8

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

М.М. Мордвинцев, т.А. Богуславская

Восстановление рек и водоемов

( Практикум )

Рекомендовано УМО по образованию в области природообустройства

и водопользования в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 280300

«Водные ресурсы и водопользование»

Новочеркасск 2006

УДК 556.53: 627.15

М 792

Рецензенты: Т.П. Кашарина – доктор технических наук, профессор

(ФГОУ ВПО НГМА)

М.А. Чеботарев – директор института «Южвжвод-

проект», кандидат технических наук, доцент

Мордвинцев М.М.

М 792 Восстановление рек и водоемов [Текст]: практикум /М.М. Мордвинцев, Т.А. Богуславская; Новочерк. гос. мелиор. акад.– Новочеркасск, 2006. – 123 с.

Изложены методические и практические рекомендации по проектированию комплекса мероприятий на средних и малых степных реках, направленных на восстановление режима и состояния, а также на рациональное использование их водных и земельных ресурсов.

Предназначены для студентов гидротехнических и природоохранных специальностей вузов, могут быть полезны также специалистам, занимающимся вопросами мелиорации и водного хозяйства.

УДК 556.53:627.15

© М.М. Мордвинцев Т.А. Богуславская, 2006

© НГМА , 2006

Оглавление

	с.
ВВЕДЕНИЕ	5
1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНОГО ОБЪЕКТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
1.1. Описание природных условий объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
1.2. Составление линейной схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	13
1.3. Оценка состояния водных ресурсов и степени регулирования стока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	14
1.4. Оценка пропускной способности русла реки . . . . . . . . . . . . .	18
1.5. Анализ причин деградации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	20
2. ВЫБОР КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ НА ВОДОСБОРЕ И В РУСЛЕ РЕКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
2.1. Защитные мероприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
2.2. Восстановительные мероприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	29
2.3. Хозяйственные мероприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	30
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	34
3.1. Определение параметров расчистки русла . . . . . . . . . . . . . . .	34
3.2. Расчет регулирующей емкости рекультивационного водохранилища . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	43
3.3. Расчет наносохранилища на балке (овраге) . . . . . . . . . . . . . .	53
4. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ ПОПУСКОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	59
4.1. Схемы конструкций водосбросных сооружений . . . . . . . . . .	59
4.2. Расчет и конструирование донного водосброса с катковым затвором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	62
4.3. Расчет и конструирование водосбросного канала с размываемой вставкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	79
4.4. Пример расчета сооружений в составе гидроузла рекультивационного водохранилища . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	82
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ . .	90
5.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	90
5.2. Пойменная копань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	90
5.3. Водоподъемная плотина с вододействующим затвором . . . .	100
ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	118
ПРИЛОЖЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	120

В В Е Д Е Н И Е

Роль рек в жизни людей огромна: пресная чистая вода нужна так же как и воздух для дыхания. Вода в больших реках на 80-85% доставлена малыми реками, поэтому режим больших рек во многом определяется режимом малых рек. В последние десятилетия на реки сильно возросла антропогенная нагрузка (водозабор, строительство многочисленных прудов, распашка крутосклонных земель и пойм, сброс сточных вод и т. п.). Сделано это было, к сожалению, без соизмерения с возможностями рек. Под такой чрезмерной нагрузкой ухудшился режим рек и, как следствие, изменилось их состояние.

Изменение состояния рек проявилось в заилении или размыве их русел, ухудшении качества воды, утрате продуктивности пойменных массивов, их заболачивании или остепнении. Утрачено хозяйственное рекреационное и эстетическое значение малых и средних рек.

Под рекультивацией (восстановлением) малых рек понимается в первую очередь, создание условий, способствующих улучшению режима и стимулированию природных процессов, которые направлены на восстановление рассматриваемых объектов. В основу рекультивации положен бассейновый принцип и комплексность проведения восстановительных мероприятий, т.е. воздействие осуществляется не на отдельный элемент речной системы, а в целом на всю систему.

