русловые переформирования при антропогенном воздействии

УДК 556(073); 626/627
РУСЛОВЫЕ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
НА ПОЙМУ ГОРНОЙ РЕКИ
Н.П. Лавров, В.А. Биленко
Кыргызско-Российский славянский университет, г. Бишкек, Кыргызстан
На Земле практически не осталось ни одной водной артерии, не тронутой
человеком. На первый взгляд ,малые горные реки кажутся менее уязвимыми, чем
равнинные, но они не в меньшей степени подвергаются антропогенному воздействию.
В их поймах строят водозаборные узлы и берегозащитные дамбы, сеют рис и
разрабатывают карьеры, строят дороги и возводят мосты. В последние годы широкое
распространение получило строительство поселков и даже городов на пойменных землях.
Интенсивное освоение малых горных рек в Кыргызской Республике, на примере
которой рассматривается данный вопрос, началось в 1930…1940гг. [1] в основном
для ирригационных и энергетических целей.
В Кыргызской Республике насчитывается около 3000 естественных водотоков,
относящихся к четырем основным водным бассейнам. Это бассейны рек Чу, Талас, КараДарья и озера Иссык-Куль [2]. Большая часть водотоков представляет собой мелкие
речки, истоки которых расположены на высоте 3000…4000 м над уровнем моря. Из
общего числа естественных водотоков для целей ирригации и гидроэнергетики
используется сток 870 рек, более 700 из которых являются малыми [2, 3].
По морфологическим признакам и по характеру хозяйственного использования
горные реки подразделяются на четыре основных участка [4]: высокогорный, горный,
предгорный и долинный.
На высокогорном участке реки протекают по узким межгорным впадинам, в русле,
сложенном из крупных обломков скал, часто образующих каскады перепадов, в пределах
которых поток аэрируется, течение теряет сплошность. Источниками наносов здесь
являются продукты эрозии, ледниковые и моренные отложения. Поймы узкие,
коэффициент пойменности п, показывающий отношение ширины действующей части
поймы реки в паводок к действующей ширине поймы в межень, на этих участках не
превышает п1,5. Антропогенное воздействие здесь практически не ощущается.
На горном участке, где начинается антропогенное воздействие, русло сложено из
крупных окатанных булыг и валунника, течение только на коротком протяжении
приобретает спокойный характер. Река, подпираемая выносами боковых притоков,
образует межгорные долины, часто с обширными надпойменными террасами, в пределах
которых развито богарное земледелие и имеется возможность развития орошаемого
земледелия. Продольный профиль рек состоит из ряда ломаных линий различного уклона,
что объясняется запруживающим действием конусов выноса притоков, несущих большое
количество крупных наносов и сползающих в реку осыпей. Пойменность на горных
участках находится в пределах п=1,5…2,0, а в межгорных долинах составляет более 10.
На этих участках во взвешенном состоянии перемещается большое количество
крупных наносов (до гальки), а донные наносы в паводок достигает размеров крупных
валунов (до 1 м и более). Здесь преобладает глубинная эрозия и перенос твердого
материала.
На предгорных участках реки протекают по конусам выноса собственных
отложений. Они неустойчивы, блуждают, часто образуют систему рукавов. На этих
участках рек имеет место преимущественно боковая эрозия и максимальный размер
донных наносов не превышает 0,6 м. В современных условиях сток рек на этих участках
полностью или частично разбирается на орошение; большая часть воды теряется на
инфильтрацию в толще галечно-песчаных отложений. Пойменность рек на предгорных
участках имеет пределы п = 2…10.
Нижние, долинные, участки большинства малых горных рек маловодны,
незначительный сток их создается подземным питанием. При прохождении паводков на
этих участках наблюдаются повышенные расходы и интенсивные русловые
переформирования. Пойменность рек достигает больших значений п 10.
Твердый сток, сформированный на высокогорном и горном участках, почти
полностью откладывается на предгорном участке, образуя конусы выноса, в пределах
которых река блуждает. На долинные участки рек выносится песок и ил. Здесь
происходит отложение и более крупных наносов с постепенным повышением дна.
Как известно [5], гидрологический режим рек является следствием сложного
взаимодействия большого числа природных факторов - климатических, почвенногеобота-нических, топографических и антропогенных. В связи с этим анализ русловых
переформирований произведен нами на примере двух рек Кыргызстана, отличающихся
как по условиям формирования жидкого и твердого стока, так и по антропогенной
нагрузке на поймы рек. Не касаясь влияния почвенно-геоботанического фактора
антропогенного воздействия, связанного, например, с выпасом скота, рассмотрим
влияние на русловые процессы строительных мероприятий в пойме рек. Одна из
принятых рек, р. Сокулук, стекающая с северного склона Киргизского хребта в
трудноразмываемых породах, имеет ледниково-снеговой тип питания, другая, р. Кугарт,
берущая начало на юго-западных склонах Ферганского хребта, сложенных из
легкоразмываемых лессовидных пород, имеет снеговой тип питания [2, 3].
