Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы охраны горных и предгорных ландшафтов от воздействия водных потоков
1.1. Работа водных'потоков как агента денудации 15
1.2. Водно-физические и эрозионные свойства грунтов 20
1.3. Оценка воздействия эрозионных и аккумулятивных процессов на горные и предгорные ландшафты 27
1.4. Анализ и оценка существующих методов управления твердым стоком на горных и предгорных ландшафтах 30
1.5. Цели и задачи исследований 42
2. Методология и теория охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно- техногенного комплекса природообустройства
2.1. Процесс формирования и движения твердого стока наторных и предгорных ландшафтах 44
2.2. Математические методы и модели, используемые при описании эрозионно-аккумулятивных процессов 47
2.3. Методология охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно-техногенного комплекса природоубустройства 53
2.4. Построение концептуальной модели охраны горных
и предгорных ландшафтов управлением твердого стока 57
2.5. Имитационная модель формирования и движения твердого стока в речной подсистеме природно-техногенного комплекса природообустройства 61
2.6. Выводы 76
3. Техногенный блок управления эрозионными процессами на горных и предгорных ландшафтах в измененной геосистеме
3.1. Склоновая эрозия и техногенный блок управления 78
3.2. Овражная эрозия и техногенный блок управления 85
3.3. Русловая эрозия. Ее виды и способы управления 86
3.3.1. Способы борьбы с боковой эрозией русел рек, протекающих в урбанизированной зоне 88
3.3.2. Способы борьбы с боковой эрозией русел рек, протекающих за пределами урбанизированной зоны 96
3.3.3. Сквозные поперечные защитно-регуляционные сооружения и методика их расчета 104
3.3.4. Способы борьбы с донной эрозией 112
3.4. Анализ состояния и способы управления деформацией русел каналов инженерно-мелиоративных систем 116
3.4.1. Основные виды креплений откосов инженерно-мелиоративных систем 118
3.4.2. Методика выбора варианта откосного крепления каналов адаптировано морфологии русла и гидравлике потока 128
3.4.3. Анализ и сравнительная оценка работы различных вариантов откосных креплений каналов по результатам экспериментальных исследований 132
3.5. Эрозионные процессы на орошаемых землях и комплексная система противоэрозионной защиты 152
3.6. Выводы 157
4. Техногенный блок управления аккумулятивными процессами на горных и предгорных ландшафтах в измененной геосистеме
4:1. Противоселевые мероприятия на склонах и оврагах 159
4.2. Аккумулятивные процессы на реках и способы управления твердым стоком 166
4.2.1. Руслорегулировочные способы борьбы с отложениями наносов 166
4.2.2. Ресурсосберегающие методы очистки русел рек от наносов 170
4.3; Способы снижения поступления твердого стока в ирригационные системы 175
4.3.1. Аппаратура и методика проведения экспериментальных полевых исследований 176
4.3.2. Механизм переноса наносов в толще потока и распределение мутности по вертикали 180
4.3.3. Совершенствование конструкций и методов расчета речных водозаборов 188
4.3.4. Совершенствование конструкций и методов расчета мелиоративных отстойников 198
4.4. Выводы 206
5. Оценка эффективности мероприятий по охране горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока
5.1. Критерии эффективности охраны горных и предгорных ландшафтов 207
5.2. Анализ и оценка ущербов, наносимых водной эрозией на*различных системных уровнях природно-техногенного комплекса 211
5.3. Анализ и оценка реализации новых разработок по управлению твердого стока на горных и предгорных ландшафтах 215
5.4. Оценка эффективности мероприятий по защите рек от боковой водной эрозии на горных и предгорных участках рек 217
5.5. Природоохранное обустройство поймы реки Нальчик
в местах рекреации с внедрением новых разработок 221
5.5.1. Описание объекта и состояния сооружений на рассматриваемом участке 221
5.5.2. Выбор сооружений и их компоновка на участке обустройства зоны рекреации 229
5.5.3. Определение проектного уклона и количества перепадов на участке с учетом фракционного состава русловых отложений 231
5.5.4. Описание конструкции и привязка многоступенчатых перепадов на местности 235
5.5.5. Описание работы и привязка на местности фронтального водозабора с совмещенным
отстойником 241
Основные результаты и выводы 248
Литература
- Оценка воздействия эрозионных и аккумулятивных процессов на горные и предгорные ландшафты
- Методология охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно-техногенного комплекса природоубустройства
- Русловая эрозия. Ее виды и способы управления
- Механизм переноса наносов в толще потока и распределение мутности по вертикали
Введение к работе
Природные ландшафты — главное богатство человечества1* и непродуманное их обустройство приводит как к количественному истощению, так и качественному изменению с нарушением экологического равновесия.
