9:48

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОХРАНА ГОРНЫХ И ПРЕДГОРНЫХ ЛАНДШАФТОВ УПРАВЛЕНИЕМ ТВЕРДОГО СТОКА

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ХАШИРОВА Татьяна Юрьевна

Краснодар 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный консультант ? Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Кузнецов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кружилин Иван Пантелеевич

доктор технических наук, профессор Гумбаров Анатолий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Григоров Сергей Михайлович

Ведущая организация: ГНУ «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ГНУ «РосНИИПМ», г. Новочеркасск).

Защита диссертации состоится « 20 » мая 2009г., в « 10 » часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08. при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. №4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «_____» _____________2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Природные ландшафты - главное богатство человечества и непродуманное их обустройство приводит как к количественному истощению, так и качественному изменению с нарушением экологического равновесия.

На сегодняшний день только в Кабардино-Балкарии в результате нерационального хозяйственного использования земель на 290 тыс. га (23% от общей площади КБР) почвенный покров подвергается интенсивной водной эрозии. Ущерб, наносимый почвенным ресурсам республики, исчисляется потерями в мощности плодородного гумусового профиля, содержании органического вещества и элементов питания растений. Мощность гумусового профиля уменьшилась местами более чем в 2 раза.

Большой ущерб народному хозяйству наносят и овражные процессы, которые часто становятся источниками возникновения селей. Так, сход селя в 2000 г. на реке Герхожан-Су в Кабардино-Балкарской республике унес жизнь многих людей и нанес большой материальный ущерб от затопления г.Тырныауз водами реки Баксан.

Эрозионные процессы на реках в паводковые периоды являются главным источником чрезвычайных ситуаций. В настоящее время практически на всех реках Кабардино-Балкарии, да и всего Северного Кавказа, проблема эффективного управления процесса боковой и донной эрозии стоит остро.

Эрозионные и аккумулятивные процессы доставляют много хлопот и на ирригационных системах. Так, каналы оросительных систем часто подвергаются размывам, либо заиляются наносами. Поля орошения подвергаются ирригационной эрозии, а при орошении недостаточно осветленной водой теряют с годами плодородие. Только за вегетационный период при орошении выносится на поля до 20 тонн ила на гектар.

Все эти природные явления взаимосвязаны и это порождает цепную реакцию. Так, интенсивная водная эрозия усиливает склоновую водоотдачу и способствует формированию расходов большей величины. Это в свою очередь ускоряет овражную эрозию и переформированию речных русел. Наносы, поступающие в этих условиях в водотоки, нарушают развитие речных систем, что приводит к заилению и заболачиванию пойм. Далее эти наносы заиливают каналы и выносятся на поля.

Для решения данной проблемы необходим геосистемный подход к вопросам противоэрозионной мелиорации, учитывающий взаимосвязь всех компонентов горных и предгорных ландшафтов, на комплексном учете всех видов эрозии и создании на этой основе системы взаимоувязанных мероприятий.

В настоящее время отсутствует научно-обоснованный подход к охране горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства. Существующие технические решения техногенного блока управления движением твердого стока нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Научная проблема состоит в необходимости разработки методологии охраны горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства управлением твердого стока и систематизации природной и техногенной составляющей измененной геосистемы.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по теме «Геосистемный мониторинг, охрана водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающие технологии воспроизводства плодородия почв» (номер гос. регистрации 01200113465).

Рабочая гипотеза. Эффективность охраны горных и предгорных ландшафтов от водной эрозии возможна при геосистемном подходе к решению проблемы с совершенной техносистемой.

Цель диссертационной работы. Разработка системной методологии охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока и совершенствование техногенного блока управления природными процессами.

Объекты исследований. Природно-техногенный комплекс природообустройства, в котором природной составляющей являются горные и предгорные ландшафты, а техногенной составляющей является блок управления природными процессами.

Предмет исследования. Закономерности влияния техногенного управления на геосистему и совершенствование управления природным процессом движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах в измененной геосистеме.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнялись на основе геосистемного подхода, имеющей целью: описать поведение геосистемы; построить теорию, которая объяснит наблюдаемое поведение; использовать эту теорию для предсказания будущего поведения геосистемы, то есть в тех действиях, которые могут быть вызваны изменением в геосистеме, а также систематизация и совершенствование техносистемы. Исследования проводились на горных и предгорных ландшафтах Кабардино-Балкарской республики в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов, общепринятых методик, разработанных в РАСХН, ВНИИГиМ и других ведущих научных центрах нашей страны.

Результаты исследований обрабатывались на ПЭВМ в соответствии с теорией планирования эксперимента с применением математической среды Math Cad 2000, MS Excel 2005 и собственных программ расчета, разработанных на языке Pascal, а также в среде Delphi 7.0.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методология охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока как природно-техногенного комплекса природообустройства.

2. Концептуальная, систематизированная модель формирования и управления твердым стоком в природно-техногенном комплексе природообустройства.

3. Имитационная камерная модель управления движения твердым стоком и комплексной оценки качества воды в речной подсистеме.

4. Мероприятия для управления эрозионными и аккумулятивными процессами на подсистемах горных и предгорных ландшафтов измененной геосистемы.

5. Методы расчета противоэрозионных сооружений для охраны горных и предгорных ландшафтов.

6. Методы расчета природоохранных сооружений для предотвращения аккумулятивных процессов в измененной геосистеме.

