Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Противопаводковые мелиоративные мероприятия в бассейнах малых степных рек

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Противопаводковые мелиоративные мероприятия в бассейнах малых степных рек"

На правах рукописи

АБОРНЕВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

ПРОТИВОПАВОДКОВЫЕ МЕЛИОРАТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ СТЕПНЫХ РЕК

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 дек гт

Новочеркасск - 2013

005543285

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасск ^ государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель: Шкура Владимир Николаевич

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кузнецов Евгений Владимирович

доктор технических наук, профессор, Заслуженны деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Кубанский госу дарственный а1рарный университет», зав. кафедро «Гидравлика и сельскохозяйственное водоснабже ние»

Мордвинцев Михаил Миронович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВП «Новочеркасская государственная мелиоративн! академия», профессор кафедры «Гидротехнически сооружения»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо

вательное учреждение высшего профессионально] образования «Волгоградский государственный аг рарный университет»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в 13-30 часов на заседа нии диссертационйЬго совета Д 220.049.01 в ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, ауд. 339.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г. и размещён на официальных интернет-сайтах ВАК Минобрнауки РФ и НГМА

Учёный секретарь диссертационного совета

—Малышева Зинаида Георгиевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Подтопление земель вызывается высоким стоянием или временным подъёмом уровня грунтовых вод на территориях, прилегающих к руслам рек и другим водным объектам. Подтопленными считаются земли сельскохозяйственного назначения и земли поселений, если уровень грунтовых вод на них расположен выше критического. Для сельскохозяйственных земель критический уровень грунтовых вод, при котором эти земли считаются не подтопленными, по рекомендациям различных учёных, составляет от 1,2 до 1,4 м. Земли поселений считаются подтопленными, если их уровень располагается ближе 2,0 метров к поверхности. В отличие от подтопления затопление земель происходит в результате подъёма уровня воды в реках в период весеннего половодья, летних паводков или ветрового нагона.

Наиболее актуальными вопросы затопления и подтопления территорий являются для бассейнов малых рек, составляющих около 99 % от общего числа рек и 92—93 % протяженности гидрографической сети Российской Федерации. Земельный фонд бассейнов малых рек составляет свыше 70 % от общей площади.

Учитывая масштабы охвата территории, изучению различных аспектов функционирования водосборов малых рек в условиях их интенсивного использования посвящены исследования С.Ф. Аверьянова, А.И. Голованова, А.Д. Гумба-рова, Е.В. Кузнецова, B.C. Лапшенкова, Б.А. Шумакова, Б.Б. Шумакова, в которых, наряду с формированием стока, детально изучены вопросы сельскохозяйственного использования прилегающих к ним потенциально затапливаемых и переувлажненных земель. Однако, в этих и других исследованиях до настоящего времени не нашли решения вопросы разработки мероприятий по снижению рисков вредного воздействия вод в условиях продолжающегося освоения водосборов сопровождающегося повышением плотности населения, ростом стоимости возводимых объектов. Современные тенденции освоения водосборов малых рек способствуют тому, что масштабы и тяжесть последствий затопления и подтопления территорий в их бассейнах из года в год стали возрастать. Примером этого является затопление в 2003 году 176 га сельскохозяйственных земель (пашни) и 37 га садовых и дачных участков в бассейне р. Кундрючья (приток р. Дон 3-го порядка). При этом затопление земель произошло половодьем Р=18 % обеспеченности, что недопустимо с учётом требований действующих нормативных документов.

Сложившаяся ситуация вызвала необходимость разработки комплекса противопаводковых мелиоративных мероприятий направленных на защиту потенциально затапливаемых и подтапливаемых сельскохозяйственных земель и земель поселений именно для бассейнов малых рек.

Степень разработанности темы. Предпринимаемые водохозяйственными и мелиоративными организациями до конца XX столетия действия по рекультивации периодически затапливаемых и подтопленных малыми реками территорий базировались на расчистке русел этих рек. Однако эти действия не дали ожидаемого положительного результата, а в отдельных случаях только усугубляли положение. Последствиями такой рекультивации стало вторичное заиление русел рек, практически полная утрата их дренирующей способности, что привело к масштабному увеличению площадей затопленных и подтопленных земель общего и сельскохозяйственного назначения, а также земель поселений даже при незначительном повышении пропускаемых по ним расходов. Снизить риски вредного воздействия вод в бассейнах малых рек позволят научно обоснованные рекомендации и методики прогнозирования затопления и подтопления земель, расчёта параметров расчистки русел на пропуск максимальных расходов весеннего половодья, распространения подпора от нерасчищенных участков рек и дренирования территорий в меженный период.

Цель исследований - снижение масштабов затопления, подтопления, заболачивания земель общего и сельскохозяйственного назначения, сохранение их биологической продуктивности на основе разработки и реализации противопаводковых мелиоративных мероприятий в руслах малых рек степной зоны.

Задачи исследований:

- провести анализ и дать оценку современного состояния водосборных территорий малых рек степной зоны;

- с применением географических информационных систем (ГИС) выполнить исследования зон затопления прилегающих к рекам земель расходами различной обеспеченности и разработать методику прогнозирования зон затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения с их корректировкой на влияние антропогенных факторов и характера освоения водосбора;

- обосновать состав и этапы разработки комплексного плана рекультивационных мероприятий в бассейне малой реки, критерии выбора участков и последовательность проведения противопаводковых мелиоративных мероприятий на землях

общего и сельскохозяйственного назначения, затапливаемых и подтапливаемых малыми реками при пропуске расходов различной обеспеченности; - разработать методику расчёта параметров расчистки русел малых рек на пропуск максимальных расходов, оценки дренирования земель речной поймы руслом реки в меженный период.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- теоретически обоснована и разработана методика прогнозирования площадей затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения в период пропуска повышенных расходов весеннего половодья и дождевых паводков, учитывающая влияние антропогенных факторов на формирование стока малых рек степной зоны;

- обоснованы критерии выбора участков для разработки и этапов реализации противопаводковых мелиоративных мероприятий, направленных на снижение площадей затопления и подтопления в бассейнах малых степных рек;

- предложена методика определения параметров расчистки русел малых степных рек, обеспечивающих снижение площадей затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в научном обосновании методов и очерёдности реализации противопаводковых мелиоративных мероприятий в бассейнах малых степных рек, направленных на снижение рисков затопления, подтопления и заболачивания земель общего и сельскохозяйственного назначения.

Практическую значимость работы составляют: методика прогнозирования затопления земель общего и сельскохозяйственного назначения в бассейнах малых рек; полученные поправочные коэффициенты, позволяющие учитывать влияние антропогенных факторов на речной сток; методики определения русло-формирующего и «безопасного» расходов и параметров расчистки русла, обеспечивающего их беспрепятственный пропуск; методика расчёта удалённости нижней границы расчистки реки от защищаемых земель; методика расчёта дренирования земель, прилегающих к расчищенным руслам малых рек. Практическая значимость исследований подтверждена результатами их внедрения в практику проектирования рекультивационных мероприятий на малых реках нижнего Дона.

