Поиск

Регулирование рек-водоприемников
17.08.2015

Регулирование рек-водоприемников — одно из важнейших мероприятий при мелиорации древнеозерных пойм. Без надежного водоприемника, обеспечивающего своевременный прием и отвод избыточных вод, нельзя мелиорировать поймы при самотечном отводе воды. Река не только водоприемник для избыточных поверхностных и грунтовых вод, она также источник снабжения водой сельскохозяйственных культур в засушливый период.
Проведенные работы по регулированию рек-водоприемников в нашей стране сыграли значительную роль при осушении пойм и явились хорошей школой для гидротехников. Методы регулирования рек при осушении описаны Г. Энгельманом, И.И. Жилинским, а в советское время А.Д. Брудастовым, А.Ф. Печкуровым, М.В. Потаповым и др.
При осушении пойм регулирование рек-водоприемников широко проводилось на pp. Дубне, Ирпене, Цне, Кудьме, Яхроме, Неруссе, Пехорке, Трубеже, Устроме и др.
Для проектирования регулирования реки надо знать причины ее неудовлетворительного состояния в качестве водоприемника, так как от этого зависят методы регулирования.
Главными показателями неудовлетворительности в естественном состоянии реки (как водоприемника) являются высокие уровни воды, создающие подпоры в осушительной сети, продолжительное, недопустимое по условиям использования затопление пойм весенними паводковыми водами и летними паводками, малые скорости течения из-за малых уклонов и зарастания русла.
Основными причинами неудовлетворительного состояния рек-водоприемников, вызывающих высокое стояние уровней воды в расчетные периоды и затопление пойм долее допустимого времени, являются следующие: подпоры воды в реке от остатков плотин водяных мельниц, существующих гидроэлектростанций, мостов, судоходных шлюзов; недостаточные размеры поперечных сечений русла, неспособных с необходимыми запасами пропустить расчетные расходы; большая шероховатость русла из-за зарастания, заиления, обрушения откосов, завалов деревьями; значительно изменяющиеся по длине реки уклоны из-за сильной извилистости ее русла, вызывающие уменьшение скоростей течения, отложение наносов и подпоры воды.
На всех регулируемых реках-водоприемниках, как правило, эти причины выражены все вместе, но с разной интенсивностью на отдельных участках реки.
Реки используют для питьевого, хозяйственного и промышленного водоснабжения, рыбного хозяйства, судоходства и т. д. Одновременно с проектированием регулирования реки-водоприемника в целях сельскохозяйственного использования пойм следует учитывать требования других отраслей народного хозяйства, интересы населения прилегающих к пойме селений и последствия регулирования для нижерасположенных земель.
Комплексное использование рек значительно расширяет состав гидротехнических мероприятий: строительство шлюзов, водохранилищ, переброска воды из других водоемов, регулирование стока на водосборе и т. д.
Возникает необходимость увязки режимов уровней и расходов реки с режимом потребления воды и требуемыми уровнями для мелиорации, судоходства, промышленных водозаборов.
Основные методы регулирования рек-водоприемников следующие: устранение подпоров от сооружений, увеличение уклона реки, уменьшение шероховатости русла, увеличение размеров его поперечных сечений, придание ему равномерного поперечного профиля и устойчивости; регулирование стока водохранилищами и другими мероприятиями на водосборе.
Подпоры от сооружений на реках могут быть главной причиной неудовлетворительного состояния водоприемника. Без ликвидации подпоров все другие мероприятия по регулированию реки будут неэффективны. Но если подпоры от сооружений нельзя устранить из-за невозможности ликвидации или перестройки сооружений, тогда приходится переходить, где это целесообразно, на механический водоподъем.
Уменьшение шероховатости русла очень важно для повышения его пропускной способности. Растительность в несколько раз (иногда в 10—20) повышает коэффициент шероховатости, уменьшает скорости течения, способствует подъему уровней воды в русле.
Борьбу с зарастанием проводят при помощи выкашивания растительности, очистки русла, увеличения скоростей течения, затенения каналов, химических средств, разведения рыбы (белый амур и толстолобик) и др. Ho не все эти способы надежны, долговременны и применимы в разных условиях.
