СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ В ПЕРИОД КРУПНОМАСШТАБНЫХ И ЛОКАЛЬНЫХ НАВОДНЕНИЙ НА ПЛОЩАДИ ВОДОСБОРА РЕК И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREVENTION OF AREA FLOODING DURING LARGE AND LOCAL FLOODS WITHIN CATCHMENT AREA OF RIVERS, AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области гидрологии и гидротехнического строительства, а именно к способам воздействия на речные течения при помощи безнапорных деривационных сооружений, используемых для поддержания нормального уровня водной поверхности в водоемах, расположенных в зоне наводнений.
Известна система для борьбы с наводнениями путем регулирования стока избыточных вод с площади водосбора реки, содержащая водоотводную трубопроводную сеть, соединяющую бассейн реки и ее притоки, расположенные в зоне наводнения, с морем [патент GB 2379236, опубл. 05.03.2003]. Трубопроводная сеть состоит из магистрального трубопровода, имеющего уклон в направлении моря, и подсоединенных по его длине дополнительных трубопроводов. Верхняя часть магистрального трубопровода и его входное отверстие расположено в бассейне главного русла реки, а верхние части дополнительных трубопроводов и их входные отверстия расположены в бассейнах ее притоков. В период наводнений уровень воды в реке и ее притоках поднимается до высшей отметки, когда избыточная вода начинает попадать в трубопроводную сеть, и ее потоки под воздействием гравитационных сил стекают по трубопроводам в море. Для устранения воздушных пробок, препятствующих нормальному перемещению потока избыточных вод по трубопроводной сети, систему необходимо полностью заполнять водой, поэтому в трубопроводной сети поддерживают постоянный уровень и напор воды, который контролируют при помощи измерительных датчиков, передающих информацию о состоянии системы в центр управления. Из центра управления, на основании полученной информации от датчиков, осуществляют регулирование режима движения водного потока в трубопроводах при помощи установленных на них спускных и предохранительных клапанов. На магистральном трубопроводе сети дополнительно установлен генератор, способный вырабатывать в период больших наводнений электрическую энергию. Основными недостатками известной системы для борьбы с наводнением являются: высокая трудоемкость и большие материальные затраты на строительство трубопроводной сети, в том числе на приобретение и установку дорогостоящего запорно-регулирующего оборудования, измерительных датчиков и сенсорных устройств, необходимых для нормального функционирования системы; сложные условия эксплуатации трубопроводной сети, так как в период наводнений необходимо регулярно очищать от речных наносов, веток и стволов деревьев защитные решетки, установленные на входных отверстиях трубопроводов, а после каждого наводнения возникают проблемы с заполнением трубопроводной сети водой для восстановления ее рабочего режима; нанесение ущерба хозяйственной деятельности, так как под строительство трубопроводной системы из хозяйственного оборота уходят значительные площади земель; в сухое время года уровень воды в трубопроводах понижается до минимума, оставшаяся в них вода застаивается, и становится источником неблагоприятной экологической обстановки.