Методология и методы исследований. Методологической основой иссле-

дований является системный подход к исследованиям затопления, подтопления и заболачивания земель в бассейнах малых рек степной зоны. Исследования затопления и подтопления земель выполнены с использованием общепринятых методик и аттестованного оборудования для гидрологических и инженерно-геологических исследований. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

• методика прогнозирования площадей затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения в бассейнах малых степных рек разработанная с учётом влияния антропогенных факторов на их сток;

• экспериментальные зависимости по определению коэффициентов влияния основных антропогенных факторов на годовой сток малых степных рек;

• рекомендации по составу и этапам разработки комплексного плана рекуль-тивационных мероприятий, критерии выбора участков, технологий и этапов проведения противопаводковых мелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек;

• методика расчёта параметров расчистки русел малых рек, разработанная с учётом требований беспрепятственного пропуска повышенных расходов весеннего половодья и дренирования пойменных земель в меженный период.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается использованием стандартных методов гидрологических и инженерно-геологических исследований с применением аттестованного оборудования, официальной статистической информации о состоянии и использовании водных ресурсов в бассейнах малых рек, применением методов статистической обработки данных, широкой апробацией результатов исследований, положительными результатами внедрения в практику проектирования.

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях учебных заведений, научно-исследовательских институтов в г.г. Новочеркасске, Краснодаре, Кемерово (2004-2013 г.). По результатам исследований опубликованы шесть статей, 2 из которых изданы в научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, цель, задачи, научная новизна исследований, показана теоретическая и практическая значимость результатов.

Глава 1. Анализ затопления и подтопления территорий в бассейнах малых степных рек. Установлено, что затопление и подтопление земель, прилегающих к речной сети, происходит в результате комплексного воздействия' приведенных на рисунке 1 природных и антропогенных факторов.

Затопление и подтопление территорий

1 1

Природные факторы Антропогенные факторы

1 1 1 { 1 1 1 4 1

Климат Густота гидрографической сети и гидрологический режим стока Почвы и подстилающая геология Рельеф поверхности Дренируемость земель руслами малых рек Глубина врезки русел рек Освоенность водосбора и изменение гидрологического режима малых рек Регулирование стока Заиленность русел малых рек Дорожные и гидротехнические сооружения

Рисунок 1 - Факторы, влияющие на затопление и подтопление территорий

Климат степной зоны Российской Федерации изменяется в направлении постепенного потепления, что ведёт к перераспределению осадков и солнечной радиации в разрезе года. За последние 10-15 лет в степной зоне наблюдается устойчивая тенденция увеличения выпадающих в осенне-зимний период осадков (до 30%) по сравнении с многолетней нормой, участившиеся и кратковременные оттепели зимой, приводящие к формированию волн половодий и периодические засухи летом. В условиях увеличения количества осадков в зимний период и снижения в этом временном интервале потерь на испарение возросла вероятность поднятия уровня грунтовых вод и подтопления прилегающих к руслам рек земель.

Густота гидрографической сети напрямую определяет степень дренируемо-сти территорий и способность русел пропустить максимальные расходы половодий и дождевых паводков. В бассейне реки Дон насчитывается 1737 водотоков, из которых 1703 являются малыми реками. Малые реки Нижнего Дона служили

для освобождения поймы от талых («вешних») вод, играли важную роль как естественные водотоки, дренирующие пойму в условиях слабоуклонного рельефа.

В последние десятилетия под воздействием антропогенных факторов гидрологический режим рек степной зоны и прилегающих к ним территорий претерпел существенные изменения. Обработка данных действующих водпостов за период с 1935 года, по настоящее время показала, что годовые объёмы стока малых рек снизились от 14 до 41 %, а суммарная протяжённость рек, в следствие чрезмерного сельскохозяйственного освоения и распашки водосборов к началу 80-х

годов сократилась на 4 - 60 процентов.

В настоящее время реки степной зоны с преобладанием процессов заиления над руслоформирующими процессами составляют большую часть гидрографической сети. К числу таких рек относятся Миус, Тузлов и его притоки, Керчик, Ка-гальник Азовский, Средний Егорлык, Тихая, Мокрый Еланчик и другие. По данным B.C. Лапшенкова, C.B. Лапшенковой и М.М. Мордвинова, слой накопленных наносов в руслах этих и других степных рек достигает в среднем 1,5-3,5 метра, а в отдельных реках может достигать 8 метров. Последствиями указанных морфологических процессов явился рост интенсивности подтопления и затопления прилегающих к малым рекам территорий.

Установлено, что наиболее эффективными методами борьбы с затоплением и подтоплением территорий является повышение пропускной и дренирующей способности русел, что достигается их комплексной рекультивацией.

Глава 2. Натурные исследования затопления и подтопления территорий в условиях антропогенного изменения стока рек. Исследования затопления и подтопления территорий проводились на участке расчистки р. Грушевка, расположенном между 40 и 40,8 км от устья реки. Началом участка являлся мост в х. Привольный, концом мост через р. Грушевка с водосливом практического профиля на 40 км реки. На период исследований русло реки было заилено, слой ила достигал 2 - 2,5 м, в результате чего прилегающие к руслу земли, включая и земли поселений, периодически подвергались затоплению и подтоплению. Исследования подтопления земель были выполнены в течение 2010-2012 годов в дв этапа, первый - в условиях заиленного, а второй в условиях расчищенного русла. Для проведения исследований были разбиты три поперечника в харакгернь профилях рельефа (плавно возвышающаяся пойма, наличие прируслового обрыва

I-I - промерочные поперечники Рисунок 2 - Схема участка исследований на р. Грушевка

примыкание первой надпойменной террасы), в каждом из которых были пробурены по четыре наблюдательные скважины (рисунок 2).

В данных скважинах с интервалом в 10 суток производились промеры уровня грунтовых вод. В результате промеров строились профили грунтовых вод по поперечникам, позволившие определить границы подтопления сельскохозяйственных земель и земель поселения (рисунок 3).

Для поперечника I-I до расчистки граница подтопления земель поселения составляла 19,2 м, а после расчистки 3,1 метра. В поперечнике II-II граница подтопления территории по левому берегу до расчистки составляла 51,8 м, после расчистки 11,5 м. По правому берегу, граница подтопления в этом же поперечнике до расчистки имела протяженность 497 метров и включала всю имеющуюся застройку в х. Привольный. После расчистки граница подтопления урбанизированной территории сократилась до 242 метров. В поперечнике III-III граница подтопления по правому берегу до расчистки находилась у подошвы надпойменной террасы, в 13,7 м, от уреза воды, а после расчистки переместилась к руслу до 4,3 метров. По левому берегу граница подтопления земель поселения до расчистки находилась на удалении 251 м от уреза воды и в 106 метрах после неё.