В практическом пособии рассматриваются вопросы восстановления утраченных режимов малых рек и улучшения их состояния с позиции природоохранной деятельности и приоритетности водоохранных мероприятий над хозяйственными.

Цель настоящего практикума – оказание методической помощи студентам при уяснении задач и последовательности выполнения проектов восстановления водных объектов, отыскание необходимой для проектирования справочной информации.

Практические занятия по усвоению курсов «Восстановление рек и водоемов» и «Инженерные мелиорации рек и водоемов» предусмотрены учебными планами по специальностям 280302 – «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», 270104 – «Гидротехническое строительство» и рассчитаны как на аудиторную, так и на самостоятельную работу студентов. В 2003 г. было издано учебное пособие «Восстановление рек и водоемов», рекомендованное УМО для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 280300 «Водные ресурсы и водопользование». Настоящий практикум издается в развитие и углубление изучаемой дисциплины.

Исходными данными для выполнения практических работ служат материалы топографических, гидрологических и инженерно-геологических изысканий реальных проектов восстановления и расчистки малых и средних рек Краснодарского, Ставропольского краев, Белгородской, Воронежской, Волгоградской, Орловской, Ростовской, Саратовской областей Российской Федерации. Эти материалы собраны в отдельные папки заданий и позволяют студентам подробно ознакомиться с объектом, его характеристиками и состоянием, причинами деградации. Конкретные условия проектирования (расчетный створ, вид хозяйственного мероприятия, параметры балки или оврага под наносохранилище и т.п.) вносятся в индивидуальный бланк задания, выдаваемый студентам перед началом выполнения работы.

Во вводной части практической работы студент сообщает о местоположении и размере участка реки, раскрывает природоохранное и хозяйственное значение темы, цель и основные задачи проектирования. К задачам проектирования относятся: установление причин деградации участка, выбор комплекса мероприятий на устранение причин и ликвидацию последствий деградации, определение размеров и количественных характеристик запроектированных мероприятий, оценка влияния мероприятий на режим и состояние реки, оценка возможности хозяйственного использования водных ресурсов восстанавливаемого объекта.

1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНОГО ОБЪЕКТА

1.1. Описание природных условий объекта

Для описания природных условий используются фондовые материалы объекта восстановления (справочники, кадастры, гидрологические ежегодники, результаты изысканий проектных институтов и пр.). Из комплекта материалов изысканий для восстанавливаемого объекта рекомендуется изучить пояснительную записку, гидрологическую записку и инженерно-геологическое обоснование. Ниже дается содержание разделов, которые необходимо отразить при выполнении практической работы.

Климат. Рельеф

В этой части работы указывается, по какой ближайшей метеостанции использованы данные для характеристики климата и его классификационное определение (умеренно-континентальный, засушливый и т. п.).

Температурный режим описывается кратко: среднегодовая температура воздуха, абсолютные наибольшие и наименьшие температуры, средняя продолжительность безморозного периода.

Студенту следует также охарактеризовать высоту снежного покрова, глубину промерзания почвы, среднее многолетнее количество осадков и их внутригодовое распределение, испарение с водной поверхности водоемов как за год в целом, так и в динамике по месяцам года.

Режим снего-ледяного покрова характеризуется толщиной и условиями образования на водоемах незамерзающих участков: полыней и проталин.

В климатической характеристике также указывается преобладающее направление ветров, максимальная наблюденная скорость ветра.

Описание рельефа участка и прилегающих склонов дается по пояснительной записке. Обязательно указываются уклонные характеристики, изрезанность водосбора овражно-балочной сетью, интенсивность эрозионных процессов и т. п.

Гидрологическая характеристика

Описание гидрологии реки и ее рекультивируемого участка – наиболее ответственная и обязательная часть раздела 1. Здесь следует указать, к бассейну какой реки относится данный объект, общую длину реки и ее водосборную площадь. Приводятся основные гидрологические характеристики участка: площадь водосбора, средневзвешенный уклон русла, наличие лесной растительности, степень распаханности водосбора, основные источники питания реки, продолжительность половодья.

