Заиление и занесение водохранилищ

Заиление водохранилища — это процесс заполнения емкости водохранилища нано­сами, вносимыми в него поверхностным стоком, а так­же наносами, образующимися в ре­зультате раз­рушения берегов. Понятия за­иленияи занесения водохранилищ различают, имея в виду, что заиление происхо­дит взвешенными наносами, а занесение — дон­ными нано­сами и продук­тами разрушения берегов водохранилищ (абразии). В небольших водо­хранилищах горных рек преоб­лада­ют процессы занесения (особенно селевыми потоками), в водохрани­ли­щах равнинных рек — процессы за­иления (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Схема заиления и занесения верхнего бьефа

и размыва нижнего бьефа гидроузла:

1 — плотина; 2 — уровень воды и дно реки до сооружения водохранилища; 3 — тело заиле­ния водохранилища мелкими наносами; 4 — тело занесения водохранилища крупными нано­сами; 5 — нормальный подпорный уровень воды (НПУ) в водохранилище после сооружения плотины;
6 — то же, после заиления и занесения части водохранилища; 7 — размыв русла в нижнем бьефе; 8 — уровень воды в нижнем бьефе после размыва

.

Заиление происходит по всей площади водохранилища, занесение же начинается в верх­ней его части и постепенно перемещаются в сторону плотины. Круп­ные переформи­рования берегов в результате колебаний уровня воды, ветрового волнения, вдольберего­вых течений и т.д. вызывают обвалы и оползни, усиливающие процессы заиления и зане­сения водохранилищ.

В водохранилищах руслового типа отложения наносов распре­деляются более или менее равномерно или приобретают вид гряды, постепенно передвигающейся из верхней части во­дохранилища к плотине. Процесс заиления водохра­нилищ носит затухающий характер, проис­ходит повышение дна и уменьшение глубин в зоне кривой подпора.

Ориен­тировочно продолжи­тельность периода заиления T (в годах) можно оценить отно­шением мерт­вого объема водохранилища V_мк объему годового стока нано­сов ∑R, посту­пающих в водохранилище:

T = V_м / ∑R. (12.1)

Процесс заиления больших водохранилищ равнин­ных рек, ввиду пониженной их мутно­сти, длителен и обычно измеряется сотнями лет. На горных реках процесс заполнения водо­хра­нилищ наносами происходит значи­тельно быстрее, чем на рав­нинных реках. Это обу­словлено большими уклонами горных рек, более высокими расходами наносов (особенно при образовании селей) и мень­шими объемами водохранилищ. Известны случаи, когда продолжительность заиления и занесения водохранилищ ограничива­лась 1−3 годами. Приме­ром быстрого заиления водохранилищ на больших реках может служить Фархадское водо­хранилище на р. Сырдарья, которое было полностью заилено в течение 15 лет.

12.3. Изменение русловых процессов при преобразовании русел рек

Основными видами работ в руслах рек, вы­зывающих существенное нарушение естест­венного процесса взаимодействия потока и русла, являются:

― выправительные работы;

― дноуглубительные работы;

― карьерные разработки;

― сооружение дамб в целях защиты от наводнений;

― спрямление русел рек при мелиорации;

― сооружение мостов через реки.

Некоторые из перечисленных видов работ выполняются комплексно. Так, работы по поддержанию и достижению габаритов судоходного пути делятся на два ос­новных типа: вы­правительные и дноуглубительные. Выправительные работы заключаются в постройке дамб или берегоукрепительных устройств, с целью придать потоку плавные формы и постепенное сопряжение изгибов с прямыми участками, плёсов с перекатами. Дноуглубительные ра­боты состоят в удалении с судового хода грунта. Наименьшие глубины наблюдаются на так называемых лими­тирующих перекатах. Их увеличение достигается землечерпанием или с помощью земснарядов. При этом плёсовые участки используются для отвалов грун­тов. Комплексное применение выправительных и дноуглубительных работ позволяет наиболее полно использовать транспортные возможности реки.

К этим видам работ примыкают карьерные разработки с целью добычи песка и гравийно-галечниковой смеси из русла. Местоположение карьеров обычно приурочено к гребням перекатов, побочням, пляжам, осередкам, островам или другим выпуклым фор­мам рельефа русла и поймы.

На ряде рек России (Томь, Обь, Белая, Уфа, Иртыш и др.) объемы извлекаемого грунта во много раз превышают годовой сток наносов этих рек, частично компенсирую­щий удаленный аллювий. Мест­ное понижение дна водотока интенсифицирует размыв дна выше и ниже по течению, плановые деформации сменяются вы­сотными деформациями размыва. Для запол­нения таких карьерных выемок за счет естественного стока наносов потребуются десятки и сотни лет. Степень влия­ния карьерных выемок на русловые про­цессы находится в прямой зависимости от их размеров относительно разме­ров реки.

