УКРАИНА
ООО "ЭКОТЕХНОЛОГИЯ"
УДК 627.141.1(04): 627.15; 556.537: 530.152.1.003.12
Крыленко И.В., Дзагания Е.В., Крыленко В.В., Крыленко В.И.
ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ РУСЕЛ МАЛЫХ ГОРНЫХ РЕК АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Донецк 2005
В течение всей истории, вплоть до недавнего прошлого, основной (и, нередко, жизненно важной) задачей местного населения и специалистов-гидротехников была защита сооруже-ний и угодий в прибрежной зоне рек от негативного воздействия речных потоков и русловых процессов. В XX веке одной из главных проблем стала защита рек (особенно малых), их ру-сел, пойм и русловые процессы от чрезмерных антропогенных воздействий (сооружений на реках и различных мероприятий в водосборных бассейнах). Это обусловлено тем, что не-гативные последствия этих воздействий по своим масштабам и значимости могут во много раз превышать или существенно снижать экономический эффект, полученный от сооруже-ний в руслах рек или проведения в их бассейнах лесомелиоративных и др. мероприятий. Ру-словые процессы наиболее быстро и остро реагируют именно на антропогенные воздействия, а степень его в теперешнее время может быть столь велика, что в корне меняет русловые процессы не только на самом водотоке, но и в его водоприемнике. Яркий пример этого - ин-тенсивная выемка аллювия (песка, гальки) из русел и пойм рек, вызывающая резкое паде-ние уровня воды и, как следствие, уменьшение глубины, обнажение водозаборных сооруже-ний, уменьшение поступления пляжеобразующих наносов на пляжи и др. негативные по-следствия. Естественный сток влекомых наносов не всегда или не полностью может компенсировать выемку аллювия (для этого иногда могут понадобиться многие го-ды). Еще больше может быть масштаб негативных последствий от сооружения плотин, раз-деляющих реку на верхний (где отлагаются наносы) и нижний (где идет интенсивный раз-мыв русла) бьефы. Всё это вызывает необходимость глубокого изучения русловых процессов и их изменений, происходящих при антропогенных воздействиях на них.
Мероприятия по охране окружающей среды требуют значительных затрат, что снижает экономическую эффективность инвестиций в строительство. Поэтому при строительстве дорог и мостов охранные мероприятия предусматривают обычно в явно заниженном объеме. При резком расширении сети дорог, строительстве мостов и освоении прилегающих территорий (как правило, в водосборах малых горных рек, которые пока-что остаются наименее хозяйственно освоенными) это может привести к нарушению равновесия склоновых и русловых процессов, а это, в свою очередь, снизит надежность и срок службы и дорог, и мостов, и др. объектов.
Применяемые для защиты от размыва и разрушения берегов (у дорог, мостов, различных инженерных сооружений и хозяйственных объектов) стенки, габионы и др. сооружения ограничивают или даже прекращают плановые деформации русла. Для защиты от половодий, паводков и наводнений (населенных пунктов, польдерных и мелиоративных объектов, сельхозугодий и т.п.) часто применяют дамбы обвалова-ния, отсыпаемые или намываемые из местных материалов, с закреплением откосов (бетоном, камнем, деревом, высевом быстрорастущих многолетних трав и др.). Что-бы не создавать дополнительного подпора, дамбы следует строить закругленными в плане, направляя пойменные воды в русло под небольшими углами. Cчитается, что строительство дамб обвалования в 3-4 раза дешевле подсыпки затапливаемых терри-торий [1]. Во многих случаях (особенно для малых поселений) вынос жилого фонда за пределы зон затопления обходится дешевле строительства защитных сооружений и не оказывает столь негативного влияния на русловые процессы. Предложены реше-ния по повышению экономической эффективности защитных сооружений в руслах рек путем их окультуривания и рекреационного использования [2].
Масштабы влияния антропогенных факторов на водоток зависят от соотноше-ния между классом водотока и мощностью воздействий на него.
