Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные положения теории руслового процесса 13
1.1. Общие закономерности русловых деформаций 13
1.2. Изученность русловых процессов северных рек 33
ГЛАВА 2. Природные условия формирования русловых процессов надым-пуровского междуречья 44
2.1. Географическое положение, рельеф и геологическое строение 44
2.2. Климат и гидрография, мерзлотные условия 49
2.3. Почвы и растительность 63
2.4. Экологическое состояние территории и антропогенное влияние на русловые деформации рек 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные полевые исследования руслового процесса 74
3.1. Методические основы русловых исследований 74
3.2. Характеристика ключевых участков русел рек, состав и методика проведения экспериментальных работ 78
3.2.1. Ключевой участок № 1, РекаЕвояха 78
3.2.2. Ключевой участок № 2. Река Евояха (Восточный коридор) 84
3.2.3. Ключевой участок № 3, Река Мареловаяха 90
3.2.4. Ключевой участок № 4. Река Пидейяха 94
3.2.5. Ключевой участок № 5. Река Нгарка-Табъяха 98
3.2.6. Ключевой участок № 6. Река Хадуттэ 101
3.2.7. Ключевой участок № 7. Река Правая Хетта 108
3.2.8. Ключевой участок № 8. Река Ныда 109
3.3. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований 111
ГЛАВА 4. Методика прогноза горизонтальных деформаций русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов 119
4.1 Разработка методики 119
4.2 Проверка достоверности методики 125
ГЛАВА 5. Обеспечение безопасности сооружений при водно-эрозионных процессах и защита водной среды от нефтяных загрязнений 130
5.1. Укрепление размываемых берегов тундровых рек 130
5.2. Защита трубопроводов от размыва на склонах долин рек, а водной среды от загрязнения нефтепродуктами 133
Выводы 141
Список использованной литературы 144
Приложения 161
- Общие закономерности русловых деформаций
- Географическое положение, рельеф и геологическое строение
- Методические основы русловых исследований
- Проверка достоверности методики
Введение к работе
Актуальность проблемы. Северные территории Тюменской области отличаются чрезвычайно густой гидрографической сетью, поэтому интенсивное освоение месторождений нефти и газа в этих районах тесно связано с проектированием и строительством сооружений на берегах рек и различного вида переходов через них линейных инженерных коммуникаций (нефтегазопроводов, линий электропередач, мостовых переходов и т. д.). Надежность эксплуатации таких сооружений и степень воздействия их на окружающую среду существенно зависят от прогноза русловых деформаций.
Известно, что 83% аварий на подводных переходах нефтепроводов через реки происходит на участках с обнаженными трубами в руслах (СИ. Левин , 1963). Причинами преждевременных обнажений трубопроводов в русле реки являются ошибки, допущенные при прогнозировании русловых деформаций на стадии проектирования и значительные отклонения от проекта, допускаемые при строительстве. Таким образом, низкая оправдываемость прогнозов русловых деформаций, с одной стороны, чревата преждевременным обнажением трубопровода в русле реки и возможностью возникновения аварийной ситуации, сопровождаемой большими экологическими потерями, а с другой стороны, неоправданными расходами на увеличение объемов земляных работ при необоснованном заглублении трубопровода в дно русла реки и врезки его в берег (Б.В. Самойлов и др., 1995; В.Г. Ткаченко, А.В. Назаров, 1988).
Такие же неблагоприятные экологические последствия могут возникать и при ошибках в прогнозировании русловых деформаций при строительстве и эксплуатации сооружений в непосредственной близости от размываемых берегов рек.
В этих условиях актуальной задачей является получение достоверного долгосрочного прогноза русловых деформаций, предопределяющего правильность выбора проектного решения по заглублению трубопровода в дно русла реки и врезки его в берег, размещению сооружений на берегу, защите их
от размыва, снижению аварийности и повышению их экологической надежности.
Действующие в настоящее время нормативные документы по расчету русловых деформаций, разработанные на основе теории русловых процессов, предполагают их применение, в основном, на реках иемерзлотной зоны. В зоне многолетнемерзлых пород (ММП) русловые процессы имеют свои специфические особенности. Мерзлота может играть роль как сдерживающего, так и усиливающего скорости деформации берегов фактора при ее растеплении, т. к. сильнольдистые тонкодисперсные породы при оттаивании приобретают текучие свойства. В этих документах совершенно не учитывается высокая ранимость природных комплексов Севера, их быстрое, и чаще всего негативное реагирование почти на любое антропогенное воздействие, а также их низкая восстановительная способность. Многолетние исследования автора в зоне мерзлоты при изыскательских работах для проектирования подводных переходов трубопроводов через реки, а также сооружений на их берегах, 7-летний ряд экспериментальных наблюдений на ключевых участках рек региона показали значительное увеличение скоростей горизонтальных деформаций русел на участках с антропогенным воздействием но сравнению с естественными, особенно при пересечении рек многониточными подводными переходами трубопроводов.
