Подтопление территорий

Подтопление территорий - подъем уровня грунтовых вод, вызванный повышением горизонта воды в реках при сооружении водохранилищ и плотин, затоплением русл рек, потерями воды из водопроводящих сетей и пр. При подтоплении заболачивается и засоляется почва, ухудшается санитарное состояние местности, разрушаются здания, дороги.

Категории опасности подтопления земель

Показатели	Категории
весьма опасные	опасные	умеренно опасные
Площадь, %	75-100	50-75	До 50
Продолжительность формирования водоносного горизонта, годы	> 3	< 5	> 5
Скорость подъема уровня подземных вод, м/год	> 1	0,5-1	0,5

Подъем уровня воды в поверхностном водном источнике, например, в результате создания водохранилища, вызывает подъем уровня грунтовых вод (Dh) на прилегающих к водохранилищу территориях. Создается зона влияния водохранилища на уровенный режим грунтовых вод прилегающих земель (Lвл.). Зона влияния выделяется в пределах территории, где происходит достоверное изменение положения уровня грунтовых вод (УГВ), т.е величина подъема УГВ должна быть не меньше ошибки определения положения УГВ: Dh³d, где d=10-20см. Площадь зоны влияния зависят от параметров водохранилища, рельефа местности, гидрогеологических условий. Например, в песчаных грунтах, небольшом уклоне поверхности земли и большой разницей отметок нормального подпорного уровня (НПУ) и исходного уровня воды в реке (УВ) - подъем грунтовых вод распространяется на десятки километров. В пределах зоны влияния водохранилища выделяется зона подтопления (Lпод.) и зона незначительного изменения уровня грунтовых вод. Зона подтопления включает в себя зону заболачивания и зону переувлажнения. В южных районах в зоне подтопления активно протекают процессы засоления земель. Следствием подтопления является потеря почвенного плодородия и снижение урожайности, затопление подвальных помещений жилых и промышленных зданий, разрушение их фундаментов и другие негативные последствия.

L_подт = L _заб + L _пер (10.7)

Зона заболачивания распространяется на площади, в пределах которой глубина залегания грунтовых вод (h) изменяется в диапазоне:

0 £ h £ h к.п., (10.8)

где h к.п. - высота капиллярного поднятия (песок h к.п.=0.3-0.5м, супесь h к.п.=0.5-1м, суглинок h к.п.=1-1.5м).

Зона переувлажнения распространяется на площади, где глубина залегания грунтовых вод изменяется в пределах:

h к.п. £ h £ hхоз, (10.9)

Для выращивания сельскохозяйственных культур h хоз =hк.п. + hкор.;

Рис. 10.13 Схема расположения глубины залегания грунтовых вод (hхоз) для условия произрастания растений на границе зоны переувлажнения.

Для хозяйственных построек hхоз = hфунд.

где hхоз. – глубина залегания грунтовых вод, необходимая по условиям хозяйственной деятельности; hкор. – глубина распространения основной массы корневой системы растений (для большинства сельскохозяйственных культур hкор =0.5м; hфунд.- глубина заложения фундамента, с учетом возможной водооткачки.

В пределах зоны незначительного изменения положения уровня грунтовых вод - происходит достоверное изменение положение УГВ, которое существенно не сказывается на изменении экологической обстановки и условиях хозяйственной деятельности человека. Оценка последствий строительства гидроузла - задача многофакторная. Один из аспектов этой задачи связан с влиянием водохранилища на продуктивность естественных (лесные массивы - как одно из звеньев экологической системы) и сельскохозяйственных угодий.

УГВ_1, УГВ₂ - соответственно, уровни грунтовых вод до и после создания водохранилища; hв – мощность водоносного горизонта, Kф, m - соответственно, коэффициент фильтрации и недостаточность насыщения грунтов водоносного горизонта.

Рис.10.13 Схема влияния водохранилища на изменение уровенного

режима грунтовых вод прилегающей территории.

Оценку влияния водохранилища на естественные и сельскохозяйственные угодья можно провести на основе сравнения их продуктивности до (U₁) и после (U₂) строительства водохранилища.