мБС 25.00 23.00 21.00 19.00 17.00 15.00 13.00

Отметки, м 20.000 18.811 20.000 22.500 25.000

Расстояния, м 10.00 23.00 22.00 37.00

Рисунок 3 - Профиль грунтовых вод и граница подтопления земель поселения в поперечнике I-I

С-2

реки

С учётом результатов исследований были определены границы критического уровня грунтовых вод для земель поселения до и после расчистки. Протяжённость зоны подтопления земель поселения на исследуемом участке с уклоном рельефа 0,067 после проведения расчистки русла сократились в 3,52 раза, а с уклоном 0,013 в 2,32 раза.

Исследования профилей грунтовых вод показали наличие кривой подпора уровней перед разгрузкой воды в русло, что является следствием дополнительного сопротивления заиленного слоя притоку грунтовых вод, величину которого для заиленного русла рекомендуется определять по полученной зависимости, приведённой на рисунке 4.

Рисунок 4 - Дополнительное сопротивление заиленного русла притоку

грунтовых вод

Для условий расчищенного русла величина дополнительного сопротивления притоку грунтовых вод описывается полученной эмпирической формулой: Д£ = 0Д66Ги6° Я2=0,839 (1)

Одновременно с исследованиями подтопления территорий для оценки водохозяйственного эффекта расчистки реки производились промеры расходов воды в начальном и конечном створах методом площадь-скорость и расчётом для водослива практического профиля. Осреднённые за период наблюдений результаты по расходам воды после расчистки показали увеличение расхода в конечном створе, на 0,04 м3/сек или на 0,0148 м3/сек на 1 км расчистки. Таким образом, было установлено, что расчистка даёт водохозяйственный эффект, заключающийся в повышении водности реки за счёт увеличения дренирующей способности русла.

Исследования затопления территорий в бассейне р. Грушевка производились путём построения продольного профиля максимальных уровней воды, определения площадей затопления с применением ГИС технологий. На основании проведённых исследований была разработана методика прогнозирования затопления земель в бассейне малой реки, включающая нижеприведенные этапы:

1. Намечаются расчётные створы для прогнозирования затопления территорий по длине реки, в качестве которых могут быть участки впадения притоков, границы населённых пунктов, границы административных районов, гидротехнические или дорожные сооружения.

2. По крупномасштабным съёмкам или картам М 1:5000-1:10000 строится продольный профиль с нанесением отметок дна, ила и бытового уровня воды.

3. По общепринятым методикам гидрологических расчётов определяют максимальные расходы в расчётных створах Р=1; 5; 10 и 25% обеспеченности.

4. Для выбранных расчётных створов строят кривые пропускной способности русел Q = (Л).

5. По построенным кривым определяют максимальные уровни воды в расчётных створах на основе чего строят продольные профили максимальных уровней воды Р=1; 5; 10 и 25 % обеспеченности.

6. На оцифрованные карты М 1:5000-1:10000 бассейна малой реки, наносят границы затопления земель расходами различной обеспеченности и определяют площади затопления.

Исследования затопления территорий выполненные для р. Грушевка в пределах участка от щаницы г. Шахты до устья показали, что площади затопления максимальными расходами Р=1 % обеспеченности составляют 819 га, Р=5 % -637 га, Р=10 % - 403,7 га и Р=25 % -160,9 гектаров. Затапливаемые площади при расходе Р=1 % обеспеченности составили 0,87 % площади водосбора.

Прогнозные площади затопления земель необходимо корректировать с учётом влияния антропогенных факторов на водосборе включающих лесистость водосбора, долю пашни и паров, площади прудов и водохранилищ, так как использованные в гидрологических расчётах поправочные коэффициенты не отражают современного изменения стока под влиянием указанных факторов.

Установлено, что залужение водоохранных зон и посадка древесно-кустарниковой растительности на 35 - 50% площади вызывают увеличение стока малых рек нижнего Дона при модуле стока от 0,5 до 1,0 л/с с км2 до 14,0 % на су-

песчаных почвах. Для суглинистых почв при той же площади лесонасаждений увеличение составит до 10,0 процентов. С увеличением модуля стока водосборной территории свыше 1,5 л/с с км2 влияние лесных насаждений водоохранных зон резко снижается и становится незначительным.

Один процент лесов или лесополос на водосборе снижает поверхностный сток на 1,3 % в год Р=75 % обеспеченности для суглинистых почв и на 0,7 % для супесчаных почв.

Наиболее существенное влияние на формирование стока оказывает пашня, и находящиеся на ней пары. Анализ кривых обеспеченности влагозапаса и формируемого поверхностного стока за 39 лет наблюдений на стоковых площадках в бассейне реки Тузлов показал, что на зяби поверхностный сток появлялся при влагозапасе в снеге свыше 32 мм, что соответствует обеспеченности влагозапаса Р=42%, а на засеянных пахотных землях поверхностный сток появлялся при влагозапасе в снеге 25 мм, что соответствует обеспеченности Р=71,0 процент. С учётом результатов исследований установлено, что пашня при доле зяби 0.0</3<0.5 снижает сток на величину:

К„ = 0,959е~°'б55/? л2=0,997 (2)

Потери стока на испарение с зеркала прудов на водосборе малой реки составляют от 10 до 17 % в год Р=75 % обеспеченности, а в маловодный год эти потери могут достигать 17-35% от объёма годового стока. Таким образом, для корректировки стока малых рек нижнего Дона рекомендована следующая зависимость:

где Qp - расход в проектном створе реки; <2„ - расчётный максимальный расход рассчитанный по картам максимального модуля поверхностного стока; Кф- поправочный коэффициент на фитомелиоративны'е мероприятия; К„ — коэффициент влияния пашни на поверхностный сток водосборной площади с учётом дополнительного влияния паров -К„; К„ - коэффициент влияния на поверхностный сток лесонасаждений; Кпр - поправочный коэффициент влияния на сток прудов и водохранилищ.

Вычисленный в работе суммарный понижающий коэффициент стока для р. Грушевка составил 0,78. С учётом полученного коэффициента, были пересчитаны максимальные расходы, уровни воды и расчётные площади затопления территорий в бассейне р. Грушевка, которые для расхода Р=1 % обеспеченности со-

ставили 0,80 % площади водосбора и снизились по сравнению с прогнозными на 6,9 процентов.

Глава 3. Теоретическое обоснование противопаводковых мелиораций прилегающих к малым рекам земель. Снижение площадей затопления и подтопления земель может быть достигнуто проведением противопаводковых мелиоративных мероприятий в бассейне малой реки, которые рекомендуется осуществлять на основе разработки комплексного плана (рисунок 5).