Годовой естественный сток и его внутригодовое распределение характеризуется расходами и объемами стока воды, коэффициентом вариации стока. В тех случаях, когда годовой сток представлен только значениями расхода воды , следует вычислить его объем.

Расчетные значения максимальных расходов воды приводятся в табличной форме для обеспеченностей 1, 5, 10, 25% как для весеннего половодья, так и для дождевых паводков.

Сток наносов характеризуется объемом среднегодового стока и мутностью. При наличии характеристики ледового режима, его следует описать в данной части раздела.

Инженерно-геологические условия

В инженерно-геологических условиях следует указать литологическое строение русла реки и поймы, физические свойства выделенных слоев грунтов, мощность каждого слоя.

Гидрогеологическое описание включает глубину залегания грунтовых вод, направление грунтового потока, качество грунтовых вод.

На чертеже вычерчивается поперечное сечение русла реки и прилегающей поймы для расчетного створа, указанного в бланке задания. На поперечнике показываются границы литологических слоев и условными обозначениями наносятся залегающие в русле и на пойме грунты (рисунок 1.1).

Продольный профиль реки вычерчивается для участка длиной 1 км. Выбор участка продольного профиля осуществляется с учетом размещения в его середине расчетного створа. На продольном профиле, также как и на поперечнике, показывается литологическое строение русла (рисунок 1.2).

Современное состояние реки

Необходимо дать характеристики заиленности русла, степень зарастания, состояние берегов, распаханность поймы, наличие древесно-кустарниковой растительности, глухих перемычек-переездов в русле, хозяйственное использование ресурсов реки, причины ее деградации. Эта часть раздела формируется из отдельных сведений, имеющихся в пояснительной и гидрологической записках комплекта исходных материалов. В этом разделе приводятся состав водопотребителей и водопользователей, объемы водозабора и сброса сточных и возвратных вод, качество сбросных вод. При наличии сведений о хозяйственной деятельности на водосборе указывается продуктивность пашни и лугов.

При характеристике современного состояния указывается рыбохозяйственное значение реки, видовой состав ихтиофауны, наличие или отсутствие нерестилищ, состояние кормовой базы. В малые реки Ростовской области во время нереста заходят проходные и полупроходные виды рыб: лещ, судак, тарань. Наряду с ними, здесь обитают туводные виды рыб: густера, сазан, серебряный карась, красноперка, язь и другие. Нерест рыб в реках наблюдается в марте-июне. Скат молоди – в мае-августе.

Рисунок 1.1 – Поперечный профиль р. Гнилая на ПК 36+85

Рисунок 1.2 – Продольный профиль р. Гнилая от ПК 32+35 до ПК 41+85

Пример описания природных условий объекта восстановления

Участок реки Кумшак, подлежащий рекультивации, длиной 12 км расположен между станицами Чертковская и Маркинская в Морозовском районе Ростовской области.

Климат. Для характеристики климата использованы многолетние наблюдения по ближайшей метеостанции г. Цимлянск. Климат рассматриваемого района умеренно-континентальный, полузасушливый. Средняя годовая температура воздуха – «+18,2⁰»; среднемесячная температура самого холодного месяца – января – « –7,0⁰»; абсолютный минимум – « –34⁰»; среднемесячная температура самого теплого месяца – июля – «+23,4⁰»; абсолютный максимум – «+40⁰». Максимальная глубина промерзания почвы 1,1 м.

Среднее многолетнее количество осадков составляет 510 мм, из них в теплый период (апрель – октябрь) выпадает 266 мм, в холодный (ноябрь – март) – 244 мм. Среднее многолетнее испарение с поверхности водоемов составляет 640 мм в год. Преобладающими являются ветры восточного и западного направления; восточные ветры наиболее сухие и жаркие летом, очень холодные зимой; западные ветры зимой обычно приводят к оттепелям, они приносят наибольшее количество осадков; максимальная скорость ветра 24 м/с. Рельеф участка спокойный, высота водоразделов не превышает 100 м, эрозионная расчлененность средняя, но имеются овраги и наблюдается сильный поверхностный смыв почв. Уклоны склонов речной долины не превышают 1 -2 ‰.