На сегодняшний'день только в Кабардино-Балкарии в результате нерационального хозяйственного использования земель на 290 тыс. га (23% от общей площади КБР) почвенный покров подвергается интенсивной водной эрозии. Ущерб, наносимый почвенным ресурсам республики, исчисляется потерями в мощности плодородного гумусового профиля, содержании органического вещества и элементов питания растений. Мощность гумусового профиля уменьшилась местами более чем в 2 раза.
Большой ущерб народному хозяйству наносят и овражные процессы, которые часто становятся источниками возникновения селей. Так, сход селя в 2000 г. на реке Герхожан-Су в Кабардино-Балкарской республике унес жизнь многих людей и нанес большой материальный ущерб от затопления г.Тырныауз водами реки Баксан.
Эрозионные процессы на реках в паводковые периоды являются главным источником чрезвычайных ситуаций. В настоящее время практически на всех реках Кабардино-Балкарии, да и всего Северного Кавказа, проблема эффективного управления процесса боковой и донной- эрозии стоит остро.
Эрозионные и аккумулятивные процессы доставляют много хлопот и на ирригационных системах. Так, каналы оросительных систем часто подвергаются размывам, либо заиляются наносами. Поля орошения подвергаются ирригационной эрозии, а при орошении недостаточно осветленной водой теряют с годами плодородие. Только за вегетационный период при орошении выносится на поля до 20 тонн ила на гектар.
Все эти.природные явления взаимосвязаны и это порождает цепную реакцию. Так, интенсивная водная эрозия усиливает склоновую водоотда-
7 чу и способствует формированию расходов большей величины. Это в свою очередь ускоряет овражную эрозию и переформированию речных русел. Наносы, поступающие в этих условиях в водотоки, нарушают развитие речных систем, что приводит к заилению и заболачиванию пойм. Далее эти наносы заиливают каналы и выносятся на поля.
Эрозионные и аккумулятивные процессы, протекающие в различных звеньях гидрографической сети, определяясь взаимосвязанными комплексами гидрологических, гидромеханических и геоморфологических закономерностей и подчиняясь общим законам, влияющим на ход развития этих процессов, имеют специфические особенности развития, но вместе с тем находятся в зависимости друг от друга. В этом заключается своеобразная диалектика эрозионно-аккумулятивных процессов, без учета которой исследование этих процессов приводит к неполноценным научным выводам, что; в конечном счете, может стать источником серьезных ошибок при практическом их приложении.
С другой стороны, эрозионно-аккумулятивные процессы протекают в конкретной физико-географической обстановке и определяются сложным сочетанием природных факторов. Это свидетельствует о зональности всех процессов. Зональность накладывает свой отпечаток не только на интенсивность эрозионно-аккумулятивных процессов, но и на внешние особенности форм протекающих во всех звеньях цепи. Русловые и ирригационные процессы замыкают цепочку процессов и явлений, связанных с воздействием текущих вод на подстилающую поверхность, а их «предшественники» - эрозия почв и овражная эрозия, вызываемые к жизни склоновыми нерусловыми и временными русловыми потоками, оказываются в еще большей мере зависящими от природных условий, в которых они развиваются, а в своем распространении — подчиненными географической зональности. Поэтому эрозионные и аккумулятивные процессы нельзя рассматривать изолированно от географической среды, без учета особенностей, характеризующих ландшафт водосбора.
Учение о едином эрозионно-аккумулятивном процессе, рожденное на стыке геоморфологии, гидрологии, почвоведения, гидромеханики и гидравлики, не только позволяет изучать взаимосвязь и взаимозависимость всех звеньев эрозионных и аккумулятивных процессов, но и обеспечивает наиболее полный учет и регулирование воздействия водных потоков на земную поверхность. Именно поэтому изучение эрозионных и аккумулятивных процессов в их взаимосвязи и взаимообусловленности в свою очередь является составной частью решения многих актуальных задач охраны окружающей среды и рационального природопользования, связанных с освоением вхозяйственныхцелях земельных и водных ресурсов.
Неразрывность природных процессов протекающих во всех звеньях цепи требует адекватного управления ими, то есть создания единого техногенного блока управления измененной геосистемы. Поэтому для решения данной проблемы необходим геосистемный подход к вопросам проти-воэрозионной. мелиорации, учитывающий взаимосвязь всех компонентов горных и предгорных ландшафтов, на комплексном учете всех видов эрозии и создании на этой основе системы взаимоувязанных мероприятий.