Изучением особенностей русловых процессов на севере Тюменской области занимался ряд ученых. Наибольший вклад, по мнению автора, в этот вопрос внес А.А. Левашов (1976), который в течение нескольких лет (1971-1973 г. г.) изучал русловые процессы на р. Надым и р. Полуй. Многие его выводы подтвердились при дальнейших исследованиях автора. Также большой вклад внес Б.М. Николаев (1988). Его исследования на р. Пур имели практическое значение при расчете скорости деформации береговой полосы в естественных условиях, при антропогенном вмешательстве в русловой режим реки (например, при разработке судоходных прорезей) и при разработке способов укрепления берегов русла от волн при прохождении судов.
Все эти исследования проводились на крупных реках региона: Надым и Пур. Меньшие по размерам реки, на которых расположено подавляющее большинство подводных переходов трубопроводов и сооружений на их берегах, такими исследованиями были совершенно не охвачены.
Очень мало также освещено в литературе разработок по защите берегов рек от размыва в зоне ММП.
Таким образом, исследование деформаций русел северных рек и прогнозирование их на перспективу, особенно при техногенном воздействии, а также разработка способов защиты мерзлых берегов от размыва являются задачами, актуальными как с научной, так и практической точки зрения.
Объектом исследования являются русловые процессы северных рек, а предметом исследования - динамика деформаций русел рек криолитозоны в естественных условиях и при техногенном воздействии.
Цель работы —разработка методики прогноза русловых деформаций на участках многониточных подводных переходов трубопроводов и новых способов защиты сооружений от размыва, снижающих аварийность и повышающих их экологическую надежность.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:
исследовать и выявить особенности механизма размыва берегов северных рек в естественных условиях и при техногенном воздействии;
выделить типы русловых процессов рек и участки русел с особо опасными для строительства условиями;
рассчитать величины максимальных скоростей горизонтальных (плановых) деформаций русел рек;
-разработать методику прогноза деформаций русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов;
-разработать новые способы защиты сооружений от размыва, а водной среды от загрязнения.
Решение этих задач представлено на блок-схеме (рис. 1).
Результаты
Выявлены особенности механизма размыва берегов и деформаций
русел рек в условиях ММП.
Выявлено увеличение скорости
деформации при антропогенном
вмешательстве, прокладке
многониточных подводных
переходов трубопроводов в одном
коридоре
ж
Выделены типы русловых
процессов рек и участки
рек с особо опасными для
строительства условиями,
рассчитаны плановые
(горизонтальные)
скорости деформаций
русел рек
Разработана методика
прогноза плановых
деформаций русел рек на
участках многониточных
подводных переходов трубопроводов
Разработаны: способ
зашиты размываемых
берегов тундровых рек и
способ защиты от эрозии
склонов долин рек с
возможностью
локализации нефтяных
загрязнений и пропуска
воды
Анализ и обобщение теоретических исследований и экспериментальных работ
"Ж"
Процедура исследования
Исследования в области
теории русловых деформаций и изучение
природных условий
формирования руслозых
процессов
Изучение имеющегося фото-и топогеодезического
материала
Организация наблюдений за
плановыми русловыми
деформациями на ключевых
участках
т _
Экспериментальные работы
Задачи
Исследовать и выявить особенности механизма размыва берегов и
деформаций русел рек в
естественных условиях и при
антропогенном вмешательстве на
территориях с многолетней
мерзлотой
Выделить типы русловых процессов рек и участки с особо опасными для
строительства условиями,
рассчитать величины максимальных
скоростей плановых
(горизонтальных) деформация
русел рек
Разработать методику
прогноза
деформаций русел
рек на участках
многониточных
подводных переходов труб
Разработать способы защиты сооружений от размыва, а водной среды от загрязнения
Рис. I Логическая блок-схема решения задач диссертационного исследования
Исходными материалами для работы послужили данные, полученные автором в результате проведения полевых экспериментальных наблюдений за деформациями берегов рек на ключевых участках (1996-2002гг.), данные исследований русловых процессов, полученных автором при производстве изыскательских работ на различных объектах ОАО "ГАЗПРОМ" за период с 1975 по 1995гг., разновременные мелкомасштабные фото- и топогеодезические материалы, отдельные крупномасштабные топопланы изыскательских геодезических съёмок участков переходов инженерных коммуникаций через реки, топогеодезические съёмки береговых полос, проводимые автором во время полевых исследований, а также другими исследователями, многочисленные работы и публикации по деформациям берегов рек и русловым процессам, нормативные документы.