Научную новизну работы представляют:

- концептуальная модель охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока, в которой вся геосистема разбита на пять взаимосвязанных звеньев;

- алгоритм управления твердым стоком, всем природно-техногенным комплексом по охране горных и предгорных ландшафтов;

- имитационная камерная модель управления движения твердым стоком в речной подсистеме для оперативной оценки качественного состояния воды и управления эрозионно-аккумулятивными процессами;

- способы и конструкции для предотвращения эрозионных и аккумулятивных процессов на системных уровнях: склонах; оврагах, реках и в системах ирригации;

- методы расчета и конструирования природоохранных сооружений для предотвращения эрозионных процессов по охране горных и предгорных ландшафтов;

- имитационная система, состоящая из двенадцати имитационных моделей, по выбору оптимального варианта проектного решения защитного покрытия адаптированно к морфологии и гидравлике каналов;

- методы расчета и конструирования природоохранных сооружений для предотвращения аккумулятивных процессов по охране горных и предгорных ландшафтов;

Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена двадцатью тремя патентами на изобретения.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, а также большим объемом натурных обследований построенных природоохранных сооружений. горный ландшафт твердый сток

Практическую значимость работы составляют:

- программы по управлению движением твердого стока и комплексной оценки качества воды по охране горных и предгорных ландшафтов;

- природоохранные сплошные и сквозные поперечные защитно-регуляционные сооружения для борьбы с боковой эрозией русел, протекающих за пределами урбанизированной зоны;

- способы борьбы с овражной и донной русловой эрозией, системой запруд с целью охраны прибрежных ландшафтов урбанизированных территорий;

- методы расчета параметров эрозионных процессов на подсистемных уровнях природно-техногенного комплекса;

- рекомендации по расчету и проектированию новых технических решений по очистке русел рек с использованием транспортирующей способности потока;

- усовершенствованные конструкции фронтальных водозаборов с совмещенными отстойниками и методы расчета по повышению степени осветления потока;

- усовершенствованные конструкции и методы расчета мелиоративных отстойников.

Реализация результатов исследований

Разработанная методика охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока прошла производственную проверку в 1999-2007гг в Кабардино-Балкарии. Разработанная концептуальная модель охраны горных и предгорных ландшафтов стала методической основой курса «Защитные противоэрозионные сооружения» и внедрена в учебный процесс в ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «КБГСХА», г. Нальчик).

Имитационная камерная модель, которая позволяет оперативно оценивать качественное состояние воды и управлять эрозионно-аккумулятивными процессами, внедрена в учебный процесс на кафедре информатики и математического обеспечения автоматизированных систем в ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет» (ФГОУ ВПО «КБГСХА», г. Нальчик). Разработанная имитационная система по выбору оптимальных проектных решений для противоэрозионной защиты от боковой водной эрозии на реках, протекающих в урбанизированной зоне, используется научно-исследовательским сектором ФГОУ ВПО «КБГСХА» при проектировании берегозащитных сооружений на реках Кабардино-Балкарской республики.

Разработан проект природоохранного обустройства поймы реки Нальчик в местах рекреации с внедрением новых разработок на участке 300м. Проект включает усовершенствованную конструкцию фронтального водозабора с совмещенным отстойником, сопрягающие двухступенчатые гибкие перепады и гибкие конструкции откосных креплений, адаптированные к морфологическим и гидравлическим условиям рек. На р.Черек в районе с. Старый Черек, с. Псынабо построены противоэрозионные дамбы с габионным откосным креплением из параболических цилиндров протяженностью 1,5км. Построена противоэрозионная дамба с габионным откосным креплением из матрасов «Рено» на р. Кенделен.

Разработанные методы расчета и конструкций противоэрозионных сооружений для защиты берегов рек и склонов приняты к внедрению в производство проектными организациями: НИС ФГОУ ВПО «КБГСХА» и ОАО «СевКавгипроводхоз». Разработанные программы по обработке экспериментальных данных активных, пассивных и активно-пассивных экспериментов и методические рекомендации по расчету усовершенствованных конструкций мелиоративных отстойников внедрены в учебный процесс в ФГОУ ВПО «КБГСХА» и ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет».

На все технические решения и способы охраны горных и предгорных ландшафтов получены патенты Российской Федерации.

Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на заседаниях технических советов в проектных и научных организациях ФГОУ ВПО «КБГСХА», ОАО «СевКавгипроводхоз», ОАО «Каббалкгипроводхоз», в комитете по природным ресурсам КБР в 1998 -05гг.; на совещаниях и экологических семинарах в КБР 2002-07гг.; на международной научно-технической конференции в ОАО «СЕВКАВГИПРОВОДХОЗ» (г. Пятигорск, 2003г); на международной научно-технической конференции в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» (г. Москва, 2004-05гг.), на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «КБГСХА» 2006-07г.г; на международной научно-технической конференции в ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (г. Краснодар, 2008г).

Публикации. Опубликовано более 70 печатных работ, в том числе монография «Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока» 11,55 п.л., 12 статей опубликовано в центральных журналах согласно перечню ВАК, получено 20 патентов на изобретения. Общий объем публикаций - свыше 60 п. л.

Объем диссертации. Диссертация содержит 270 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 39 таблиц и состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 266 наименований и приложения. Работа выполнена на кафедре «Гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения» ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Раскрывается актуальность проблемы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении и использовании результатов научных исследований.

