Наносохранилища на оврагах водосборов малых рек степной зоны

Актуальность проблемы. Малые реки, как водотоки низких порядков (первого, второго), находятся в прямом контакте со своими водосборами, принимая значительную часть смываемого с их площади материала. По мере увеличения порядка реки (по старшинству) эта связь становится все более опосредованной. Например, в русле и на поймах малых рек бассейна р. Дон годовой слой аккумуляции наносов (в том числе продуктов смыва с распаханных земель) составляет при длине рек до 10−25 км от 3 до 20−50 мм, более 100 км меньше 1 мм.

Более 50% от общего количества наносов поступает в малые реки по овражно-балочной сети, что способствует накоплению в руслах избыточного количества твёрдого материала и нарушает естественный баланс наносов в водотоках. Избыток наносов создает условия для отложения в руслах наносов, транспортируемых с вышерасположенных участков рек, что приводит к необратимым изменениям экологического состояния и морфометрических характеристик малых рек, их заилению и деградации. Развитию деградаци-онных процессов способствует поступление в малые реки вместе с наносами химически растворённых веществ, в том числе биогенных. В результате перенасыщения малых рек твёрдым стоком и повышения минерализации речной воды, интенсивно развивается водная растительность, зарастают прирусловые отмели и береговые склоны, что приводит к усилению процессов ев-трофирования. Это, в свою очередь, способствует дополнительному заилению русел наносами органического происхождения.

Устройство, так называемых, «противоэрозионных прудов» показало, что вместе с наносами в них аккумулируются и большие объёмы воды, которые «не доходят» до малых рекбольшая часть этой воды испаряется (особенно в степной зоне), что снижает и без того малую водность этих рек.

По условиям транспортирования наносов малыми реками не весь твёрдый сток, поступающий в них из оврагов и балок, является нежелательным для реки. Часть твёрдого стока, которую река в состоянии транспортировать, может поступать в реку, а не задерживаться на подступах к ней. Для регулирования объёмов твердого стока, поступающего в малые реки из оврагов и балок, необходима разработка таких мероприятий и сооружений, которые обеспечивали бы благоприятный режим стока наносов по руслам рек и сохранение их водности за счёт поступающего в них жидкого стока с водосбора.

Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование сооружений по задержанию избытка наносов на подступах к малым рекам для предотвращения их деградации и восстановления подвергшихся деградации участков рек.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ влияния овражно-балочной эрозии на режим и состояние малых рек степной зоны;

— натурные исследования овражно-балочной сети, примыкающей к руслам малых рек, и оценка условий занесения русел наносами, поступающими из оврагов и балок;

— разработка и обоснование режима работы наносохранилищ, устраиваемых в оврагах и балках, примыкающих к русловой сети малых рек, а также водосбросных сооружений, обеспечивающих отвод воды из наносохранилищ;

— лабораторные исследования шандорного водосбросного сооружения наносохранилища для установления его параметров и водопропускной способности;

— разработка научно обоснованной методики расчёта наносохранилища и его водосбросного сооружения.

Научная новизна результатов проведенных исследований:

— впервые предложен критерий наносоудерживающей способности водоёма, выражаемый соотношением ———<1- и обосновано условие воз.

•иР можности устройства наносохранилища в различных створах оврагов и балок;

— предложена усовершенствованная конструкция водосбросного сооружения наносохранилища, подтвержденная патентом на полезную модель 1Ш 84 865 (зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 20.07.2009 г.);

— получены эмпирические формулы для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления сооружения с шандорным входным оголовком для широкого диапазона параметров водосброса;

— предложена и внедрена методика расчёта и проектирования наносохранилища и его водосбросного сооружения.

Основные положения, выносимые на защиту:

— результаты натурных и аналитических исследований по обоснованию необходимости и возможности устройства наносохранилищ;

— требования к водосбросным сооружениям наносохранилищ;

— результаты экспериментальных гидравлических исследований и полученные зависимости для оценки пропускной способности сооружений шандорного типа;

— методики расчета наносохранилища и его водосбросного сооружения;

— положения по эксплуатации и обеспечению надежности работы сооружений наносохранилища, включая оценку его занесения наносами.

Методы исследований. Работа выполнена путём проведения комплексных натурных, лабораторных и аналитических исследований. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках кафедры гидротехнических сооружений ФГОУ ВПО НГМА.

Достоверность научных результатов обусловлена проведением лабораторных гидравлических исследований с использованием законов подобия и гидравлического моделированияприменением при проведении лабораторных и натурных исследований средств измерения, аттестованных метрологической службойприменением современных методов обработки экспериментальных данных (ошибка расхождения 3−4%) — сопоставлением полученных результатов по определению коэффициентов сопротивления шандорного перекрытия с результатами расчётов по известным зависимостям других авторов.

Практическую значимость работы составляют:

— усовершенствованная конструкция водосбросного сооружения нано-сохранилища, позволяющая регулировать твёрдый и жидкий сток в овражно-балочной сети и не допускать в реку заиливающие её фракции наносов;

— методика обоснования и расчёта наносохранилищ, а также рекомендации по её использованию в практике проектирования и эксплуатации.