Методы исследований. В процессе исследований применялись методы теоретического обобщения современных знаний и представлений о русловых процессах, полевых экспериментальных работ, математической статистики и анализа, гидрологической аналогии, графических и картографических построений, методы географо-гидрологического анализа и объективной оценки полученных результатов.
Достоверность научных положений и разработок обеспечивается широким привлечением полевых экспериментальных материалов и сопоставимостью результатов рассчитанных (спрогнозированных) по разработанной методике величин горизонтальных деформаций русел рек и фактических величин.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые для региона (Надым-Пуровского междуречья) проведено выделение типов русловых процессов для средних и малых рек и произведён расчёт максимальных скоростей горизонтальных деформаций русел рек. Выделены участки рек с особо опасными условиями для строительства.
На основе выявленных в результате исследований повышенных скоростей русловых деформаций на участках рек» подверженных антропогенному
воздействию, по сравнению с реками находящимися в естественных условиях, для региона разработана и предложена методика прогноза горизонтальных деформаций русел рек на участках многонигочных подводных переходов трубопроводов.
Выявлены ранее неизвестные специфические особенности механизма термоэрозионного размыва берегов рек в зоне распространения многолетнемёрзлых пород.
На защиту выдвигаются следующие положения:
- результаты выделения типов руслового процесса на реках территории
Надым-Пуровского междуречья и участков рек с особо опасными условиями
для строительства;
результаты расчётов максимальных скоростей горизонтальных деформаций русел рек;
методика прогноза горизонтальных деформаций русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов;
способы защиты сооружений от размыва, снижающие аварийность и повышающие их экологическую надежность:
способ укрепления размываемых берегов тундровых рек;
способ защиты трубопроводов от размыва на склонах долин рек, служащий одновременно для сбора и отвода воды в безопасное в эрозионном отношении место и защиты водной среды от загрязнения нефтепродуктами.
Практическая значимость:
- выполненное в результате диссертационного исследования выделение
типов руслового процесса и расчёт максимальных скоростей горизонтальных
деформаций русел рек территории Надым-Пуровского междуречья значительно
облегчает и ускоряет прогноз деформаций русел по действующим в настоящее
время нормативным документам (например ВСН 163-83): знание типа
руслового процесса позволяет установить схему деформаций дна и берегов
реки, а максимальная скорость горизонтальных деформаций является основным
параметром при прогнозе величин деформаций;
на основе результатов научных исследований, выполненных в рамках диссертации, для крупного региона разработана новая методика прогноза горизонтальных деформаций русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов. Эта методика значительно повышает точность прогнозов горизонтальных деформаций русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов и может применяться для гидроэкологического обоснования проектирования на этих участках рек различных переходов линейных коммуникаций или при строительстве на их берегах различных сооружений;
разработанный на основе выявленных ранее неизвестных особенностей механизма термоэрозионного размыва берегов тундровых рек (патент РФ № 2149947)новый способ укрепления размываемых берегов тундровых рек рекомендован в качестве варианта укрепления берега р. Хадуттэ для защиты сооружений водозабора для УКПГ-15 Уренгойского нефтегазового месторождения;
разработан способ защиты от водной эрозии склонов долин рек вдоль трубопроводов на основе устройства (патент РФ № 2112832), которое в силу своих конструктивных особенностей может задерживать нефтяные загрязнения и пропускать воду (устройство внедрено в производство и установлено на склоне притока р. Пидейяха в районе УКПГ-6 Уренгойского нефтегазового месторождения, планируется установка нескольких таких устройств на территории Заполярного нефтегазового месторождения);
- основные научные положения и практические разработки, за
исключением методики прогноза горизонтальных деформаций русел рек на
участках многониточных подводных переходов трубопроводов, полученные
автором при работе над диссертацией, легли в основу ведомственного
нормативного документа ВСН 39-1.10-004-2000 "Региональные нормы по
оценке деформации русел рек на участках подводных переходов трубопроводов
(Надым-Пуровское междуречье)"
Апробация работы н публикации. Результаты работы докладывались на областной научно-практической конференции «Окружающая среда» (г. Тюмень, 1998), на IV горно-геологическом форуме «Природные ресурсы стран СНГ» (г. Санкт-Петербург, 1998), на межвузовской научной конференции «Природопользование в районах со сложной экологической ситуацией» (г. Тюмень, 1999), на 4-м всероссийском научно-практическом семинаре «Чистая вода» (г. Тюмень, 1999), на научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Проблемы охраны водных ресурсов на объектах газовой промышленности» (г. Санкт-Петербург, май 1999), на научно-практической конференции «Гидрология Урала на рубеже веков» (г. Пермь, 1999).
