О первых результатах руслового мониторинга на Гольяновском месторождении песчано-гравийной смеси

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

73

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 2

Исследования физико-географических особенностей региона

УДК 556.3

К.М. Беркович, С.Ю. Ившин, Л.А. Турыкин

О ПЕРВЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ РУСЛОВОГО МОНИТОРИНГА

НА ГОЛЬЯНОВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОЙ

СМЕСИ

Представлены результаты первого этапа руслового мониторинга на р.Кама в ходе разработки Гольяновского месторождения песчано-гравийной смеси (ПГС). Выполнена геодезическая съемка русла на участке добычи ПГС, определен объем изъятого материала средствами ГИС, а также проанализированы особенности развития здесь русловых процессов.

Ключевые слова: русловые процессы, р. Кама, песчано-гравийная смесь, Гольяновское месторождение, мониторинг.

Введение

Настоящая работа представляет собой первый этап руслового мониторинга на р. Кама в ходе разработки Гольяновского месторождения песчано-гравийной смеси (ПГС). В задачу работы входило производство контрольной съемки русла на участке добычи ПГС, определение объема изъятого материала, анализ развития русловых процессов, а также оценка степени выполнения пользователем недр условий проекта и требований по охране окружающей среды.

Работа выполнена сотрудниками научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов им. Н.И.Маккавеева географического факультета МГУ совместно с сотрудниками географического факультета УдГУ. Кроме авторов статьи в работе также принимали участие следующие сотрудники лаборатории: ведущий инженер Б.В. Белый, аспирант С.Л. Горин, инженер А.А. Попрядухин, а также сотрудник НПФ «Гидромастер» - инженер Г.С.Левин.

Объект исследования представляет собой часть Гольяновского месторождения ПГС, расположенной на 1889,1-1891 км по судовому ходу (с/х), которая включает непосредственно место разработки и сопряженный вышележащий отрезок русла Камы в пределах Завьяловского района Удмуртской Республики (УР).

По справке, предоставленной ООО «Монолистрой», добыча ПГС проводилась с помощью земснаряда «ПЧС-600» в период с 1 по 22 октября 2007 г. на 4-м и 3-м блоках Гольяновского месторождения. Суммарный объем добычи ПГС составил 140 тыс. т. без учета объема вскрыши.

2008. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Условия и методика полевых работ

Работа проводилась в период с 1 по 8 февраля 2008 г. Дневная температура воздуха колебалась в интервале от -18 0С до -2 0С. Толщина ледового покрова на реке в прибрежной полосе составляла от 0,5 до 1,0 м. В стрежневой зоне русла толщина льда уменьшалась до 4 см. В течение всего периода полевых работ существовала протяженная полынья в стрежневой зоне на отрезке 1890,1-1890,4 км (с/х). В ходе работ наблюдалось ежедневное уменьшение толщины льда, в результате которого в ледовом покрове образовалось значительное количество промоин.

Выполнены следующие работы: промеры глубины на участке добычи и сопряженном вышележащем отрезке месторождения (1889,1-1891 км по с/х), нивелировка продольного уклона водной поверхности, водомерные наблюдения на временном гидрологическом посту, измерение скорости и направления течения.

Промеры производились со льда через лунки эхолотом «ПЭ-2», разработанным НПФ «Гидромастер». Привязка промерных точек и одновременное определение отметки зеркала воды в лунке выполнялись с помощью двух геодезических приемников «1ауа&> в режиме реального времени (ЯТК) с точностью до 2 см.

Промерные поперечники разбиты через 100 м, расстояние между точками измерений на поперечнике составляет 50 м. При этом на участке разработки месторождения от 5-го до 3-го блока (1889,1-1890 км по с/х) промерная сеть была сгущена: расстояния между поперечниками составили 50 м, между промерными точками - 25 м. Непосредственно на выемках были сделаны дополнительные промеры для более точного оконтуривания карьеров. С помощью тех же геодезических приемников выполнено нивелирование продольного уклона водной поверхности на отрезке 1889-1892,1 км по с/х. Гидрологические исследования проводились согласно существующим разработкам и указаниям [1-6].