В первом разделе «Состояние проблемы охраны горных и предгорных ландшафтов от воздействия водных потоков как агента эрозии и денудации» рассмотрена проблема охраны земель от склоновых, овражных и русловых процессов, которая уже давно привлекает внимание ученых, инженеров-гидротехников и является предметом научного анализа в течение уже двух столетий. За это время накоплен обширный фактический материал, выполнены крупные теоретические исследования, разработаны различные варианты технических решений и сделаны научные обобщения, имеющие важное практическое значение.

Вопросами охраны земель и ирригационной эрозии занимались И.П. Кружилин, М.С. Григоров, Е.В. Кузнецов, Щедрин В.Н., Л. А. Шомахов, Ю.П. Поляков, М.Н. Заславский, К.Н. Керефов, Б.Х. Фиапшев, Григоров С.М. и др. Ими разработаны методические рекомендации по охране земель и предотвращению ирригационной эрозии.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых В.В. Докучаева, Г.Н Высоцкого, А.С.Козьменко, Г.А.Харитонова, ГФ. Басова, И.П.Сухарева, А.А. Молчанова, Г.И. Швебса, Д.Л. Арманда, Г.П. Сурмача, Е.А. Гаршинева, В.М. Ивонина, Н.И.Маккавеева, Р.С. Чалова, М.Ю. Белоцерковского, Г.А. Ларионова, Л.Ф. Литвина, Э.Н. Молчанова, С.З. Шаваева и других описаны и изучены эрозионно-аккумулятивные процессы, происходящие на склонах и оврагах, выявлены влияние и роль лесных насаждений на протекающие процессы. Ими разработан комплекс эффективных мероприятий по управлению эрозионно-аккумулятивными процессами, протекающими на склонах и оврагах.

На горных ландшафтах одной из форм проявления движения твердого стока являются сели. Поэтому необходимо предусмотреть и комплекс мероприятий по борьбе с этими природными явлениями. Изучение селевых явлений и способы управления этими процессами предложены С.М. Флейшманом, И.Б. Сейновой, Г.В. Гавардашвили, О.Г. Наташвили и другими. Вместе с тем, надо отметить, что эти вопросы не достаточно изучены.

Большой вклад в изучение русловых процессов и развитии учения о речных наносах был сделан отечественными учеными В.М.Лохтиным, Н.С.Лелявским, В.Г.Клейбером, В.Е.Тимоновым, Н.Н.Жуковским, М.А.Великановым, И.И.Леви, И.В.Егиазаровым, Н.И.Маккавеевым, Г.И.Шамовым, А.В. Караушевым, К.В.Гришаниным, К.И.Россинским, А.Н. Кондратьевым, И.Ф.Карасевым, и другими. Наиболее полными зарубежными публикациями являются монографии Я.Богарди (Bogardi J.) и В.А. Ванони (Vanoni V.A.), Дюбуа, Фарга, Жирардона и др.

Теория регулирования потоков и способы защиты берегов и дна рек от эрозии наиболее полно разработаны российскими учеными - М.В.Потаповым, С.Т.Алтуниным, К.Ф. Артамоновым, А.Н. Гостунским, Н.А. Вознесенским, Р.М. Хачатряном, Х.Ш. Шапиро, И.С. Румянцевым, С.Х Абальянцем, Б.А. Пышкиным, М.И. Лупинским, И.Я. Орловым, И.И. Херхуилидзе, Г.Б.Руруа, А.Ф. Печкуровым, В.П. Мальцевым, Д.Л. Меламутом, М.Р. Бакиевым, Н.М. Бухиным, И.А.-Г. Сулеймановым, З.Г. Ламердоновым и др.

Системной составляющей горных и предгорных ландшафтов являются мелиоративные каналы, которые забирают воду из рек и подают ее потребителю для оросительных или других нужд. Каналы это искусственные реки, и в них протекают процессы, аналогичные русловым процессам. Таким образом, основными проблемами, которые осложняют эксплуатацию этих сооружений, являются размывы и заиление. Изучением режимов движения и управления водными потоками в каналах, способов защиты от размывов и заиления занимались многие российские ученые, среди которых можно отметить работы С.А. Гришкана, Ц.Е. Мирцхулавы, В.С. Алтунина, Е.К. Рабковой, C.Х. Абальянца, Т.А. Алиева, А.В. Магомедовой, Ю.М.Косиченко, В.А. Базилевича и многих других.

Вода из каналов оросительных систем поступает на орошаемые поля, которые в свою очередь являются неотъемлемой частью природных ландшафтов и, следовательно, их надо рассматривать как единое целое. Все это позволяет утверждать, что агроландшафты являются подсистемой горных и предгорных ландшафтов. Природная вода, поступая на поля при оросительных мелиорациях, также подвергает почву эрозионным процессам, а при большом содержании наносов приводит к снижению плодородия почвы.

Анализируя и оценивая накопленные в настоящее время опыт и обширный материал, можно сделать вывод о необходимости объединения их в единый техногенный блок, направленный на управление природными процессами движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах. Горные и предгорные ландшафты необходимо рассматривать как измененную в результате вмешательства человека геосистему, состоящую из звеньев, взаимообусловленных в своем размещении. Главным ключом в решении этих проблем является геосистемный подход. Большой вклад в развитие и популяризацию такого подхода внесли Г.И. Швебс, А.И. Голованов, И.П. Айдаров, Л.М. Рекс, В.В. Шабанов, А.Д. Гумбаров, Н.С. Знаменская и другие ученые.

