, Россия
, Россия
, Россия
Астрахань, Россия
Добыча аллювиальных песчано-гравийных материалов, являясь крупной отраслью промышленности, получила широкое развитие во многих регионах России, что оказывает все возрастающее влияние на русловые процессы в виде изменения морфологического строения речных русел и пойм под действием меняющейся гидравлики потока. Изменения в гидрологическом режиме и морфологии русла реки могут протекать и в негативном ключе, прогрессировать с течением времени и на значительном расстоянии от участков добычи, о чем свидетельствуют имеющиеся примеры и что указывает на необходимость их всестороннего изучения. Проблемами влияния антропогенного изменения речных русел занимаются ведущие высшие учебные заведения и научно-исследовательские организации в области гидрологии, водного транспорта и рыбного хозяйства. Обобщая имеющийся опыт, предлагается спрогнозировать влияние потенциального карьера на гидрологические условия и в целом морфологию участка реки путем численного моделирования русловых процессов в трехмерной постановке задачи. Рассмотрены и смоделированы разные технологические схемы отработки карьера, выбран и обоснован наиболее приемлемый (щадящий) вариант с точки зрения минимизации негативного влияния на окружающую среду. С целью контроля полученных численным моделированием результатов были выполнены исследования способами, рекомендованными нормативной литературой. Анализ полученных результатов выявил их большую сходимость. Окончательные результаты исследований были сравнены с допустимыми параметрами, представленными в нормативных документах, даны рекомендации, связанные с корректировкой технологии отработки карьера с целью минимизации его негативного воздействия на русловые процессы и сложившуюся транспортную логистику.
песчано-гравийные материалы, русловой карьер, антропогенные нарушения русловых процессов, гидрологический режим реки, твердый сток, посадка уровня воды, моделирование речного потока
Введение
Приоритетной для использования в строительной отрасли является песчано-гравийная смесь (ПГС), добытая из русловых карьеров, поскольку аллювиальные отложения рек являются наиболее качественным строительным материалом. Песок, ПГС, гравий, добытые путем разработки залежей русел рек, всегда отличались своим однородным составом, поскольку содержание глины, камней и посторонних включений в них было минимальным. Такой качественный и относительно недорогой материал используется в промышленном и дорожном строительстве, в сельскохозяйственных и декоративных работах, на производстве и благоустройстве территорий. Однако именно такие карьеры, нарушающие естественную морфологию русла и транспорт наносов, оказывают наибольшее, часто негативное влияние, которое может прогрессировать с течением времени и на значительном расстоянии от участков добычи [1, 2].
Влияние карьеров, образованных с целью добычи песчано-гравийных материалов (ПГМ), на природную обстановку, на судоходные и гидрологические условия определяется их местоположением на дне речной долины: в русле, на отмелях, на пойме. Разработка карьеров в русле реки или на ее пойме оказывает прямое воздействие на ее состояние, которое подробно описывается в различных источниках [3, 4] и связано с образованием искусственных выемок, изменением скоростей и направлений течений, посадкой уровня и т. д. [5, 6]. Последствия разработки карьеров непосредственно влияют на расположенные вблизи гидротехнические и другие водохозяйственные сооружения, места нерестилищ и, кроме того, могут усложнить условия судоходства, а в некоторых случаях сделать его невозможным, нарушив сложившуюся транспортную логистику.
Материалы исследования
В данной работе рассматривается потенциальный карьер, который предполагается разместить на участке 38÷39 км реки Белой. Учитывая расположение карьера на внутренних водных путях (ВВП) федерального значения Российской Федерации согласно [7], возможность его отработки необходимо согласовывать с администрацией бассейна [8] в порядке [9]. С целью обоснования возможности добычи на ВВП и выдачи проверяющим органам исчерпывающих данных о последствиях разработки ПГМ вышеописанные негативные факторы необходимо оценить путем проведения комплекса исследований и расчетов [3, 10, 11].
На рассматриваемом участке реки Белой и вблизи него русло довольно извилистое, встречаются крутые изгибы, песчаные отмели, косы, острова, перекаты. Ширина русла в районе карьера колеблется в диапазоне 80÷430 м. Основным типом руслового процесса здесь является свободное меандрирование [4] (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения карьеров
Fig. 1. Quarry layout
Водный режим характерен для равнинных рек восточно-европейского типа с одновершинным весенним половодьем и довольно устойчивым ходом уровней в летний и зимний периоды. Река Белая в створе карьера относится к категории больших рек в соответствии с положениями методики гидрографического районирования территории РФ, утвержденной Приказом Министерства природных ресурсов РФ от 25.04.2007 № 112 [12], т. к. площадь бассейна составляет более 50 тыс. км2. Сведения о гидрологическом режиме реки (о расходах, уровнях, ледоставе) были приняты по опорным водомерному и гидрологическому постам «Охлебинино» и «Уфа», между которыми располагается карьер. Отметка условного проектного уровня воды в районе карьера определяется интерполяцией между этими постами и составляет 84,89 м (БС).