Степень воздействия в этом случае будет оцениваться величиной изменения продуктивности (DU). Величина DU может быть и больше ноля (потеря продуктивности) и меньше ноля (увеличение продуктивности за счет создания более оптимальных условий для произрастания растений в зоне переувлажнения).

Таблица 10.4

Характеристика видов растительности на естественных

и сельскохозяйственных угодьях.

Естественная растительность	сосна	береза	ель
hопт, м	2.0	1.0	3.0
Сельскохозяйственные культуры	зерновые	кормовые	травы
h опт, м	1.5	1.0	0.8

Величина изменения положения УГВ после создания водохранилища (Dhх) рассчитывается по формуле Н.Н.Веригина:

Dh_х = , м (10.10)

где hв - мощность водоносного горизонта в сечении створа, проходящем через точку уреза воды в водохранилище (точка А рис.) при отметке НПУ, м; y ₁ - глубина залегания водоупора в том же сечении (у₁ = hв + Ho), м; hвх - мощность водоносного горизонта в расчетном створе, расположенном на расстоянии x от точки уреза воды в водохранилище при отметке НПУ, м; erfc (z) - специальная табулированная функция (модифицированная функция ошибок, значения которой представлены в таблице 10.5), с аргументом рассчитываемым по формуле:

z = , (10.11)

где x- расстояние по горизонтали от точки уреза воды (А) в водохранилище при отметке НПУ до расчетного створа, м; Т- время стабилизации уровенного режима грунтовых вод на прилегающей к водохранилищу территории (для низконапорных гидроузлов на равнинных реках около 10 лет); a - коэффициент уровнепроводимости, характеризующий скорость изменения УГВ, м²/сут;

a = , м²/сут (10.12)

где k _ф - коэффициент фильтрации грунтов водоносного горизонта, м/сут; h _в - средняя мощность водоносного горизонта на участке, от точки уреза воды в водохранилище при отметке НПУ до границы зоны влияния:

h _в = , м (10.13)

m - недостаток насыщения почвогрунтов, в процентах объема:

m = ПВ – ФВ, % (10.14)

ПВ, ФВ - соответственно, полная и фактическая влагоемкость грунтов водоносного горизонта.

Табл 10.5

Значения функции erfc(z)

Z	0.00	0.20	0.40	0.60	0.80	1.00	1.20	1.40	1.60	1.80	2.00
erfc(z)	1.00	0.777	0.572	0.396	0.258	0.157	0.090	0.048	0.024	0.011	0.005

Рис.10.14 Схема расположения зон влияния водохранилища на изменение уровенного режима грунтовых вод прилегающей территории.

Величина ущерба определяется по изменению продуктивности растений с помощью зависимости продуктивности растений (U) от глубины залегания грунтовых вод (рис.10.15).

hopt – оптимальная глубина залегания грунтовых вод, при которой формируется максимальная, в конкретных условиях, продуктивностьUмах; hкр. – критическая глубина залегания грунтовых вод, при которой они не влияют на продуктивность растений, и урожайность (в данном случае U/Umax=0.75) формируется за счет атмосферных осадков.

Рис.10.15 Зависимость относительной продуктивности растений (U/Umax)

от глубины залегания УГВ.

Основным мероприятием по защите земель от подтопления является осушение земель и устройство берегового дренажа. При создании берегового дренажа определяют: расход воды, поступающий в дрену (с последующим определением ее параметров) и положение депрессионной кривой. Расход воды в дрене длиной L складывается из расхода воды, поступающего из водохранилища (Q₁), и расхода воды, поступающего со стороны водосборной площади (Q₂):

Q = Q₁ + Q₂ Q₁ = q₁*L Q₂ = q₂*L

q₁ = q₂ = (10.15)

где q₁, q₂ – соответственно, удельные расходы воды, поступающие в дрену из водохранилища и со стороны водосборной площади, л/с*м; h_1, h₂ –соответственно, напор воды в реке и грунтового потока с водосборной площади, м; l₁, l₂ –соответственно, расстояния от дрены до водохранилища и наибольшего напора грунтового потока, м.