А.Д. Брудастов считал, что затенение единственный рациональный метод борьбы с зарастанием. Действительно, кустарник и древесная растительность, посаженные вдоль русла, задерживая солнечные лучи, могут предохранить его от зарастания, но при этом исключаются механизированная очистка и ремонт русла. Крайне затруднена и реконструкция осушительных систем, при которой требуется изменение размеров поперечных сечений русла.
Химические способы борьбы с зарастанием русла весьма эффективны, однако применение их может причинить вред людям, рыбам, домашним и заповедным животным. В исследованиях химических средств борьбы с зарастанием мало еще уделяют внимания их влиянию на людей, животных, рыбу.
Наиболее эффективный способ борьбы с зарастанием рек-водоприемников машинная очистка.
Реки заболоченных пойм древнеозерного типа характеризуются небольшими уклонами из-за множества разнообразных изгибов в плане. Это приводит к уменьшению скоростей течения, зарастанию и снижению пропускной способности русла, а следовательно — к подъему уровней воды в реке и грунтовых вод на пойме. Регулировочные работы в этом случае направлены на увеличение уклона путем спрямления русла, уменьшения изгибов, сокращения общего пути движения воды. Это значительно повышает скорости течения, снижает уровни воды в русле, уменьшая площадь живого сечения потока.
Трасса регулируемого русла реки должна: проходить по наиболее пониженным местам поймы, а при наличии торфа по наименьшим отметкам минерального дна, чтобы обеспечивалась возможность отвода воды со всей поймы; иметь плавное криволинейное очертание с большими радиусами закруглений или прямолинейное русло в плане; проходить по новому руслу, если старое расположено в неустойчивых грунтах, имеет множество изгибов в плане и небольшие по размерам поперечные сечения; не удаляться от населенных пунктов. Общий продольный уклон дна реки должен проектироваться однообразным или изменяться, где это целесообразно, с изменением общего уклона реки; руслу следует придавать устойчивые поперечные сечения, а при его спрямлении учитывать сопряжение с впадающими в него притоками, крупными каналами, а также с существующими и проектируемыми сооружениями (мосты, шлюзы, стационарные и передвижные насосные станции и т. д.). При назначении новой трассы необходимо стремиться возможно больше использовать существующее русло, но не в ущерб указанным выше требованиям.
При регулировании рек-водоприемников следует ликвидировать все старицы путем засыпки и замыва, так как они редко самозаиливаются. Иногда в течение 20—40 лет после спрямления русла старицы не заиливаются (поймы pp. Кудьмы, Ирпеня, Дубны), мешают работе сельскохозяйственных машин, размещению полей севооборота, создают неравномерный водный режим.
Устройство выправительных сооружений с целью заиления расширений оправдывается только при большом количестве наносов, содержащихся в воде паводков, что бывает редко. Более быстро, надежно, дешево при современной механизации земляных работ засыпать и замывать расширенные участки русла реки.
А.Д. Брудастов и другие исследователи рекомендуют придавать спрямленному руслу форму в плане, аналогичную изогнутой упругой пластинке, В.М. Потапов — синусоиде, Г. Пресс — гиперболе и т. д. Нa практике русла спрямляют в виде плавных кривых или прямых участков. Различают одиночные и короткие систематические прокопы и решительные спрямления.
Короткие систематические прокопы, использующие каждое закругление заболоченных рек, при современной механизации земляных работ ничем не оправданы. Они ухудшают водный режим реки, создают неблагоприятные условия для эксплуатации водоприемника, увеличивают зарастание. Для того чтобы установить оптимальный радиус закруглений, нужно выявить устойчивые участи реки на поворотах и определить соответствующие им радиусы.
Русла рек и каналов наиболее часто размываются на поворотах. При регулировании рек-водоприемников устойчивость русла, его долговременная работа без крепления достигаются устройством радиусов поворота, соответствующих гидравлическим характеристикам потока и слагающим грунтам.
Русло не должно размываться в продольном и поперечном направлениях. Есть ряд формул для определения радиуса закругления, большинство из которых (эмпирические) получены в результате исследований в лотках небольших размеров без учета размывающего действия потока и сопротивления грунта размыву.
А.Ф. Печкуров вывел формулы радиуса закругления с учетом сопротивления грунта размыву.
Для продольно устойчивого русла формула имеет вид:

Регулирование рек-водоприемников

Радиус поворота определяют для продольной и поперечной устойчивости и принимают большее значение.
А.Ф. Печкуров предложил приближенную зависимость величины радиуса поворота r от ширины русла В поверху:
r min = 10B.

Для рек Белоруссии А.Ф. Печкуров провел проверку в натурных условиях следующих зависимостей определения радиуса поворота:
Регулирование рек-водоприемников

По формулам А.Ф. Печкурова значения радиусов получаются близкими к натурным.
При размывающем действии потока, равном или большем устойчивости русла, рекомендуется крепление или расширение вогнутого берега. Как показали исследования И.Л. Розовского, наибольший размыв вогнутого берега смещается ко второй половине закругления, поэтому расширение русла или его закрепление следует приурочивать именно к этой части берега.
Трудность расчета потока воды на закруглении, необходимость закрепления или расширения русла и в то же время большая устойчивость прямолинейно отрегулированного русла позволяют рекомендовать во всех случаях, где скорости на размыв меньше допустимых, заменять криволинейное русло прямолинейным. На закруглениях необходимо увеличивать ширину русла, так как при одинаковой ширине на прямолинейных участках и на повороте русло размывается (Г. Пресс рекомендует увеличивать ширину закруглений на 30%).
Устойчивость русла зависит от расхода, уклона и слагающего русло грунта. После спрямления русла сокращается длина, увеличивается уклон, повышаются скорости течения воды, уменьшаются живые сечения и, следовательно, снижаются уровни воды, то есть река приобретает большую пропускную способность.
Большинство рек-водоприемников имеет поперечные сечения, недостаточные для пропуска расчетных расходов, поэтому увеличение их размеров — один из основных способов повышения пропускной способности и понижения уровней воды в русле.
Значительно уменьшает пропускную способность русла неравномерность его поперечных сечений по длине реки (чередование узких сечений с широкими, глубоких с мелкими, симметричных с асимметричными).
Влияние на пропускную способность русла неравномерности поперечных сечений определяют по формуле неравномерного движения Н.Н. Павловского:
Регулирование рек-водоприемников
Регулирование рек-водоприемников