Гидрометрические наблюдения проведены с помощью акустического доплеровского измерителя скорости и направления течений фирмы «АаМег». Вследствие неудовлетворительного состояния ледового покрова измерения скорости и направления течения выполнены на одной вертикали.

Гидрологические условия в период обследования

Среднесуточный сброс воды через Воткинский гидроузел (ГУ) в период обследования изменялся от 800 до 1700 м3/с(среднее многолетнее значение -1800 м3/с). Изменение уровня водной поверхности, по данным временного водомерного поста, за неделю составило 1,4 м (табл. 1), что отражает размах недельного регулирования стока воды Воткинским ГУ. Минимальный уровень (65,5 м) наблюдался в воскресенье (3 февраля), максимальный (66,9 м) -в четверг (7 февраля). Средний уклон водной поверхности на отрезке 1892,1 -1889 км по с/х составил 0,00006, что приблизительно равно уклону, наблюдавшемуся здесь в период весеннего попуска в мае 2007 г.

Гидрометрические измерения проведены на одной вертикали, расположенной в стрежневой зоне потока в 140 м выше оголовка Гольяновского острова (1890 км по с/х) и в 350 м от правого берега (табл. 2).

О первых результатах руслового мониторинга.

75

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 2

Таблица 1

Ход уровня водной поверхности на временном водомерном посту

Дата Отметка водной поверхности, м БС Дата Отметка водной поверхности, м БС

02.02.08 11:00 66,29 05.02.08 9:00 66,18

02.02.08 12:00 66,27 05.02.08 10:00 66,3

02.02.08 13:00 66,21 05.02.08 11:00 66,42

02.02.08 14:00 66,15 05.02.08 12:00 66,44

02.02.08 15:00 66,09 06.02.08 8:00 66,43

03.02.08 9:00 65,43 06.02.08 9:00 66,457

03.02.08 10:00 65,42 06.02.08 10:00 66,56

03.02.08 11:00 65,45 06.02.08 11:00 66,62

03.02.08 12:00 65,47 06.02.08 12:00 66,68

03.02.08 13:00 65,46 06.02.08 13:00 66,75

03.02.08 14:00 65,46 06.02.08 14:00 66,81

03.02.08 15:00 65,45 07.02.08 12:00 66,83

04.02.08 9:00 65,39 07.02.08 13:00 66,86

04.02.08 10:00 65,47 07.02.08 14:00 66,88

04.02.08 11:00 65,58 07.02.08 15:00 66,934

04.02.08 12:00 65,73

04.02.08 13:00 65,78

04.02.08 14:00 65,87

04.02.08 15:00 65,97

04.02.08 16:00 66,03

76 К.М. Беркович, С.Ю. Ившин, Л.А. Турыкин

2008. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Таблица 2

Гидрометрические данные *

№ точки на Глубина, м Скорость Направление Направление

вертикали течения, м/с течения, 0 течения, С

1 1 0,55 173 0,93

2 2 0,56 175 1,24

3 3 0,57 175 1,14

4 4 0,55 174 1,09

5 5 0,54 175 0,98

* Примечание. Координаты вертикали: 56 45'04 N, 53 45'02 E. Отметка водной поверхности - 66,7 м БС. Рабочая глубина - 5,2 м.

Скорость течения оказалась практически постоянной по глубине потока. Среднее значение скорости течения - 0,55 м/с. Указанная величина меньше, чем неразмывающая скорость для руслообразующих наносов песчаных фракций, что исключает возможность транспорта руслообразующего материала во влекомой форме (в виде гряд). Для сравнения: в период весеннего попуска 2007 г. поверхностная скорость течения в том же месте составляла около 1,6 м/с, придонная - около 1 м /с.