Рис.10.16 Схема для расчета берегового дренажа.

Положение депрессионной кривой рассчитывается по формулам:

hx₁= hx₂ = (10.16)

где ho – расстояние от уровня воды в дрене до водоупора, м; h₁-расстояние от уровня воды в поверхностном водном объекте до водоупора, м; h₂ – мощность водоносного горизонта на границе зоны влияния берегового дренажа на изменение положения уровня поземных вод, м; l₁ – расстояние от поверхностного водного объекта до оси дрены, м; l₂ –длина зоны влияния дренажа, м.

Сель

Сель - стремительный поток большой разрушительной силы, состоящий из смеси воды и рыхлообломочных пород, возникающий внезапно в бассейнах небольших горных рек в результате интенсивных дождей или бурного таяния снега, а также прорыва завалов и морен.

В горных районах выпадение дождей или снеготаяние может привести к образованию бурных водяных потоков, которые, стекая с крутых склонов, обладают большой мощностью. Сель способен увлекать за собой обломки скал, большие глыбы и валуны. Такой поток размывает почву, разрушает горные породы и захватывает обломочный материал. Постепенно поток воды превращается в грязекаменный.

Табл.10.7

Классификация опасности селя.

Показатели	Классы
катастрофические	весьма опасные	опасные	умеренно опасные
Площадь проявления, км^2	> 5	5…3	3…1	<1
Объем, млн. м^3	<10	10…3	3…0,5	<0,5
Скорость движения, м/c	< 40	40…30	30…10	<10
Повторяемость, ед. в год	< 0,01	0,01 -0,1	0,1 - 0,2	>0.2
Интенсивность, баллы	>9	8 - 9	6 - 7	<6

Сход селя явление кратковременное и обычно длится 1—3 ч. Сели проявляются в местах образования малых временных водотоков (например, после прохождения дождя) длиной до 25—30км и площадью водосбора до 50—100 км². Селевой поток характеризуется большой скоростью течения 2,5—4,0 м/с. При прорывах заторов скорость потока может возрастать до 8—10 м/с.

Диаметр влекомых потоком твердых частиц ориентировочно можно оценить по зависимости (10.17) из которой видно, что при скорости селя 3м/с поток способен увлекать валуны диаметром до 1.8м.

d = 0.2*V² (10.17)

По составу сели делятся на: грязевые, грязекаменные и водокаменные потоки. Табл. 10.8 Классификация селей по составу потока.

Наименование	Состав	Плотность,т/м^3
Грязевой поток	Вода с мелкоземом при небольшой концентрации камней.	1,5—2,0
Грязекаменный поток	Вода, мелкозем, галька, гравий, небольшие камни; попадаются крупные камни.	2,1—2,5
Водокаменный поток	Вода, преимущественно крупные камни, в том числе с валуны и скальные обломки.	1,1 —1,5

Условие образования селя, как разновидности эрозионного процесса, заключается в превышении энергии водяного потока (Эв) над работой по влечению обломочного материала (Ам):

Эв ³ Ам (10.18)

Энергия потока возрастает по мере увеличения расходов воды (Q) с водосборной площади (f) при наличии крутых склонов (с уклоном I).

Эв = g*r*Q*L*I*t Q = q*f (10.19)

где g – ускорение свободного падения, r - плотность воды, L – длина склона водосборной площади, q – удельный расход с единицы площади в единицу времени, t - время достижения критических расходов поверхностного стока.

Ам = f*G*cos(a) + C (10.20)

где f – коэффициент трения; G – вес твердого тела; a - угол наклона склона; C – сила сцепления твердых частиц.

В створе, где выполняется условие (10.18), расход воды достигает критического значения (Q³Qкр) и начинается захват обломочных материалов и почвенных частиц. Это створ начала движения грязекаменного потока. По мере движения, энергия селя многократно увеличивается, так как резко возрастает объем потока и его средневзвешенная плотность.