В соответствии с вышеизложенным, для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Осуществить мониторинг и комплексный анализ причиняемого ущерба от последствий воздействия природного процесса движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах и причин несовершенства техногенного управления.

2. Разработать системную методологию и теорию охраны горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства.

3. Разработать концептуальную модель охраны горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока.

4. Построить имитационную камерную модель управления движения твердым стоком в речной подсистеме для оперативной оценки качественного состояния воды и управления эрозионно-аккумулятивными процессами.

5. Систематизировать и усовершенствовать техногенный блок управления эрозионными процессами на подсистемных уровнях в измененной геосистеме.

6. Систематизировать и усовершенствовать техногенный блок управления аккумулятивными процессами на подсистемных уровнях в измененной геосистеме.

7. Разработать методы расчета новых способов охраны горных и предгорных ландшафтов и дать научное обоснование по рациональному их применению.

8. Дать оценку эффективности охраны горных и предгорных ландшафтов с систематизированным и усовершенствованным техногенным блоком управления природными процессами.

Второй раздел «Методология и теория системного подхода охраны горных и предгорных ландшафтов как природно-техногенного комплекса природообустройства» посвящен разработанной методологии и концептуальной модели управления твердым стоком измененной геосистемы. Эрозионно-аккумулятивные процессы имеют свои особые физические законы. Их природа едина независимо от места, времени и условий его проявления, и такая трактовка единого эрозионно-аккумулятивного процесса сформулирована Г.И. Швебсом, Н.И. Маккавеевым, Г.П.Сурмачем, Е.А. Гаршиневым и другими. В работах этих ученых обоснованы положения о большой взаимосвязи эрозии и аккумуляции, генезиса гидрографической сети, склонов и продуктов аккумуляции, денудации и формы склонов. Эти фундаментальные положения являются основой для выделения эрозионно-аккумулятивного процесса в особый класс физических процессов и ограничения его от широкого круга явлений и свидетельствуют о необходимости рассмотрения этих процессов во всех звеньях природной системы в единстве. Вместе с тем, эрозионно-аккумулятивный процесс (ЭАП) имеет свои формы проявления во всех звеньях, и это затрудняет создание единой физической модели ЭАП.

Многие эмпирические модели основаны на использовании «фактора рельефа» . Суммарный смыв преобразованной формулы для потока единичной ширины за единицу времени имеет вид

, (1)

где суммарный смыв; с средняя мутность; длина и крутизна склона; p - показатель степени для «фактора рельефа».

Массоперенос, сопровождающий ЭАП, является сложным явлением, а имеющиеся экспериментальные данные позволяют предположить, что в каждой точке профиля мутность пропорциональна кубу скорости потока . Сам процесс эрозии начинается при достижении критической скорости . Следовательно, для моделирования эрозии необходимо знать, как изменяется скорость потока при движении по склону. Исходя из предпосылок, получается основное уравнение для формирования модели. Расход наносов как функция скорости потока выражается соотношением:

, (2)

где коэффициент пропорциональности.

Расход вещества за счет смыва связан с изменением высоты. На каждом участке длиной за 1 секунду уносится массы, где изменение высоты склона на концах отрезка . Отсюда

, (3)

где мутность в точке , мутность в точке, отстоящей от на расстоянии.

Балансовое уравнение для смыва можно записать в виде

, (4)

где скорость потока, смыв за время с участка , градиент мутности.

Переходя к пределу, получается уравнение баланса

. (5)

Полученные уравнения в совокупности означают, что гидродинамика взвесенесущих потоков во всех звеньях описывается общими уравнениями. Таким образом, развиваемая в работе теория о единстве и взаимообусловленности ЭАП на горных и предгорных ландшафтах имеет свое теоретическое обоснование.

Многочисленные исследования, проведенные российскими и другими учеными, изучавшими эрозионно-аккумулятивные процессы, позволили сделать вывод о неразрывности процессов, происходящих в трех звеньях: на склонах, оврагах и руслах рек. Вместе с тем надо отметить, что агроландшафты неотъемлемая часть географических ландшафтов, и вода, поступающая на мелиоративные цели, забирается из рек. Процессы, протекающие в системах ирригации, аналогичны тем процессам, которые происходят на склонах, оврагах и руслах рек. В каналах, которые являются искусственными руслами, происходят эрозионные процессы и аккумуляция наносов. Приведенный анализ свидетельствует о необходимости соединения агроландшафтов с искусственно созданными каналами четвертым и пятым звеном в общую цепь. Все эти пять звеньев единой природной системы связаны, и изменения, протекающие в верхних звеньях этой цепи, влияют на процессы, протекающие в нижних звеньях.