Наглядное представление влияния климатических факторов и факторов
подстилающей поверхности на гидрологический режим горной реки дают приведенные
ниже совмещенные гидрографы стока и мутности р. Сокулук и р. Кугарт (рис.1).
р. Кугарт
70
16
14
12
100
10
8
6
50
4
2
0
0
1
2 3 4 5
6 7
8 9 10 11 12
Месяцы
Расход воды
Мутность
Расход воды, куб.м/с
150
Мутность, г/куб.м
Расход воды, куб.м/с
18
6000
60
50
4000
40
30
2000
20
Мутность, г/куб.м
р. Сокулук
10
0
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Месяцы
Расход воды
Мутность
Рис.1. Совмещенные гидрографы стока и мутности р. Сокулук и р. Кугарт
Как видно из графиков, основная масса наносов переносится рекой во время
половодья. В это время поток имеет максимальную наносотранспортирующую
способность. С уменьшением расходов воды в реке сокращается и перенос наносов. В
меженный период движение наносов по реке почти прекращается.
Если бы баланс поступления и стока наносов на участке реки оставался равным, то
русловые процессы были бы стабильными, но при нарушении баланса происходит
переформирование русла. Под действием изменяющегося гидрологического режима
русловые переформирования происходят на всем протяжении реки и во все времена, но
антропогенный фактор в ряде случаев играет значительную роль. Этот фактор
сказывается как при изъятии стока и пойменных отложений, так и при строительстве
водозаборных и регуляционных сооружений в пойме реки.
Рассмотрим механизм взаимодействия руслового потока, насыщенного наносами и
искусственного сооружения - водозаборного узла (ВУ). Как известно, при осуществлении
водозабора посредством плотинного ВУ коренным образом нарушаются естественные
условия течения воды и стока наносов. При этом происходят русловые
переформирования, заключающиеся в занесении и размыве бьефов. В специальной
литературе [4, 6] выделены три периода переформирования бьефов (рис. 2).
Рис. 2. Переформирование бьефов низконапорных плотин
1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий периоды переформирования бьефов
В первом периоде влекомые наносы полностью, а взвешенные частично
задерживаются в верхнем бьефе на участке распространения кривой подпора L1. В
нижнем бьефе осветленные расходы воды размывают русловые и пойменные отложения
наносов на участке L1. Окончание первого периода ограничено началом поступления в
нижний бьеф влекомых наносов.
Во втором периоде наблюдается восстановление бытовых отметок русла в
нижнем бьефе. Верхний бьеф заносится на длину L2. Конец второго периода
соответствует началу интенсивного поступления в нижний бьеф влекомых наносов.
В начале третьего периода продолжатся занесение верхнего бьефа. В связи с отбором
осветленного потока в каналы и перегрузкой речного потока наносами в нижнем бьефе
имеет место частичное или полное занесение отводящего русла на длину L3. Конец
третьего
периода
соответствует
полному
восстановлению
естественной
транспортирующей способности потока в верхнем бьефе на длине L3, которая может
распространиться на все подводящее русло при этом уклон свободной поверхности i3
приближается к уклону бытового русла iб.
Нами проводились наблюдения за работой ВУ на р. Сокулук системы канала «Орто»
(рис. 3).
Переформирования бьефов, описанные выше, в полной мере наблюдались только в
верхнем бьефе, вплоть до полного его занесения (рис. 4а). В отводящем русле реки за ВУ,
выполненном с уклоном iотв iб, третьего периода переформирования бьефов, то есть
занесения нижнего бьефа, не наблюдалось. Произошла самоотмостка русла. После 3…4
лет эксплуатации русло начало деформироваться. Приблизительно через 15 лет
эксплуатации размыв нижнего бьефа принял угрожающие размеры, грозя разрушением,
ВУ. Было принято решение о реконструкции ВУ, так как и в эксплуатации ВУ были
выявлены недостатки. После реконструкции, проведенной в 1998 году, отводящее русло
было выполнено из бетона в виде быстротока с водобойным колодцем для гашения
избыточной энергии потока и сопряжения с основным руслом реки (рис. 4.б). Как видно
из примера, при проектировании отводящего русла была допущена ошибка, приведшая к
его разрушению. Эта ошибка явилась следствием приведенного выше предположения о
занесении нижнего бьефа, которое следует считать не всегда верным.
