Способ защиты водных объектов от загрязнения взвешенными веществами при эксплуатации искусственных русел

Науки о Земле

УДК 627.521.1

Босов

Максим Анатольевич Maxim Bosov

Соколов Анатолий Васильевич Anatily Sokolov

Косарев Сергей Геннадьевич Sergey Kosarev

СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИСКУССТВЕННЫХ РУСЕЛ

METHOD OF WATER BODIES’ PROTECTION FROM SUSPENDED SUBSTANCES IN THE MAINTENANCE OF ARTIFICIAL CHANNELS

Статья посвящена решению проблемы устройства искусственных русел на поймах водотоков Забайкальского края. Показаны основные способы предотвращения размывов и снижения загрязнения водных объектов. Предложен новый подход к решению данного вопроса

Ключевые слова: искусственное русло; допустимая скорость течения; взвешенные вещества; защита от размыва

The article is devoted to solving the problem of construction of artificial channels on flood plains of watercourses in Trans-Baikal region. The basic ways to prevent erosion and reduce water pollution are described. A new approach to solving this issue is given

Key words: artificial stream; allowable flow rate; suspended solids; protectionfrom erosion

Искусственные русла являются линейно-протяженными выемками, предназначенными для транспортирования воды в различных целях.

Необходимость устройства искусственных русел (каналов) может возникать для решения задач различных отраслей экономики: гидротехническое и мелиоративное строительство, горнодобывающая промышленность, внутренний водный транспорт и др.

Так, например, создание разгрузочных каналов является одним из способов защиты территории от затопления паводковыми водами, а при разработке россыпных месторождений золота на поймах малых рек возникает необходимость создания руслоотводных каналов.

Средняя скорость течения воды в открытом русле зависит от его шероховатости, размеров поперечного сечения, продольно-

го уклона дна и определяется по формуле Шези:

и = С^Ш,

где Ш — гидравлический радиус русла;

Ш — уклон дна русла;

С — коэффициент Шези, учитывающий сопротивление движению потока.

Среди существующего большого количества зависимостей для определения коэффициента Шези в нашей стране наибольшее распространение получила фор-мулаН.Н. Павловского [7; 8; 10]:

С =1 Ry , n

У

= 2,5л/п - 0,13 - 0,75VR(Vñ - 0,1) ,

где п — коэффициент шероховатости, который можно связать с крупностью частиц грунта, слагающего русло ( dр приводится в мм) [4]:

n = kdb

ср

к — опытный коэффициент, по Чангу равен 0,0166;

d р — средневзвешенный диаметр частиц грунта, определяемый по формуле:

Е dp Е dp

dP =

i=1

i=1

сР n

Е Рг

100

i =1

где di — средняя арифметическая крупность г-й фракции;

р. — процентное содержание этой фракции по массе.

Согласно нормативным требованиям, скорость течения в проектируемом русле должна назначаться из условия неразмыва-емости, т.е. развиваемая потоком скорость должна быть меньше или равна неразмывающей скорости и н [7;8]:

и<ин.

Известно, что снижение средней скорости течения в протяженных каналах целесообразнее проводить путем уменьшения уклона (до допустимых значений), для чего по длине рассматриваемого участка устраи-

ваются сопрягающие сооружения (быстротоки, перепады и пр.). В таком случае выполняется условие требуемого сопряжения канала с естественным руслом, что называется «дно-в-дно».

Однако, как отмечено в работах [5; 6], даже в том случае, когда искусственное русло запроектировано на неразмывающую скорость, отдельные частицы грунта диаметром менее dp могут перемещаться потоком, а самые мелкие из них, диаметром d < de3e, способны перейти во взвешенное состояние. Объясняется это неоднородностью грунтов по гранулометрическому составу. Это приводит к тому, что нижележащая часть водотока будет испытывать неблагоприятное воздействие наносов.

Так, загрязнение продуктами размыва приводит: к нарушению светового и кислородного режима; снижению самоочищаю-щей способности водоема; заилению дна в зонах с низкой скоростью течения; нарушению жизнедеятельности гидробионтов и др. Кроме того, взвешенные частицы служат эффективными сорбентами и комплексо-образователями различных загрязняющих веществ. Оседая на дно, они могут стать источниками вторичного загрязнения водной среды.

Массу частиц, способных перемещаться во взвешенном состоянии, можно определить по формуле [5;6]

Меэе = XldcpPe3ePl,

где произведение значения смоченного периметра с на длину l есть площадь поверхности устраиваемого русла, находящейся под влиянием потока, м2\

Рвзв — содержание взвешенных частиц по весу (д. ед.) диаметром, равным или меньше de3e;

r 1 — плотность рассматриваемого

грунта, 1750 кг/м3.

