ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Речной поток в естественном состоянии не всегда может быть использован для хозяйственных целей. Регулирование руслового процесса предусматривает организацию течения водного потока и движения наносов в желаемом направлении, а также подавление отрицательных проявлений его режима. Выбор мероприятий для регулирования определяется характером использования водотока и особенностями руслового процесса. При регулировании последнего необходимо лишь поддерживать русло в состоянии динамического равновесия, при котором русловые и пойменные деформации находятся в полном соответствии с расходом наносов.
Борьба с эрозией склонов и оврагов. Водная эрозия почв представляет опасность для многих стран, особенно для тех, которые расположены в зонах с высоким количеством атмосферных осадков ливневого характера и имеют неровную поверхность рельефа, так как наносит большой ущерб сельскому хозяйству. Эрозия на водосборах - важный фактор формирования речных наносов. Продукты размыва склонов перемещаются временными потоками, поступая в реки, в зависимости от крупности материала, а также от транспортирующей способности потока образуют вместе с продуктами размыва дна и берегов взвешенные или донные наносы. Сосредотачиваясь в ложбинах и пониженных частях рельефа, поверхностный сток приобретает большую разрушительную силу, что приводит к образованию оврагов. Возникновение ускоренной эрозии связано с нерациональной хозяйственной деятельностью человека. Регулирование первичного стока на водосборе уменьшает поступление наносов в реку и дает возможность использовать сами склоны.
Предотвращение и сокращение водной эрозии на водосборной площади достигается проведением мероприятий, которые подразделяют на четыре группы: организационно-хозяйственные, агротехнические, лесомелиоративные и гидротехнические.
Организационно-хозяйственные мероприятия предусматривают размещение сельскохозяйственных угодий с учетом почвенно-геологических условий и рельефа местности, а дорожной сети и хозяйственных объектов таким образом, чтобы они не способствовали концентрации поверхностного стока.
Агротехнические мероприятия включают в себя противоэрозионные севообороты и приемы обработки почвы. Почву обрабатывают перпендикулярно к направлению склонового стока, при этом используют приемы, увеличивающие водопроницаемость и влагоемкость почв, задерживающие на поверхности стоковые воды и распыляющие потоки, могущие вызвать эрозию. Для борьбы с эрозией также применяют битумные и полимерные эмульсии. Агротехнические мероприятия не всегда могут предотвратить эрозию почв и рост оврагов, поэтому их часто сочетают с лесомелиоративными и гидротехническими мероприятиями.
Лесомелиоративные мероприятия проводят с целью уменьшения поверхностного стока. Водорегулирующие лесные полосы высаживают по горизонталям склонов. Расстояние между полосами принимают в зависимости от крутизны склонов и водопоглощающих свойств почв.
Гидротехнические мероприятия проводят в тех случаях, когда организационно-хозяйственные, агротехнические и лесомелиоративные не в состоянии полностью предотвратить эрозию почв. На водосборной площади применяют сооружения из грунта, задерживающие (полностью или частично) поверхностный сток, - валы-террасы (рис. 8.2), сооружения, обеспечивающие безопасный сброс поверхностного стока, - распылители стока, водоотводящие валы и нагорные каналы.
Мероприятия по прекращению роста оврагов включают в себя регулирование стока на водосборе, устройство противоэрозионных и сопрягающих сооружений в вершинах оврагов и сооружений, закрепляющих откосы и дно оврагов (рис. 8.3) [56].
Для отвода воды от вершины оврагов делают водопроводлщие валы и нагорные канавы, которые отводят поверхностный сток к сопрягающим сооружениям: перепадам, быстротокам. Наряду с традиционными конструкциями из бетона, железобетона и камня применяют трубчатые перепады, изготовленные из гофрированного металла или стеклопластика.
Для закрепления дна оврагов устраивают каскады запруд, перемычек, плотин, донных порогов, располагаемых поперек потока. Они защищают овраги от дальнейшего размыва, задерживают твердый сток, способствующий заиливанию пространств между запрудами.
В зарубежной практике для запруд, наряду с камнем и бетоном, используют габионы, стальную сетку, автомобильные шины.
В Индии перемычки, сооружаемые в оврагах, оборудуют трубчатыми водовыпусками. В широких оврагах предусматривают запруды в виде живых изгородей - из древесно-кустарниковой растительности.
Откосы оврагов закрепляют залужением. В Австралии используют полиэтиленовые сетки, которые предохраняют поверхностный слой от смыва в период формирования травяного покрова.
Неглубокие овраги, как правило, засыпают.
Борьба с селевыми потоками. Селевые потоки представляют собой смесь воды и грязекаменной массы. Они возникают в горных и предгорных районах при интенсивных ливнях или прррыве ледниковых озер. Селевые потоки уничтожают населенные пункты, хозяйственные объекты, заносят земли. Селеопасны районы Анд Центральной и Южной Америки, горы Мадагаскара, Цейлона, Турции, Ирана, Индокитая, Эфиопии и многие другие районы стран с жарким климатом.
Для борьбы с селевыми потоками проводят ряд мероприятий: регулирование стока на водосборной площади; недопущение образования селеопасных водоемов и ликвидация существующих водоемов и кратерных озер; устройство селезадерживающих сооружений в виде одиночных плотин, верхние бьефы которых служат селехранилищами, и систем запруд из каменной кладки и бетона, сквозных стальных и железобетонных конструкций, металлической сетки; строительство селепропусков и селенаправляющих сооружений: дамб, шпор, подпор-ных стенок.
Наибольший эффект достигается при комплексном использовании противоселевых мероприятий. Система селезащитных сооружений г. Лос-Анджелес включает 19 плотин, 72 селехранилища, 630 км селе- отводящих канализационных русел, 1930 км дренажных водоотводов.