9:48

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Схема концептуальной модели управления и движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах

Горные и предгорные ландшафты в настоящее время сильно подвержены антропогенному влиянию во всех звеньях природной системы, что обуславливает необходимость рассмотрения горных и предгорных ландшафтов как измененные геосистемы или природно-техногенный комплекс. Таким образом, при решении проблемы охраны горных и предгорных ландшафтов необходим геосистемный подход и представление его как природно-техногенного комплекса (ПТК) природообустройства. Природной составляющей ПТК природообустройства являются горные и предгорные ландшафты, а техногенной составляющей техногенный блок управления природными процессами, созданный для достижения поставленной социально-экономической цели. Вся техносистема ТБУ (техногенный блок управления) состоит из двух подсистем: техногенного блока управления эрозионными процессами и техногенного блока управления аккумулятивными процессами. Они в свою очередь являются сложными техносистемами и состоят из подсистем: ТБУ склоновой эрозией и аккумуляцией; ТБУ овражной эрозией и аккумуляцией; ТБУ русловой эрозией и аккумуляцией; ТБУ эрозией и аккумуляцией на каналах и ТБУ ирригационной эрозией и аккумуляцией на полях при орошении. Схема концептуальной модели управления и движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах показана на рис. 1.

Каждое звено подсистемы представляет собой сложную систему, состоящую из подсистем, и природные процессы в них требуют адекватного управления техносистемой. Так, например, в русловой подсистеме схема управления эрозионными процессами будет иметь следующий вид (рис. 2).

9:48

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Схема техногенного блока управления русловой эрозией в природно-техногенном комплексе природообустройства

Алгоритмы управления эрозионными и аккумулятивными процессами на склонах, оврагах, каналах и полях орошения аналогичны.

Разработана имитационная модель формирования и движения твердого стока в речной подсистеме горных и предгорных ландшафтов. Для этого произведен анализ работы систем в целом, анализ особенностей всех взаимосвязей и внутреннего строения. При системном подходе использовались математический аппарат теории исследования операций и методы неформального анализа.

Разработанная имитационная модель позволяет с желаемой полнотой описать поведение рассматриваемой системы в различных условиях и на различных системных уровнях. При этом разработаны детальные программные системы, описывающие процессы функционирования в речной подсистеме горных и предгорных ландшафтов. Эти программы содержат подпрограммы генерирования рядов стока, осадков, а также модели управления качеством воды и другие. При помощи такой модели могут быть определены последствия различных факторов. На основе созданной модели по управлению твердым стоком были разработаны алгоритм управления речной системой, макеты входных и выходных параметров. Алгоритм реализован в среде Delphi 7, на его основе были проведены имитационные эксперименты.

Природно-техногенный комплекс (горные и предгорные ландшафты на территории Кабардино-Балкарской республики) рассматривали в однородных гидрологических районах, с этой целью вся территория республики делится на районы (камеры) по водосборам рек Малка, Баксан, Чегем, Черек, Урух, Терек с учетом климатических особенностей (рис. 3). Горная часть республики (камеры 1, 2, 3, 4) находится в зоне достаточного увлажнения. Среднегодовое количество осадков здесь колеблется от 550мм до 880мм. До высоты 200м над уровнем моря горные почвы используются для земледелия. Камеры 5, 6, 7 расположены в предгорной зоне, характеризующейся волнистым рельефом. Количество выпадающих здесь осадков меньше, чем в горной зоне, и составляет 460-615мм в год. Рельеф степной зоны (камеры 8, 9) более гладкий. Климатические условия характеризуются недостаточным увлажнением с неравномерным распределением осадков по периодам.

Среднегодовое количество осадков составляет 425-500мм. Все камеры связаны между собой только через русловые потоки рек и имеют только один выход, связывающий их с нижележащими камерами. В соответствии с разбиением региона на камеры строится ориентированный граф связей, вершинами которого являются камеры, а дуги соответствуют перетокам воды из вышележащих камер в нижележащие.

Имитационная модель имеет блочную структуру, дающую возможность описывать каждый моделируемый объект с помощью того математического аппарата, который наиболее адекватен характеру процесса. При разработке системы имитационных моделей формирования твердого стока на горных и предгорных ландшафтах в качестве водного объекта была выбрана река, относительно которой были сделаны предположения.

Имитационная модель реки дискретизирована по времени и по событиям. В блоках, дискретизированных по времени, моделируется состояние системы (притоки, расходы, требования) в последовательных временных интервалах. В предлагаемой модели временной шаг принят равным месяцу, поскольку регулярно собираемая информация такой шаг моделирования полностью обеспечивает.

На первом шаге работы системы определяются объемы воды в каждой камере, в качестве которых берут среднемноголетнее значение этой величины. На каждом шаге задаются значения гидрометеорологических факторов: температуры воздуха и осадков. Для расчета объема твердого стока предназначен блок «Твердый сток». Входными параметрами в этом блоке являются, объем воды в камере в данный момент времени и количество твердого стока.

Рисунок 3 Граф связей камер горных и предгорных участков бассейна р. Терек

Рисунок 4 Алгоритм модели управления речной системой

В блоке «Расход» определяется объем i-й камеры в момент времени t на основе уравнения водного баланса:

V(t,i)=V(t-1,i)+м(i-1)V(t,i-1)-м(i)V(t-1,i)+Q(t)+S(t), (6)

где V(t,i) - объем воды в i-ой камере в момент времени t; м(i) - коэффициент уклона i-ой камеры; Q(t) - количество осадков, выпавших в момент времени t; S(t) - величина поверхностного стока в момент времени t. Поступление воды в первую камеру генерируется на основе многолетних данных. В блоке «Осадки» генерируется величина выпавших осадков на основе многолетних данных. Блок «Температура» предназначен для определения значений температур воздуха основе многолетних данных. В блоке «Твердый сток» формируются и определяются значения твердого стока S(t). Донные наносы на горных и предгорных реках при определенных значениях скоростей начинают перемещаться. В силу этого умение определять возможный сток и режим наносов имеет большое практическое значение для рационального проектирования и природопользования. Для определения расхода донных наносов может использоваться методика, предложенная Я.И. Никитиным или другими учеными. В блоке «Качество воды» рассчитывается комплексная оценка качества воды, разработанная В.И. Гурарием и А.С. Шайн. Ими предложена комплексная оценка качества воды на основе общесанитарного индекса, названного индексом качества воды, включающего 10 показателей, и индекса загрязненности, учитывающего одновременное присутствие в воде вредных веществ.