Рисунок 5 - Этапы разработки комплексного плана рекультивационных мероприятий в бассейне малой реки

Комплексный план рекомендуется разрабатывать для всего бассейна, но учитывая высокую стоимость противопаводковых мероприятий план может реа-лизовываться и на отдельных частях водосборов, а мероприятия по рекультивации малых рек делят на первоочередные и второстепенные. Первоочередные реализуются в пределах населённых пунктов и ниже по течению в пределах распространения подпора и направлены на снижение рисков затопления и подтопления земель поселений расчётным расходом. Второстепенные мероприятия реализуются на участках реки между населёнными пунктами и направлены на регулирование и поддержание пропускной способности русел.

Целями реализации противопаводковых мелиоративных мероприятий малых рек могут быть: 1) снижение ущербов от периодического затопления и подтопления земель; 2) регулирование бытовых уровней воды в межень для сохранения биологической продуктивности пойменных земель; 3) повышение водности реки в межень за счёт увеличения доли грунтового питания как водоисточника. Для достижения первой цели необходимо максимально увеличить пропускную способность русла. Достижение второй и третьей целей обосновывается параметрами распространения грунтовых вод на дренируемой рекой территории и водохозяйственным эффектом расчистки реки.

Максимальная пропускная способность русла реки должна соответствовать руслоформирующему расходу, который проходит в пределах береговых валов реки. Одновременно экономически обоснованным является расход, при котором произойдёт кратковременное затопление поймы, но при этом объекты жилищно-коммунальной инфраструктуры населённых мест не будут затапливаться. Этот расход для удобства назван нами «безопасным». Величины, как руслоформирую-щего так и «безопасного» расходов, определяют путём построения кривых <2 = /(й) для равномерного движения воды в руслах рек. При известной ширине реки по бровкам руслоформирующий расход определяют для треугольного профиля, заложение откосов которого, принимают по действующим нормативным документам. Исходя из равенства площадей треугольного и трапецеидального русел, осуществляется переход к трапецеидальному руслу реки, обеспечивающему пропуск руслоформирующего расхода.

Учитывая, что «безопасный» расход превышает руслоформирующий и допускает частичный выход воды из берегов на пойму и затопление территорий до

безопасной отметки, его можно представить в виде:

Q6 = QP+Qn (4)

где \dp - руслоформирующий расход; а - расход воды, протекающий по пойме.

С учётом принятых исходных данных (допустимый слой затопления территории h„; уклон реки - I; коэффициент шероховатости расчищенного русла реки - п \ коэффициент шероховатости затапливаемой поймы пп) определяют расход воды, протекающий по затопленной пойме, а по (4) «безопасный» расход.

При расчистке рек в пределах земель поселений нижняя граница рекульти-вационных мероприятий должна быть удалена от них на расстояние распространения подпора от нерасчищенного участка реки. Расчёты кривой подпора на переходном участке, выполнены методом В.И. Чарномского показали, что для малых рек с узким руслом (Ь<10,0м) при гидравлических уклонах от 0,0008 до 0,001 каждые 5 см подпора уровня воды от нерасчищенного русла распространяется на 650 и 180 метров соответственно. Для малых рек с (Ь>15,0м) при гидравлических уклонах от 0,0004 до 0,001 каждые 5 сантиметров подпора распространяются соответственно на 400 и 60 метров.

Для расчёта понижения уровня воды в русле реки в межень в уравнение равномерного движения жидкости в руслах вводится переменная hM - глубина воды в русле после его расчистки при пропуске меженного расхода. В результате уравнение равномерного движения жидкости приобретает вид:

п 1 , не Вм-2m(hp-hM)+ep г-—

QmJt-K--1-p-K4K-i, (5)

где Вм - ширина русла реки по урезу воды при пропуске меженного расхода.

Учитывая сложность прямого решения уравнения (5) для определения глубины воды в русле реки после его расчистки при меженном расходе решение осуществляют путём построения графика функции Q = f{h) из которого при известном <2м определяют hM.

Понижение меженного уровня воды в русле ведёт к изменениюожения кривой депрессии на пойме и повышению интенсивности грунтового питания реки, которое определяют с учётом протяжённости зоны влияния расчищенного русла

реки: Ln = 1,5yja • tCM , где tCM- продолжительность функционирования расчищенного участка реки в сутках; а- коэффициент уровнепроводности грунтов.

Расчёт грунтового питания реки выполняют по нижеследующей методике:

1. Определяется приток грунтовых вод к нерасчищенному руслу реки:

Чз 4 + • С6)

2. Удельный приток грунтового потока, разгружаемого в русло реки после её расчистки, определяется по формуле:

К

где Т - мощность дренируемой толщи; ¡гп - высота уровня воды на пойме в точке,

удаленной от русла реки на Ьп до расчистки; и Ьр - высота уровня воды в месте их выклинивания в русло до и после расчистки; Ьп - протяжённость зоны

дренирования грунтовых вод рекой; - дополнительное сопротивление

русла реки соответственно до и после расчистки.

3. Увеличение грунтового питания реки после расчистки составит:

Д q = кТ

г К-К К - h,Л

v4+ALp L + AL3J

(8)

Из (8) следует, что интенсивность грунтового питания малой реки после её расчистки зависит от уклона грунтовых вод в пределах зоны влияния и сопротивления русла притоку грунтовых вод, величина которого определяется по эмпирически полученной формуле (1).

Следствием рекультивации русла малой реки является повышение его пропускной и дренирующей способностей и снижение площадей затопления земель. Расчётные площади затопления после расчистки русла с учётом корректировки расхода под влиянием антропогенных факторов составили для расхода Р=1 % 0=135,7 м3/с - 701 га; для расхода Р=5 % Q= 86,6 м3/с - 483 га, для расхода Р=10 % Q= 70.2 м3/с - 275 га, для расхода Р=25 % £>=41,3 м3/с- 97 гектаров.

В результате реализации мероприятий комплексного плана в бассейне р. Грушевка затапливаемая площадь для расхода Р=1 % обеспеченности составила 0,74 % площади водосбора и снизилась по сравнению с прогнозной на 16,8 процента (рисунок 6).

уроЬень & межень

расчистка реки 1_=2.8 км

•^ОкйшибйНиё руСЛСГ

Зна реки

29.52

16.65

10.57

4.35

-1.50

Р=25%

Уро&ня ЬоЗы 31.40 18.18 12.98 7.41 5.64 4.42 130

Р=1% 35.50 22.42 18.18 12.70 9.50 832 5.82

Р=5% 34.70 21.81 17.37 11.65 8.50 7.00 4.63

Р=10% 34.50 21.08 16.42 10.58 8.00 6.20 3.77

29.20

19.23

14.80

8.62

4.78

Развернутый план

р.Каменоломни х.Прибольный__„

сл.Красюкобская

х.Янобо-ГришейскиО

ила

30.82

окашиЬание_______—--

русла расчистка 1=2.95 км

50_40_| 30

11.80

Поперечный профиль р.ГрушеЬка Ь х.Прибольный МБС 25.00 -ш 23.00 -II

Р=1%

21.00

19.00 41

17.00 II

Отметки, м

Расстояния, м

окашибание русл

5%

окашиоание русла расчистка 1=14 км

Рисунок 6 - Продольный и поперечный профили р. Грушевка после реализации комплексного плана

рекультивационных мероприятий

Глава 4. Практическая реализация разработанных методик. Разработанные методики применены проектной группой ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» и другими компаниями, осуществляющими водохозяйственное проектирование в бассейнах малых рек.