Для определения удельной массы частиц (кг/м3), которая может быть вовлечена в поток во взвешенном состоянии с 1 м2 поверхности, формула (7) приобретает вид

Мвзв = 1dcpPesePl-

Максимальный диаметр взвешенных

кий (М), крупный (К); галька — мелкая (М), средняя (С), крупная (К), окатанная (ОК), для которых показаны интервалы рассматриваемых параметров (см. таблицу)-

Для каждого участка расчет проводился в следующей последовательности:

1) выявлялась средняя скорость течения в устраиваемом русле и допустимая неразмывающая скорость при глубине потока 1 .м;

2) определенные ранее уклон и сред-

няя скорость течения принимались в качестве расчетных: и ирасч; если ирасч > и н,

то выявлялось значение допустимого уклона гдоп, при котором будет соблюдаться условие (6), ив качестве средней расчетной скорости будет применяться и н;

3) определялась динамическая скорость потока и гидравлическая крупность частиц взвеси (по данным [9]); из соотношения (9) определялась максимальная крупность взвеси йвзв, для которой по кривым гранулометрического состава грунта определялось содержание Рвзв;

4) устанавливалась удельная масса частиц Мвзв, которые могут быть вымыты потоком при расчетной скорости.

Оценка размыва грунтов, слагающих искусственные русла

№ п/п Параметр Гравий Галька

М 2-5 К 5-10 М 10-20 С 20-50 К 50-100 ОК 100-200

1 Кол-во 1 11 14 37 18 1

2 dp , ММ 4,38 5,53-9,99 10,06-25,3 20,1-49,7 54,5-90,9 111,7

3 i  1000 1,730 0,514-21,4 0,508-49,5 0,478-22,3 0,435-38,3 13,50

4 u , м/с 1,205 1,031-6,36 0,890-8,240 0,705-4,96 0,632-5,93 3,23

5 u н . М/С 0,910 0,99-1,230 1,230-1,880 1,550-2,050 2,10-2,47 2,61

6 idan -1000 0,987 0,474-0,871 0,871-2,39 1,751-4,303 4,52-7,47 8,83

7 О о о ? 0,987 0,474-0,871 0,508-1,846 0,478-4,22 0,435-7,47 8,83

8 U рас ч , М/С 0,910 0,990-1,230 0,890-1,719 0,705-2,03 0,632-2,47 2,61

9 dвзв , ММ 0,311 0,345-0,446 0,355-0,643 0,346-1,037 0,333-1,547 1,755

10 Мвзв , КГ/М2 2,60 1,210-4,86 1,065-11,04 0,770-22,6 9,87-51,8 48,7

частиц d33e рекомендуется определять через отношение динамической скорости u * к гидравлической крупности w [3]:

1,7 < —,

w

и* =т]gRi,

Для оценки возможности строительства искусственных русел нами рассмотрены 82 участка пойм ряда рек Забайкальского края по архивным и проектным данным «Забайкалводпроекта», «Забайкалзолотоп-роекта» и ВостокНИИВХ. Из них 53 участка, на которых производится отработка россыпных месторождений золота, а 29 — участков-водотоков, на которых предполагается устройство искусственных русел в каких-либо других целях (например, для мелиорации, защиты от наводнения и др.). По каждому участку определялись средний диаметр грунтов (по результатам гранулометрического анализа) и уклон пойм (с использованием средств Maplnfo Professional 10.0.1). Все рассмотренные грунты являются несвязными, неоднородными и определены как гравийно-галечниковые [1]-

Для удобства сравнения образцы грунтов разбиты по фракциям: гравий — мел-

В результате выполненных расчетов установлено:

1) вследствие больших уклонов пойм Забайкалья, в создаваемых искусственных руслах, зачастую имеют место скорости течения, превышающие допустимые нормативные значения (54 из 82 рассмотренных случаев), что приводит к необходимости создания перепадов;

2) возможный вынос взвешенных веществ с 1 м2 поверхности устраиваемых искусственных русел составляет 0,770...51,8 кг (Мтвр =10,51 кг/м3), диаметр взвешенных частиц 0,311...1,755 мм ( dвзв р =0,700 мм).

Таким образом, поиск решений по снижению выноса взвешенных частиц при вводе в эксплуатацию искусственных русел является актуальным.

Существуют различные технические решения, направленные на снижение негативного воздействия при эксплуатации искусственных русел. Это мероприятия, позволяющие предотвратить вымывание взвешенных веществ [7]( все виды крепле-

ния откосов и дна русла: мощение, крепление железобетонными плитами, габионами, георешетками и геоматами и др.), а также снизить негативное влияние взвеси на водоток путем снижения ее концентрации до предельно допустимой [5; 6] (проведение поэтапной промывки). Кроме этого, возможно устройство наносоулавливающих сооружений ниже по течению (отстойников).

Для уменьшения выноса взвешенных веществ предложен способ повышения сопротивляемости размыву гравийно-га-лечниковых грунтов, заключающийся в изменении фракционного состава обрабатываемого слоя грунта по вертикали [2].

Предлагается проведение обработки поверхности искусственного русла устройством, рабочий орган которого представляет собой нож с гребенкой 1, укрепленный на раме 2 (см. рисунок). Устройство прикрепляется за тягачом, в качестве которого может выступать любая колесная или гусеничная техника.