Результаты имитационных экспериментов обработаны специальными методами и представлены пользователю в удобном для него виде.

В третьем разделе «Эрозионные процессы на горных и предгорных ландшафтах, анализ и совершенствование техногенного блока управления измененной геосистемой» приводятся новые способы по управлению эрозионными процессами в подсистемных уровнях, совершенствующие блок управления эрозионными процессами на горных и предгорных ландшафтах.

Вся техносистема по управлению эрозионными процессами состоит из подсистем управляющих эрозионными процессами на склонах, полях орошения в оврагах, руслах рек и каналов.

Приводятся известные и новые способы управления эрозионными процессами на склонах и оврагах, методические рекомендации по их расчету и проектированию.

При решении русловых эрозионных и аккумулятивных проблем следует разделять ландшафты на урбанизированные и не урбанизированные зоны. На реках, протекающих в урбанизированных зонах, как правило, требуются более надежный и дорогостоящий класс сооружений. Так, в настоящее время для рек, протекающих в урбанизированной зоне, разработана методология по выбору оптимальных проектных решений гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений адаптировано к морфологии и гидравлике рек.

За пределами урбанизированных зон для защиты берегов рек от боковой водной эрозии и охраны прибрежных ландшафтов эффективнее использовать поперечные защитно-регуляционные сооружения. Поперечные конструкции в отличие от продольных сооружений являются более экономичными и требуют меньшее количество строительного материала. Вместе с тем, они менее эстетичны и неприменимы на реках, протекающих в урбанизированных зонах в местах рекреации.

Блок управления эрозионными процессами предлагается дополнить новыми запатентованными в Российской Федерация сборными сквозными поперечными конструкциями защитно-регуляционных сооружений (Патенты РФ № 2247191, 2311508, 2317370). Такие сооружения являются эффективным техническим решением для борьбы с боковой водной эрозией на реках, протекающих за пределами урбанизированной зоны. Их можно использовать и для проведения руслорегулировочных работ. Так, например, сквозное поперечное берегозащитное сооружение из сборных треугольных ферм сооружается и работает следующим образом. На размываемом берегу устанавливается сквозное поперечное берегозащитное сооружение. При этом угол установки зависит от ширины русла, возможного свала потока на берег и других морфологических элементов потока и русла. Длина сквозных поперечных берегозащитных сооружений и расстояния между ними определяются по разработанным методическим рекомендациям.

Для усиления устойчивости сквозной поперечной полузапруды, а также повышения экономичности конструкции форму поперечного сечения можно изменить. Для этого разработана конструкция берегозащитного сооружения, которая является максимально устойчивой из-за снижения центра тяжести.

Коэффициент застройки изменяется по длине, может быть определен по формуле

, (8)

где - число треугольных ферм на рассматриваемом участке сквозной поперечной берегозащитной шпоры; - число стержней в треугольной ферме; - ширина распорного элемента; - коэффициент неравномерности распределения распорных элементов в конструкции, который можно принять равным 0,5; - длина участка сквозной поперечной берегозащитной шпоры.

Снижение коэффициента застройки в голове шпоры снижает глубину размыва, величина которой определяется по формуле

, (9)

где - коэффициент, зависящий от вида грунта для песка крупностью, =14мм, =50; - бытовая скорость.

Сборные поперечные защитно-регуляционные сооружения собираются из полых треугольных блоков механически, путем соединения их в фермы и прикрепления к поперечной арматуре хомутами.

Величина перепада головы сквозной шпоры определяется по формуле, предложенной С.Т. Алтуниным и К.Ф. Артамоновым

, (10)

где - скорость до установки шпоры; - коэффициент, зависящий от размываемости дна и от обтекаемости стержней решетки; при твердом дне =10, при размываемом песчаном дне =4.

Глубина размыва в створе решетки зависит от застройки решетки, скорости течения и перепада , и для одного грунта в створе шпоры прямо пропорционально перепаду

; ; . (11)

При установке нескольких шпор с расстояниями между ними средняя скорость потока в створе ниже N-ой шпоры определяется по выражению

, (12)

где N -количество шпор.

Длина полосы вдоль берега , на которую распространяется действие шпоры

, (13)

где - длина одиночной шпоры; - угол между направлением потока и касательной к берегу.