В бассейне р. Грушевка в качестве первоочередных мероприятий комплексным планом была намечена расчистка реки на участках в пределах х. Яново-Грушевский, слободе Красюковская и х. Привольный. С целью предотвращения заполнения земель в х. Яново-Грушевский с учётом разработанных методик потребовалось для безопасного пропуска расхода Р=5 % обеспеченности углубить русло реки на первом широком (ширина по урезу воды 21м) участке на 1 м, а на последующем более узком (ширина по урезу воды 10-13 м) на 2,2 метра

В слободе Красюковская, где река Грушевка протекает по густонаселённой местности, с застройкой, располагающейся в непосредственной близости от русла реки параметры расчистки определены исходя из условия беспрепятственного пропуска «безопасного» расхода весеннего половодья составляющего для верхнего окончания сл. Красюковская 79 м3/с, а южной оконечности 86 м3/с .Русло на всем протяжении потребовалось расчистить шириной по дну 6,0 метров с заложением откоса ш=2,0 и глубиной расчистки равной 2,2 метра.

Параметры расчистки участка русла р. Грушевка в х. Привольный определены исходя из условия беспрепятственного пропуска в пределах населённого пункта «безопасного» расхода весеннего половодья в 42 м3/с в пределах уровней, исключающих затопление домовладений. При определении пропускной способности расчищенного русла его ширина по дну принята равной 4,5 м, а ширина по верху в зависимости от заложения откосов. При таких параметрах расход Р=5 % обеспеченности будет пропущен при отметках уровня воды не свыше 19,960 м БС, (руслоформирующий расход до отметки 19,470 - С}=34,б м3/с расход по частично затапливаемой пойме 7,4 м ) что исключает затопление, но допускает подтопление земель поселения в х. Привольный.

Корректировка расчётных расходов р. Грушевка при проектировании расчистки участка в х. Привольный позволила снизить объёмы разработки грунтов при расчистке реки с расчётных 14,5-15,3 м2/п.м до фактических 11,95-12,4 м2 на погонный метр. Уменьшение объемов работ, при обеспечении безопасного пропуска повышенных расходов реки, позволило снизить стоимость строительно-монтажных работ по рекультивации русла на 1,68 млн. рублей.

В настоящее время водохозяйственные организации осуществляют рекультивацию русел малых рек тремя основными способами: экскаватором в отвал для обезвоживания; плавучим экскаватором с транспортными баржами; земснарядом в гидроотвал для обезвоживания.

Первый способ применим при ширине русел рек до 10-12 м, наличии мест для временного складирования грунта для обезвоживания. Преимуществом метода является высокая скорость производства работ и низкая стоимость, однако разработанный грунт, согласно действующему Водному Кодексу Российской Федерации должен быть перемещен за пределы прибрежной защитной полосы. Обладая рядом перечисленных преимуществ, этот метод с точки зрения воздействия на окружающую среду является самым не экологичным, так как негативному воздействию в процессе выполнении работ подвергаются значительные площади земель в пределах прибрежной защитной полосы реки.

Второй способ применим при более широких руслах, и также предусматривает временное складирование грунта для обезвоживания, его повторную разработку, перемещение и рекультивацию. Применение плавучего экскаватора с учётом работы барж-шаланд значительно удорожает производство работ. Тем не менее, такая схема применима в условиях плотной застройки берегов малых рек, когда наблюдается недостаток мест временного складирования и обезвоживания илов на берегу.

Третья схема с учётом использования земснарядов малой производительности применима при ширине реки от 10 м, предусматривает транспортировку водно-грунтовой пульпы в гидроотвалы. При удалении гидроотвалов на значительное расстояние применяют станции перекачки с грунтонасосами. Следует отметить, что третий способ расчистки наиболее экологичен, так как негативному воздействию подвергаются значительно меньшие площади пойменных земель.

Рекультивация русел рек сопряжена с разработкой и последующим размещением больших объёмов грунта. В случае, если разрабатываемый в руслах рек ил согласно «Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды», относится к практически не опасным и принадлежит к 5-му классу, то он может быть использован для планировки поверхности земли, а также на сельскохозяйственных землях путём его разравнивания слоем не более 20-25см с последующей заделкой в почву.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ литературных источников позволил установить, что вопросы затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения, а так же земель поселений наиболее актуальны для малых рек, составляющих около 99 % от общего числа рек и 92—93 % протяженности гидрографической сети Российской Федерации. Дальнейшая интенсификация освоения водосборов малых рек, повышение плотности населения, рост стоимости возводимых объектов привели к тому, что масштабы и тяжесть последствий затопления и подтопления территорий из года в год стали возрастать. Подтверждением этому является затопление в 2003 году 176 га сельскохозяйственных земель (пашни) и 37 га садовых и дачных участков граждан в бассейне р. Кундрючья. Затопленными оказались 47 домовладений. При этом затопление произошло расходом Р=18 % обеспеченности, что по действующим нормативным требованиям недопустимо.

2. Основными методами борьбы с подтоплением земель является устройство прируслового дренажа или рекультивация самого русла реки, повышающая его пропускную и дренирующую способность. Исследования подтопленйя земель в бассейне р. Грушевка показали, что протяжённость зоны подтопления для земель поселения от уреза воды в реке с уклоном водосбора 0,067 после проведения расчистки сократилась в 3,52 раза, а с уклоном 0,013 в 2,37 раза.

3. Прогноз затопления земель, выполненный по разработанной нами методике на основе применения ГИС технологий показал, что в бассейне р. Грушевка в пределах участка от границы г. Шахты до устья площади затопления максимальными расходами Р=1 % обеспеченности составляют 819 га, Р=5 % - 637 га, Р=10 % - 403,7 га и Р=25 % -160,9 гектаров земель. Затапливаемые площади при расходе 1 % обеспеченности составили 0,87 % площади водосбора.