Разработан и опубликован нормативный документ ВСН 39-1.10-004-2000 «Региональные нормы по оценке деформации русел рек на участках подводных переходов трубопроводов (Надым-1 Іуровское междуречье)», Москва, 2001.
По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено два патента на изобретения.
Экономическая значимость работы: В результате недоучета при проектировании повышенных скоростей размыва русел рек на участках многониточных подводных переходов трубопроводов эти трубопроводы размываются и обнажаются значительно раньше проектного срока эксплуатации, что приводит их в аварийное состояние и требует досрочного ремонта или переукладки. Так, переукладка 800 м подводного перехода трубопровода через р. Еньяха на Уренгойском месторождении обошлась в 96 млн. руб. В настоящее время, значительно раньше окончания проектного срока эксплуатации размыты и пришли в аварийное состояние 8 ниток подводных переходов трубопроводов через р. Евояха, расположенных в 500 м от автодорожного моста дороги Новый Уренгой - Ямбург. Переукладка этих ниток обойдётся около 1 млрд. руб. Этих затрат можно было бы избежать, если бы при проектировании прогноз деформаций был бы рассчитан не для естественных условий, как предлагается действующими в настоящее время
%
нормативными документами, а по разработанной в настоящей работе методике.
Экономическая эффективность, предложенного в настоящей работе и
запатентованного устройства "Оградительная дамба", установленного на
склоне притока р. Пидейяха в районе УКПГ-6 Уренгойского НГКМ рассчитана по "Временной методике..., (1999)" по стоимости предотвращённого ущерба. В 1998 г устройство "Оградительная дамба" собрало 1,3 т нефтепродуктов, что предотвратило загрязнение водной среды на сумму 23,4 млн. руб.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы из 192 наименований, содержит 163 страницы машинописного текста, включающего 9 таблиц, 30 рисунков, 2 приложения.
*
*
Общие закономерности русловых деформаций
Русловой процесс представляет собой постоянно происходящие изменения морфологического строения русла, обусловленные действием текущей воды. Русловой процесс находится в сложных взаимоотношениях с комплексом природных условий водосбора реки. Климатические условия и свойства подстилающей поверхности водосбора определяют объем и режим жидкого стока и формирование твердого стока. С другой стороны, русловые деформации зависят от уклона русла, определяющего скорости течения; характера и состава фунта, слагающего русло и речную долину, непосредственно сказывающегося на количестве сносимого водой твердого материала; видового состава и степени развитости растительного покрова, увеличивающего своей корневой системой связность почв и фунтов. Также сильно на русловые процессы влияет термический и ледовый режимы, которые могут вызывать повышенную береговую эрозию и блуждание русла. Особенно это влияние сказывается в районах распространения многолетнемерзлых пород. В зависимости от изменения условий, определяющих русловый процесс, изменяются и многие его черты.
Наиболее общей закономерностью руслового процесса, проявляющейся в различных физико-геофафических условиях, является взаимодействие между потоком и руслом. Твердые частицы поверхности, офаничивающие поток, направляют движение частиц жидкости. В свою очередь, твердые частицы, слагающие русло, под действием на них движущихся частиц жидкости сами приходят в движение, что приводит к изменению русловых форм.
В зависимости от степени подвижности или устойчивости твердой среды характер руслового процесса будет различным. У рек с устойчивыми, трулноразмываемыми фунтами, слагающими русло, русловой процесс будет протекать во времени значительно медленнее, чем у рек с руслами, сложенными легкоразмываемыми породами, устойчивость которых понижена.
Таким образом, установив закономерность взаимодействия потока и русла, можно оценить устойчивость последнего, исходя из основных гидравлических характеристик потока и размеров частиц, слагающих русло. Взаимодействие между потоком и руслом приводит к тому, что поток в размываемом русле стремится к созданию русловых форм с плавными очертаниями, понижающими местные сопротивления движению и уменьшающими интенсивность размыва.