Ранее на рассматриваемом в работе участке реки проводились исследования, в которых рассматривался карьер, расположенный на правом берегу реки Белой в Кармаскалинском районе Республики Башкортостан. Его местоположение показано на рис. 1 (синим цветом). Карьер планировалось расположить на внутренней части излучины, что соответствует рекомендациям нормативной литературы [4]. По данному карьеру в ходе исследования были определены следующие параметры отработки:
– протяженность карьера составляет 1 100 м, ширина – до 75 м, глубина отработки – 5 м, запланированный объем выемки – 330 тыс. м3, из них планируемые к извлечению с учетом экологических условий – 180 тыс. м3;
– рассматривается два варианта добычи: с полной разработкой карьера, с разработкой карьера отдельными блоками с сохранением природоохранных целиков;
– при полной единовременной разработке карьера посадка уровня составит 14,4 см, что превышает допустимое значение в 10 см [2], следовательно, разработка карьера по данному варианту оказывает значительное негативное влияние на уровенный режим реки и является недопустимой;
– гидравлические расчеты по второму варианту определили, что посадка уровня составит не более 5,5 см, что не окажет значительного негативного влияния на гидрологию реки и условия судоходства на ней;
– предлагается вести разработку карьера отдельными блоками с сохранением природоохранных целиков шириной 80÷100 м и глубиной разработки 5 м.
В ходе проведения геологических изысканий были получены следующие данные:
– на южной части месторождения выявлено низкое содержание гравия в ПГС, что сделало отработку этого участка нерентабельной;
– содержание гравийной составляющей до глубины 6÷8 м составляет 20 %, с глубиной до 10 м содержание гравия увеличивается до 80 %, а далее снова уменьшается.
В связи с этим экономически целесообразно разрабатывать карьер с целью добычи ПГС на глубину не менее 10 м. Для обоснования возможности такой добычи было принято решение выполнить дополнительные исследования, результаты которых приводятся ниже.
Новое местоположение карьера приведено также на рис. 1 (красным цветом). Запланированный объем выемки равен 271,48 тыс. м3, глубина отработки соответствует мощности полезной толщи в 10 м. Новый карьер имеет меньшие границы, меньшую площадь и (с некоторым исключением) является частью старого карьера, охватывая 2 его целика и 3 выемочных места. Предлагается разрабатывать карьер, сохраняя природоохранные целики.
Вариант единовременной отработки карьера без оставления природоохранных целиков не рассматривается, т. к. предварительные расчеты степени влияния карьера на режим уровней воды при такой схеме отработки на этом участке русла реки Белой показали неприемлемый результат.
Твердый сток. Расчеты твердого стока выполняются по формуле Б. Ф. Снищенко и З. Д. Копалиани, рекомендуемой [3, 4], для оценки заносимости руслового карьера влекомыми (донными) наносами при грядовом движении этих наносов.
В результате расчетов получен удельный суточный расход донных наносов. Умножение его на ширину русла и продолжительность (в сутках) расходов с заданными глубинами и скоростями позволяет аналитически определить объем стока донных наносов. Согласно результатам расчетов средний годовой объем поступления донных наносов реки Белой на участке расположения карьера составляет 121 тыс. м3.
Расчет смещения верхней кромки, выполненный в соответствии с [4], определил, что скорость смещения верхней кромки карьера при его разработке составит 25,8 м в год. Такой показатель обусловлен расположением карьера на пляже излучины свободного меандрирования в стороне от основного русла с малыми глубинами и скоростями течения. На полное заиление карьера потребуется 18,2 года (при его единовременной выемке).
Габариты карьера. Габариты и объемы карьера, время заполнения его наносами соответствуют нормам [4]. Ширина карьера – 129 м, что составляет 30 % ширины русла в половодье (430 м) в районе расположения участка ПГС. Длина выемки соответствует средней ширине русла реки. Время занесения карьера составит 18,2 лет (менее 20 лет). Отношение предельного значения объема карьера (WК) в сравнении с годовым стоком донных наносов (WТ) составит 2,3 (менее 20).