Реки, протекающие в урбанизированной зоне и в местах рекреации, как правило, в силу необходимости предохранения прилегающей территории надежно защищены от боковой водной эрозии берегоукрепительными сооружениями. На горных и предгорных участках таких рек в русле возникает донная эрозия, в результате чего разрушаются берегоукрепительные сооружения и дамбы. В силу этого, остро стоит проблема надежной защиты от донной эрозии регулировочными сооружениями, которые являются надежными, экономичными, экологичными и гармонично вписываются в архитектуру окружающей среды. Установка перепадов жесткой конструкции и опыт их эксплуатации выявил ряд недостатков, таких как: неэффективность конструктивных решений перепадов; необоснованность планового расположения и частоты их установки без учета фракционного состава русловых отложений; отсутствие расчетного обоснования размеров отдельных элементов перепада.

Опыт эксплуатации защитно-регуляционных сооружений показал, что наиболее эффективными техническими решениями являются гибкие конструкции перепадов, так как все они подвержены различного рода деформационным воздействиям, вызванным специфическими условиями работы гидротехнических сооружений в воде. Такая идея была предложена С.М. Флейшманом и реализована на реках Кабардино-Балкарской республики. С учетом недостатков, разработаны новые технические решения (Патент РФ №2256024 и №2256025) и способ строительства гибких сопрягающих сооружений (Патент РФ №2266363).

Дано обоснование планового расположения сопрягающих сооружений, учитывающее уклоны реки и фракционный состав русловых отложений поймы. Для этого русло реки по длине разбивается перепадами на участки с уклонами, меньшими, чем действительные уклоны, и гашение избыточной энергии водного потока осуществляется сосредоточенно в водобойных колодцах. Проектный уклон реки , формируемый строительством системы перепадов, определяется с учетом фракционного состава русла реки и определяется из совместного решения уравнений Шези и Г.И. Шамова.

, (14)

где - гидравлический радиус; - диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится по весу 60% частиц; - глубина потока при расходе расчетной обеспеченности.

Зная общую длину реки и действительные значения уклона дна русла реки , можно определить длину участка между перепадами и их количество.

В настоящее время остро стоит проблема защиты каналов от размывов. На каналах в земляном русле наблюдаются деформации, которые ухудшают мелиоративное состояние орошаемых земель и снижают на них урожайность сельскохозяйственных культур. Для борьбы с деформациями на каналах оросительных систем применяют различные типы защитных покрытий, на долю которых приходится значительный объем капитальных вложений при строительстве каналов.

При выборе защитных покрытий на оросительных каналах важное значение имеет обоснование наиболее эффективных и экономичных конструкций применительно к конкретной трассе канала с учетом грунтовых, гидрогеологических и климатических условий. Для обоснования различных вариантов защитных покрытий необходимо иметь достоверные данные об их эксплуатационной надежности и долговечности. Для исследования были выбраны двенадцать вариантов откосных креплений: каменная наброска; каменное мощение; габионное крепление из параболических цилиндров; габионное ячеистое крепление; габионное крепление из матрасов «Рено»; габионное крепление из плоских матрасов; габионное крепление из сборных тюфяков; армобутобетонное крепление; армобетонное ячеистое крепление; армобетонное крепление; раскосное ячеистое крепление; тюфячное крепление из бетонных плит. Анализ натурных обследований действующих защитных креплений каналов показал, что морфология и гидравлика реки являются объективным показателем при выборе варианта защитного крепления. Основные факторы, влияющие на процесс боковой водной эрозии в каналах, аналогичны руслам рек.

Основными морфологическими элементами русла, которые учитываются при выборе варианта, являются: фракционный состав русла; уклон русла; относительное заполнение поймы; форма русла реки в плане.

Основными факторами, влияющими на выбор варианта защитных креплений, являются: коэффициент кинетичности, ( Х₁); коэффициент устойчивости, (Х₂).

В качестве параметра оптимизации принято решение использовать уже известный интегральный показатель, состоящий из суммарной оценки по надежности, экономичности и экологичности. Оценка работы каждого отдельного варианта защитного крепления производилась по десятибалльной системе.

Вышеприведенный анализ позволяет сделать вывод, что разработанные модели берегозащитных сооружений можно адаптировать для каналов, зафиксировав величины мутности потока и продолжительности паводкового периода.

Разработаны двенадцать имитационных моделей (табл.1) для принятых вариантов защитных креплений. Имитационные модели позволяют оценивать эффективность работы конструкции защитного покрытия в зависимости от конкретных величин морфологических и гидравлических элементов. Для автоматизированного выбора защитного покрытия в зависимости от величины морфологических элементов потока и русла разработан алгоритм (рис. 5).

По величине интегрального показателя осуществляется выбор оптимального варианта защитного крепления.

Построены поверхности отклика и проанализирована эффективность работы различных вариантов защитных покрытий в факторном пространстве (рис. 6).

В четвертом разделе «Аккумулятивные процессы на горных и предгорных ландшафтах, анализ и совершенствование техногенного блока» приводятся новые технические решения по управлению природными аккумулятивными процессами в измененной геосистеме.

Таблица 1

Имитационные модели работы защитных покрытий

№	Наименование защитного покрытия	Имитационные модели работы защитных покрытий
1	Каменная наброска
2	Каменное мощение
3	Габионное крепление из параболических цилиндров
4	Габионное ячеистое крепление
5	Габионное крепление из матрасов «Рено»
6	Габионное крепление из плоских матрасов
7	Габионное крепление из сборных тюфяков
8	Армобутобетонное крепление
9	Армобетонное ячеистое крепление
10	Армобетонное крепление
11	Раскосное ячеистое крепление
12	Тюфячное крепление из бетонных плит

Аккумуляция твердого стока имеет место во всех звеньях геосистемы и наносит такой же ущерб народному хозяйству, как и эрозия. Поэтому все противоаккумулятивные мероприятия и сооружения объединены в единый блок и представляют сложную техносистему, состоящую из подсистем по управлению аккумулятивными процессами на склонах и полях орошения, в оврагах, руслах рек и каналах. Каждая подсистема представляет сложную систему и требует адекватного управления аккумулятивными процессами в природно-техногенном комплексе.