В настоящее время отсутствует научно-обоснованный подход к охране горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства. Существующие технические решения техногенного блока управления движением твердого стока нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
Научная проблема состоит в необходимости разработки методологии охраны горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства управлением твердого стока и систематизации природной, и техногенной составляющей измененной геосистемы.
Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по теме «Геосистемный мониторинг, охрана водных объектов, мелиорация
9 земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв» (номер гос. регистрации 01200113465).
Рабочая гипотеза. Эффективность охраны горных и предгорных ландшафтов от водной эрозии возможна при геосистемном подходе к решению проблемы с совершенной техносистемой.
Цель диссертационной работы. Разработка системной методологии охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока и совершенствование техногенного блока управления природными процессами.
Объекты исследований. Природно-техногенный комплекс приро-дообустройства, в котором природной составляющей являются горные и предгорные ландшафты, а техногенной составляющей является блок управления природными процессами.
Предмет исследования. Закономерности влияния техногенного управления на, геосистему и совершенствование управления природным процессом движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах в измененной геосистеме.
Методы* исследований. Теоретические исследования выполнялись на основе геосистемного подхода, имеющей целью: описать поведение геосистемы; построить теорию, которая объяснит наблюдаемое поведение; использовать эту теорию для предсказания будущего поведения геосистемы, то есть в тех действиях, которые могут быть вызваны изменением в геосистеме, а также систематизация и совершенствование техносистемы. Исследования проводились на горных и предгорных ландшафтах Кабардино-Балкарской республики в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов, общепринятых методик, разработанных в РАСХН, ВНИИГиМ и других ведущих научных центрах нашей страны.
Результаты исследований обрабатывались на ПЭВМ в соответствии с теорией планирования эксперимента с применением математической ере-
10 ды MathCad 2000, MS Excel 2005 и собственных программ расчета, разработанных на языке Pascal, а также в среде Delphi 7.0.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Методология охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно-техногенного комплекса природообу-стройства.
Концептуальная, систематизированная модель формирования и управления твердым стоком в природно-техногенном комплексе природо-обустройства.
Имитационная камерная модель управления движения твердым стоком и комплексной оценки качества воды в речной подсистеме.
Мероприятия для управления эрозионными и аккумулятивными процессами на подсистемах горных и предгорных ландшафтов измененной геосистемы.
5. ' Методы расчета противоэрозионных сооружений* для охраны
горных и предгорных ландшафтов.
6. Методы расчета природоохранных сооружений для предот
вращения аккумулятивных процессов в измененной геосистеме.
Научную новизну работы представляют:
концептуальная модель охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока, в которой вся геосистема разбита на пять взаимосвязанных звеньев;
алгоритм управления твердым стоком, всем природно-техногенным комплексом по охране горных и предгорных ландшафтов;
имитационная камерная модель управления движения твердым стоком в речной подсистеме для оперативной оценки качественного состояния воды и управления эрозионно-аккумулятивными процессами;
способы, и конструкции для предотвращения эрозионных и аккумулятивных процессов на системных уровнях: склонах, оврагах, реках и в системах ирригации;
методы расчета и конструирования природоохранных сооружений для предотвращения эрозионных процессов по охране горных и предгорных ландшафтов;
имитационная система, состоящая из двенадцати имитационных моделей, по выбору оптимального варианта проектного решения защитного покрытия адаптированно к морфологии и гидравлике каналов;
методы расчета и конструирования природоохранных сооружений для предотвращения аккумулятивных процессов по охране горных и предгорных ландшафтов;
Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена двадцатью тремя патентами на изобретения.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, а также большим объемом натурных обследований построенных природоохранных сооружений. Практическую значимость работы составляют:
программы по управлению движением твердого стока и комплексной оценки качества воды по охране горных и предгорных ландшафтов;
природоохранные сплошные и сквозные поперечные защитно-регуляционные сооружения для борьбы с боковой эрозией русел, протекающих за пределами урбанизированной зоны;
способы борьбы с овражной и донной русловой эрозией, системой запруд с целью охраны прибрежных ландшафтов урбанизированных территорий;
методы расчета параметров эрозионных процессов на подсис-темных уровнях природно-техногенного комплекса;
рекомендации по расчету и проектированию новых технических решений по очистке русел рек с использованием транспортирующей способности потока;
12 усовершенствованные конструкции фронтальных водозаборов с совмещенными отстойниками и методы расчета по повышению степени осветления потока;
усовершенствованные конструкции и методы расчета мелиоративных отстойников.