Конечной стадией взаимодействия потока и русла должна явиться выработка наиболее устойчивой формы русла, в которой поток будет протекать с наименьшей затратой энергии на сопротивление движению, т.е. находиться в состоянии динамического равновесия, при котором его размывающая энергия и сопротивление частиц грунта размыву уравновешиваются. Динамическое равновесие руслового процесса характеризуется тем, что на участке реки достаточно большой протяженности и однородного морфологического строения существует примерное равенство между объемом размывов и отложений. Степень устойчивости или подвижности русла будет зависеть, с одной стороны, от силы тяжести частиц, слагающих ложе реки, и, с другой стороны, от силы лобового давления на частицу и силы взвешивания, пропорциональными квадрату скорости течения. В результате взаимодействия этих сил происходит отрыв частиц грунта от дна русла, их перенос и осаждение. Удельный вес наносов равнинных рек колеблется в небольших пределах от 2,3 до 2,7 (А.И. Чеботарёв , 1975), поэтому сопротивляемость наносов размыву, несмотря на небольшие различия в удельном весе и в форме, можно характеризовать их геометрическим размером. Степень активного воздействия потока на частицы грунта зависит от скорости течения, которая пропорциональна корню квадратному из уклона (А.И.Чеботарёв, 1975). Эти положения учитывал ещё М.В. Лохтин (1897). Приняв средний геометрический размер частиц за показатель сопротивления русла размыву, а уклон за показатель динамического воздействия на русло, он предложил характеризовать степень устойчивости речного русла особым коэффициентом -отношением среднего размера частиц d (мм), составляющих ложе потока, к уклону реки і С этой точки зрения реки с большим уклоном могут быть более устойчивыми, если диаметр частиц их ложа соответственно значительно больше. Коэффициент устойчивости М.В. Лохтина для определенных участков равнинных рек колеблется от 1-2 до 8-10 (А.И. Чеботарёв , 1975). Это число для рек с относительно сходными по крупности наносами убывает с уменьшением размеров реки и вследствие увеличения падения (уклона водной поверхности). Этот коэффициент является интегральной характеристикой устойчивости русла, относящейся к большому протяжению той или иной реки. Из приведенной формулы (1) видно, что М.В. Лохтиным (1897) не учитывается влияние глубины потока, в то время как сопротивляемость русла размыву с повышением уровня интенсивно убывает. Им также не учитывается степень устойчивости берегов русла, между тем как размыв берегов является источником значительной доли наносов, поступающих в поток («Русловый процесс», 1959). В целях частичного восполнения отмеченных недостатков М.А. Великанов (1959) предложил несколько иной вид коэффициента устойчивости. Исходя из того, что воздействие потока на подвижные частицы дна связано непосредственно со скоростью, а не с уклоном, и так как на размывающую способность потока оказывает влияние глубина, то путём подстановки в формулу (1) q - ускорение силы тяжести и уд - придонная скорость течения в м/с и дальнейшего её преобразования получен коэффициент устойчивости в виде Заменяя величину придонной скорости vn выражением, ей пропорциональным, Уд = kqhi и принимая во внимание наблюдения других исследователей.
Географическое положение, рельеф и геологическое строение
В четвертичный период прогибание северной части территории привело к трансгрессии моря с накоплением мошной толщи четвертичных отложений, формированию обширных низменных морских и прибрежно-морских аккумулятивных равнин.
Важную роль в формировании современного рельефа сыграли также факторы: поверхностные воды, новейшие тектонические движения, эрозионные и мерзлотные процессы. В общем плане на исследуемой территории можно выделить междуречные равнины, приуроченные к наиболее возвышенным участкам и речные долины рек Надым, Пур, Ныда и их крупных притоков. Междуречные равнины - наиболее древний элемент рельефа. Их отметки колеблются от 60 до ПО м. Наиболее высокая часть территории расположена почти в центре, в верховьях р. Ныда и р. Пр. Хетта. С этой части берут начало р. Ныда и наиболее крупные притоки р. Надым и р. Пур. Поверхность междуречных равнин плоская, местами слабо волнистая, а на участках, примыкающих к руслам рек, она сильно расчленена системой водотоков и оврагами. Огромные пространства на указанных равнинах занимают торфяники и термокарстовые озера. Значительные площади сильно заболочены. В пределах междуречных равнин, а также в долинах рек отмечаются участки линейно-грядового рельефа, представляющего собой закономерное чередование прямолинейных или дугообразных іряд высотой до 5-10 м и разделяющих их заболоченных понижений. Глубина расчленения значительна только в придолинных участках (от 5 до 25 м), на междуречье она невелика (от 0-3 до 6-10 м). Преобладают нерасчленённые и малорасчленённые междуречья (Ландшафты криолитозоны..., 1984). На изучаемой территории достаточно чётко выделяется четыре надпойменные террасы и пойма. Наиболее обширные площади занимает четвёртая надпойменная терраса. Абсолютные отметки её колеблются от 40 до 