Личный вклад автора. Постановка проблемы, формулирование задач, нахождение их теоретических и экспериментальных решений, научные и практические результаты, их анализ, а также окончательные выводы выполнены лично автором.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в практику проектирования мероприятий по охране и восстановлению малых рек Ростовской области и, в частности, в проекте «Расчистка р. Глубокая в черте г. Миллерово Ростовской области», выполненном ФГУ «Южводпроект», г. Ростов-на-Дону, 2009 г. Расчётный экономический эффект составил 1,5 млн руб. Результаты исследований также используются в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов по направлению «Природообустройство и водопользование» и «Гидротехническое строительство».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на пленарных совещаниях Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ им. М. В. Ломоносова (Новочеркасск, 2007 г.- Астрахань, 2010 г.) и девяти научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, 2000;2010 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из них две работы в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертационных работ («Мелиорация и водное хозяйство, 2007 г., «Известия Орел ГТУ», 2010 г.), патент 1Ш 84 865 Ш на полезную модель по заявке № 2 008 146 903/22- от 27.11.2008 г.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Общий объём диссертационной работы составляет 192 страницы машинописного текста, включая 91 рисунок, 15 таблиц, 3 приложения, список использованных литературных источников из 91 наименования, в том числе 7 зарубежных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Повышение, в современных условиях, интенсивности водной эрозии почв на водосборах привело к значительному заилению русел малых рек, особенно в степной зоне Европейской части России. Большая часть наносов поступает в реки по овражно-балочным системам. Анализ условий формирования и развития оврагов и балок показывает, что антропогенные факторы играют здесь ведущую роль, а усилия по снижению интенсивности водоэро-зионных процессов должны быть направлены на выявление и ликвидацию причин их возникновения.

2. Анализ материалов натурных исследований малых степных рек Ростовской области показывает, что на интенсивность заиления и занесения рек наносами существенно влияют примыкающие к ним овраги и балки, как основные поставщики твёрдого материала в речные системы. Локальность применяемых противоэрозионных мероприятий на водосборах не позволяет остановить поступление избытка твёрдого стока в реки, при этом снижается поступление жидкого стока, что приводит к истощению малых рек и их деградации. В этой связи необходима научно обоснованная схема защиты рек от наносов, включающая комплекс мероприятий и сооружений, последним звеном которого является устройство наносохранилищ на оврагах и балках.

3. Оценка занесения русел малых рек наносами из оврагов и балок, выполненная по результатам натурных исследований показала, что различие в результатах воздействия потока оврага (балки) на русло реки связано: во-первых, с несовпадением максимумов выноса наносов из оврагов и балок с максимумом расходов воды в рекево-вторых, с углом подхода овражно-балочного потока к реке. При большом угле входа величина дополнительного подпора уровня в реке от овражно-балочного потока больше и в половодье заносится, в основном, участок выше слияния потоков, а в межень наносы из оврага (балки) при ливневых расходах воды формируют конус выносапри малом угле занесению подвергается преимущественно участок ниже слияния потоков.

4. В результате натурных исследований обосновано условие возможности устройства наносохранилища в расчётном створе оврага (балки), которое выражается соотношениемир <1. При выполнении условия при заданном расчётном расходе воды в пределах бьефа могут быть задержаны наносов крупнее расчётной фракции и часть мелких наносов. При О0/О.11Хир >1.

— устройство наносохранилища в створе нецелесообразно.

5. Оценка потенциальной наносоудерживающей способности створа размещения наносохранилища по безразмерному показателю <20/(П1а-ир) на натурных объектах показала, что для балок достаточен подпор до 3,0 метров, чтобы выполнить условие О0/О."х — ир< 1- для оврагов величина подпора превышает 4−5 м, что требует устройства капитального подпорного сооружения с соответствующим водосбросным сооружением.

6. Разработан режим движения потока в наносохранилище: осаждение происходит в относительно коротком бьефе, при неустановившемся режимепредложена расчётная схема осаждения наносов в наносохранилищевыявлено влияния неустановившегося режима движения потока в наносохранилище на продолжительность осаждения наносов.

На основе анализа условий движения потока в наносохранилище и осаждения наносов в нём сформулированы основные требования к водосбросным сооружениям в составе гидроузла наносохранилищ. Водосбросные сооружения должны обеспечить при изменчивости расхода притока воды соответствующую каждому расходу величину подпора уровня, необходимую для осаждения наносов крупнее расчётной фракции, а также пропуск максимальных расходов заданной обеспеченности без перелива воды через гребень плотины.

7. В результате выполненных лабораторных исследований на модели шандорного водосбросного сооружения наносохранилища получены зависимости для определения:

— действующего напора на сооружении ЛЯ, = Я, — Я2 от поступающего расхода воды при различной сквозности перекрытия р, а также при переменном расстоянии между напорной гранью плотины и шандорным перекрытием а;

— коэффициента сопротивления сооружения с шандорным входным оголовком (диапазон использования этих зависимостей ограничивается сквозностью шандорного перекрытия 0,17 < р <0,33);

— коэффициента сопротивления решетки из шандор, и выполнено сопоставление результатов с расчетами по 5-ти существующим зависимостям других авторов, которое дает удовлетворительную степень сходимости;

— относительного коэффициента расхода для гидравлического расчета водосброса-водоспуска наносохранилища, как сооружения с шандорным перекрытием, а также без него.

8. Разработаны рекомендации по: водно-балансовому расчету наносохранилищагидравлическому и статическому расчету его водосбросного сооруженияоценке объёмов и сроков заиления наносохранилища, где большое значение имеет достоверность определения стока наносов, который потенциально может быть задержан в наносохранилище. Предложены рекомендации по эксплуатационным мероприятиям сооружений наносохранилища и оценке экономической эффективности от строительства наносохранилищ.

Экономическая эффективность наносохранилища, установленная сопоставлением расчёта затрат на периодическую расчистку русла р. Глубокая в черте г. Миллерово Ростовской области от вторичного заиления с затратами на строительство и эксплуатацию сооружения составила 1,5 млн руб.