Реализация результатов исследований. Разработанная методика охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока прошла производственную проверку в 1999-2007гг в Кабардино-Балкарии. Разработанная концептуальная модель охраны горных и предгорных ландшафтов стала методической основой курса «Защитные проти-воэрозионные сооружения» и внедрена в учебный процесс в ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «КБГСХА», г. Нальчик).
Имитационная камерная модель, которая позволяет оперативно оценивать качественное состояние воды и управлять эрозионно-аккумулятивными процессами, внедрена в учебный процесс на кафедре информатики и математического обеспечения автоматизированных систем в ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет» (ФГОУ ВПО «КБГСХА», г. Нальчик). Разработанная имитационная система по выбору оптимальных проектных решений для противоэрозион-ной защиты от боковой водной эрозии на реках, протекающих в урбанизированной зоне, используется научно-исследовательским сектором ФГОУ
f ВПО «КБГСХА» при проектировании берегозащитных сооружений на ре-
| Разработан проект природоохранного обустройства поймы реки
|! Нальчик в местах рекреации с внедрением новых разработок на участке
; 300м. Проект включает усовершенствованную конструкцию фронтального
!
водозабора с совмещенным отстойником, сопрягающие двухступенчатые
І гибкие перепады и гибкие конструкции откосных креплений, адаптиро-
13 районе с. Старый Черек, с. Псынабо ООО «ДОРСЕРВИС» внедрил в производство ресурсосберегающую технологию очистки русле рек от наносов с использованием транспортирующей способности потока. Построена про-тивоэрозионная дамба с габионным откосным креплением из матрасов «Рено» на р. Кенделен.
Разработанные методы расчета и конструкций противоэрозионных сооружений для защиты берегов рек и склонов приняты к внедрению в производство проектными организациями: НИС ФГОУ ВПО «КБГСХА» и ОАО «СевКавгипроводхоз». Разработанные программы по обработке экспериментальных данных активных, пассивных и активно-пассивных экспериментов и методические рекомендации по расчету усовершенствованных конструкций мелиоративных отстойников внедрены в учебный процесс в ФГОУ ВПО «КБГСХА» и ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет».
На все технические решения и способы охраны горных и предгорных ландшафтов получены патенты Российской Федерации.
Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на заседаниях технических советов в проектных и научных организациях ФГОУ ВПО «КБГСХА», ОАО «СевКавгипроводхоз», ОАО «Каббалкги-проводхоз», в комитете по природным ресурсам КБР в 1998 -05гг.; на совещаниях и экологических семинарах в КБР 2002-07гг.; на международной научно-технической конференции в ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ» (г. Пятигорск, 2003г); на международной научно-технической конференции в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природо-обустройства» (г. Москва, 2004-05гг.), на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «КБГСХА» 2006-07г.г; на международной научно-технической конференции в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (г. Краснодар, 2008г).
Публикации. Опубликовано более 70 печатных работ, в том числе монография «Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением
14 твердого стока» 11,55 п.л., 13 статей опубликовано в центральных журналах согласно перечню ВАК, получено более 20 патентов на изобретения. Общий объем публикаций - свыше 40 п. л.
Объем диссертации. Диссертация содержит 290 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 39 таблиц и состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 364 наименований и приложения. Работа выполнена на кафедре «Гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения» ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».
Оценка воздействия эрозионных и аккумулятивных процессов на горные и предгорные ландшафты
Подавляющее число рек России относится к категории малых рек. Их длина обычно превышает 100-150 км., а площадь водосбора — 1000-2000 км2 [328, 329, 330]. Так только в Кабардино- Балкарской республике их более 170 рек. Малые реки формируют сток средних и больших рек, играют важную роль в формировании качества их воды. Малые реки значительно быстрее, чем средние и, тем более, чем большие реки, меняют качество и количество своих вод под влиянием техногенных нагрузок. Они очень чувствительны к искусственным изменениям условий формирования стока в их бассейне. Даже одна животноводческая ферма или небольшой сахарный завод могут превратить малую реку в сточную канаву.
Помимо влияния сельскохозяйственных полей и ферм, складов минеральных удобрений и пестицидов, промышленных и коммунальных хозяйств, все более расширяется влияние урбанизированных территорий и воздействие рекреационных нагрузок на малые реки. При этом последние все интенсивнее используются для водозаборов на хозяйственные и промышленные нужды, а также для орошения. Это ведет к истощению речного стока, вплоть до его прекращения, особенно в южных районах страны.
