, например, реальных гидрографов, базирующейся на имеющихся наблюдениях по данной реке или реке-аналоге.

Максимальный расход заданной вероятности определяют при наличии ряда наблюдений на основании обработки его методами математической статистики, а при отсутствии наблюдений, например, по расчетным формулам, основанным на оценке ресурса возможности, использованием метода аналогий или, в крайнем случае, по рекомендации по формуле вероятности превышения паводка

где N — число лет, за которое паводок показан старожилами как наивысший.

Скорости течения вдоль струенаправляющих дамб определяют при расчете размыва под мостом и выбирают наибольшую за период расчетного паводка. Скорости течения в бытовых условиях, если отсутствуют натурные наблюдения, определяют по формуле Шези-Маннинга для данной глубины и уклона, задаваясь коэффициентом шероховатости:

где i — уклон водной поверхности; с — коэффициент Шези; n — коэффициент шероховатости.

где Σ(Kп/Kр) — сумма отношений расходных характеристик частей живого сечения Кп (поймы, протоки) к расходной характеристике русловой части Кр.

Отношение расходной характеристики какой-либо части сечения к расходной характеристике русла определяется по формуле

где ωп, ωр — площади живого сечения анализируемой его части и русла; hп, hр — соответствующие средние глубины с коэффициентами шероховатости nп, nр.

Средняя скорость течения воды по этой части сечения:

При проектировании регуляционных сооружений необходимо учитывать и ряд специфических особенностей, связанных с определенным типом реки.

Размещение отверстия моста и величина стеснения потока существенным образом сказывается на размерах дамб и типе их укреплений, которые влияют на русловой процесс наряду с рельефом ложа дна, наличия проток. Также при проектировании регуляционных сооружений должны учитываться условия судоходства и сплава и перспективы их развития. Кроме того, следует учесть перспективы использования реки в хозяйственных целях, а также устройство гидротехнических сооружений, дамб обвалования, мелиоративные работы в бассейнах водотоков.

Проектирование регуляционных сооружений базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, а также опыте проектирования, строительства и эксплуатации. Однако многообразие условий, которые в отдельных сложных случаях приходится учитывать, вызывает необходимость моделирования вариантов регулирования и выбора проектного решения.

К факторам, определяющим условия эксплуатации регуляционных сооружений относятся, прежде всего, природные факторы. Такие как гидрологические, топографические (рельеф), геологические (почвенно-грунтовые), а также те изменения этих факторов, которые определяются антропогенным вмешательством в природу в целях сельскохозяйственного освоения земель, прокладки коммуникаций, строительства и экологической деятельности

При натурном моделировании выполняется замена изучения явления в натуре исследованием аналогичного явления в натуре на объекте меньшего масштаба и установление связи между ними. Такой подход дает возможность из массы сооружений сопоставить два наиболее близких объекта и оценить работоспособность рассматриваемого объекта с аналогом (аналогами) и дать прогноз русловых деформаций.

Наличие систематизированной информационной базы позволит дать более правдоподобный прогноз местного и общего размывов на блуждающих участках рек при учете нестационарности русловых деформаций.

Рассмотрим влияние генезиса паводков на условия эксплуатации мостового перехода. Ввиду быстрого движения дождевой паводочной волны прогноз паводка может быть только краткосрочным. Следовательно, заблаговременно нельзя иметь представление, когда и какой высоты пройдет паводок. Ввиду интенсивных подъемов и спадов, и короткого стояния максимальных уровней дождевых паводков — водоборьба при прохождении их малоэффективна.

Половодье от снеготаяния достаточно точно верифицируется по времени и может корректироваться из-за медленного подъема уровней и большой продолжительности стояния максимального уровня. За это время можно отработать концепцию водоборьбы и запастись необходимыми материалами.

Так, например, данные о расчетных расходах мостовых переходов на реках острова Сахалин, построенных до предвоенного времени, верифицируются превышением 1 раз в 20 лет (вероятность 5%), но нередко наблюдались и паводки с большим расходом. В результате статистического анализа информации оказалось, что при отношении фактического расхода к расчетному до 1,5 нормальные условия эксплуатации не нарушаются; при отношении 1,5–2,5 возможны различные условия эксплуатации от близких к нормальным до разрушения сооружения (60% сооружений эксплуатируются с известными затруднениями, а 40% разрушаются). При соотношении расходов большем 2,5 сооружения во всех случаях практически разрушаются

Для дождевых паводков коэффициенты вариации максимальных расходов выше, чем для весенних и возрастают в направлении на юг. Коэффициенты вариации дождевых паводков находятся в обратной зависимость от площади бассейна, т.е. чем меньше площадь бассейна, тем больше Сv.

С ростом коэффициента вариации условия эксплуатации усложняются, и при Сv = 1, когда расчетный расход будет превышен на 77%, будут уже возможны повреждения сооружений. При Сv = 1,5 расчетный расход будет превышен вдвое — сооружение если и не разрушается, то сильно повреждается.