Вертикальный импульс скорости, определенный по формуле А.Б.Клавена (v' = 0,41v*, где v* = V(ghI) - динамическая скорость, h - глубина,

I - уклон), при уклоне 0,00006 и глубине 5,2 м составляет 0,022 м/с, что достаточно для взвешивания частиц диаметром около 0,2 мм.

Расположение и объем русловых карьеров

Русловая съемка показала наличие двух искусственных понижений дна (выемок), сформированных позднее 23 мая 2006 г. Выемка №1 расположена на границе 5-го и 6-го блоков месторождения за пределами контура запасов категории С1 ближе к середине русла.

Выемка №2 расположена большей своей частью на 4-м блоке месторождения и незначительно заходит в пределы 3-го блока. Наименьшее удаление края выемки №3 от пойменного уступа левого берега составляет около 170 м, от края песчаного побочня (при горизонте воды близком к проектному) - 60 м. Расстояние между двумя выемками составляет около 300 м (рис. 1).

Определение объема выработки, а также анализ русловых деформаций проведен методом компьютерного сопоставления разновременных планов русла. В качестве исходного (первичного) взят план Гольяновского переката от 20-24 мая 2006 г., предоставленный Нижнекамским районным управлением водных путей и судоходства. В качестве контрольного (вторичного) принят план участка Гольяновского месторождения, составленный сотрудниками географического факультета МГУ по съемке 2-7 февраля 2008 г. Оба плана русла были преобразованы в цифровой вид с помощью программных пакетов MAPINFO и SURFER (рис. 1А, б). После этого средствами SURFER был создан файл поверхности деформаций как разность файлов исходной и вторич-

о

o

О первых результатах руслового мониторинга... 77

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 2

ной поверхностей дна (рис. 1В). Объем добычи ПГС определяется как объем, заключенный между поверхностью деформаций и плоскостью нулевой деформации в контурах двух выемок. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Морфометрические параметры русловых выемок

Номер выемки Объем, тыс. м3 Площадь, тыс. м2 Максимальная глубина, м

Выемка № 1 17,4 7,7 3,5

Выемка №2 56,1 19,0 4,2

Суммарный объем двух выемок составил 73,5 тыс. м3, что соответствует 125 тыс. т руслообразующего материала (при плотности 1,7 т/м3). Расхождение расчетных результатов с данными, представленными в отчете [7] (140 тыс. т. или 82 тыс. м3), может быть связано с недостаточным соответствием плана русла, принятого в качестве исходного, фактическому рельефу дна непосредственно перед началом разработки месторождения.

Современные русловые деформации

Для количественной оценки русловых деформаций принят показатель, характеризующий их общую тенденцию - изменение объема русла в пределах участка с закрепленными граничными створами. Уменьшение объема русла по сравнению с его предыдущим состоянием говорит об аккумуляции руслообразующих наносов, увеличение - об их выносе за пределы участка. Определение площадей и объемов русла проведено для его части, ограниченной изобатой «0» с отметкой 64,6 м БС (табл. 4).

Таблица 4

Изменение параметров русла на участке перехода

Дата промеров Отметка рабочего горизонта воды, м БС Площадь русла (до изобаты «0»), м2 Объем русла (до изобаты «0»), м3 Средняя глубина, м Приращение объема русла, тыс. м3 % от начального.

21-23.05.06 65.75-66.36 1186,1 3414,7 2,9 +104,6

02-07.02.08 65.45-66.89 1154,8 3519,3 3,1 +3,0

По сравнению с 2006 г.объем русла на рассматриваемом участке увеличился приблизительно на 105 тыс. м3. Эта величина включает объем материала, изъятого из русла в ходе разработки Гольяновского месторождения, составляющий около 73,5 тыс. м3. Следовательно, увеличение объема русла за счет естественных русловых процессов составило приблизительно 31 тыс м3 или 0,9 % от первоначального объема русла.

2008. Вып. 2

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

О первых результатах руслового мониторинга.

79

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 2

Параметры деформаций представлены в табл. 5. Размыв и аккумуляция занимают практически одинаковые площади в русле, при этом объем размыва (без учета добытого материала), а также его вертикальный размах несколько превышают те же параметры аккумуляции, за счет чего и произошло общее незначительное увеличение объема русла.

Таблица 5.

Параметры русловых деформаций

Тип деформации Площадь распространения, тыс. м2 Объем, тыс. м3 % от объема русла Средний размах деформаций, м

Размыв 577,0 157,0* 4,5 0,3

Аккумуляция 575,5 125,9 3,5 0,2

* Примечание: без учета добытого материала

На плане деформаций (рис. 1В) видно, что аккумуляция распространена преимущественно в средней части русла, в то время как основной размыв наблюдается в пределах отмели вдоль левого берега. Размах деформаций на основной части русла лежит в интервале 0-0,5 м. Наиболее значительные по размаху (до 2 м) деформации обоих знаков имеют место у правого берега в районе устья р.Гольянки и у левого берега в районе устья пойменной протоки (Старая Кама). Кроме того, некоторая аккумуляция наблюдается и вдоль кромок обоих выемок.

Таким образом, можно говорить о сбалансированном характере противоположных по направленности русловых деформаций, что обусловливает достаточно устойчивое состояние русла на участке месторождения. Данный вывод соответствует ранее установленным данным [7] о том, что «на отрезке 1908,41875,5 км с/х, включающем Гольяновское месторождение, развиты разнонаправленные деформации при некотором преобладании глубинной эрозии».

Выводы и рекомендации

• Сопоставление разновременных батиметрических планов показало, что для руслового комплекса на участке произведенной добычи песчано-гравийной смеси характерно относительно стабильное состояние, что обусловливается протеканием сбалансированных русловых деформаций противоположной направленности.

• Требования по допустимым годовым объемам добычи ПГС и расположению отдельных блоков разработки, изложенные в отчете [7], пользователем недр выполнены.

• Имеет место недостаточно точное определение на местности границ отдельных блоков добычи, вследствие чего выемка № 1 оказалась за пределами контура запасов категории С1.

2008. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

• Расположение выемки № 1 за пределами контура запасов категории не оказывает негативного воздействия на состояние руслового комплекса.

• Для более точного контрольного подсчета объема выработки ПГС необходимо выполнять предварительную съемку русла на участке планируемой добычи непосредственно перед началом разработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Указания по расчету стока наносов. ВСН 01-73. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

2. Чалов Р.С. Русловые исследования (избранные главы по курсу «Вводно-технические изыскания»): учеб. пособие. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.

3. Шамов Г.И. Речные наносы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1959.

4. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969.

5. Лопатин Г.В. Наносы рек СССР. - М.: Географгиз, 1952.

6. Беркович К.М. Регулирование речных русел. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992.

7. Оценка воздействия гидромеханизированной разработки русловых месторождений ПГС Гольяновское и Макаровское на гидрологический и русловой режим р. Камы на участке Воткинская ГЭС - г. Сарапул: научный отчет. - М.; Ижевск, 2007 (фондовый).

Поступила в редакцию 10.11.08

K.M. Berkovich, leading scientific associate S. Yu. Ivshin, head of the geological museum L.A. Turykin, senior scientific associate

On the First Results of Riverbed Monitoring on Golyany Sand-Gravel Deposit

The paper presents the results of the first stage of riverbed monitoring on the Kama river obtained in the course of Golyany sand-gravel deposit development. Geodetic survey of the riverbed on the sand-gravel mining site has been done. The volume of material taken has been determined by means of GIS and the features of riverbed process development have been analysed.

Ившин Сергей Юрьевич, заведующий геологическим музеем ГОУВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 E-mail: geo@uni.udm.ru

Беркович Константин Михайлович, ведущий научный сотрудник,

Турыкин Леонид Анатольевич, старший научный сотрудник

Московский государственный университет

имени М.В.Ломоносова

119991, Россия, г. Москва, ГСП-1,

Воробьевы горы, МГУ

E-mail: makkaveev-lab@yandex.ru