В то же время малые реки являются нерестилищами для многих ценных пород рыб, охрана которых предписывается законом.
В сильно урбанизированных районах поверхностный сток не пополняет грунтовые воды в результате снижения инфильтрации и увеличения поверхностного стока. При этом уменьшается сток родников и в сухие периоды, ручьи могут полностью пересыхать. Сток ручья резко увеличивается во время дождя и быстро уменьшается после него. Другими1 словами, уплотнение поверхности как составная часть традиционной урбанизации нарушает в ручьях и малых реках условия постоянного стока, при которых развиваются богатые экосистемы, и это приводит к экологически неустойчивому состоянию быстрого чередования паводков и пересыхания.
Сложными и малоизученными вопросами остаются учет ущерба, наносимого водным экосистемам ручьев и малых рек, и его минимизация.
Когда поступление наносов и биогенов слабое, ручьи и реки, протекающие по данной местности, остаются чистыми. В них обитают продуценты, то есть водоросли и другие водные растения, которые прикрепляются к камням или укореняются на дне [240, 328, 329, 330]. Вместе с разнообразным детритом из опавших листьев и т.п. они лежат в основе сложной пищевой сети, включающей бактерии, простейших, червей, личинок насекомых, улиток, рыбу и ракообразных. Чтобы их не унесло течением, эти организмы прикрепляются к камням или находят себе убежище между и под ними. Даже рыбы, сохраняющие свое местоположение за счет активного плавания, иногда нуждаются в таком убежище для отдыха.
Наносы действуют на эту экосистему разными путями. Взвешенные частицы глины и органического вещества делают воду мутной. По мере оседания они покрывают все непрозрачным слоем, сокращая доступ света в глубину, снижая интенсивность фотосинтеза, или даже препятствуя ему. Рыбы могут погибнуть из-за засорения жабр и пищедобывающих органов. Особенно чувствительна к обволакиванию осадками икра рыб и других водных организмов.
Губительны и отложения песка и пыли, которые постепенно движутся по дну. Перекатываясь и двигаясь, эти частицы отрывают микроорганизмы от камней. Они погребают и обволакивают обитателей дна, а также заполняют места, где прячутся и отдыхают рыбы. Водные растения и организмы теряют возможность закрепиться на месте, так как наносы представляют собой постоянно движущийся слой песка.. Береговая эрозия усугубляется засорением русла наносами и приводит к тому, что ручьи и реки становятся шире и мельче. В период спада воды река превращается в широкую полосу донных отложений с меандрирующими по ним узкими протоками. В ручье, сильно загрязненном наносами, сохраняется лишь малая часть естественной экосистемы. Из-за наносов возникают и серьезные экономические проблемы. Отложения заполняют и перекрывают русла ручьев и рек, усугубляя проблемы паводков и береговой эрозии. Так, например причиной частых затоплений села Псынабо в Кабардино-Балкарской республике является увеличение отметок поймы реки Черек в результате осаждения наносов.
Полностью проблема осадконакопления неразрешима, так как расчищенные участки вскоре вновь заполняются наносами, а очистными работами, где они необходимы, охвачены не все районы. Наряду с затратами на расчистку проблему создает размещение извлеченного материала. Его нельзя просто свалить на землю, так как донный осадок сильно отличается зо от исходной почвы. Песок, пыль и глина осаждаются с различной скоростью и в разных местах.
По оценкам Службы охраны почв ущерб от наносов обходится США в 6 млрд долларов ежегодно, и все же большую часть его устранить не удается.
Нарушение почвенного покрова распространено настолько широко, что лишь немногие ручьи и реки не пострадали от избыточного осадкона-копления. Следовательно, наносы — наиболее опасный их загрязнитель. По мере того как во всем мире вследствие вспахивания, перевыпаса и вырубки лесов увеличивается эрозия, усугубляется и пагубное воздействие осадко-накопления на водные экосистемы.
Методология охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно-техногенного комплекса природоубустройства
Как показали наблюдения за компонентами природы, горных и предгорных ландшафтов, в рамках одной подсистемы проблема управления эрозионными и аккумулятивными процессами не решается. Для решения этой проблемы необходимо разработать методологию, т.е. логическую организацию процесса управления водной эрозией всей системы, каковой являются горные и предгорные ландшафты.