Гидрология. Река Кумшак является правым притоком реки Дон. Параметры годового стока определены расчетом с использованием рек – аналогов (река Калитва и река Кагальник Донской) и приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Годовой сток р. Кумшак в граничных створах участка

восстановления

F, км2	Q0, м3/с	q0, л/с∙км2	Cv	Cs	Ед. изм.	Обеспеченность, %
						50	75	95
Створ № 1 – начало участка рекультивации
297	0,20	0,67	0,74	2 Cv	м3/с	0,160	0,092	0,031
					т. м3	5040	2900	978
Створ № 2 – конец участка рекультивации
390	0,27	0,69	0,72	2 Cv	м3/с	0,220	0,130	0,045
					т. м3	6940	4100	1420

Сток р. Кумшак формируется за счет талых вод в период весеннего снеготаяния. Весеннее половодье кратковременно, с интенсивным подъемом и спадом, в основном проходит в марте. Расчетные значения максимального стока весеннего половодья приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Параметры максимального стока весеннего половодья

Ед. изм.	Cs = 2 Cv		Обеспеченность, %
	норма	Cv	1	5	10	25
Створ № 1 – начало участка рекультивации
м3/с			141,0	91,6	70,8	42,8
мм	20	0,86	80	54	43	27
т. м3			23760	16040	12770	8020
Створ № 2 – конец участка рекультивации
м3/с			173,0	112,0	87,0	52,6
мм	20	0,86	80	54	43	27
т. м3			31200	21060	16770	10530

Максимальные расходы и объемы дождевого паводка в граничных створах участка р. Кумшак приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Максимальные расходы и объемы дождевого паводка

Водоток, створ	F, км2	Ед. изм.	Обеспеченность, %
			1	5	10	25
р. Кумшак, створ № 1	297	м3/с	43,10	19,40	12,90	5,17
		т. м3	6830	3070	2050	820
р. Кумшак, створ № 2	390	м3/с	45,60	20,50	13,70	5,47
		т. м3	8190	3690	2460	980

Инженерно-геологические условия. В геологическом строении территории на разведанную глубину 10 м принимают участие современные аллювиальные отложения русла реки, верхнечетвертичные аллювиальные отложения днища и бортов долины, нижне-верхнечетвертичные эоловоделювиальные отложения склонов. По литологическому строению и физико-механическим свойствам грунты, слагающие участок рекультивации и площадки подпорных сооружений, разделены на инженерно-геологические слои: I – почвенно-растительный слой (черный, суглинистый); грунты вскрыты на берегах реки повсеместно; мощность слоя 0,2 – 0,3 м; I-а – ил суглинистый (мощность русловых осадков 0,9 – 3,4 м); I-б – ил суглинистый (илы черные, текучие, частично глинистые, общая мощность илов 0,4 – 0,9 м); II - суглинки желто-бурые зоны аэрации, тугопластичные в естественном состоянии и полутвердой текучей консистенции при водонасыщении, распространены на ограниченных участках берегов реки, мощность слоя на удалении 5 – 10 м от уреза воды составляет 0,2 – 2,2 м; II-а – суглинки желто-бурые, бурые зоны водонасыщения (в русле суглинки вскрыты повсеместно и залегают под суглинками слоя III, вскрытая мощность слоя в русле 1,6 – 5,0 м); III – суглинки черные, гумусированные, илистые с корнями растений (грунты распространены под илами в русле реки, мощность отложений 0,8 – 2,5 м, консистенция суглинков колеблется от мягкопластичной до текучей).

Современное состояние участка р. Кумшак. Русло реки на всем протяжении меандрирует, ширина колеблется от 3 до 46 м; глубина водотока изменяется от 0,1 до 2,1 м; на отдельных участках водоток отсутствует, русло и берега заросли камышом, отдельно стоящими деревьями.