Расчет зон заиления русел и его методологические основы

В настоящее время существует множество методик для расчета размеров зон заиления русел рек и дополнительной мутности, образующейся в водотоках при работе различных землеройных механизмов: методика Фролова-Родзиллера, основанная на принципе разбавления сточных вод, разработки ГосНИОРХа, методика Гипроречтранса и ее многочисленные модификации, использующие понятие гидравлической крупности наносов, метод А.В. Караушева, основанный на положениях диффузионной теории движения взвешенных наносов и положенный, также, в основу многочисленных методик, в том числе и в основу одной из модификаций методики Гипроречтранса, методика ЛенморНИИпроекта и комплексные проработки Гипрорыбхоза.

В результате, как отмечено Всесоюзной конференцией по гидромеханизированным работам и дампингу (АзНИИРХ, Ростов-на-Дону, 1991 г.) и на Международном семинаром по проблемам научно-методического обеспечения оценок ущербов рыбному хозяйству (РАН, Москва, 1999 г.), применение разработчиками различных методик определения параметров полей мутности, а также их проверка в натурных обследованиях, приводит к очень различающимся оценкам ущербов рыбным запасам.

Кроме того, подавляющее большинство методик, в основу которых положена диффузионная теория движения примесей, в том числе все как теоретические, так и эмпирические методики Гипроречтрансов предназначены для расчета зон распространения технологической мутности в крупных судоходных реках, а методика ЛенморНИИпроекта – для расчета зон распространения мутности в морях и водоемах.

В результате, при всем многообразии методик расчета, процесс распространения технологической мутности в малых и средних реках оказался совершенно не освещенным, и, следовательно, соответствующая методика расчета в настоящее время просто отсутствует. Применять же для малых и средних рек методики, разработанные для крупных судоходных рек, невозможно в силу различного комплекса внешних условий и сил, определяющих процесс распространения технологической мутности вдоль речного потока в реках различного масштаба.

В то же время, при строительстве линейных объектов, таких как нефтегазопроводы и сопутствующие им технологические дороги именно малые и средние реки оказываются наиболее массовыми технологически нарушаемыми объектами.

Вторым существенным недостатком существующих методов расчета является либо полное игнорирование ими различных форм транспорта частиц, попадающих в поток в результате работы землеройной техники, либо неверное деление наносов по формам транспорта. Так методика Гипроречтранса 1986 года предлагает подразделять наносы на два указанных вида по величине диаметра частиц наносов, определяемой по кривой гранулометрического состава и равной d_5%, а методика Ленгипроречтранса 1990 года – размеру частиц, которые осядут на дно к контрольному створу на удалении 500 метров от производства работ. Оба эти предложения не дают больших расхождений с общим представлением о механизме движения речных наносов, если их применять для больших судоходных рек с песчаными наносами (для каких эти методики и разрабатывались). Если же этот метод деления наносов на два вида применить к рекам иных типов (полугорным, горным, гравийно-галечным, валунно-галечным, и т.д.), то можно получить результаты совершенно абсурдные и нелогичные.

В то же время в классической российской гидрологии существует четкое деление наносов на донные (влекомые, руслоформирующие) и взвешенные (транзитные). Указанная в классических учебниках по гидрологии граница между ними в общем виде совпадает с границей между связными и несвязными грунтами и принимается на уровне частиц со средним диаметр 0.1 - 0.05 мм. (В.Н. Гончаров «Движение наносов в равномерном потоке», Л., Изд. Строительной литературы, 1938 г., Г.И. Шамов «Речные наносы», Л., Гидрометеоиздат, 1954 г., А.В. Караушев «Теория и методы расчета речных наносов»Л., Гидрометеоиздат, 1977 г.) В некоторых современных монографиях эту границу устанавливают на уровне частиц с диаметром 0.01 мм. (Ц.Е. Мирцхулава «Основы физики и механики эрозии русел, Л., Гидрометеоиздат, 1989 г.).

Деление наносов на две принципиально различные формы транспорта: влечение по дну в виде различных дискретных структурных форм (рифеля, гряды, побочни, осередки и т.д.) и транзитное движение во взвешенном состоянии на большие по протяженности расстояния, определяет, с нашей точки зрения, и различные формы из воздействия на гидробионтов.

В силу того, что поток не в состоянии транспортировать частицы, относящиеся к донным наносам, во взвешенном состоянии какое-либо продолжительное время, эти наносы выпадают на дно потока на достаточно близком расстоянии от места производства работ и перемещаются вниз по течению уже в виде структурных морфологических образований (рифелей, гряд и т.д.). При этом эти наносы не повышают общей мутности потока, так как даже в кратковременно взвешенном состоянии перемещаются потоком в придонном слое толщиной 0.2 – 0.3 глубины, повышая мутность не всей толщи потока, а только его придонных струй. Таким образом, процесс технологического взмучивания донных наносов и их последующего перемещения потоком приводит к временному заилению речного дна с последующей его промывкой в результате перемещения донных наносов в структурной форме вниз по течению во время половодий и паводков.

В отличие от донных наносов, транзитные взвешенные наносы, практически не оседаемые на дне, не вызывают заиления речных русел, а повышают общую мутность потока во всей его толще начиная от створа производства работ, распространяясь вниз по течению на значительные расстояния. При этом постепенное снижение технологической мутности потока происходит не из-за отложения наносов на дне потока, в результате турбулентного расширения их облака как по ширине реки, что наиболее существенно для больших судоходных рек, так и вдоль русла реки под влиянием морфологических элементов русла: плесов, перекатов, излучин, островов (осередков) и побочней и т.д., - что наиболее существенно для малых и средних рек.