Также, известен способ предотвращения катастрофических наводнений на равнинных территориях среднего и нижнего течения реки Янцзы путем регулирования стока избыточных вод на площади водосбора реки [патент CN 103243673, опубл. 14.08.2013]. Способ включает в себя: прокладку 332-километрового соединительного канала между двумя большими озерами, расположенными в зоне наводнений на южном берегу реки Янцзы, возведение плотин в местах входа-выхода соединительного канала на озерах и прокладку 528-километрового отводного канала от одного из озер в южном направлении к морю; прокладку 738-километрового отводного канала от одного из южных притоков реки Янцзы, расположенного в зоне наводнения, в озеро, расположенное вне зоны наводнения; прокладку 144-километрового отводного канала от озера, расположенного в зоне наводнения на северном берегу реки Янцзы, в северном направлении к морю. Основными недостатками известного способа предотвращения катастрофических наводнений являются: большой объем земляных работ при прокладке каналов, которые охватывают обширные территории в бассейне реки; сложные условия эксплуатации каналов, так как во время наводнений их берега размываются водным потоком и разрушаются, поэтому для поддержания каналов в рабочем состоянии их необходимо постоянно очищать от речных наносов, веток и стволов деревьев, а также восстанавливать размытые берега; нанесение ущерба хозяйственной деятельности человека из-за того, что при рытье отводных каналов извлекают большой объем грунта, который укладывают вдоль бровки каналов, занимая таким образом дополнительные площади плодородных земель и препятствуя стоку поверхностных вод; нанесение вреда живой природе из-за того, что входы-выходы соединительного канала в озерах перегорожены плотинами, которые являются непреодолимым препятствием на пути мигрирующих на нерест рыб, что мешает воспроизводству рыбного стада и ведет к оскудению их запасов; в сухое время года уровень воды в каналах понижается до минимума, в результате чего оставшаяся в них вода застаивается, каналы заболачиваются и становятся источниками неблагоприятной экологической обстановки.
В качестве прототипа принят способ предупреждения наводнений путем регулирования стока избыточных вод в системе рек водосбора [патент RU 2116401, опубл. 27.07.1998]. Согласно способа, в системах рек водосбора для приема избыточных вод в период наводнений используют расположенные в гористой местности естественные водоемы и/или создают искусственные водохранилища, для чего перегораживают плотинами котловины и другие пониженные места, расположенные на некотором удалении от реки или в самом русле реки. Перед началом работ на всей площади водосбора определяют участки образования затоплений при наводнении, на питающих эти участки руслах рек выявляют участки формирования стоков избыточных вод, на которых создают индивидуальные системы регулирования стока реки, для чего на каждом участке определяют оптимальное количество временных водохранилищ, предназначенных для накопления избыточных вод, которые перегораживают бетонными плотинами с проемами, проницаемыми для воды и речных животных, для расположенных на каждом участке водохранилищ производят расчет параметров системы регулирования стока, в соответствии с расчетными параметрами на всех участках формирования стока строят индивидуальные системы регулирования стока реки, включая отводные каналы, обеспечивая таким образом сток накопившихся в системах рек паводковых вод на всей площади водосбора. Основными недостатками известного способа предотвращения наводнений являются: его низкая эффективность из-за того, что системы регулирования стока располагаются на внутриматериковых участках, не имеющих выхода к морю, поэтому в период наводнений избыточные воды накапливаются на материке и занимают значительные участки суши, пригодные для хозяйственной деятельности; высокая трудоемкость и неоправданно большие материальные затраты при устройстве систем регулирования стока воды и возведении бетонных плотин временных водохранилищ, которые выполняют в труднодоступных гористых местностях, в стороне от центров строительной индустрии и используют только в период наводнений; сложные условия эксплуатации систем стока, так как после каждого наводнения русла рек, водохранилища, плотины, стоки и каналы необходимо очищать от речных наносов, веток и стволов деревьев, а также восстанавливать размытые участки; нанесение ущерба хозяйственной деятельности, так как под строительство плотин и устройство водохранилищ из хозяйственного оборота уходят значительные площади плодородных земель; нанесение вреда живой природе и из-за того, что в период наводнений стремительно проносящиеся через проемы в плотинах потоки избыточных вод увлекают за собой речных животных и наносят им повреждения; в сухое время года уровень воды в речных протоках, озерах, водохранилищах и каналах понижается до минимума, в результате чего оставшаяся в них вода застаивается, заболачивается и становится источником неблагоприятной экологической обстановки.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в предотвращении затопления территорий в период крупномасштабных и локальных наводнений путем повышения эффективности систем регулирования стока воды на площади водосбора рек, в снижении трудоемкости и материальных затрат при устройстве систем регулирования стока, в облегчении условий эксплуатации систем, в сведении до минимума вреда хозяйственной деятельности человека, живой природе и окружающей среде в период строительства и эксплуатации систем регулирования стока, в улучшении экологической обстановки в зоне наводнений.