4. Корректировка прогнозных площадей затопления должна осуществляться с учётом фактического снижения максимальных расходов под влиянием антропогенных факторов. Фитомелиорация водоохранных зон вызывает увеличение стока малых рек при модуле стока от 0,2 до 0,5 л/сек с км2 до 10 % на супесчаных почвах и соответственно до 12 % на суглинистых. Пашня на водосборе снижает сток в среднем на 8,7 процентов. В маловодный год (Р=95 %) сток снижается на 20 %, при этом необходимо учитывать не только долю пашни на водосборе, но и долю зяби (паров) в её составе. Один процент лесов на водосборе снижает поверхност-

ный сток на 1,3 % в год Р=75 % обеспеченности для суглинистых почв и на 0,7 % для супесчаных почв. Потери водного стока на испарение с зеркала прудов на водосборе, в зависимости от их площади в маловодный год могут достигать 17-35 % от объёма годового стока. Суммарный понижающий коэффициент стока для р. Грушевка составил 0,78. С учётом снижения максимальных расходов на расчётный коэффициент площадь затопления территории в бассейне р. Грушевка для расхода Р=1% обеспеченности составила 0,80 % площади водосбора и снизилась по сравнению с прогнозной на 6,9 процентов.

5. Противопаводковая мелиорация земель в бассейне малой реки должн осуществляться на основе разработки комплексного плана их рекультивации. Учитывая большой объём работ, комплексный план должен включать первооче редные и второстепенные мероприятия. Первоочередные реализуются в предела населённых пунктов и ниже по течению в пределах распространения подпора направлены на снижение рисков затопления и подтопления земель поселений, включая домовладения граждан. Второстепенные мероприятия реализуются н участках реки между населёнными пунктами и направлены на регулирование поддержание пропускной способности русел.

6. Параметры расчистки русел малых рек должны определяться на пропус «безопасного» и руслоформирующего расходов, величины которых определяю на основе расчётов равномерного движения воды в открытых руслах с учётом реальных топографических и гидравлических условий местности. Для режима пропуска меженных расходов разработана методика оценки зоны влияния реки на грунтовые воды и расчёта дополнительного питания реки в межень. Реализация мероприятий комняексного плана позволила снизить гидравлические сопротивления расчищенного русла р. Грушевка, увеличить его пропускную способность, что снизило площадь затопления в бассейне для расхода Р=1 % обеспеченности до 0,74 % площади водосбора, что на 16,8 % меньше по сравнению с прогнозной.

7. Проведенные исследования позволили установить, что прирост грунтового питания малых рек в меженный период зависит от типа рельефа дренируемой рекой территории, сопротивления расчищенного русла притоку грунтовых вод, и составил 0,0148 м3/с на 1 км расчистки, что повышает водность рек, особенно в межень, как возможных водоисточников. Разработанные рекомендации внедрены в практику проектирования расчистки русел малых рек, при этом экономический эффект от использования рекомендаций только при расчистке участка р. Грушевка в х. Привольный составил 1,68 млн. рублей.

РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Противопаводковые мероприятия в бассейнах малых рек разрабатываются на основе прогнозирования площадей затопления и подтопления земель общего, сельскохозяйственного назначения и определения ущерба, наносимого вредным воздействием вод. Прогнозирование площадей затопления и подтопления земель в бассейнах малых рек необходимо осуществлять с учётом снижения объёмов стока под влиянием антропогенных факторов.

2. Противопаводковые мелиоративные мероприятия в бассейнах малых степных рек должны осуществляться на основе разрабатываемого комплексного плана рекультивационных мероприятий с выделением участков их первостепенной реализации.

3. Основу противопаводковых мероприятий в бассейнах малых рек составляет расчистка русел рек от ила. Параметры расчистки русел на пропуск русло-формирующего и «безопасного» расходов, режима дренирования пойменных земель в межень и протяжённости зоны распространения подпора от нерасчищенного участка определяют с использованием разработанных в работе методик.

4. Технологию рекультивации русла малой реки необходимо выбирать с учётом расчётных параметров расчистки её русла, удалённости мест складирования разработанного в русле грунта. При соответствии разрабатываемых в руслах \ рек илов согласно «Критериям отнесения опасных отходов к классу опасности ; для окружающей природной среды» к 5-му классу, они могут быть нанесены на сельскохозяйственные земли слоем до 25 см с последующей заделкой в почву.

Перспективы дальнейшей разработки темы

Дальнейшие исследования затопления и подтопления территорий должны включать оценку влияния урбанизированных территорий на гидрологический режим малых рек и прилегающих к ним земель, разработку рекомендаций по предотвращению затопления, подтопления и заболачивания земель при наличии кас- . кадов подпорных сооружений, а также для малых рек, расположенных в других 1 географических зонах.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ

1. Аборнев, В. С. Мелиорация малых рек степной зоны России / В. С. Аборне В. Н. Шкура// Тр. КубГАУ. - Краснодар. - 2009. - №6. - с. 183-185.

2. Аборнев, В. С. Гидротехническая мелиорация малых рек нижнего Дона / В. Аборнев, В. Н. Шкура// Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - № 3. С. 29-31.

3. Аборнев, В. С. Исследование пропускной способности действующих автод рожных мостов на р. Кундрючья / В. С. Аборнев, Е. В. Дорожкин // Материа науч.- практ. конф. студ. и молодых ученых «Проблемы создания устойчивь природных ландшафтов России»: ФГОУ ВПО НГМА. - Новочеркасск, 2004. Вып. 2.- С. 220-223.

4. Аборнев, В. С. Оптимизация параметров расчистки русел малых рей / В. Аборнев, В. Н. Шкура, Е. Д. Хецуриани // ЧИСТАЯ ВОДА - 2009. Труды мех науч.-практ. конф. (20-21 октября 2009 г.) /под общей ред. Т.А. Красновой, Кем ровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 200 -С. 299-304.

5. Аборнев, В. С. Оценка влияния водоохранных зон на сток малых рек нижн го Дона / В. С. Аборнев, В.Н.Шкура // Материалы науч. практ. конф. «Эффекта ность мелиораций на юге России» (23-24 сентября 2009 г.) ФГОУ ВПО НГМА. Новочеркасск: Лик, 2009. -Вып.7., Т. 2 - С. 82-88.

6. Аборнев, В. (^Водохозяйственная эффективность расчистки русел рек / В. Аборнев, В. Н. Шкура // Материалы междунар. науч.- практ. конф. «Интегра! науки и образования - стратегия устойчивого развития водно-мелиоративног комплекса страны» (28-30 мая 2013 г.) Новочерк. гос. мелиор. акад. - Новоче касск: «Лик», 2013 - С. 173-180.

В других изданиях

Подписано в печать 14.11.2013г. Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз.

Объем 1.0 п.л. Заказ № 936

Отдел оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Аборнев, Владимир Сергеевич, Новочеркасск

с

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

На правах рукописи

04201452571

АБОРНЕВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

ПРОТИВОПАВОДКОВЫЕ МЕЛИОРАТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ СТЕПНЫХ РЕК

Специальность: 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

профессор, кандидат технических наук,

ШКУРА В.Н.