Принято считать, что русловые процессы имеют довольно четкую дискретную структуру, позволяющую выделить характерные структурные уровни [3]. В пределах одного русла изменения происходят одновременно на всех уровнях, поэтому их нель-зя рассматривать как независимые. Можно утверждать[6], что антропогенные изме-нения режима течения оказывают непосредственное влияние на процессы низшего структурного уровня - микроформы руслового рельефа, имеющие высоту не более 0,1*Н (где Н - глубина водотока) и длину не более 0,1*Шв (где Шв - ширина водото-ка). Время жизни микроформы равно времени перемещения ее на расстояние, равное ее длине, и длится до нескольких суток. Период жизни мезоформ (их высота и протя-женность соизмеримы с глубиной и шириной потока) в ~50 раз больше, чем у микро-форм. Русловые переформирования на уровне мезоформ восприимчивы к антропо-генным воздействиям на сток воды лишь в случае, если изменение стока по продол-жительности соизмеримо с периодом жизни мезоформ (несколько месяцев) или пре-вышает его. На уровне мезоформ заканчивается иерархия русловых процессов, если русло зафиксировано (естественно или искусственно). Русловые деформации на более высоком уровне (макроформ) могут развиваться лишь при незакрепленной берего-вой линии и при наличии поймы (макроформы определяют русловые процессы реки в целом - ее морфологический тип [3], [4; 5]. Продолжительность деформаций на уровне макроформ весьма велика и соизмерима со сроками, в течение которых могут измениться природные факторы, влияющие на русловые процессы. Размеры плано-вых деформаций русла, приводящие к его коренной перестройке, имеют порядок не-скольких его ширин. Скорость плановых деформаций естественных водотоков обычно лежит в пределах ~1м/год, поэтому, характерный временной период русло-вых деформаций, приводящих к качественной перестройке русла, в ~500 раз больше, чем на уровне мезоформ (то есть достигает нескольких столетий). Однако, это касает-ся в основном равнинных рек и лишь в некоторой степени может быть приемлемо для условий горных рек.
Смена приоритетов в науке и практике русловых процессов, вызванная тем, что негативные последствия антропогенных воздействий на русловые процессы ста-ли соизмеримы с экономическим эффектом (или даже превосходить его) от использо-вания гидротехнических сооружений (ГТС) и др. объектов в руслах и поймах рек, обусловила возникновение весьма актуальной задачи русловедения, заключающейся в анализе и оценке антропогенных нагрузок различной мощности и продолжительно-сти, а также сопротивляемости речных русел различным видам деятельности людей. Эту сопротивляемость можно определить как способность речных русел к сохране-нию естественной морфологии и режима деформаций [20]. В данном случае сопро-тивляемость характеризует активную сторону русловых процессов и отличается от устойчивости, определяемой как способность противостоять внешним воздействиям [5].
Согласно постулату В.М.Лохтина, функционирование системы "русло-поток" основывается на трех главных природных факторах: уклон русла, его строение (в том числе - крупность наносов) и сток воды [6]. Из этих трех факторов строение и ук-лон русла являются базовыми, основополагающими (и, хотя и пассивными, но более постоянными, относительно неизменными во времени), а сток воды является актив-ным и часто изменяющимся по величине фактором. Они определяют и сопротивляе-мость речного русла антропогенным воздействиям. Чем больше крупность русло-формирующих наносов, тем сильнее русло может сопротивляться как внешним, так и внутренним воздействиям (ведь чем крупнее частица, тем больше требуется уси-лие, чтобы сдвинуть ее с места и привести в движение). Наиболее высока сопротив-ляемость скальных (лотковых) русел, проложенных в высокопрочных монолитных коренных горных породах. Аналогично действуют уклон русла и расход воды: чем круче русло (то есть больше его уклон) и расход воды, тем больше сопротивляемость русла реки любым (и внешним, и внутренним) попыткам вывести систему "русло-поток" из равновесия. Поэтому И.Н.Павлов (1994) [7], основываясь на разработках русловой школы МГУ, в качестве показателя сопротивляемости русел антропоген-ным воздействиям принял удельную потенциальную мощность речного потока УПМ (NiПот), отнесенную к 1км длины русла, рассчитываемую по общепринятой формуле [8] и учитывающую два из трех основных факторов - расход воды и уклон русла (до-пустив при этом ошибку в размерности в 1000 раз):
NiПот=0,001*9,81*Qi*Ji , МВт/км (1)
где Qi - расход воды на оцениваемом (i-том) участке реки, м3/с;
Ji - продольный уклон на этом же (i-том) участке, %о.