Таким образом, донные наносы в процессе своего переотложения влияют на условия обитания гидробионтов через заиление русел рек на коротких участках, а взвешенные наносы – через технологическое повышение мутности на значительных по протяженности участках рек.

В настоящее время, существует методическая возможность определения границы между двумя видами наносов не только в общем виде (по единому для всех рек граничному диаметру частиц 0.01 мм), а более конкретно с учетом особенности гидравлики реки на конкретном участке, используя такие понятия как «гидравлическая крупность» и «вертикальные пульсационные составляющие турбулентного потока». Однако такой метод разделения наносов пока еще не нашел своего отражения в утвержденной методике расчетов, хотя изложен А.В. Караушевым в уже упомянутой выше его монографии. Предложенный же не утвержденной методикой Ленгипроречтранса 1990 года способ учета вертикальных пульсационных составляющих скорости потока является некорректным и не может быть рекомендован к применению. Кроме того, для реализации такого способа деления наносов требуются дополнительные данные об уклонах свободной поверхности воды в реках в период производства работ, что, при нашей нехватки данных о скоростях течений, глубинах и ширинах потока в меженный период, еще больше затруднит методику расчета.

В связи с этим в данной работе принято классическое общее деление наносов на донные и взвешенные по единому для всех рек граничному диаметру частиц, равному 0.01 мм.

Различный механизм транспорта наносов требует и различных методов расчета их распространения (размеров зонт осаждения, скорости движения и концентрации).

В методиках Гипроречтранса, Гипротрубопровода и ГосНИОРХа расчет длины зон отложения наносов (заиления) по гидравлической крупности (W) проводится по формуле

,

где H и V – средние глубина и скорость потока, а L – предельная длина зоны осаждения фракций с гидравлической крупностью большей, чем W. С нашей точки зрения, такой методический подход полностью соответствует реальному механизму осаждения наносов и может быть использован для расчета размеров зон заиления на всех реках Сахалина. В связи с этим в основу использованной в данном случае методики расчетов размеров зон заиления речных русел частицами с диаметром более 0.01 мм была нами положена указанная выше формула.

В большинстве современных методик расчета зон повышенной мутности, вызываемой технологическими взвешенными наносами с диаметром частиц меньше какого-либо критического (в нашем случае 0.01 мм), использованы те, либо иные положения диффузионной теории распространения взвеси в турбулентном потоке. Различие между ними заключается только в применяемых расчетных схемах, способах расчета коэффициента турбулентного перемешивания и т.д. В целом же, эта теория близка к реальному механизму перемещения и распространения взвесей в турбулентном потоке и все методы расчета зон повышенной мутности, на ней основанные, могут быть корректно применены при расчетах этих зон на крупных судоходных реках. Применение этих методов для расчетов на малых и средних реках не вполне корректно, так как на реках такого порядка доминирующее влияние на процесс распространения взвеси оказывает не столько турбулентность потока, сколько внешние граничные условия, т.е. морфологические элементы русел рек: плесы, перекаты, побочни, осередки, излучины и т.д., а также относительно значимое увеличение расхода воды вдоль потока на участке распространения взвешенных наносов.

К сожалению, в настоящее время еще не разработана методика расчета распространения взвеси на малых и средних реках, учитывающая указанные обстоятельства. В связи с этим, в представляемых расчетах принято, что расчет зон распространения взвешенных наносов с частицами диаметром менее 0.01 мм будет проводится компанией «Биолит»по программе «Зеркало», в основе которой лежит ряд положений диффузионной теории и которая предназначена для расчета разбавления примесей или загрязнителей, поступающим в поток из точечного источника с дополнительным расходом воды.

В настоящем разделе приводится детальное поэтапное описание методики расчета размером зон осаждения наносов с диаметром частиц крупнее 0.01 мм.

3.1. Содержание расчетных таблиц

Выполненная в ГГИ работа по расчету размеров зон заиления русел рек Сахалина ниже створа прокладки трубопроводов включает следующие расчетные таблицы, представленные в Приложении 2 в расчетах по каждой конкретной реке-аналогу:

ТАБЛИЦА 1. Расчет стартовой мутности в створе производства земляных работ и расчет времени воздействия пятна мутности на участок реки в пределах его распространения;

ТАБЛИЦА 2. Расчет зон распространения частиц грунта различной крупности вниз по течению от створа производства земляных работ;

ТАБЛИЦЫ 3 и 4. Расчет массы грунта, оседающей по участкам реки ниже створа производства земляных работ, и расчет изменения мутности вниз по реке для условий разработки траншеи под укладку а) нефтепровода и б) газопровода (если при строительстве нефтепровода и газопровода была указана одинаковая производительность землеройной техники и равные объемы перемещаемого грунта, то представляется одна таблица, ввиду полной идентичности расчета);

ТАБЛИЦЫ 5 и 6. Расчет массы грунта, оседающего по участкам реки ниже створа производства земляных работ, и расчет изменения мутности вниз по реке для условий засыпки траншеи после укладки а) нефтепровода и б) газопровода (если при строительстве нефтепровода и газопровода была указана одинаковая производительность землеройной техники и равные объемы перемещаемого грунта, то представляется одна таблица, ввиду полной идентичности расчета);

ТАБЛИЦА 7. Расчет толщины слоя наилка, образовавшегося в результате производства земляных работ, и массы грунта, отложившегося на единицу площади дна водотока (плотности заиления).