4
2
3
5
а
1
Рис. 3. Водозаборный узел на р. Сокулук
системы канала «Орто»:
1 – река Сокулук, 2 – подводящее русло,
3 – отводящее русло, 4 – канал «Орто»,
5 – «плавкая вставка»
б
Рис.4. Вид на водозаборный узел на р. Сокулук с верхнего бьефа (а) и
с нижнего бьефа (б)
Другим примером антропогенного воздействия на пойму является строительство
берегозащитных дамб на р. Кугарт, правом притоке реки Кара-Дарьи. Эта река снегового
питания с широкой галечниковой поймой и отвесными берегами отличается значительной
неравномерностью стока, повышенным стоком наносов и селевым характером потока.
Особенностью р. Кугарт является то, что она практически не доносит свои воды до р.
Кара-Дарьи (за исключением половодий), так как они полностью разбираются на
орошение густонаселённой Кугартской долины. На верхних участках реки преобладает
общий размыв русла, на нижних - завал отложениями наносов, фракционный состав
которых характеризуется мелкозернистостью [3, 6].
Первые защитные дамбы на р. Кугарт возводились стихийным образом с
использованием местного строительного материала в начале 30-х годов прошлого
столетия. В этот же период велись берегоукрепительные работы, связанные со
строительством Кугартского головного водозаборного узла [1,6]. В последующие годы
проводились берегоукрепительные работы практически на всей длине пойменной части
реки (рис. 5а). В 1980-е годы была построена левобережная защитная дамба, защищавшая
село Кумуш-Азиз, которая вместе с правобережной образовала вдоль с. Сузак
канализированное русло р. Кугарт (рис. 5б).
В конце 1980-х годов канализированное русло начало заполняться отложениями
наносов, что привело к уменьшению уклона дна реки и снижению его пропускной
способности. Весной и в начале лета 1998 г. по рекам и временным водотокам в ЖалалАбадской и Ошской областях Кыргызской Республики прошли паводки и наводнения,
которые нанесли значительный ущерб населённым пунктам, водозаборным узлам,
защитным дамбам и другим объектам. Наводнения вызвали значительную эрозию и
серьёзные разрушения берегов рек, произошло переформирование русел рек, в результате
чего некоторые населённые пункты областей оказались затопленными.
а
б
Рис. 5. Разрушение берегозащитной дамбы в районе с. Спутник (а) и
канализированное русло (б) в районе с. Сузак.
После паводка были произведены работы по очистке канализированного русла,
однако ситуация повторилась. В 2003 г. при максимальном паводковом расходе на р.
Кугарт, прошедшем в апреле, который по оценке специалистов составил порядка 300 м3/с,
имела место угроза прорыва дамбы ниже моста «Сузак - Жалал-Абад». Вновь положение
осложнялось завалом зарегулированного русла отложениями влекомых наносов и
сокращением его пропускной способности. Подъём дна реки из-за отложений наносов
привел к тому, что река из водоприёмника стала источником подпитывания грунтовых
вод прибрежной зоны, что вызвало затопление прибрежных земель и ухудшение
мелиоративной обстановки на них.
Как видно из приведенных примеров, воздействие на пойму реки тем больше, чем
более нарушен естественный процесс течения реки. Следовательно, при проведении
работ в русле реки необходимо стремится создать такие условия, при которых бы
наблюдалось равновесное состояние в пойме, и каждое новое мероприятие должно
учитывать сложившееся равновесие.
Библиографический список
1. Билик О.А. Ирригация Кыргызстана в проектах и объектах. От прошлого к
настоящему. Бишкек: Кыргызстан, 1994. Т.1-3.
2. Большаков М.Н. Водные ресурсы рек советского Тянь-Шаня и методы их расчета.
Фрунзе: Илим, 1974.
3. Рамазан М. С. Некоторые особенности гидрологического режима и гидротехническая
классификация рек Киргизии. Фрунзе: Изд-во АН Кирг. ССР I960.
4. Артамонов К.Ф. Регулировочные сооружения при водозаборе на реках в предгорных
районах. Фрунзе: Изд-во АН Кирг. ССР, 1963.
5. Барышников Н.Б. Антропогенное воздействие на русловые процессы. Л.: Изд-во
ЛГМИ, 1990.
6. Ушаков А. П., Шолохов В. Н., Якштас И. А. Водозаборные узлы ферганского типа.
Ташкент: Изд-во АН Уз.ССР, 1962.