В условиях Кабардино-Балкарской республики важное значение приобретают селепропускные и селенаправляющие устройства. Наибольший вред, причиняемый прохождением селей в долинах Баксана, Чегема, Черека Балкарского и Черека Безенгийского, вызывается либо полным отсутствием селепропускных сооружений на дорогах, проложенных вдоль этих долин, либо их неудовлетворительными конструктивными решениями.

Селевую массу, сходящую с селеопасных рек, можно рационально использовать для уменьшения проектных уклонов горных участков рек путем заиления запруд, что будет снижать опасность появления чрезвычайных ситуаций.

Рисунок 5 Алгоритм выбора оптимального варианта защитного покрытия в зависимости от величины морфологических элементов потока и русла



Рисунок 6 Поверхности отклика вариантов моделей защитных покрытий 1,3,5

Селезащитное сооружение (Патент РФ № 2223361) задерживает определенные фракции селевого потока, разрушающие или забивающие селепроводящий лоток. Для повышения эффективности работы сооружение может состоять из каскада плотин, устраиваемых на скальном основании, с уменьшающимися по ходу движения селя отверстиями.

Давление селевого потока воспринимается пологим верховым откосом плотины. Арочная конструкция селезащитного сооружения позволяет полностью использовать несущую способность бетона. Селевой поток проходит через отверстия селезадерживающей плотины. При этом фракции размером менее 1-1,5 м беспрепятственно проходят через сооружение, а более крупные задерживаются в верхнем бьефе.

Характерной особенностью практически для всех рек Кабардино-Балкарской республики является затяжной паводковый период, и некоторые реки на предгорных участках подвержены аккумуляции, что наносит большой ущерб народному хозяйству. Во многих местах образовались широкие поймы и происходит отложение наносов, что в конечном итоге приводит к подтоплению близлежащих территорий. Главным способом решения этой проблемы является расчистка русел рек, которая на сегодняшний день производится в основном бульдозерами, экскаваторами и автосамосвалами. Так, разработаны новые ресурсосберегающие технологии очистки русел рек от наносов: очистка русел рек методом удаления крупных фракций с использованием транспортирующей способности потока (патент РФ № 2256023, № 2318952, № 2318954).

Суть метода состоит в том, что транспортирующая способность потока зависит от фракционного состава наносов. Для этого бульдозерами, имеющими грабельные отвалы, производится расчистка русла реки от крупных фракций. Количество крупных фракций в наносах может колебаться от 5 до 20 процентов от общей массы, поэтому нет необходимости осуществлять очистку от всей массы, а можно использовать энергию потока воды для очистки. Для этого удаляют крупные фракции и увеличивают размывающую способность русла реки. При наличии крупных фракций постепенно образуется отмостка, которая защищает русло реки от размыва. Размеры крупных фракций могут быть 50 - 400мм. Для удаления крупных фракций бульдозеры перемещаются в поперечном направлении от оси реки к берегу, постепенно образуя дамбы.

Для определения требуемого диаметра камня, который необходимо удалять из поймы грабельными отвалами, предложена формула

, (15)

где - коэффициент условий работы (для «чистых» потоков =1, для потоков с содержанием наносов больше 0,1 кг/м³ 1,4); и - удельный вес соответственно воды и частиц грунта; ? средняя скорость потока у дна.

Зная среднюю придонную скорость, можно определить средний диаметр русловых отложений, который в состоянии транспортировать поток, а по нему - и ширину прозоров в грабельном отвале.

Одним из основных способов снижения поступления наносов в системы ирригации является эффективная работа водозаборных и очистных сооружений в голове магистральных каналов. Обследования эксплуатируемых в настоящее время водозаборов и мелиоративных отстойников показывают недостаточную эффективность очистки воды. Анализ проектных решений показал недоучет механизма переноса наносов в толще потока и распределение мутности по вертикали. Согласно этому распределению, эффективным является проектирование водозаборных и очистных сооружений с забором воды из верхних слоев потока.

Процесс распространения взвеси в потоке неотделим от внутренней структуры потока, отражаемой статистическими характеристиками русловой турбулентности. К распределению мутности по вертикали непосредственно приводят балансовые соотношения переноса взвеси преобладающими турбулентными образованиями, имеющими масштаб .

Рассмотрим баланс твердого вещества, переносимого через единичную площадку, расположенную на высоте z над дном. Восходящие дискретные объемы обладают мутностью s, а нисходящие с учетом приращения на протяжении ?z по вертикали будут иметь насыщение .

Скорость перемещения турбулентных образований вдоль оси z естественно отождествить с вертикальной составляющей пульсационной скорости . По данным И. К. Никитина, она имеет наибольшее значение у дна и слабо изменяется в толще потока. Если для условий контактного массообмена на верхней границе придонного слоя при определении мутности принята во внимание максимальная скорость вихреотделений, то во всей остальной зоне потока можно величину вертикальной составляющей скорости считать постоянной:

...