Для сопоставления сопротивляемости рек разной длины И.Н.Павлов [7] исполь-зовал относительную длину (то есть отношение расстояния от истока до оцениваемо-го участка Li к общей длине реки L), хотя трудно признать корректным включение в одну сравниваемую группу реки, отличающиеся по длине (а, следовательно, и по водности) в десятки-сотни и даже тысячи раз. По нашему мнению, сравнение по по-казателю сопротивляемости нужно делать с помощью совмещенных (для группы сравниваемых рек) графиков зависимости NiПот=f(Li). Если для построения таких графиков недостает данных, то для сравнения по показателю сопротивляемости (так же, как и по показателям устойчивости русла) реки надо сводить в группы, объеди-няющие реки, не очень сильно (во всяком случае, не больше, чем на один порядок) отличающиеся одна от другой по длине и расходу воды.
Данные по внутрирегиональному и межрегиональному сравнению рек Зап. Тянь-Шаня и Укр. Карпат по их удельной потенциальной мощности приведены в таблице (где УБУ означает "участок больших уклонов").
Таблица
Река-створ Li Li/L Ji Qi NiПот
Единицы измерения км доли един. %о м3/с МВт/км
Реки Западного Тянь-Шаня:
Угам-Ходжикент 68 1 6 21,5 1,3
Пскем-предустьевый участок 124 0,99 17 78,5 13,1
Пскем-устье 125 1 5 78,5 3,9
Ойгаинг 70 0,92 25 26 6,4
Ойгаинг-предустьевый участок 75 0,98 4 27,6 1
Ойгаинг-устье 76 1 2 27,6 0,5
Майдантал-ПВ-участок 46 0,87 51 15 7,5
Майдантал-устье 53 1 3 16,3 0,48
Коксу-устье 65 1 18 12 2,2
Терс-устье 44 1 20 8,5 1,7
Акбулак-устье 44 1 18 18 3,2
Обикашка-устье 6,5 1 570 0,1 5,7
Ахангаран-устье Яккаарчи 47 0,2 26 10 2,6
Ахангаран-устье Ирташсая 62 0,26 13 20,3 2,6
Ахангаран-Турк 78 0,34 6 26 1,6
Ахангаран-устье Карабаусая 100 0,42 8 38 3
Карабаусай-Актерек 29 0,8 25 3,07 0,76
Дукент-устье 33 1 9 3 0,27
Кызылча-устье 16 1 70 1 0,7
Нишбаш-устье 27 1 6 2 0,12
Нишбаш-устье Лашкерека 19 0,7 25 1,8 0,45
Лашкерек-устье 14 1 100 0,5 0,5
Реки Украинских Карпат:
Днестр у г.Самбор 59 0,06 2 9,73 0,2
Стрый у с.Завадовка 60 0,26 3 17 0,5
Тиса у г.Рахов 50 0,25 2,5 24,3 0,6
Тиса Черная у с.Белин 42 0,21 3 12,2 0,36
Прут у с.Яремча 55 0,18 12 10,7 1,26
Лютая (участок больших уклонов) 67 3,45 2,31
Яблоница (УБУ) 100 2,3 2,33
Брустурянка (УБУ) 33 8 2,66
Турбат на участках:
Li = 1км 1 0,05 120 0,1 0,12
Li= 4км 4 0,22 27 0,4 0,1
Li= 5км 5 0,27 67 0,6 0,4
Li= 7км 7 0,37 18 0,7 0,12
Li= 10км 10 0,53 31 1,2 0,36
Li= 12км 12 0,58 44 1,84 0,8
Li= 14км 14 0,75 29 2,1 0,6
Li= 15км 15 0,76 83 2,5 2,1
Li= 19км 19 1 11 3,3 0,36
Реки юго-западного макросклона Северо-Западного Кавказа (предустьевые участки):
участок от г.Анапа до г.Геленджик:
Сукко 1 0,71 0,007
Дюрсо 1 0,48 0,005
Озереика 1 0,35 0,0034
Цемес 1 0,52 0,005
Дооб 1 0,11 0,001
участок от г.Геленджик до г.Туапсе:
Мезыб 1 3,87 0,038
Хотецай 1 0,23 0,002
Джанхот 1 1,13 0,011
Красная щель 1 0,57 0,005
Первая щель 1 0,09 0,001
Пшада 1 9,82 0,096
Вулан 1 6,94 0,068
Тешебс 1 0,56 0,005
Джубга 1 1,52 0,015
Шапсухо 1 7,05 0,069
Нечепсухо 1 4,6 0,045
Ту 1 1,38 0,014
Казачья балка 1 0,38 0,004
Небуг 1 2,56 0,025
Агой 1 3,4 0,033
Паук 1 0,26 0,0025
участок от г.Туапсе до р.Псоу:
Туапсе 1 12,37 0,12
Шепси 1 1,96 0,019
Макопсе 1 1,45 0,014
Неожиданная 1 0,26 0,0025
Аше 1 13,47 0,0013
Туапсинка 1 0,7 0,007
Псезуапсе 1 15,57 0,15
Цусхвадж 1 1,21 0,012
Чухкут 1 0,41 0,004
Чимит 1 1,14 0,011
Шахе 1 33,65 0,33
Буу 1 0,43 0,004
Лоо 1 1,03 0,01
Хобза 1 0,59 0,006
Дагомыс 1 2,06 0,02
Мамайка 1 0,44 0,004
Сочи 1 18,45 0,18
Бзугу 1 0,23 0,002
Мацеста 1 2,3 0,023
Агура 1 0,51 0,005
Хоста 1 4,92 0,048
Кудепста 1 3,39 0,033
Херота 1 0,43 0,004
Мзымта 1 46,8 0,46
Псоу 1 19,4 0,19
Как видно из таблицы, как в Карпатах, так и на Тянь-Шане нет четкой зависимости УПМ (NiПот) от длины малой реки, что объясняется более быстрым падением про-дольного уклона русла по сравнению с ростом водоносности реки по мере удаления от истоков. Кроме того, в обоих регионах существенно сказываются скачки уклона вдоль реки, что заметно и в Карпатах (Турбат), и на Тянь-Шане (Ойгаинг, Майдан-тал, Ахангаран и др.). В целом УПМ для рек длиной 40-60км на Тянь-Шане в не-сколько раз больше, чем в Карпатах, поскольку на реках Тянь-Шаня уклоны значи-тельно больше при примерно близких (с реками Карпат) среднемноголетних расхо-дах воды. По этой же причине на Тянь-Шане УПМ больше, чем для горных рек Крыма и Алтая по данным И.Н.Павлова (1994), что свидетельствует о большей со-противляемости рек Тянь-Шаня антропогенным воздействиям. Малые горные реки Карпат по УПМ на 1-2 порядка превосходят горные реки Крыма и не уступают на-много более длинным горным рекам Алтая, что объясняется значительной водно-стью и уклонами рек Карпат. Отсюда следует, что удельная потенциальная мощ-ность водных потоков малых горных рек Зап. Тянь-Шаня и Укр. Карпат весьма зна-чительна, что благоприятствует их активной сопротивляемости антропогенным воз-действиям на их потоки и русла.
У предустьевых участков (наиболее важных с точки зрения поступления пляже-образующих наносов на морские пляжи) рек юго-западного макросклона Северо-Западного Кавказа значения УПМ-NiПот , а, следовательно, и сопротивляемость русел антропогенным воздействиям) значительно меньше, чем у малых горных рек Запад-ного Тянь-Шаня и Украинских Карпат; на участке от г.Анапа до г.Туапсе они не дос-тигают 0,1 МВт/км, на участке от г.Туапсе до р.Псоу значения УПМ (NiПот)>0,1 МВт/км имеют только самые значительные реки: Туапсе (УПМ=0,12), Шахе (УПМ=0,33), Сочи (УПМ=0,18), Мзымта (УПМ=0,46) и Псоу (УПМ=0,19).