При движении по обрабатываемой поверхности нож врезается в грунт на заданную глубину (но не менее толщины расчетного слоя — не менее трех средних расчетных диаметров). В качестве среднего расчетного диаметра принят средний диаметр грунта ложа канала, отвечающий устойчивости против размыва расчетной скоростью течения.

В процессе обработки поверхностного слоя грунта, благодаря форме зубьев и наклону гребенки, первыми просыпаются

Схема обработки поверхности грунта

вниз частицы размером d < d( мерои d > d

затем

— частицы размером d = d р ; частицы

р . ра ч р . ра ч

диаметром а > а р расч переваливаются через гребенку, оказываясь на поверхности слоя обработки.

В результате обработки происходит увеличение среднего диаметра фракций грунта расчетного слоя за счет удаления под расчетный слой мелких частиц, что в свою очередь уменьшает содержание Рвзв. Данный способ также позволяет увеличить допустимую скорость в устраиваемых руслах,

что позволит снизить затраты на их строительство.

По предлагаемому техническому решению Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (ФГУ ФИПС) принято

положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ повышения сопротивляемости размыву гравийно-галечнико-вых грунтов и устройство для его осуществления» от 18.10.2010 (дата начала отсчета срока действия патента — 29.06.2009).

Литература

1. Босов М.А. Сопротивляемость размыву искусственных русел, устраиваемых в поймах рек Забайкалья // Вестник Читинского государственного университета (Вестник ЧитГУ). — № 1 (52). — Чита: ЧитГУ, 2009. — 20-26 с.

2. Босов М.А., Соколов A.B. Повышение сопротивляемости размыву искусственных русел, устраиваемых в несвязных гравийно-галечниковых грунтах в поймах рек Забайкалья. Водные ресурсы и водопользование: сб. науч. тр. Вып. 4 / Под. ред. В.Н. Заслоновского и Л.Н. Зимы. — Чита: ЧитГУ, 2009. - 124-128 с.

3. Гидравлические расчеты водосборных гидротехнических сооружений: Справ, пособие / Подред. А.Б. Векслера. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 624 с.

4. Ибад-Заде Ю.А. Водопроводные каналы (гидравлические и русловые расчеты). — М.: Стройиздат, 1975. — 192 с.

5. Косарев С.Г. Регулирование концентрации взвешенных веществ в руслоотводных каналах при вводе их в эксплуатацию (Сообщение 1. Проблемы, возникающие при применении известных методик расчета расходов воды в руслоотводных каналах) // Водное хозяйство России. — № 2. - Екатеринбург: ФГУП РосНИИВХ, 2011. — 21-28 с.

6. Манилюк Т.А. Защита природных водных объектов от техногенного загрязнения взвешенными веществами при вводе в эксплуатацию руслоотводных каналов // Горный информационноаналитический бюллетень. Забайкалье. Отдельный выпуск. — №ОВ4.—М.: Мир горной книги, 2007. — 375-384 с.

7. Розанов Н.П., Бочкарев Я.В., Лапшенков B.C. и др. Гидротехнические сооружения. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

8. СНиП 2.06.03.-85. Мелиоративные системы и сооружения. — Взамен СНиП 11-52-74; ут-вержд. 1985-17-12. — М.: ЦНИП Госстроя СССР, 1986. — 60 с.

9. СО 34.21.204-2005. Рекомендации по прогнозу деформации русла в нижних бьефах гидроузлов. — Взамен П95-81 / ВНИИГ Утвержд. РАО «ЕЭС России» 02.02.2005. — М.: РАО «ЕЭС России», ВНИИГ. - 2005. - 60 с.

10. Чугаев P.P. Гидравлика: учеб. для вузов. — 4-е изд., доп. и перераб. — Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

Коротко об авторах_________________________________________________Briefly about the authors

Босов М.Л., ст. преподаватель кафедры водного М. Bosov, senior teacher of water resources and envi-хозяйства и инженерной экологии, Читинский госу- ronmental engineering department, Chita state unver-дарственныйуниверситет(ЧитГУ) sity

max_bosov@mail.ru

Научные интересы: гидротехнические сооруже- Scientific interests: hydraulic structures, erosion of ния, размыв естественных и искусственных русел в natural and artificial channels in non-cohesive soils несвязных грунтах

Соколов A.B., канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры водного хозяйства и инженерной экологии. Читинский государственный университет (ЧитГУ) vostokniivh@maiI.ru

Научные интересы: гидротехнические сооружения; комплексное использование и охрана водных ресурсов, борьба с вредным влиянием вод

Косарев С.Г., канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры водного хозяйства и инженерной экологии. Читинский государственный университет (ЧитГУ) kosarevsg@maiI.ru

Научные интересы: русловая гидравлика, безопасность гидротехнических сооружений, экология водных объектов

A. Sokolov, candidate of technical sciences, assistant professor of water resources and environmental engineering department, Chita state university

Scientific interests: hydraulic structures, integrated use and protection of water resources, fight against harmful effects of water

S. Kosarev, candidate of technical sciences, assistant professor of water resources and environmental engineering department, Chita state unversity

Scientific interests: river bed hydraulics, hydraulic structures safety and ecology of water bodies