Одним из негатив­ных последствий проведения вышеуказанных работ является снижение уровней воды, обнажение во­дозаборов и водовыпусков, подмыв мостовых опор и переходов, нарушение устойчивости портовых гидротехнических сооружений и ухуд­шение судоходных условий. Это особенно четко прослеживаются при ана­лизе кривых рас­ходов воды, полученных за ряд лет. Так, по дан­ным расчетов, выполненных по рекам Бе­ларуси (Западная Двина, Нёман, Днепр, Припять, Березина, Сож и др.), их значения на ряде участков за период от 50 до 100 лет достигли 0,5−1,0 м, а по некоторым рекам России ― до 3 м. При значительных падениях уровня воды его отметки в маловодные периоды стано­вятся меньше отметок нулей графиков водпостов и отсчеты уровней в этот период становятся отрицательными, несмотря на то, что отметки нулей графиков при открытии водпостов назнача­ются на 0,5−1,0 м ниже наинизших уровней.

Наи­более распространенными сооруже­ниями для защиты от наводнений насе­лен­ных пунктов, сельхозугодий, польдерных и мелиоративных объектов в поймах рек явля­ются дамбы обвалования. Они представляют собой возвышающиеся над поверхностью земли искусствен­ные сооружения, отсыпаемые или намываемые, как правило, из местных материалов. Наибольшее развитие такие дамбы получили в Китае, где вдоль бере­гов Вели­ких китайских рек построены дамбы длинной в сотни и даже в тысячи километров. В Беларуси в результате мелиоративных работ построено дамб на протяжении 4,3 тыс. км, в основном в поймах Припяти и ее притоков

Дамбы обвалования, полностью или частично отгораживая пойму от русла реки на участках различной, иногда очень боль­шой длины, оказывают сильное воздействие на ру­словые процессы. Действительно, дамбы, препятствуя развитию плановых деформаций, заставляют систему «поток — русло» перестраи­ваться, переводя плановые деформации в высотные. При этом плановые деформации, характерные для меандрирующих рек, сме­няются вы­сотными деформациями размыва.

В Беларуси особенно четко эти процессы проявляются в поймах Припяти и ее при­токов. На крупных реках мира они наиболее развиты в их дельтах рек, где уменьшение уклонов водной поверхности является вполне законо­мерным процессом. Помимо этого, изменение гидравлики потока, вызываемое дамбами, перекрываю­щими поймы, часто при­водит к резко выраженной косоструйности течений, вызывающей так называемый сосре­доточенный размыв, оказывающий негативное воздействие на ус­тойчивость дамб.

В развитых странах в понятие регулирование русел включают разные мероприятия: спрямление, закрепление берегов и обвалование. Разновидностью регулирования явля­ется, с одной стороны, канализованность русла, т.е. полное изменение естественной формы поперечного сечения, с другой стороны ― периодическое локальное углубление русла на перекатах для улучшения условий судоходства и др. Исключительно высокая степень канализованности русел в процессе регулирования характерна для рек Северной Америки и Западной Европы. Так, после спрямления 16 излучин р. Миссисипи длина реки сократилась на 300 км, а уклон увеличился в среднем на 12 %, а местами в 20 раз. Пре­вращение русла р. Миссури из разветвленного в прямолинейное привело к понижению меженных уровней на 3 м за 40 лет. В Нидерландах значительная часть территории залива Зандерзее отделена дамбами от моря и используется в виде польдеров для сельского хо­зяйства.

В г. Минске в результате спрямления, регулирования и обустройства русла естест­венная длина р. Свислочь (от плотины Заславского водохранилища до водовыпуска Минской очист­ной станции МОС) сократилась на 12 км (с 63 до 51 км).

Своеобразные русловые деформации возникают под влиянием мостовых перехо­дов. Все мостовые переходы в той или иной степени стесняют паводочные потоки и тем самым увеличивают среднюю ско­рость потока, что приводит к нарушению естественного динамического равно­весия между потоком и руслом. В результате сооружения мостов и насыпей дорог создается под­пор, приводящий к повышению уровней воды выше по тече­нию, подтоплению уго­дий, забола­чиванию пойм, а иногда и к подтоплению населенных пунктов. Ниже мостовых перехо­дов глубина и продолжитель­ность их затопления значи­тельно меньше, чем в бытовых (естественных) усло­виях, следовательно, и меньшее коли­чество наносов откладывается на них, в том числе за счет продуктов подмостового раз­мыва. Это ухудшает структуру пойменных почв и снижает их сельскохозяйственную про­дуктив­ность. В горных районах при строительстве дорог и мостовых пере­ходов земляные работы часто являются причиной возникновения или активизации селевых потоков.

В Минприроды Республики Беларусь в 1998 г. разработаны «Рекомендации преду­преждения эколого-водохозяйственного ущерба от изменения руслового процесса рек дноуглублением и обвалованием». Они обеспечивают предупреждение эколого-хозяйст­венного ущерба при: добыче нерудных строительных материалов (НСМ); устройстве су­доходных прорезей и прокладке трубопроводов; обваловании рек и строительстве польде­ров.