Из формулы (1) следует, что при равных расходах воды УПМ речного потока прямо пропорциональна уклону русла. В связи с этим, сопротивляемость антропо-генным воздействиям порожисто-водопадных участков русел во много раз выше, чем всех других типов русел; по этой же причине (а также благодаря большей устойчиво-сти коренных монолитных скальных пород по сравнению с валунно-глыбовыми на-громождениями) сопротивляемость антропогенным воздействиям у скульптурных и скально-лотковых форм ПВ-участков русел гораздо больше, чем у валунно-глыбовых. Таким же образом сопротивляемость антропогенным воздействиям русел с неразвитыми аллювиальными формами (НАФ) в общем выше, чем русел с разви-тыми аллювиальными формами (РАФ). Сопротивляемость русел рек, сформирован-ных в прочных монолитных скальных породах, выше, чем сформированных в легко разрушаемых скальных, а тем более - в малопрочных, несвязных и, особенно, лёссо-видных породах. По этой причине очень высока сопротивляемость русел рек, вре-занных в массив Ангренского батолита, сложенного порфирами и гранитами (верхо-вья Ахангарана, его многочисленные истоки и притоки; верховья рек, стекающих с юго-восточных склонов Кураминского хребта в Ферганскую долину; верховья пра-вых притоков Терса). Весьма высока сопротивляемость русел рек, врезанных в мас-сивы известняков и доломитов (средние и нижние участки Коксу, Акбулака, Терек-лисая и др.). Очень низкой сопротивляемостью отличаются многие реки низкогорья (особенно те, что формируют свой относительно малый сток в низкогорье), посколь-ку их русла сформированы в малосвязных, легко размываемых породах, что не дает возможности рекам иметь значительные (для повышения сопротивляемости) укло-ны. Это характерно для малых рек-саев средней части Ахангаранской долины, юго-восточного макросклона Кураминского хребта и обоих бортов Чарвак-Чирчикской котловины.
В Укр. Карпатах реки, формирующиеся или протекающие в массивах извер-женных пород (ландшафты между Ужом, Латорицей, Боржавой, Тисой), мраморов и известняков (Горганы, Бескиды, в том числе ландшафты и местности верховий, среднего течения и междуречий Завадки, Стрыя, Опора, Мизунки и др. рек) имеют в среднем (по сравнению с Флишевыми Карпатами) большие уклоны русел и сопро-тивляемость антропогенным воздействиям (при прочих равных условиях).
Таким образом, показатель сопротивляемости русел антропогенным воздейст-виям учитывает активные свойства русел (удельную потенциальную мощность реч-ного потока), однако, не менее важными являются и "пассивные" характеристики русла - его тип и прочностные свойства горных пород, слагающих русло, учитывае-мые уже другим показателем - устойчивостью русла.
Список литературы
1. Найфельд Л.Р. Инженерная подготовка пойменных и заболоченных территорий для градостроительства. -М.: Стройиздат, 1971. -183с.
2. Амачаев В.П. Технико-экономический доклад о противопаводковых мероприятиях для защиты народно-хозяйственных объектов Приморского края от наводнений. -Владивосток: СоюздальГИПрорис, 1992. -155с.
3. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко В.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. -Л.: Гидрометеоиздат, 1982. -272с.
4. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. -М.: МГУ, 1955. -347с.
5. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. -М.: МГУ, 1979. -232с.
6. Лохтин В.М. О механизме речного русла. -Казань, 1885. -76с.
7. Павлов И.Н. Сравнительный анализ русловых процессов рек различной водо-носности в горно-предгорно-равнинных регионах и их антропогенная изменен-ность (на примере рек Крыма и Алтая). -Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук, -М.: МГУ, 1994. -21с.
8. Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов СССР. -М.: Энергоиздат, 1982. -324с.