НОВОЧЕРКАССК 2013

СОДЕРЖАНИЕ С. ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1. АНАЛИЗ ЗАТОПЛЕНИЯ И ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ СТЕПНЫХ РЕК...................................... 11

1.1 Природные факторы затопления и подтопления земель в бассейнах 12 малых рек.................................................................................

1.2 Антропогенные факторы затопления и подтопления земель в бассейнах малых рек............................................................................. 21

1.2.1. Формирование поверхностного стока с водосборных территорий малых рек.................................................................................. 22

1.2.2. Морфология русел малых рек и затопление и подтопление прилегающих территорий..................................................................... 24

1.2.3. Влияние гидротехнических и дорожных сооружений............ 28

1.3 Современные методы снижения рисков затопления и подтопления территорий в бассейнах малых рек................................................... 31

1.3.1. Расчистка русел малых рек как метод снижения рисков затопления и подтопления прилегающих территорий...................................... 34

Выводы по главе......................................................................... 38

2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ И ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СТОК РЕК................................................................................ 40

2.1. Характеристика участка исследований на р. Грушевка................. 41

2.2. Методика проведения исследований............................................ 46

2.3. Оценка точности измерений...................................................... 48

2.4. Результаты исследований подтопление территорий......................... 50

2.5. Исследования затопления территорий в бассейне реки Грушевка...... 58

2.6. Методические основы исследований формирования стока малых рек 64

2.7. Исследования годового стока малых рек нижнего Дона................ 67

2.8. Оценка влияния на сток фитомелиоративных мероприятий в преде-

лах водоохранных зон........................................................................................................................................73

2.9. Влияние на сток сельскохозяйственного освоения водосбора..........................85

2.10. Оценка влияния на годовой сток полевых лесополос..........................................92

2.11. Влияние прудов на сток малых рек нижнего Дона..............................................95

2.12. Затопление земель в бассейне реки Грушевка с учетом влияния ан- 98 тропогенных факторов на формирование стока.....................................

2.13. Методика расчета площади затопления земель в бассейне реки 102 Выводы по главе..................................................................................................................................................102

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОТИВОПАВОДКОВЫХ МЕЛИОРАЦИЙ ПРИЛЕГАЮЩИХ К МАЛЫМ РЕКАМ ЗЕМЕЛЬ .... 105

3.1. Методические основы выбора участков противопаводковой мелиорации малых рек и прилегающих территорий................................................................................107

3.2. Обоснование величины противопаводкового расхода..................................111

3.3 Расчистка русла на пропуск руслоформирующего расхода........................113

3.4 Расчистка русла на пропуск «безопасного» расхода..........................................114

3.5. Расчет протяженности подпора от нерасчищенного участка......................116

3.6 Расчистка русла исходя из дренирования поймы в период межени ... 119

Выводы по главе 126

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК 128

4.1 Обоснование выбора технологии расчистки русел малых рек..................136

4.2 Оценка возможности использования разработанного при расчистке русел рек ила............................................................................................................................................................136

Выводы по главе..................................................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................141

РЕКОМЕНДАЦИИ............................................................................................................................................144

.Перспективы дальнейшей разработки темы..............................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Затопление земель происходит в результате подъема уровня воды в реках в период весеннего половодья, летних паводков или ветрового нагона. В отличие от затопления подтопление земель вызывается высоким стоянием или временным подъемом уровня грунтовых вод на территориях, прилегающих к руслам рек и других водных объектов.

Подтопленными считаются земли сельскохозяйственного назначения и урбанизированные территории, если уровень грунтовых вод на них расположен выше критического. Для сельскохозяйственных земель критический уровень грунтовых вод, при котором эти земли считаются подтопленными по рекомендациям различных ученых составляет:

1. Из условия обеспечения несущей способности почвы для производства полевых работ - ЗО-бОсм.

2. Для создания благоприятного воздушного, теплового и питательного режимов для растений по [133]- 1.2-1.3м.

3. С учетом опыта получения максимальных урожаев сельскохозяйственных культур по [74] - 0.8-1.4м

Земли поселений считаю подтопленными, если уровень грунтовых вод располагается ближе 2.0 м от поверхности [104].

Согласно нормативных требований [102] затопленными считаются территории временно или постоянно накрытые слоем воды. Постоянно подтопленными считают территории, на которых уровень грунтовых вод в естественных условиях поднимается выше критического: Нкр/Нср > 1; где Нкр - критическое положение уровня грунтовых вод;

Нср - глубина среднего многолетнего положения уровня грунтовых вод.

Грунтовые воды на прилегающих к рекам территориях могут совершать сезонные колебания уровня, когда не подтопленные территории на время становятся подтопленными исходя из условия:

Нкр/Нср-Мгь >1;

где АНЬ - сезонное поднятие уровня грунтовых вод.

Учитывая, что суша является водосборной территорией рек, то говоря о затоплении и подтоплении земель следует иметь ввиду, что это происходит на водосборах рек в пределах которых протекают взаимосвязанные процессы формирования поверхностного, почвенного и грунтового стока, определяющего гидрологический режим реки и прилегающей поймы [29,31,55].

Наиболее актуальными вопросы затопления и подтопления территорий являются для малых рек составляющих около 99% от общего числа рек и 92—93% протяженности гидрографической сети Российской Федерации. Земельный фонд бассейнов малых рек составляет свыше 70% от общей площади, в бассейнах малых рек в настоящее время проживает около 30% городского населения и большая часть сельского. Дальнейшая интенсификация освоения водосборов, повышение плотности населения, рост стоимости возводимых объектов способствуют тому, что масштабы и тяжесть последствий затопления и подтопления территорий из года в год стали возрастать.

Так в период половодья 2003 года только в бассейне р. Кундрючья (приток р. Дон 3-го порядка) было затоплено 176га сельскохозяйственных земель (пашни) и 37 га садовых и дачных участков граждан, подтопленными оказались 47 домовладений [38]. С меньшей интенсивностью в бассейне р. Кундрючья и на других малых реках нижнего Дона негативные явления отмечались в период весеннего половодья 2006, 2009, 2011 годов. При этом затопление домовладений и приусадебных земель происходит не только при половодьях редкой повторяемости в Р=(1-5) процентов, но и при половодьях более низкой обеспеченности Р= 15-25%, что недопустимо с учётом требований действующих нормативных документов [103]. Создавшаяся ситуация привела к необходимости детального исследования причин повышения масштабов и тяжести последствий вредного воздействия вод в бассейнах малых рек.