Одним из законов, проявляющихся на всех системных уровнях, является общий закон эрозионно-аккумулятивных процессов, предложенный Н.И.Маккавеевым [167, 168, 169, 344, 352, 353]. Всё сложное многообразие процессов и явлений, связанных с взаимодействием текущей воды и подстилающих горных пород, представляет собой в совокупности единый эро-зионно-аккумулятивный процесс, составляющими частями которого являются по Р.С. Чалову [333, 352] три главных звена водных потоков: нерусловые потоки, стекающие со склонов, производящие плоскостную эрозию и несосредоточенную аккумуляцию, создающие основной тип денудации суши; временные русловые потоки, осуществляющие линейную (овражную) эрозию, развитие которой представляет собой самовозбуждающийся процесс; сосредоточенную аккумуляцию. Таким образом, многочисленные исследования, проведенные Н.И.Маккавеевым [164-172], Р.С.Чаловым [327-336] и другими учеными, изучавшими эрозионно-аккумулятивные процессы, позволили сделать вывод о неразрывности процессов происходящих в трех звеньях: на склонах, оврагах и руслах рек. Вместе с тем надо отметить, что агроландшафты — неотъемлемая часть географических ландшафтов, и вода, поступающая туда на мелиоративные цели, забирается из рек. Процессы, протекающие на системах ирригации, аналогичны тем процессам, которые происходят на склонах, оврагах и руслах рек. В каналах, которые являются искусственными руслами, происходят эрозионные процессы и аккумуляция наносов. На полях при интенсивном орошении протекает плоскостная эрозия, а при орошении недостаточно осветленной водой, что часто имеет место, заиливаются поля и снижается плодородие почвы. При оросительной норме 5000-гбООО м3 на один гектар земли может выноситься до 10-г15 тонн наносов. Такая проблема в настоящее время стоит на полях Терского района Кабардино-Балкарской республики, орошаемых водой; забираемой из реки Терек.
Приведенный анализ позволяет сделать вывод о необходимости включения- агроландшафтов с искусственно созданными каналами- четвертым и пятым звеном в общую цепь.
Эрозионно-аккумулятивные процессы, протекающие в каналах, аналогичны русловым процессам, так как являются искусственно созданными руслами. Процессы, протекающие на агроландшафтах при орошениях, аналогичны склоновым процессам, что свидетельствует о необходимости их изучения в единстве со склоновыми, овражными и русловыми процессами.
Все эти пять звеньев единой природной системы взаимоувязаны, и изменения, протекающие на верхних звеньях этой цепи, влияют на процессы, протекающие в нижних звеньях.
Горные и предгорные ландшафты в настоящее время сильно подвержены антропогенному влиянию на всех системных уровнях. Присутствие антропогенного влияния на всех системных уровнях обуславливает необходимость рассмотрения горных и предгорных ландшафтов в измененной форме как измененные геосистемы или природно-техногенный комплекс природообустройства. Таким образом, при решении проблемы охраны
горных и предгорных ландшафтов необходим системный подход и представление его как природно-техногенный комплекс (ПТК) природообуст-ройства. Надо отметить, что усилиями А.И.Голованова [63, 64], Р.М.Орлова [68], Л.М.Рекса [251] и других российских ученых такой подход в последние годы, активно пропагандируется и развивается.
Таким образом, предлагаемая логическая организация охраны горных и-предгорных ландшафтов управлением твердого стока предполагает всю природную систему (геосистему) рассматривать состоящей из пяти взаимоувязанных звеньев: склоны; овраги; русла рек; каналы и агроланд-шафты [294,311,313,314]. Каждое из звеньев является подсистемой всей природной системы, в которых неразрывно проявляются эрозионно-аккумулятивные процессы. Всю природную систему, горные и предгорные ландшафты, рассматриваем в измененном виде как природно-техногенный комплекс природообустройства. Таким образом, кроме природной составляющей в ней присутствует техногенный блок управления эрозионно-аккумулятивными процессами, созданный человеком. Техногенный блок управления (ТБУ) представляет собой комплекс мероприятий и сооружений и является сложной техносистемой. Вся техносистема (ТБУ) состоит из двух подсистем: по управлению эрозионными процессами и управлению аккумулятивными процессами. Таким образом, техносистема является вторичной по отношению к природной системе и должна адекватно управлять ею.
Ранее В.М. Ивонин предлагал вариант систематизации техносистемы [102,104]. По В.М. Ивонину систему лесных насаждений на водосборе дополняют почвозащитной агротехникой возделывания сельхозкультур и противоэрозионными гидротехническими сооружениями, и образуется противоэрозионная инженерно-биологическая система (ПИБС), универсум или общее множество которой составляют подмножества защитных лесных насаждений (А), противоэрозионных гидротехнических сооружений (В), форм травянистой и иной растительности (С), а также — поч возащитной агротехники и технологий возделывания сельскохозяйственных культур ( D).