Кроме этого при дождевом стоке наблюдается и количественная абсолютная перегрузка расходом воды. Это можно установить по карте модуля дождевого стока для вероятности 1% и площади бассейна 200 км2, у которых Q200 стремиться к 2м3/с с 1 км2. Сюда и попадает о. Сахалин и южная часть дальневосточного Приморья.

Вместе с тем, наличие предгорных районов здесь способствует развитию блуждающих русел, представляющих наибольшие трудности для эксплуатации водопропускных и регуляционных сооружений.

Необходимо дифференцирование норм и рекомендаций для проектирования искусственных сооружений по зонам водоопасности. Дифференцированный подход необходимо применять и по отношению к существующим сооружениям. Дорожная инфраструктура, расположенная в зоне высокой водоопасности, должна иметь приоритет перед дорогами, расположенными в зоне малой водоопасности. Это касается выделения средств, направляемых на водоборьбу, капитальный ремонт и усиление сооружений по условиям пропуска паводков и карчехода.

Наряду с гидрологическими факторами на условия эксплуатации оказывает влияние рельеф местности (топография). Чем больше пересечен рельеф местность, тем более наблюдается расчлененность гидрографической сети и тем чаще расположение водопропускных и регуляционных сооружений. С увеличением расчлененности местности увеличиваются уклоны логов и склонов, возрастают скорости течения в руслах и скорости стекания по склонам, что приводит к усилению русловых и эрозионных процессов, а также к усложнению условий эксплуатации и взаимодействия искусственных и регуляционных сооружений с природной средой. Кроме того, зоны высокой и особенно наивысшей водоопасности расположены в пределах областей наиболее интенсивной эрозии.

Почвенно-грунтовые условия в русловой структуре и на склонах бассейнов также являются фактором, формирующим сток и влияющим на русловые и эрозионные процессы. Интенсивность эрозионных процессов в бассейнах водотоков зависит от мероприятий, проводимых в связи с освоением земель и заготовкой леса по долинам рек, которые, как правило, приводят к ухудшению условий эксплуатации. При сведении лесов максимальный расход от дождей возрастает, а малые водотоки нередко превращаются в периодически действующие.

Русловые процессы оказывают существенное влияние на условия взаимодействия искусственных сооружений с природной средой. Наибольшие трудности возникают на переходах через блуждающие реки, где все процессы протекают наиболее интенсивно. Скорости течения на блуждающих реках высоки, что наряду с фронтом регулирования большого протяжения (регуляционные дамбы на каждом берегу достигают 4-5 отверстий моста) вызывает большие трудности в эксплуатации искусственных сооружений. На блуждающих реках условия взаимодействия искусственного сооружения и водного объекта осложняются еще и тем, что размыв подмостового русла идет не только при высоких, но и при низких паводках.

Если факторы, определяющие воздействие водных потоков на мостовые переходы, могут быть определены и районированы по зонам водоопасности, то обобщение факторов, определяющих сопротивление сооружений размыву по каким-либо признакам, пока затруднительны.

Неудовлетворительность состояния системы регуляционных сооружений обычно вскрывается после длительного срока эксплуатации из-за медленного хода русловых деформаций или форсированного пропуска паводкового дождевого расхода при блуждающем типе русла, значительно превышающего расчетный

Согласно

– наблюдавшиеся случаи нарушения нормальной работы перехода (подмывы опор, переливы, деформации насыпи подходов и дамб, подмывы и размывы их);

– принятые меры по ликвидации ограничений водопропускной способности (укрепления опор, защита подхода от размыва, волнобоя и т.д.); 

– наблюдавшиеся деформации подмостовых русел (промеры живых сечений выше и ниже моста, местных размывов у опор, конусов, дамб и траверсов), наблюдавшиеся бытовые переформирования русла, данные об уровнях с верховой и низовой сторон насыпи земляного полотна подходов при паводках.

Гидрологические, метеорологические и другие данные включают следующие сведения:

– расчетный расход и уровень воды, принятые в построечном проекте и в проектах реконструкции мостового перехода, вероятности их превышения;

– многолетние данные наблюдавшихся расходов и уровней по створу мостового перехода, полученные на месте или путем переноса с гидрометрического поста или моста-аналога

– данные о силе и направлении ветра в районе перехода в период паводка;

– план искусственного сооружения с указанием направления течения, мест размывов и отложений наносов, что является достаточным для случая предгорной реки осередкового типа.

Сбор данных для изучения закономерностей руслового процесса позволяет своевременно оценить возможные изменения геоэкологического состояния речных бассейнов при строительстве искусственных сооружений и принимать превентивные меры для снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Формирование актуальной и своевременной информации, опирающейся на планомерный, регулярный сбор данных, их обработку и применение для прогнозирования способствует выработке оптимальных управленческих, инженерных и иных решений.