Сопоставление материалов карт. Для выявления общих тенденций развития русла производится совмещение планов. В процессе сопоставления материалов карт, русловых изыскательских съемок различных годов и геоинформационных систем была проведена оценка многолетних деформаций и переформирований русла за 11 лет (с 2011 по 2022 г.). По совмещенному плану (рис. 2) можно сделать следующие выводы:
– в результате естественных деформаций, характерных для меандрирования, увеличилась длина реки и, как следствие, изменился километраж судового хода на рассматриваемом участке;
– выше по течению русловые переформирования выражаются размывом левого берега на ширину 30 м и интенсивным намывом правого на 35 м, который приводит к уменьшению естественной ширины русла;
– в районе карьера правый берег «врезается» в русло в среднем на 70 м, при этом левый берег размывается на 25 м;
– ширина русла также претерпела некоторые изменения: по принятой условной проектной изобате она варьируется от 100 до 180 м, в 2022 г. – от 23 до 220 м; по нулевой изобате в 2011 г. – от 150 до 270 м, в 2022 г. – от 80 до 230 м.
Рис. 2. Совмещенный план участка реки Белая на период 2011–2022 гг.
Fig. 2. Combined plan for the section of the Belaya River for 2011–2022
Моделирование речного потока. В связи со сложной морфологией русла, а также неполной разработкой карьера с сохранением природоохранных целиков для оценки планового положения струй течений предлагается обратиться к математическому моделированию в трехмерной постановке. Методы численного моделирования основываются на системах уравнений движения жидкости и гидравлики потока и, как следствие, наиболее полно отражают особенности структуры речного потока.
Решение задачи моделирования речного потока предлагается выполнить с использованием математической модели, основанной на решении полной трехмерной системы уравнений Навье – Стокса. Система уравнений дополняется уравнением неразрывности потока. Для описания турбулентных явлений в речном потоке используется зарекомендовавшая себя высокорейнольдсовая k-e модель турбулентности. Эффективная вязкость в системе уравнений Навье – Стокса определяется согласно данной модели турбулентности. Система уравнений Навье – Стокса решается методом контрольных объемов, согласно которому вся расчетная область разбивается на простые трехмерные геометрические объекты. Расчетная область участка реки формируется в виде твердотельной CAD-модели, подготовленной на основе гидрографических съемок.
В качестве граничных используются четыре условия: входная область потока; выходная область потока; дно реки – условие непротекания; свободная поверхность воды – условие симметрии. Задача численного моделирования решается для участка русла реки Белой в районе потенциального карьера между двумя живыми сечениями, перпендикулярными к динамической оси потока, в границах которого можно достоверно судить о характере распределения скоростей.
Расчеты проводятся для двух вариантов: до разработки карьера (рис. 3, а; рис. 4, а) и после разработки карьера (рис. 3, б; рис. 4, б).
Анализируя результаты численного моделирования, можно сделать вывод, что в естественном состоянии при проектном уровне воды распределение поверхностных скоростей течения соответствует распределению скоростей при повороте русла. Скорости течения у левого берега значительно выше, чем у правого. Линии тока в естественном состоянии речного потока распределяются неравномерно.
Сложившаяся ситуация наглядно иллюстрирует тенденцию к размыву левого и намыву правого берегов реки Белой. Это будет способствовать естественному, постепенному искривлению русла, а соответственно, и судового хода реки Белой на рассматриваемом участке.
Рис. 3. Распределение поверхностных скоростей течений речного потока: а – в естественном состоянии русла
до разработки карьера; б – после разработки карьера
Fig. 3. Distribution of surface velocities of the of the river flow currents: a – in the natural state of the channel before quarrying; б – after quarrying
Рис. 4. Распределение линий тока: а – в естественном состоянии русла до разработки карьера;
б – после разработки карьера
Fig. 4. Distribution of current lines: a – in the natural state
of the channel before quarrying; б – after quarrying
Представленные результаты коррелируют с данными, полученными при оценке многолетних деформаций речного русла на основе результатов совмещенных планов.
Посадка уровня. Методика гидравлических расчетов посадки уровня воды, изложенная в [4, 11], содержит следующие предпосылки и математические зависимости:
– движение потока воды в реке считается установившимся;
– русло реки относительно длительный период считается стабильным и не деформируется;
– движение потока воды в русле реки описывается системой дифференциальных уравнений движения.
Результаты гидравлических расчетов доказали, что посадка уровня воды составит 13 см при единовременной (в пределах одной навигации) разработке участка ПГС на полную мощность (10,0 м) с оставлением природоохранных целиков, что превышает общепринятый критериальный показатель, равный 10 см [2] и принимаемый для оценки допустимости разработки карьеров на реках согласно рекомендациям ФГБУ «Государственный гидрологический институт» и Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. Исходя из этого, разработка карьера по такому варианту недопустима, т. к. влечет за собой значительное негативное влияние на гидрологические условия участка.