Устойчивость русла связана с формой поперечного сечения. Естественные русла рек имеют криволинейные очертания, зависящие от грунтов, в которых они пролегают. Учитывая сложность гидрогеологических условий пойменных земель и изменение их даже на небольшом протяжении, целесообразно проектировать русло криволинейного очертания. В некоторых случаях, когда устойчивые грунты подстилаются слабоустойчивыми, возможны сложные поперечные сечения: в устойчивых — трапецеидальные, в слабоустойчивых — криволинейные. Ho выполнить русло сложного сечения в разнородных грунтах затруднительно. На регулируемых реках-водоприемниках крепления, как правило, не применяют.
Г.В. Железняков предложил учитывать влияние изменения формы живого сечения потока введением в формулу Шези параметра формы живого сечения.
При регулировании рек-водоприемников коренным образом изменяется их водный режим. Новое русло отличается от прежнего глубиной, полученной из условий вертикального сопряжения впадающих каналов, уклоном спрямленного русла, новыми равномерными поперечными сечениями, расчетными расходами, шероховатостью, в результате чего повышается пропускная способность водоприемника.
Ошибочным было бы рассматривать реки-водоприемники только как пути для приема и отвода поверхностных вод из осушительной сети пойм и не учитывать их самостоятельного действия по понижению грунтовых вод на прилегающих к ним землях. Опыт убедительно говорит об эффективном осушающем действии отрегулированных водоприемников. Проведение работ по их регулированию необходимо увязывать с продольным профилем равновесия реки. Ho продольный профиль равновесия реки непостоянен и изменяется с изменением факторов, его формирующих. При регулировании реки-водоприемника надо знать условия формирования продольного профиля.
Эрозия русла реки определяется многими факторами: уклоном дна, расходом воды, скоростью течения, количеством и крупностью наносов, слагающими русло грунтами, коэффициентом шероховатости, характером и мощностью поступающих через русло грунтовых и грунтово-напорных вод, а также уклонами, почвенным покровом и условиями водосбора. Создание подпоров вызывает перемещение базиса эрозии всей реки или отдельных участков ее.
Правильно проведенное регулирование рек (например, Ирпеня, Кудьмы и др.) обеспечивает их устойчивость более 20 лет без эксплуатационных работ. Давно известен в гидротехнике прием, когда параллельно с существующим руслом прорывают новое, по которому пропускают часть паводкового расхода. Это ведет к разгрузке реки и сокращению или ликвидации паводкового затопления прилегающих территорий.
Соединение нагорно-ловчих каналов, перехватывающих сток поверхностных вод с водосбора, в устье и истоке с водоприемником и направление в них воды из реки позволят уменьшать размеры водоприемников.
Разгрузить реки-водоприемники можно строительством водохранилищ, прудов и водоемов. Водохранилища в верховьях реки и на ее притоках, являясь одним из существенных источников восполнения недостатков воды для увлажнения пойм в вегетационный период, играют значительную роль в уменьшении весеннего стока, паводковых расчетных расходов, а вместе с этим размеров водоприемника. Кроме того, на сток реки и поймы влияют пруды и водохранилища на водосборе, которые задерживают часть стока, но не используются для регулирования водного режима поймы в вегетационный период. Влияние водохранилищ на регулирование стока заметнее сказывается при малых водосборах, чем при больших.
Водохранилища и пруды позволят обводнить и оросить сельскохозяйственные угодья, получить товарную продукцию рыбы и водоплавающей птицы, улучшить водоснабжение населения и промышленных предприятий.
Примером эффективного влияния водохранилищ на режим паводковых вод и затопление пойм является р. Москва. Частые паводковые затопления причиняли большой вред городу; в 1908 г. вода затопила большую территорию Замоскворечья. Созданные на р. Москве водохранилища (в Рублеве и Карамышеве и на притоках — Истре, Рузе, Озерне) ликвидировали разливы реки.
После осушения поймы уровень грунтовых вод понижается, емкость ее значительно возрастает, уменьшается сток реки, так как значительная часть осадков и паводковых вод впитывается грунтом поймы. Поэтому при регулировании рек-водоприемников надо учитывать происходящие изменения в емкости поймы, пропускной способности грунта.
Большое влияние на расходы реки оказывают мероприятия на водосборе: углубление пахотного слоя, посадки или порубки леса, осушительные работы, предусматривающие ускорение поверхностного стока, понижение грунтовых вод и т. д. Все это, конечно, нужно учитывать при проведении регулировочных работ. Ho если, например, разгрузка русла путем регулирования стока водохранилищами или нагорно-ловчими каналами скажется сразу после строительства сооружений, то мероприятия на водосборе (изменение состава культур, посадки леса, увеличение глубины вспашки и т. д.) действуют медленно и влияние их на расходы реки слабо поддается расчету. Таким образом, при мелиорации пойм следует в первую очередь проводить активные, быстродействующие мероприятия, но с учетом, конечно, регулирования стока.
При размещении каналов, полей севооборота, дорожной сети на пойме, лесных насаждений вдоль русла, сооружений на каналах и пойме, регулирующих водный режим, необходимо знать закономерности движения воды в реке и пойме.
Ho если движение воды в русле более или менее изучено, то движение воды по пойме, а тем более совместное движение воды по руслу и пойме находится в самой начальной стадии изучения. Особенно это относится к заболоченным рекам и поймам. Отмечается значительная разница в скоростях движения воды по руслу и пойме вследствие разных коэффициентов шероховатости и гидравлических радиусов. В период летних и весенних паводков эта разница выражается неодинаково. Н.Н. Павловский при определении расходов рекомендовал пользоваться приведенным коэффициентом шероховатости, Б.В. Поляков предлагал определять расходы при помощи кривых модулей элементарных расходов как функции глубины или гидравлического радиуса.
Суммарный расход по реке и пойме А.В. Огиевский определял по формуле Шези как сумму расходов по руслу и обеим поймам.
Общий расход реки зависит от шероховатости русла и поймы только при небольшой глубине затопления на обезлесенных поймах. Следует отметить, что натурные измерения паводковых расходов на пойме крайне затруднены.
Г.В. Железняков установил, что с выходом потока на пойму снижается поверхностная скорость в русле, а с подъемом уровня — возрастает.
В зависимости от соотношения шероховатостей и размеров русла и поймы с увеличением расхода паводка разница в русловых и пойменных скоростях уменьшается.
Подтверждением установленного Г.В. Железняковым явления уменьшения скорости течения в русле при выходе воды на пойму могут служить полученные автором (Е.С. Марков) данные измерения скоростей в реке для построения кривой расходов. Наблюдения проводились на стоковой станции ВНИИГиМ в Краснохолмском районе Калининской области в паводок 1938 г. в р. Неледине у Буньковского моста. Замеренная вертушкой скорость в русле реки перед выходом воды на пойму (20/IV) составила 0,53 м/с при H=125,48 м; после выхода на пойму (22/IV) она уменьшилась до 0,32 м/с (на 40%) при Н=126,56 м; когда паводок начал спадать (23/IV), скорость в русле снова возросла до 0,52 м/с при Н=125,72 м.
Максимальный расход весеннего паводка составил в 1938 г. 12,21 м3/с. Летом река обычно пересыхает, кроме отдельных бочагов. Изменение скоростей движения воды в русле при выходе потока на пойму влияет на отложение наносов на ней, на сохранение бровок рек и каналов во время паводков и т. д.
Все эти вопросы имеют большое значение при мелиорации пойм и требуют тщательного изучения.