60 м. Поверхность террасы относительно ровная, плоская, заболоченная, с многочисленными торфяниками, термокарстовьши озёрами, с участками линейно-грядового рельефа, песчаными раздувами. Третья, вторая и первая надпойменные террасы вытянуты довольно узкими фрагментами вдоль рек, имеют относительные превышения над урезом воды от 5 до 15м. Их плоская поверхность частично заболочена, на сухих участках широко развиты песчаные раздувы. Пойма занимает довольно большую площадь в долинах рек Надым, Пур, Ныда и их крупных притоков. Высота поймы над урезами воды в меженные периоды 2-5 м. Поверхность пойм довольно ровная, плоская обычно с прирусловыми валами, многочисленными старицами, озёрами. В районе исследований широко развиты морские и континентальные отложения верхнего структурного этажа платформенного чехла, залегающие на породах палеогена. В новейшей истории геологического развития, определяющей общие условия формирования стратиграфо-генетических комплексов отложений и закономерности их распространения, выделяют два подэтапа региональных тектонических поднятий, разделённых подэтапом региональных опусканий (Ю.Ф. Андреев , 1971). Они вызвали в нижнем и среднем плейстоцене развитие максимальной (ямальской) трансгрессии морского бассейна. Сформировавшаяся в результате трансгрессии толща морских отложений перекрыта сверху осадками четвертичной системы, представленными в основном отложениями салехардской свиты. Эти отложения слагают морскую равнину, занимающую центральную часть Надым-Пуровского междуречья. Глубина залегания подошвы отложений салехардской свиты изменяется от 90-140 до 50-10 м относительно современного уровня моря, а кровля выходит на дневную поверхность, достигая абсолютных отметок 100 м. Особенность салехардских отложений - частое фациальное чередование по простиранию в разрезе типично водных слоистых супесчано-суглинистых осадков и несортированных мореноподобных, более грубых по составу. Четвертичные отложения представлены также: прибрежно-морскими и озёрно-аллювиальными отложениями казанцевской свиты, распространённых в придолинних участках рек и имеющих преимущественно песчаный состав; аллювиальными отложениями зырянской свиты, встречающейся на приречных участках и представленными песчаными, супесчано-суглинистыми и глинистыми породами; аллювиальными отложениями каргинского горизонта, слагающими вторую надпойменную террасу и узкими полосками прослеживающуюся вдоль наиболее крупных рек; лагунно-морскими отложениями сартанского горизонта, слагающими первую террасу на побережье Обской губы, распространённую фрагментарно, и первую надпойменную террасу речных долин.
Современные отложения включают низкие лагунно-морские террасы, поймы долинного комплекса, а также современные озёрно-болотные и болотные отложения. Первые сложены песчаными и супесчано-суглинистыми породами, мощностью 10-15 м. Пойменный аллювий сложен песками с подчиненным значением супеси и суглинка. Такой грунтовый состав пойм и берегов способствует повышению интенсивности водно-эрозионных процессов. Мощность этих отложений колеблется от 10 до 15 м в долинах малых рек и до 30 м в долинах рек Пура, Надыма и Ныды (Геокриологические условия..., 1983).
Озёрно-болотные и болотные отложения, представленные в основном торфом, развиты на участках междуречных равнин и надпойменных террас. В разрезе торфяников, развитых на надпойменных террасах, в нижней части прослеживается низинный торф, сменяющийся вверх по разрезу верховым торфом. Степень разложения торфа изменяется от 10 % до 30-40 %. Наряду с торфом в разрезе озёрно-болотных отложений прослеживаются илистые пески, суглинки и глины. Мощность озёрно-болотных отложений от 0,2-0,5 м до 4-5 м.
Методические основы русловых исследований
По каждому выбранному для производства наблюдений участку следует собрать имеющиеся по нему топогсодезические съёмки разных лет, составить современную схему участка и показать на ней границы участка и имеющиеся на нём основные сооружения (водозаборы, трубопроводы и т.п.). Должны быть показаны границы участков для детальных наблюдений. Кроме того, необходимо составить краткое описание участка. Общие русловые наблюдения проводятся по этапам: - подготовительные камеральные работы; - подготовительные полевые работы; - производство наблюдений; - составление отчётных документов. Состав работ каждого этапа наблюдений, в первую очередь, зависит от типа руслового процесса. Работы общие для всех типов руслового процесса рассматриваются по каждому этапу. Подготовительные камеральные работы предназначены для получения исходного материала для гидроморфологического анализа. Практически это сводится к сбору и обработке (главным образом сопоставлению) картографических и аэросъёмочных материалов разных лет, типизации руслового процесса, составлению программы общих и детальных русловых наблюдений на участке. Подготовительные полевые работы предусматривают: 1. проверку и дополнение данных, полученных при выполнении подготовительных камеральных работ; 2. оборудование участка наблюдений, т.е. создание топоосновы, закрепление магистрали и поперечников на местности.