Приняв за значение посадки уровня воды критическое значение 10 см, вычисляется критический объем выемки полезного ископаемого из русла, который составит ~ 208,83 тыс. м3. С целью отработки всего запланированного объема в 271,48 тыс. м3 расчет критической выемки (с точки зрения посадки уровня) корректируется с учетом его заносимости. По результатам расчета минимальное время разработки карьера составит 2 года, а максимально допустимый объем блока в пределах одной навигации при единовременной выемке ~ 135,74 тыс. м3 на полную мощность 10,0 м с оставлением природоохранных целиков. При этом максимальная посадка уровня составит 4,9 см.
Заключение
Потенциальный карьер расположен на внутренней части излучины, которая подвергается намыву. Принятая разработка карьера блоками с оставлением природоохранных целиков соответствует схеме [4, с. 81]. Такое местоположение карьера замедлит темпы искривления русла, что благоприятно скажется и на судоходных условиях, транспортной логистике. Это подтверждается проведенным численным моделированием (см. рис. 3, б): целики не позволяют стрежню потока переместиться к правому берегу в область карьера.
Размещение карьера в границах, рекомендованных в данной работе, и соблюдение технологии отработки (оставление природоохранных целиков) не окажет значительного негативного влияния на гидрологический режим участка реки по сравнению с существующим режимом. Неправильные течения (свальные, вихревые и т. д.) в русле реки Белой в районе карьера (после его отработки) возникать не будут, а заключаться будут лишь в перемешивании слоев по глубине потока в районе карьера.
С целью уменьшения посадки уровня необходимо предусмотреть отработку карьера навигационными блоками с учетом заносимости на полную мощность с оставлением природоохранных целиков. Объем навигационного блока не должен превышать 135,74 тыс. м3. Срок отработки карьера должен быть не менее двух лет.
Проведенные расчеты и их анализ позволяют сделать вывод о допустимости влияния рассматриваемого карьера согласно требованиями СТО 52.08.31-2012 [4].
1. Беркович К. М., Злотина Л. В., Ильясов А. К., Турыкин Л. А. Исследование воздействия руслового карьера (РК) нерудных строительных материалов (НСМ) на режим переката на верхней Оке // Реч. трансп. (XXI век). 2016. № 4. С. 42–47.
2. Гладков Г. Л., Журавлев М. В., Соколов Ю. П. Оценка воздействия на окружающую среду инженерных мероприятий на судоходных реках. СПб.: Изд-во А. Карданова, 2005. 241 с.
3. Рекомендации по прогнозу деформаций речных русел на участках размещения карьеров и в нижних бьефах гидроузлов. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 127 с.
4. СТО 52.08.31-2012. Добыча нерудных строительных материалов в водных объектах. Учет руслового процесса и рекомендации по проектированию и эксплуатации русловых карьеров. СПб.: Глобус, 2012. 140 с.
5. Агеева В. В., Люкина Е. А., Матюгин М. А. Мероприятия по снижению негативного воздействия на гидрологические и судоходные условия реки при разработке руслового карьера выправительными сооружениями // Науч. проблемы вод. трансп. 2022. Вып. 71. С. 199–212.
6. Ситнов А. Н., Шестова М. В., Воронина Ю. Е. Прогноз русловых деформаций и особенности разработки пойменных карьеров нерудных строительных материалов в меандрирующих руслах рек с учетом безопасности условий судоходства (на примере р. Белая) // Науч. проблемы вод. трансп. 2020. Вып. 65. С. 179–188.
7. Об утверждении перечня внутренних водных путей Российской Федерации: Распоряжение Правительства РФ от 19.12.2002 № 1800-р. URL: https://www.law.ru/npd/doc/docid/901836096/modid/99 (дата обращения: 17.01.2023).
8. Кодекс внутреннего водного транспорта Российской Федерации от 07.03.2001 № 24-ФЗ. URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=417031 (дата обращения: 17.01.2023).
9. О внесении изменений в приказ Министерства транспорта Российской Федерации от 13 февраля 2013 г. № 36 «Об утверждении требований к тахографам‚ устанавливаемым на транспортные средства, категорий и видов транспортных средств, оснащаемых тахографами, правил использования, обслуживания и контроля работы тахографов, установленных на транспортные средства»: Приказ Министерства транспорта РФ от 20.02.2017 № 55. URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/71569792/ (дата обращения: 17.01.2023).
10. Чалов Р. С. Русловые процессы (русловедение). М.: Инфра-М, 2016. 565 с.
11. Методика расчета понижения уровней воды при добыче нерудных строительных материалов / М-во реч. флота РСФСР, Гл. упр. портов. М.: Транспорт, 1984. 21 с.
12. Об утверждении Методики гидрографического районирования территории Российской Федерации: Приказ Министерства природных ресурсов РФ от 25.04.2007 № 112. URL: https://www.ecoindustry.ru/ndocs/view/1551.html (дата обращения: 17.01.2023).