Изучению различных аспектов функционирования водохозяйственных систем малых рек их влияния на прилегающие территории в условиях их интенсивного использования посвящены исследования А.Д. Гумбарова [35], Дьяченко [41], Е.В. Кузнецова [64,65], B.C. Лапшенкова [68], Г.Г. Шилера [129] Б.А.Шумакова,

Б.Б. Шумакова [132]. В работах этих и других ученых детально рассмотрены вопросы формирования гидрологического режима малых рек , а так же сельскохозяйственного использования прилегающих к ним потенциально затапливаемых и переувлажненных земель. Однако, в этих исследованиях до настоящего времени не нашли своего научно обоснованного решения вопросы прогнозирования затопления и подтопления земель, разработки мероприятий по снижению рисков вредного воздействия вод на прилегающие к руслам территории. Недостаточно изучены вопросы антропогенного влияния на гидрологический режим малых рек и гидрогеологические условия прилегающих к ним земель общего, сельскохозяйственного назначения и земель поселений.

Мелиорация затапливаемых и подтапливаемых территорий, прилегающих к руслам малых рек в настоящее время осуществляется устройством прируслового дренажа, но чаще всего путем расчистки заиленных русел рек . Последняя с одной стороны повышает пропускную способность русел, что снижает риски затопления и подтопления земель в период весеннего половодья и дождевых паводков, а с другой стороны восстанавливает дренирующую способность русла, что регулирует уровень грунтовых вод на прилегающих землях в межень. Следует отметить, что расчистка русел малых рек активно реализуемая в конце XX века велась не на всем их протяжении, а отдельными, совершенно непонятно чем и как обоснованными участками протяженностью от 2 до 9 километров. По мнению B.C. Лапшен-кова, локальная расчистка отдельно взятых участков русел от осевших наносов чаще приводит не к улучшению, а к ухудшению состояния экологической системы малых рек [67].

С экологической точки зрения такая расчистка малых рек являлась вредной потому, что, во первых, не устраняла причин заиления русла, а во вторых сама становилась причиной последующей деградации реки. Учитывая, что в условиях снижения водности на расчищенном русле не могут быть сформированы размывающие скорости, то после окончания работ на таком участке начинался процесс его вторичного заиления еще более опасный по своим последствиям, чем первый. Расчищенный участок при вторичном заилении полностью утрачивает полезные

свойства естественного русла, так как обнажения дренирующих грунтов, подстилающих пойму, кольматируются илом на большой глубине, не доступной для динамического воздействия водного потока.

В этой связи поиск и научное обоснование методов и разработка эффективных технологий проведения противопаводковых мелиоративных мероприятий на водосборных территориях малых рек по прежнему остается актуальной.

Степень разработанности темы. Предпринимаемые водохозяйственными и мелиоративными организациями до конца XX столетия действия по рекультивации периодически затапливаемых и подтопленных малыми реками земель для степной зоны Российской Федерации в основном базировались на расчистке русел этих рек. Однако эти действия не дали ожидаемого положительного результата, а в отдельных случаях только усугубили положение. Последствиями такой рекультивации стало вторичное заиление русел, практически полная утрата их дренирующей способности, что привело к росту ущербов от затопления и подтопления земель общего, сельскохозяйственного назначения и земель поселений даже при незначительном повышении пропускаемых по ним расходов.

Снизить риски вредного воздействия вод в бассейнах малых рек позволят научно обоснованные рекомендации и методики прогнозирования затопления и подтопления земель, разработанные с учетом корректировки максимальных расходов под воздействием антропогенных факторов, методики расчёта параметров расчистки русел на пропуск максимальных расходов весеннего половодья нормативной обеспеченности, распространения подпора от нерасчищенных участков рек и дренирования прилегающих земель в меженный период.

Целью работы является снижение масштабов затопления, подтопления, заболачивания малыми реками земель поселений, земель общего и сельскохозяйственного назначения при сохранении их биологической продуктивности на основе разработки и реализации противопаводковых мелиоративных мероприятий в руслах малых рек степной зоны.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проведен анализ и дана оценка современного состояния водосборных территорий малых рек степной зоны;

• с применением географических информационных систем (ГИС) выполнены

исследования зон затопления прилегающих к рекам земель расходами различной обеспеченности и разработана методика прогнозирования зон затопления и подтопления земель общего, сельскохозяйственного назначения расходами различной обеспеченности;

• получены понижающие коэффициенты влияния антропогенных факторов на формирование стока малых рек степной зоны и разработаны рекомендации по корректировке зон затопления и подтопления земель;

• обоснованы этапы разработки комплексного плана рекультивационных мероприятий в бассейне малой реки и критерии выбора участков и последовательность проведения противопаводковых мелиоративных мероприятий на землях общего и сельскохозяйственного назначения, затапливаемых и подтапливаемых малыми реками;

• разработаны методики расчёта параметров расчистки русел малых рек на пропуск максимальных расходов и методика расчета дренирования поймы руслом реки в межень;

• обоснован выбор технологии рекультивационных мероприятий в руслах малых рек.

Научная новизна. На основе теоретических обобщений и исследований, выполненных автором, впервые предложены:

- методика оценки площади затопления, подтопления земель в период пропуска повышенных расходов весеннего половодья и дождевых паводков с учетом влияния антропогенных факторов на формирование стока малых рек степной зоны;

- критерии выбора участков для разработки и реализации противопаводковых рекультивационных мероприятий, направленных на снижение площадей затопления и подтопления территорий в бассейнах малых рек;

- методика определения параметров противопаводковой рекультивации русел малых степных рек, обеспечивающих снижение площадей затопления и подтопления земель поселений, земель общего и сельскохозяйственного назначения.

Теоретическую значимость результатов исследований составляют:

• исследования затопления и подтопления водосборных территорий бассейнов малых рек с учетом влияния антропогенных факторов на формирование их поверхностного и подземного питания;

• критерии выбора участков для разработки и проведения противопаводковых рекультивационных мероприятий;

• методология разработки комплексного плана противопаводковых рекультивационных мероприятий в бассейнах малых рек.

Практическую значимость результатов исследований составляют:

• методика прогнозирования затопления сельскохозяйственных и урбанизированных территорий в бассейнах малых рек;

• поправочные коэффициенты, позволяющие учесть влияние антропогенных факторов на речной сток;

• методики определения руслоформирующего и «безопасного» расходов и параметров расчистки русла, обеспечивающий их беспрепятственный пропуск;

• рекомендации по определению удаленности нижней границы расчистки реки от населенных пунктов;

• методика расчета дренирования прилегающих территорий расчищенным руслом реки.

Практическая значимость исследований подтверждена результатами их внедрения в практику проектирования рекультивационных мероприятий на малых реках нижнего Дона.

Методология и методы исследований. Методологической основой исследований является системный подход к исследованиям затопления, подтопления и заболачивания земель в бассейнах малых рек степной зоны. Исследования затопления и подтопления земель выполнены с использованием общепризнанных методик и аттестованного оборудования для гидрологических и инженерно-геологических исследований. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Положения выносимые на защиту:

• методика прогнозирования площадей затопления и подтопления земель общего и сельскохозяйственного назначения в бассейнах малых степных рек разра-

ботанная с учетом влияния на сток антропогенных факторов;

• экспериментальные зависимости по определению коэффициентов влияния осно