Укрепление и защита берегов от размыва. Их предусматривают для сокращения плановых деформаций русла, защиты пойменных земель, сооружений мелиоративной сети, хозяйственных построек, дорог. Берегозащитные методы делят на пассивные и активные. К пассивным относятся защитные покрытия различного типа, воспринимающие непосредственно воздействие течений, волн и чисто механически защищают берега от разрушения. Активные методы защиты осуществляются с помощью сооружений, влияющих на структуру потока, замедляющих течение в береговой зоне и способствующих отложению наносов. С этой целью используют полузапруды, шпоры, сквозные сооружения, дамбы.
Борьба с наводнениями. Наводнения - затопления прибрежных речных земель в паводок или половодье, приводящие к значительному ущербу. В Индии, Китае, США, Индокитае и других странах с муссонным климатом они носят характер национальных бедствий. Особенно тяжелые последствия вызывают ливневые наводнения в равнинной местности, где затруднен отток воды и она может оставаться длительное время.
К мероприятиям по борьбе с наводнениями относятся: регулирование стока реки водохранилищами; обвалование, то есть ограждение территории земляными валами (дамбами); повышение пропускной способности русла - пропуск тех же расходов воды при более низких уровнях; устройство обводных или разгрузочных русел (каналов); повышение территорий, подверженных затоплению. Устройство обводных каналов, а особенно повышение территорий из-за высокой стоимости оправданно лишь для защиты небольших и ценных земель. Регулирование речного стока водохранилищами (рассматриваемое в курсе Гидрология, гидрометрия и регулирование стока) часто сочетают с другими мероприятиями.
Наиболее широко для борьбы с наводнениями используют обвалование. Различают два его вида: с незатопляемыми и затопляемыми дамбами. Первые применяют для защиты объектов и территорий, не допускающих затопления, вторые - для защиты сельскохозяйственных культур. Во время прохождения высоких паводков обвалованная система затапливается. Обвалование бывает односторонним, когда защищают пойменные земли на одном берегу, и двусторонним, когда дамбы возводят на обоих берегах.
Обвалование приводит к изменению режима прохождения паводка: повышаются уровни, увеличиваются скорости потока.
Расстояние между дамбами или удаление дамбы от противоположного незатопляемого берега при одностороннем обваловании определяется пропускной способностью русла и необвалованной части поймы и его рассчитывают по известным методам [21]. Расположение дамб в плане и удаление их от берега зависит также от устойчивости русла. На реках с устойчивым руслом дамбы можно располагать близко к кромке берега, а на блуждающих их следует удалять с учетом планового смещения русла.
Многие реки в нижнем течении в результате отложения наносов сформировали русла выше прилегающей территории. При больших расходах вода может переливаться через естественные прирусловые валы и затапливать значительные площади. Для защиты земель в нижнем течении реки Ганг предусмотрено строительство 4,5 тыс. км дамб и 5200 шлюзов-регуляторов.
Устройство дамб на реке Хуанхэ повлекло за собой повышение дна вследствие отложения в ее русле огромного количества наносов. Поэтому приходится постоянно наращивать высоту дамб.
Развитую систему ограждающих дамб имеют долины рек Хуанхэ, Янцзы, Иравады, Брахмапутра. Общая протяженность дамб, защищающих земли в долине реки Хуанхэ и ее притоков, составляет около 5 тыс. км, расстояние между ними колеблется от 1 до 10...20 км.
Выправительные работы. Плановое положение, глубины и уровни воды, скорости течения не всегда отвечают определенным хозяйственным требованиям. В таких условиях необходимо проводить выправительные работы. Выправительной трассой называют очертание проектного русла по урезу воды при принятом расчетом расходе.
Выправительные работы проводят, как правило, на участках реки значительной протяженности в тех случаях, когда регулирование на небольших по длине участках не дает необходимого эффекта.
Русловыправительную трассу выбирают с учетом назначения регулирования, особенностей руслового процесса, гидрологического режима реки и характера его изменений. Новое русло должно быть устойчивым, то есть сохранять приданную ему форму и размеры в течение длительного времени при минимальных эксплуатационных расходах. План выправительной трассы для увеличения минимальных глубин в реке и обеспечения устойчивости русла показан на рисунке 8.4.
При выборе выправительной трассы учитывают ряд положений. Проектируемые плановые очертания и поперечные сечения русла должны максимально приближаться к естественным устойчивым формам руслового потока. Трассу необходимо вписывать в существующие контуры русла с сохранением устойчивых параметров - продольного уклона, радиусов кривизны, ширины. Начальный и конечный участки трассы должны располагаться на устойчивых участках и обеспечивать плановый вход и выход потока.
Выправительную трассу проектируют криволинейной в плане, так как естественная форма устойчивых речных русел представляет собой ряд непрерывных излучин. Криволинейные участки плавно сопрягают между собой, используя прямолинейные вставки (длина которых не должна превышать три ширины трассы). Радиус кривизны трассы, определенный по расчетным зависимостям, сопоставляется с радиусами устойчивых русловых форм.
Расчетные параметры русла (ширину и глубину) выбирают с учетом эксплуатационных требований, а также необходимости обеспечения постоянства скорости по длине русла и его устойчивости против размыва и заиления.
Устойчивые параметры русла определяют по зависимостям, хорошо зарекомендовавшим себя в соответствующих физико-географических условиях. Для условий Индии и Пакистана, например, широко используют формулы Ласея: средний диаметр частиц грунта, слагающего русло, м.
При выборе выправительной трассы необходимо по возможности использовать существующее русло, сужая его до устойчивой ширины, перекрывал лишние протоки, спрямляя излучины, находящиеся в завершающей стадии развития. Наметив трассу, проектируют выправительные сооружения, их расположение и конструкцию.