Производство наблюдений на участке должно быть направлено на получение систематических ежегодных данных об особенностях и размерах плановых и высотных деформаций речного русла для каждой из его макроформ. Эти работы следует проводить на закреплённых на местности поперечниках. Их частота по длине участка должна обеспечивать возможность определения размера деформаций как крупной формы в целом, так и её отдельных элементов. Одновременно с оценкой деформаций для всего участка должны быть получены данные о колебаниях уровня и расхода воды, средние скорости течения, уклонах водной поверхности, составе донных наносов, необходимые для суждения об обстановке, в которой развивается переформирование русла и поймы, и для установления количественных связей между деформациями и определяющими их факторами.
Отчётные документы содержат в себе описание типа руслового процесса на участке, способа или метода проведения наблюдений, сведения о количественных характеристиках макроформ участка, описание оборудования участка, результаты проводимых замеров, размеров макроформ и изменений их положения, которые должны быть приведены в графической и табличной формах (Методические рекомендации..., 1981).
Экспериментальные работы были начаты с предварительных камеральных работ. На этом этапе были подобраны разновременные крупномасштабные топографические карты и фотопланы. Сопоставление разновременного топогеодезического материала позволило определить направленность и скорость плановых деформаций русла. Особенно важную информацию можно получить с фотопланов. Даже разовые аэрофотоснимки позволяют восстанавливать прежние положения речного русла на основе дешифрирования микрорельефа пойм. Поэтому среди всех картографических материалов аэрофотоснимки обладают особой ценностью для морфологических исследований руслового процесса. Также для определения развития руслового процесса могут быть использованы лоцманские карты и специальные съемки при проведении изыскательских работ на реках, особенно при изысканиях под линейные сооружения {трубопроводы, мосты, линии электропередач).
Подобранный картографический материал представлен аэрофотосъемкой 1967 г. по всей территории, 1991 г. - по территории Уренгойского нефтегазового месторождения, 1978 г. по большей части территории и разовыми аэрофотоснимками участков трубопроводов через реки, сделанных с целью диагностики состояния труб сотрудниками Московского государственного университета.
По этим фото- и топогеодезическим материалам предварительно были определены типы русловых процессов на реках территории. На основании анализа картографического материала, выделения типов русловых процессов были намечены ключевые участки на реках для организации на них наблюдений за русловыми деформациями.
Участки выбирались с учетом их географического положения, типа руслового процесса, крупности реки, расположения на участке линейных сооружений (подводных переходов трубопроводов) или сооружений на берегах, а также с учетом возможности круглогодичного подъезда к ним.
Такие ключевые участки, удовлетворяющие перечисленным условиям, выбраны на реках Евояха (2 участка), Мареловаяха, Пидейяха, Нгарка-Табьяха, Хадуттэ (по одному участку). На этих участках были организованы полевые экспериментальные наблюдения за горизонтальными деформациями русел рек.
На ключевых участках на р. Правая Хетта и р. Ныда использовались результаты ранее проводимых автором изыскательских работ и разновременные аэрофотоснимки.
Проверка достоверности методики
В результате изучения фото- и топогеодезических материалов и материалов полевых исследований на изучаемой территории выделено четыре типа русловых процессов: свободное меандрирование, осерёдковый тип или русловая многорукавность, пойменная многорукавность и незавершенное меандрирование.