Русловая эрозия. Ее виды и способы управления
Русловой процесс — постоянно происходящие изменения морфологического строения речного русла и поймы, обусловленные действием текущей воды [48].
Основоположники теории руслового процесса (В.М.Лохтин, Н.С.Лелявский Л.Л.Фарг) [352, 353] рассматривали ее с морфологической точки зрения, обращая главное внимание на его внешнюю, качественную сторону и в количественной его оценке ограничивались немногими эмпирическими зависимостями. В последующем основным стало гидродинамическое направление русловых процессов, признающее взаимодействие потока и русла, и изучающее гидродинамику наносонесущего потока при наличии размываемого дна. Это направление относит теорию русловых про цессовк области речной гидравлики, хотя в более общей трактовке вопроса признается правильность включения теории русловых процессов, как самостоятельного раздела в состав гидрологии суши. Некоторые авторы гидродинамического направления русловых процессов при анализе явлений не выделяют донные наносы в особую категорию. В этом случае основными вопросами становятся оценка суммарной мутности потока и оценка размеров глубинной эрозии и аккумуляции наносов. Большая роль отводится уравнению баланса наносов и соотношению между действительным расходом наносов и транспортирующей способностью потока. Главное внимание уделяется получению наиболее точных выражений для величин, входящих прямо или косвенно в эти связи.
В последние годы получило развитие гидролого-морфологическое направление теории русловых процессов, согласно которому эрозионные и аккумулятивные процессы как главный фактор русловых процессов. относятся- лишь к самым крайним, соответственно периферийным и низовым звеньям речной сети. Главная же работа потока на всем его протяжении сводится к транспорту наносов, внешним проявлением которого и являются все русловые и пойменные деформации. Местные размывы и отложения рассматриваются как единый обратимый процесс развития цельного морфологического образования. При такой трактовке задачей теории русловых процессов является изучение динамики русловых форм. Развитие малых и средних русловых форм (песчаных гряд) непосредственно связано с расходом донных наносов, с кинематической структурой потока и с его макротурбулентностью.
Макроформы (речная излучина, система протоков и пр.), определяющие тип всего руслового процесса, зависят от всей совокупности характеристик режима жидкого и твердого стока.
Донным наносам отводится ведущая роль в формировании собственного русла, а взвешенным — в формировании пойменных отложений с обратным поступлением наносов в поток при деформациях русла и поймы.
Многие реки протекают по урбанизированным территориям, а именно - по городам и селам; Прибрежные участки этих рек, как правило, являются местами отдыха. Защита берегов таких участков рек имеет свою специфику, вызванную особенностью участка протекания- На таких участках необходимо строить продольные, сооружения как наиболее надежные и эстетичные конструкции. Поэтому в рамках проводимых исследований в настоящее время разработаны новые: варианты гибких берегозащитных сооружений ! 39 140,-141, 143, 144] и разработана мето дика; по оптимальному выбору варианта проектного решения с учетом морфологических и гидравлических условий рек [142].
Развитие речных русел — производная; сложного сочетания различных, климатических, гидрологических; теологических, морфологических факторов, степень проявления которых не одинакова в конкретных природных условиях. Наиболее опасными для размывов берегов являются паводковые периоды продолжительность, которых колеблется от одного до четырех месяцев (рис. 3.3.1).
Основными морфологическими факторами, от которых зависит ин-. тенсивность боковой водной эрозии, являются:.режим рек; продолжительность паводка; русловые процессы; наносный режим; продольные и поперечные профили и устойчивость русел.
Так, по устойчивости русел все реки можно разделить на три группы: блуждающие реки; реки неустойчивые; реки устойчивые.
Механизм переноса наносов в толще потока и распределение мутности по вертикали
Реки, протекающие в урбанизированной зоне и в местах рекреации, как правило, в силу необходимости защиты прилегающей территории надежно защищены от боковой водной эрозии берегоукрепительными сооружениями. На горных и предгорных участках таких рек в русле возникает донная эрозия. В результате донной эрозии разрушаются берегоукрепительные сооружения и дамбы. В силу этого остро стоит проблема надежной защиты от донной эрозии регулировочными сооружениями, кото рые являются надежными, экономичными, экологичными и гармонично вписываются в архитектуру окружающей среды, являясь объектами достопримечательности.