Рис.10.17 Структура водосборных площадей селя.

(В створе 1-1 Q=Q кр F_2-2=DF_1-1…2-2+f)

.

Объем селя пропорционален объему селеобразующего стока воды. При этом водосборная площадь селевого потока (F) включает в себя водосборную площадь (f), на которой формируется критический объем стока воды, способный для влечения твердых частиц (створ 1-1 где выполняется условие 10.18 рис. 10.17) и активную водосборную площадь селя (fа). Отношение активной площади к общей площади используется как показатель эродированности территории:

(10.21)

Табл.10.9

Классификация селеносности потоков.

Характеристика	Степень селеносности
Высокая	Сильная	Средняя	Слабая
Степень эродированности, m	>0.2	0.1 – 0.2	0.05 – 0.1	< 0.05
Уклон русла селя	>0.3	0.2 – 0.3	0.1 – 0.2	< 0.1
Удельный объем селя, т.м^3/км^2	>20	10 – 20	5 – 10	< 5

Объем селя может изменяться в пределах от 0,1 - 1,0 тыс. м³ (небольшой сель) до 10 - 100 млн. м³ (грандиозный сель). Огромные сели могут снести с 1 км² селевого бассейна в среднем 20—50 тыс. м³ твердого материала. Сель обладает мощной транспортирующей способностью, увлекая за собой обломки скал объемом от 10 до100 м³ и более.

Объем и максимальный расход селя определяются по формулам:

w= Wв*y_w Qc = Qв*y_Q (10.22)

y_w = (10.23)

где Wв, Qв – соответственно, объем стока и расход воды, y_w,y_Q - средний и соответствующий максимальному расходу воды коэффициенты селеносности; g _n – удельный вес наносов; g_с – объемный вес селя; d - коэффициент водонасыщенности потока; e - приведенная порозность: . Для определения величины y_Q используется формула (10.22), но значения величин: g _n, g_с , d, и e - определяются для момента прохождения максимального расхода.

Основными причинами возникновения селей являются:

1. Продолжительные и интенсивные дожди.

2. Быстрое таяние снега на большой площади.

3. Прорыв заторов (на горных и предгорных реках, ручьях), аварийные сбросы воды из водохранилищ.

Рис.10.18 Основные причины возникновения селей и

вероятность их появления, %.

Мероприятия по контролю селевых потоков делятся на два вида:

v предупредительные

v инженерные

Предупредительные мероприятия включают целый комплекс мер:

Ø мониторинг территории с целью выявления селеопасных районов и прогноза образования селей;

Ø оповещение населения и эвакуация;

Ø подготовка мест эвакуации;

Ø ограничение хозяйственной деятельности в местах с опасностью возникновения селей;

Ø террасирование склонов и лесомелиорация, позволяющие уменьшить средний уклон склона и закрепить обломочные материалы насаждениями.

Наиболее эффективным предупредительным мероприятием является ограничение хозяйственной деятельности в селеопасных районах (с запретом строительства объектов) и срочное перемещение существующих объектов на безопасные территории.

Лесомелиоративные мероприятия позволяют регулировать поверхностный сток, закреплять и защищать рыхлый материал от смыва и размыва селевыми потоками.

Инженерно-технические мероприятия основаны на строительстве следующих противоселевых сооружений:

v селезадерживающие;

v селепропускные;

v селенаправляющие;

v стаблизирующие.

Селезадерживающие сооружения предназначены для задержания селевого потока в верхнем бье­фе и образования селехранилищ. К ним относятся плотины бетонные, желе­зобетоные, из каменной кладки, грунтовые глухие плотины.

Расчетный объем V селехранилища определяется по формуле:

V=W₁-W₂+w*T (10.24)

W₁- максимальный объем селя в створе плотины;

W₂- объем селя, сбрасываемый в нижний бьеф в процессе аккумуляции;

T- время заиления селехранилища, принимаемое не менее 25 лет;

w- среднегодовой объем аккумулируемых в селехранилище наносов.

Дата добавления: 2015-07-16