Наибольшее распространение по территории имеет тип свободного меандрирования, когда река свободно развивает свои излучины почти без всяких ограничений. Тип свободного меандрирования наблюдается на большинстве рек территории, как малых, так и более крупных. Следующим по величине распространения является осерёдковый тип или русловая многорукавность, когда река перегружена наносами и течет по широкому распластанному руслу. Этот тип встречается только на крупных реках территории: р. Надым, р. Ныда, р. Пур и ее притоках - р. Нгарка-Табъяха и р. Табъяха. Пойменная многорукавность встречается только на крупных реках: р. Надым и р. Пур, особенно в их устьевых частях. Также пойменная многорукавность отмечается в устье р. Ныда. Незавершенное меандрирование встречается и на средних и на больших реках. Для выделения русловых процессов гидрографическая сеть территории была оцифрована и была создана цифровая картографическая основа. На этой основе были выделены различным цветом участки рек, соответствующие своим типам руслового процесса. На этой же карте отмечены участки русел рек с повышенной и труднопрогнозируемой скоростью деформации, опасные для любого вида строительства или требующие больших затрат на инженерную защиту сооружений, располагаемых на их берегах (приложение 1). Полевые экспериментальные исследования русловых процессов на ключевых участках рек позволили использовать их в качестве аналогов для менее изученных рек, для которых скорость смещения русла в плане определялась путем совмещения разновременного крупномасштабного фото- и топогеодезического материалов. По . этим материалам были вычислены максимальные скорости отступления берегов рек различных типов руслового процесса, а для рек со свободным типом меандрирования максимальные скорости приведены для вершин излучин (приложение 2). Также полевые исследования позволили выявить характерные зависимости скоростей размывов берегов от гидрографических, климатических, геологических условий и фактора техногенного нарушения естественного состояния ложа и берегов русел рек. Анализ результатов исследования показал, что на малых реках изучаемой территории, перемерзающих за зимний период полностью, с площадями водосборов до 200 км2, размывы берегов в естественных условиях незначительны, не превышают 0,25 м / год. Это объясняется тем, что начало, пик и большая часть спада половодья на таких реках происходит в снежно-ледовом русле. В свои минеральные русла реки входят в завершающей стадии половодья, когда уровни и скорости воды уже значительно снижены. Размывам берегов препятствует также мерзлое состояние их грунтов. На реках с площадями водосборов 201 - 800 км размывы берегов зависят от периодичности промерзания рек в зимний период, зависящей в свою очередь от водности реки и глубины русла. Размывы на таких реках составляют 0,25 -1,0 м\год. При техногенном вмешательстве: срезка берегов, спрямление излучин рек, прокладка трубопроводов без рекультивации нарушенных участков - величина размыва русла и берегов в большинстве случаев значительно увеличивается. На реках территории с площадями водосборов 801 - 2000 км2 скорость отступления бровок размываемых берегов может достигать в среднем 1,0 - 2,0 м / год в вершинах излучин при свободном типе меандрирования. При этом величины размывов сильно зависят от геологических и климатических условий. Так, при затяжных веснах и пролонгированной волне половодья, когда вода при относительно больших уровнях успевает прогреться, размывы достигают 3 -5м/ год (таблицы 2 и 3). Это объясняется более продолжительным воздействием теплой воды на грунты берега, их растепления и размыва. В годы же с пикообразной формой волны половодья грунты берегов не успевают сильно прогреться и растаять, а в замерзшем состоянии они противостоят размыву и разрушаются в меньшей степени. На реках с осерёдковым типом руслового процесса или русловой многорукавности скорости отступления бровок берегов значительно ниже, порядка 0,5 - 1,0 м / год, чем на реках такой же величины со свободным типом меандрирования. На таких реках периодическое переформирование русла идет в основном по глубине, путем перемещения гряд, побочней, осерёдков. Увеличение скорости планового размыва берега происходит только при приближении наиболее крупного рукава русла к одному из берегов. Осерёдковый тип руслового процесса на исследуемой территории распространен на р. Нгарка-Табъяха, р. Табъяха и р. Ныда. При анализе крупномасштабного фото- и топогеодезического материала и результатов полевых исследований выявлено, что при техногенном вмешательстве, особенно при прокладке на одном участке реки многониточных подводных переходов трубопроводов, скорости отступления бровок берегов могут возрасти в 1,3 раза на реках с осерёдковым типом и в 3,3 раза на реках со свободным меандрированием, по сравнению с аналогичными участками рек незатронутых антропогенной деятельностью. Повышенные скорости размывов наблюдаются на исследуемой территории в первые 10-15 лет после прокладки трубопроводов, затем эти скорости приближаются тс естественным. Это увеличение скоростей размыва берегов, действующими в настоящее время нормативными документами по расчету величин деформаций русел рек на период эксплуатации подводных переходов трубопроводов, при проектировании не учитывается. Заметного отличия вертикальных деформаций русел на участках многониточных подводных переходов трубопроводов от естественных не выявлено.
Отступление бровок берегов относительно крупных рек территории, таких, например, как р. Хадуттэ и меандрирующих по свободному типу, может происходить со скоростью 2-3 м/год. При техногенном вмешательстве, прокладке нескольких подводных переходов трубопроводов в одном техническом коридоре, эти скорости могут возрастать в несколько раз.