Установка перепадов жесткой конструкции и опыт их эксплуатации выявил ряд недостатков [279, 300, 309], таких как: недостаточно полное научное обоснование конструктивных решений перепадов; плановое расположение и частота их установки без учета фракционного состава русловых отложений; отсутствие расчетного обоснования размеров отдельных элементов перепада, приводившее к быстрому их разрушению в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации защитно-регуляционных сооружений показал, что наиболее эффективными техническими решениями являются гибкие конструкции перепадов, так как все они подвержены различного рода деформационным воздействиям, вызванным специфическими: условиями работы гидротехнических сооружений в воде. Такая идея была предложена СМ. Флейшманом [270, 271, 273] и доказана на практике на реках Кабардино-Балкарской республике и проблемой является недолговечность водосбросной части сооружения, которая подвергается быстрому истиранию наносами, транспортируемыми потоком в паводковый период. Учитывая эти недостатки, разработаны новые технические решения (Патент РФ №2256024 и №2256025) и способ строительства гибких сопрягающих сооружений (Патент РФ №2266363) [201, 202]. Для этого осуществляется подготовка основания, для чего производятся все необходимые земляные работы. Далее монтируется водослив из отдельных блоков, которые заблаговременно изготавливаются индустриальным методом на железобетонных заводах. Гребень водослива для усиления износостойкости против действия наносов укреплен металлическим швеллером [200]. Более подробно технология изготовления гибких многоступенчатых перепадов описана в главе 5.
Важный момент для решения проблемы - это научно обоснованное плановое расположение сопрягающих сооружений, учитывающее уклоны реки и фракционный состав русловых отложений поймы. Для этого русло реки по длине разбивается перепадами на участки с уклонами, меньшими [294], чем действительные уклоны, и гашение избыточной энергии водного потока осуществляется сосредоточенно в водобойных колодцах. Проектный уклон реки, формируемый строительством системы перепадов, определяется с учетом фракционного состава русла реки. При этом скорость движения потока определяется из уравнения Шези [351] v = CjRi, (3.3.15) где С — коэффициент Шези; R — гидравлический радиус; / — гидравлический уклон, который можно считать.равным уклону дна реки. Максимальная допустимая скорость vMaKC в случае равномерного движения, при которой начинается движение частиц расчетной-фракции грунта, слагающего дно реки или канала, можно, определять по формуле ШамоваГ.И. [351] j. _[_ макс=ШЪ , (3.3.16) где d — диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится, по весу 60% частиц; п - глубина потока при расходе расчетной обеспеченности. Расчетная обеспеченность зависит от класса сооружения и тех последствий, которые могут произойти при аварии, вызванной донными размывами.
Одной из причин разрушений многих эксплуатируемых перепадов явилось то, что не было предусмотрено эффективное гашение избыточной энергии падающего водного потока. Для решения этой проблемы лучше всего предусмотреть водобойные колодцы и использовать разработанную методику по определению его глубины. Подробно пример с расчетом водобойного колодца приведен в пятой главе.
Другим важным моментом является фильтрационный расчет флют-бета сопрягающего сооружения. При фильтрационном расчете можно воспользоваться методом коэффициентов сопротивлений разработанным Р.Р.Чугаевым. Подробно методика и пример расчета приведены в пятой главе и приложении.
При борьбе с донной эрозией на реках, протекающих за пределами урбанизированной зоны, более эффективным может оказаться проведение руслорегулировочных работ с использованием поперечных или продольных защитно-регуляционных сооружений.
В настоящее время наряду со строительством новых инженерно-мелиоративных систем возрастают объемы реконструкции существующих. В целях более экономного расходования воды и сокращения затрат необходимо решительно переходить на подачу воды по облицованным каналам и шире внедрять более прогрессивные способы полива, а также повысить материальную ответственность хозяйств за использование воды.
На каналах в земляном русле наблюдаются деформации, которые ухудшает мелиоративное состояние орошаемых земель и снижает на них урожайность сельскохозяйственных культур. Для?борьбы с деформациями и фильтрационными потерями на оросительных системах применяют различные типы защитных покрытий, на долю которых приходится значительный объем капитальных вложений при строительстве каналов. Протяженность облицованных оросительных каналов [94], включая лотковые, достигла 90 тыс. км, а магистральных в земляном русле с частично укрепленными откосами - около 10 тыс. км. Широкое распространение получили монолитные и сборные железобетонные облицовки, асфальтобетонные покрытия, облицовки и экраны с применением полимерных пленок — бетонопленочные и грунтопленоч-ные.
Похожие диссертации на Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока