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является создание системы регулирования стока воды, при использовании которой избыточные воды в период наводнений не накапливаются на внутриматериковых территориях, а стекают в естественные водоемы, расположенные ниже и вне зоны наводнения, в том числе в море, при этом конструктивные особенности отводных каналов, используемых в системе, позволяют в период наводнений поддерживать в водоемах нормальный уровень воды в течение длительного периода времени, независимо от погодных условий, сохраняя таким образом водоемы и прилегающие к ним участки суши для хозяйственной деятельности человека, ко всему прочему, задействованные в системе регулирования стока воды отводные каналы имеют минимальную глубину и располагаются на доступных рельефах местности, поэтому после схода воды и в промежутках между наводнениями имеется возможность использовать занятые под отводные каналы участки земли для выращивания кормовых культур, выпаса скота и других видов хозяйственной деятельности, также устраняется вероятность нанесения вреда речным обитателям при перемещении потоков воды в период наводнений из-за минимальной глубины отводных каналов и сравнительно небольшой скорости перемещения водных потоков, а после схода воды устраняется опасность заболачивания каналов и они не становятся источником неблагоприятной экологической обстановки.
Для получения технического результата предлагается способ предотвращения затопления территорий в период крупномасштабных и локальных наводнений на площади водосбора рек, заключающийся в том, что от водоемов, расположенных в зоне наводнений, прокладывают каналы для отвода избыточных вод в водоемы, расположенные ниже и вне зоны наводнения, для чего на площадях водосбора рек предварительно выявляют участки, подверженные затоплению во время наводнений, создают искусственные и/или задействуют естественные водоемы для приема избыточных вод, намечают места прокладки отводных каналов и производят расчеты его параметров. Новым является то, что отметку уровня дна каждого отводного канала в месте отвода избыточных вод из водоема выполняют на отметке или немного выше отметки нормального уровня поверхности воды в водоеме, соответствующего средней величине стабильного уровня, наблюдаемого на протяжении многих лет, при этом дно по длине каждого отводного канала выполняют с уклоном i в направлении нижерасположенного водоема, что позволяет потоку избыточных вод в период наводнений стекать по каналу к морю, не затапливая рядом расположенные территории. Оптимально, если количество отводных каналов и их ширина b будет принята из расчета максимально возможного объема избыточных вод, отводимых из водоемов, что позволит обеспечить проходную способность каналов и полный сток воды из переполненных в период наводнения водоемов при минимальной глубине h min каналов. Можно выполнить по меньшей мере один канал для отвода избыточных вод из реки, и/или речной протоки, и/или из озера, и/или водохранилища в нижерасположенное русло реки, и/или в озеро, и/или водохранилище,                                                                                                                                                   и/или в море, что позволяет установить нормальный уровень воды в водоемах, расположенных в зоне наводнений. Допустимо, если по своей длине отводной канал будет выполнен прямолинейной или криволинейной формы, в зависимости от рельефа местности, на которой он располагается, что не оказывает негативного влияния на режим движения стекаемых избыточных вод. Для осуществления вышеуказанного способа предлагается система для предотвращения затопления территорий в период крупномасштабных и локальных наводнений на площади водосбора рек, включающая водоемы, расположенные в зоне наводнений и соединенные каналами для отвода избыточных вод с искусственными и естественными водоемами, расположенными ниже и вне зоны наводнения. Новым является то, что отметка уровня дна каждого отводного канала в месте отвода избыточных вод из водоема расположена на отметке или немного выше отметки нормального уровня поверхности воды в водоеме, соответствующего средней величине стабильного уровня, наблюдаемого на протяжении многих лет, при этом дно по длине каждого отводного канала имеет уклон i в направлении нижерасположенного водоема, что позволяет обеспечить организованный сток избыточных вод. Система может содержать отводные каналы, количество которых и их ширина b могут быть приняты из расчета максимально возможного объема избыточных вод, отводимых из водоемов, что позволит прокладывать каналы минимальной глубины h min, не изменяющими рельеф местности. Предпочтительно, если система будет содержать по меньшей мере один канал, выполненный с возможностью отвода избыточных вод из реки и/или из речной протоки и/или из озера и/или водохранилища в нижерасположенное русло реки и/или в озеро и/или в водохранилище и/или в море, в результате чего избыточные воды не будут накапливаться на внутриматериковых территориях, и значительные участки суши будут освобождены от воды. По длине отводные каналы могут иметь прямолинейную или криволинейную форму, не изменяющую режим организованного стока избыточных вод.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан схематический план расположения отводных каналов на водосборной площади бассейна реки, на фиг.2 показан продольный профиль одного из отводных каналов, на фиг.3 показан его поперечный профиль.
Изобретение поясняется на примере осуществления способа предотвращения затопления территории Дальнего Востока в период крупномасштабных наводнений на водосборной поверхности среднего и нижнего течения бассейна реки Амур, а также в период локальных наводнений на ее протоках и озерах. Особенностью гидрологического режима Амура является периодический подъем уровня водной поверхности, вызываемый в основном летне-осенними муссонными дождями, иногда очень интенсивными, что и произошло в августе-октябре месяце 2013 года. Для предотвращения крупномасштабных наводнений предлагается система регулирования стока избыточных вод, содержащая отводной канал 1, который соединяет озеро Малое Кизи, являющееся частью озера Большое Кизи, с акваторией Татарского пролива (см. фиг.1). Озеро Большое Кизи расположено в Ульчском районе Хабаровского края на восточном берегу в бассейне реки Амур и соединено с его руслом рядом проток. Озеро Большое Кизи и сообщающееся с ним через пролив Блага озеро Малое Кизи расположены во впадине, образовавшейся в результате вулканической деятельности. Дно обоих озер, их берега и прибрежные зоны покрыты илистыми отложениями, оставшимися от наводнений прошлых лет. Глубина озер составляет 3-4 метра, а перепад уровней водных поверхностей между озерами и Татарским проливом составляет 6 метров. От Татарского пролива озеро Малое Кизи отделяет полоса суши шириной 6-7 км, низменные места которой, окаймляющие небольшую возвышенность, покрыты зарослями травы и кустарником. Под растительным слоем располагаются обломочные вулканические породы, доступные для разработки бульдозером. Возможны по меньшей мере три варианта прокладки отводных каналов 1, но наиболее рациональным из них является прокладка канала 1 от озера Малое Кизи по долине речки Большое Табо до урочища Тучное, откуда отводной канал 1 направляют в бухту Табо, расположенную ниже и вне зоны наводнения в акватории Татарского пролива. По данному варианту в месте прокладки отводного канала 1 перепады высотных отметок являются минимальными, а места других вариантов прокладки отводных каналов 1 и уклон их дна необходимо обосновать результатами инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических исследований. Конструктивной особенностью каналов 1 является то, что во всех вариантах отметку уровня дна (УД) отводного канала 1 в месте отвода избыточных вод из озера Малое Кизи выполняют на отметке или немного выше отметки нормального уровня (НУ) поверхности воды в озере, соответствующего средней величине стабильного уровня, наблюдаемого на протяжении многих лет (см. фиг.2). В период наводнения вода в озере поднимается до высшего уровня (ВУ), при котором она попадает в отводной канал 1 и начинает перемещаться по уклону i его дна в направлении бухты Табо. Такое положение уровня дна (УД) отводного канала 1 относительно нормального уровня (НУ) поверхности воды в месте отвода избыточных вод из озера позволяет после прекращения наводнения воде полностью уйти из канала 1, и тем самым устранить опасность его заболачивания, к тому же, появляется возможность в промежутках между наводнениями использовать отведенную под канал 1 площадь для выращивания кормовых культур и выпаса скота. Необходимое количество отводных каналов 1 и их ширину b принимают из расчета максимально возможного объема избыточных вод в период наводнения на участках бассейна реки Амур (см. фиг.1 и 3), сохраняя при этом глубину h min каналов 1 минимальной. Для прокладки отводного канала 1 используют гусеничный бульдозер-рыхлитель, оборудованный навесным бульдозерным отвалом и рыхлительным оборудованием. При помощи бульдозера-рыхлителя сначала снимают плодородный растительный слой земли, а затем разрыхляют и перемещают слои скального грунта по поверхности в сторону Татарского пролива или озера Малое Кизи, после чего выполняют планировку дна канала 1 с одновременным уплотнением. Дно по длине отводного канала 1 выполняют с равномерным уклоном i в направлении Татарского пролива, и в зависимости от рельефа местности, канал 1 по своей длине может быть прямолинейным или криволинейным. Прокладка отводного канала 1 от озер, расположенных в водном бассейне реки Амур, в акваторию Татарского пролива является первым этапом строительства глубоководного судоходного канала, соединяющего речные и озерные порты с морем.
Для предотвращения локальных наводнений на Дальнем Востоке, которые происходят на протоках и озерах среднего и нижнего течения бассейна реки Амур ежегодно, предлагается система регулирования стока, содержащая отводной канал 2, который соединяет протоку Перетаски, расположенную на восточном берегу в бассейне реки Амур, с заливом Айский, являющегося частью озера Большое Кизи (см. фиг.1). Уровень поверхности воды в заливе ниже, чем в протоке, при этом их берега покрыты илистыми отложениями, поросшими камышом и тростником. От залива Айский протоку Перетаски отделяет узкая полоска суши шириной около 0,5 км, покрытая зарослями травы и кустарником. Под растительным слоем располагаются галечниковые и мелкообломочные вулканические породы, доступные для разработки бульдозером. Количество отводных каналов 2 и их ширину b принимают из расчета максимально возможного объема вод в период локального наводнения на водосборном участке протоки Перетаски и прилегающих к ней площадей, сохраняя при этом минимальную глубину h min каналов 2. Наиболее рациональным вариантом является прокладка отводного канала 2 от протоки Перетаски к заливу Айский в месте, где ширина полоски суши является наименьшей. Конструктивной особенностью отводных каналов 2 является то, что во всех вариантах отметку уровня дна (УД) отводного канала 2 в месте отвода избыточных вод из протоки Перетаски выполняют на отметке или немного выше отметки нормального уровня (НУ) поверхности воды в протоке, соответствующего средней величине стабильного уровня, наблюдаемого на протяжении многих лет (см. фиг.2). В период наводнения вода в протоке поднимается до высшего уровня (ВУ), попадает в отводной канал 2 и начинает перемещаться по уклону i дна канала 2 в направлении залива Айский. Для прокладки отводных каналов 2 используют гусеничный бульдозер, оборудованный навесным бульдозерным отвалом. При помощи бульдозера снимают плодородный растительный слой земли, а затем перемещают слои грунта по поверхности в сторону залива Айского, после чего выполняют планировку дна канала 2 с одновременным уплотнением. Дно по длине отводного канала 2 выполняют с равномерным уклоном i в направлении залива, при этом, в зависимости от рельефа местности, канал 2 по своей длине может быть прямолинейным или криволинейным.
Прокладка отводных каналов предлагаемой конструкции в местах отвода избыточных вод из водоемов на площади водосбора рек, подверженных наводнению, позволит стабильно удерживать в них нормальный уровень поверхности воды и использовать водоемы с прилегающими к ним территориями для хозяйственных нужд рядом расположенных поселений и мегаполисов на протяжении длительного периода, независимо от времени года и погодных условий.
Приведенный пример использован только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения и ни в коей мере не ограничивает объем правовой охраны, представленный в его формуле, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен реализовать и другие пути осуществления данного технического решения.