ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО И РУСЛОВОГО РЕЖИМА РЕКИ СЫЛВА В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Пермский Государственный Научный Исследовательский Университет, г. Пермь, e-mail: *****@***ru

CHANGE IN HYDRAULIC AND CHANNEL STRUCTURE OF THE SYLVA RIVER UNDER INTENSITY OF ANTROPOGENIC IMPACT

Lepeshkin S. A.

Perm State National Research University, Perm, e-mail: *****@***ru

Представлено состояние заносимости отработанного блока Подкаменно-Плашкинского месторождения на р. Сылва на октябрь 2010 г; освещены методология расчета заполнения выемок в руслах рек, а также представлены возможности визуализации рельефа. По результатам русловых съемок, выполненных камским филиалом ФГУП РосНИИВХ, выявлены скорости восстановления отметок дна до дноуглубления на участке отработанного блока карьера, создана атрибутивная база данных характерных гидрологических и гидравлических характеристик потока в рассматриваемом створе карьера, объемов переотложения руслового аллювия у берегов рек.

The condition of filling Podkamenno-Plashkinsky mine on the Sylva River in October 2010, highlights the methodology of calculation filling cavities in the river channels, and provides visualization of the terrain. According to the results of channel surveys performed KamNIIVH, revealed the rate of recovery marks on the bottom to the dredging site block waste pit, created an attributive database specific hydrologic and hydraulic characteristics of flow in the present alignment of career, the volume of re-deposition channel alluvium from the river banks.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Введение

Река Сылва – одна из наиболее длинных и многоводных рек Пермского края, берет свое начало на западном склоне Среднего Урала, течёт в основном на запад, впадает в Чусовской залив Камского водохранилища, длина водотока – 493 км, площадь бассейна 19700 кмІ. Русло очень извилистое, со множеством перекатов и мелей, тип руслового процесса в соответствии с классификацией ГГИ [1] – ограниченное меандрирование.

В нижнем течении на территории Кунгурского района Пермского края расположено Подкаменно-Плашкинское месторождение ПГС. Верхняя граница месторождения расположена в 0,9 км ниже по течению от устья реки Ирени (в 1 км северо-западнее г. Кунгура), длина по устью 17 км. Полезная толща сложена песчано-гравийной смесью. На участке разработки карьера русловые съемки проводятся с 1954 года, а с момента начала активной добычи ПГС в 2006 году – ежегодно. На исследуемом участке расположены два блока карьера – условно «северный» и «южный», находящиеся на расстоянии 1,5 и 2,3 км выше поста в с. Подкаменное. Стоит отметить, что северный блок, расположенный вдоль выпуклого берега, был отработан в 2006 году и на данный момент не эксплуатируется, вследствие чего его ложе активно заносится русловым материалом. Южный блок эксплуатировался на момент проведения изысканий в 2010 году, его мощность была отработана на 70-80 %.

В качестве исходной гидрологической информации были использованы данные наблюдений за уровенным и скоростным режимом на водпосту р. Сылва – с. Подкаменное: уровенный режим за период 1959-1968, 2001-2010 гг [2, 3], скоростной режим водотока в период открытой свободной поверхности за период 1959-1968 гг [2]. В качестве исходной картографической съемки использованы русловые съемки 2006 и 2010 гг, а также топографические съемки поймы р. Сылва, выполненные Камским филиалом ФГУП РосНИИВХ.

Первичная обработка, визуализация и вычисления производились с помощью ГИС-пакета ArcGIS 10.1.

Характеристика руслового режима в условиях интенсивного антропогенного воздействия

В ходе проведенного исследования удалось установить, что на рассматриваемом участке процесс аккумуляции преобладает над процессом размыва дна (рис. 1). Разность между базисными поверхностями позволяет определить объем, заключенный между ними, и отображается в виде градуированной по цвету поверхности, на которой четко видны области с понижениями и повышениями отметок дна относительно предыдущего состояния рельефа.

Рис. 1. Пример выполнения гидроморфологического анализа с использованием ArcGIS

Как видно из рис. 1, у левого вогнутого берега четко выделяется зона размыва берега, характерная для данной стадии развития излучины при меандрировании. Как правило, при таком очертании излучины при прочих равных условиях (однородность механического состава слагающего берега и дно материала, отсутствие берегоукрепления и пр.) подвержен размыву вогнутый берег, поскольку, поток «упираясь» в берег, размывает его. Несмотря на техногенное вмешательство кардинальных изменений в типе руслового процесса на рассматриваемом участке не произошло.

Было выявлено, что за период 2006-2010 гг объем переформирований дна р. Сылва на всем исследуемом участке составил 310 тыс. мі, изъятых в ходе разработки Подкаменно-Плашкинского месторождения ПГС и в результате руслового процесса. Средняя скорость изъятия руслового материала со дна – 77,5 тыс. мі/год.

Как уже было отмечено, северный блок Подкаменно-Плашкинского месторождения находится в стадии активного заполнения русловым материалом. На момент окончания эксплуатации его глубина составляла 5 м при глубине русла 8,5 м и емкость выемки 165 тыс. мі [5], на момент съемки русла в 2010 году средняя глубина карьера составляла уже около 2,5-3 м, а очертания карьера стали менее отчетливыми. Для определения времени полного заполнения северного карьера были приняты следующие методика [4] и исходные данные [5]:

- глубина карьера Hк=5 м,

- ширина карьера Bк=60 м,

- длина карьера Lк=600 м,

- средняя крупность руслового материала d=0,33 мм,

- ширина русла в паводок В=1500 м.

Заполнение карьера возможно только в условиях, когда средняя скорость потока в сечении больше неразмывающих скорости, при которой происходит отрыв зерен от дна и их перенос сальтацией или во взвешенном состоянии. Для расчета неразмывающих скоростей потока для песчаного материала рекомендуется зависимость [1]:

,

где g – ускорение свободного падения (9,81 м/сІ), d – средний диаметр частиц, м, h –глубина потока.

На рис. 2 представлены совмещенный график зависимости U0=f(h) и Vср=f(h) .

На основании русловой съемки, таблицы данных об уровнях воды и эмпирических кривых Vср=f(h) и Uo=f(h) на посту р. Сылва – с. Подкаменное находим критическое значение уровня воды Нв, выше которого частицы донных отложений средней крупностью 0,33 мм находятся в состоянии движения. Пересечение кривых, отображающих зависимости средней и срывающей скоростей от глубины потока, находится в точке [0,49 м/с; 1,59 м]. Таким образом при средней глубине 1,59 м скорость потока достигает критических значений и начинается массовый срыв и перенос зерен. Поскольку морфометрические параметры – средняя глубина и уровень воды – связаны, удалось установить, что соответствующий уровень воды Hв на в/п Подкаменное соответствует отметке 228 см над «0» графика поста или абсолютной отметке 109,88 м абс.

Рис. 2. Кривая связи средней скорости течения и уровня воды на р. Сылва-с. Подкаменное за период наблюдений 1959-1964 гг

Ряд данных о суточных уровнях воды выше значений Нв=228 см за все годы наблюдений делим на 12 интервалов. Подсчитываем число случаев mi (суток со значением уровней в каждом интервале за период наблюдений). Определяем частоту повторяемости уровня воды Р* в каждом интервале за период наблюдений и прогнозируемые интервалы времени дТi в сутках в этих же интервалах уровней за прогнозируемый период 10 лет.

По топографической карте с помощью кривой V=f(Hв) определяем глубину и среднюю скорость потока на расчетной вертикали для всех частных интервалов уровней воды.

Вычисляем число Фруда и определяем высоту гряд hг для каждого интервала уровней воды и относительную высоту гряд при глубине карьера 5 м.

По зависимости определяем скорость смещения верхней кромки карьера для частных интервалов уровней воды, а по формуле – смещение верхней кромки карьера за прогнозируемые интервалы времени при соответствующих интервалах уровней воды.

Как следует из таблицы 1 смещение верхней кромки карьера северного блока за 10 лет (длина карьера с периодом восстановления отметок дна в течение 10 лет) составляет 568 м, т. е. происходит со скоростью 57 м/год. Этот карьер глубиной 5 м при длине 600 м, будет занесен в течение 11 лет. Соответственно, можно считать, что на момент русловой съемки 2010 года степень заполнения карьера составила 38%.

Выводы

Согласно проведенному исследованию удалось дать прогноз заполнения прорези русловым аллювием, время полного восстановления отметок дна составит 11 лет, на момент обследования бровки северного блока стали менее отчетливы в плане, а отметки дна за 4 года поднялись на 1,5-2 м. Антропогенная деятельность внесла изменения в ход руслового процесса, русло р. Сылва стало шире, отметки дна поднялись, вследствие чего, вероятно, уменьшилась скорость потока, и как следствие происходит активное осаждение наносов.

Литература

1. Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки. СТО ГУ ГГИ от 08.29-2009.

2. Гидрологические ежегодники за период с 1959 по 1968 годы. Т4, Бассейн Камы. вып 6. Л.: Гидрометиздат.

3. Сайт центра Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра http://www. waterinfo. ru/

4. Методика расчета нормативов допустимого воздействия на водные объекты по изъятию руслового материала из водных объектов и по изменению водного режима при использовании водных объектов для разведки и добычи полезных ископаемых. Санкт-Петербург, 2010.

5. Ревизия запасов песчано-гравийной смеси от разведочной линии №1 до разведочной линии №35 на Подкаменно-Плашкинском месторождении нерудных полезных ископаемых // Технический отчет, Пермь, 2007.

Таблица 1

Результаты расчетов скорости перемещения верхней кромки карьера и времени его заполнения (за 10-летний период) на равнинных реках

Интервал уровней воды

Нв, м

Число случаев

mi, сут

Частота повторяемости уровня воды,

Р*

Число случаев за расчетный период,

, сут

Глубина потока

Н, м

Средняя скорость на вертикали

V, м/с

Число Фруда

Высота гряд

hг, м

Относительная высота гряд

hг/hк

Скорость перемещения верхней кромки карьера

Скi, м/сут

Величина смещения верхней кромки карьера за 10 лет

LДki, м

228-290

1195

0,593

398

7,5

1,01

0,12

0,98

0,20

0,33

132,04

291-340

409

0,203

136

8

1,11

0,13

1,04

0,21

0,49

66,34

341-390

180

0,089

60

8,5

1,2

0,13

1,11

0,22

0,55

33,06

391-440

191

0,095

64

9

1,28

0,14

1,17

0,23

0,77

48,84

451-490

120

0,060

40

9,5

1,35

0,14

1,24

0,25

0,88

35,19

491-540

131

0,065

44

10

1,42

0,14

1,3

0,26

0,96

42,00

541-590

65

0,032

22

10,5

1,48

0,15

1,37

0,27

1,28

27,95

591-640

87

0,043

29

11

1,53

0,15

1,43

0,29

1,42

41,39

641-690

82

0,041

27

11,5

1,58

0,15

1,5

0,3

1,52

41,45

694-740

76

0,038

25

12

1,63

0,15

1,56

0,31

1,62

41,24

741-790

82

0,041

27

12,5

1,67

0,15

1,63

0,33

1,77

48,19

790-826

16

0,008

5

12,86

1,7

0,15

1,67

0,33

1,80

9,81

сумма

567,50

Скорость перемещения верхней кромки карьера составляет 57 м/год