Введение
Актуальность исследования обусловлена необходимостью совершенствования методов инженерной гидрологии при проектировании и строительстве инженерных сооружений через водные преграды. Особую значимость данная проблема приобретает в условиях сложного рельефа и изменчивого гидрологического режима, характерного для реки Белая.
Инженерное освоение водных преград требует тщательного анализа гидрометеорологических характеристик, включая режим стока, паводковые явления, ледовые процессы и морфологические особенности русла. При этом каждое пересечение водной преграды имеет свои специфические особенности, зависящие от местных гидрологических условий и требований к сооружению.
Целью исследования является разработка и обоснование типовых решений в инженерной гидрологии при пересечении реки Белая в районе села Масады с учетом местных гидрометеорологических условий и требований к инженерным сооружениям.
Задачи исследования:
— Анализ гидрометеорологических характеристик реки в районе исследования;
— Изучение опыта проектирования и строительства инженерных сооружений через водные преграды;
— Разработка типовых проектных решений с учетом местных условий;
— Оценка эффективности предложенных решений;
— Формирование рекомендаций по их практическому применению;
В результате проведения гидрометеорологических работ определены климатические характеристики района строительства, приведена информация по гидрологическому режиму реки. Определены расчётные уровни воды весеннего половодья и весеннего ледохода р. Белая по данным гидрологических постов. Получены гидрографические данные и определены расчетные характеристики водных объектов (расходы весеннего половодья обеспеченности, границы прогнозируемого затопления, скорость течения воды). Определена величина и уровень профиля предельного размыва (ППР) русла р. Белая. Определены водоохранные зоны и прибрежные защитные полосы водных объектов. Все указанные характеристики приведены в данной статье.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение инженерно-гидрометеорологические изыскания в соответствии с требованиями действующего законодательства, строительных норм и правил, в объёме, отвечающем целям и задачам проектирования указанного объекта и достаточным для разработки проектных решений.
Гидрометеорологическая изученность
Район исследования в гидрометеорологическом отношении можно считать изученным.
Метеостанции расположены в однородных физико-географических условиях, соответствуют высотному положению проектируемых объектов, имеют достаточные ряды наблюдений (таблица 1). В гидрологическом отношении район изысканий изучен. Сведения о гидрологических постах района работ приведены в таблице 2.
Репрезентативной по климатическим характеристикам для района изысканий может быть принята ближайшая реперная метеостанция Сарапул (69 км С). Для оценки климатических условий дополнительно использовались данные метеостанций Янаул (реперная, 85 км северо-западнее участка), Мензелинск (основная, 51 км западнее участка) и Верхнеяркеево (дополнительная, 54 км юго-западнее участка) [10].
Ряды наблюдений за всеми метеорологическими характеристиками, необходимыми для целей проектирования по метеостанциям, достаточные. Поскольку отчетные материалы по результатам наблюдений на метеостанциях подлежат дополнению каждые пять лет, основные расчетные метеорологические характеристики получены за период по 2016 и следующие годы, с учетом экстремальных значений за последние 5 лет (2017–2021 гг.) [7].
Таблица 1
Сведения о действующих метеостанциях района изысканий [9]
Индекс ВМО |
Наименование станции |
Координаты станции |
Высота метеопл |
Начало наблюдений |
Адрес | |
28418 |
Сарапул |
56,47 |
53,73 |
135 |
01–01–1834 |
Проезд. Метеорологов, д.1 |
28517 |
Мензелинск |
55,72 |
53,07 |
111 |
17–05–1960 |
г. Мензелинск, аэропорт |
28419 |
Янаул |
56,27 |
54,9 |
98 |
01–09–1925 |
Пос. Янаул, аэропорт |
28613 |
Верхнеяркеево |
55,43 |
54,33 |
108 |
04–08–1970 |
с. Верхнеяркеево, ул. Kомсомольская, 1/1 |
На участке изысканий с 1980 г. по 1988 г. велись наблюдения за уровнем и температурой воды Нижнекамского водохранилища, в зимний период — за толщиной льда на гидрологическом посту д. Масаде; сведения о наблюдениях приведены в гидрологических ежегодниках.
Таблица 2
Сведения о гидрологических постах [9]
Название водного объекта и пункта наблюдений |
Расстояние (км.) от |
Площадь водосбора, кв.км |
Период действия число, месяц, год |
Отметка нуля поста | |||
истока |
устья |
открыт |
закрыт |
высота, м |
система высот | ||
Озерные г/м посты (вдхр. Нижнекамское) | |||||||
д. Масаде |
1390 |
40* |
141700 |
01–09–1980 |
1988 |
62 |
БС |
Гидрологические посты | |||||||
р.Белая — г.Бирск |
1158 |
272 |
121000 |
25.07.1880 |
Действ |
70.36 |
БС |
р.Белая — с.Азякуль |
1372 |
58.0 |
140900 |
17.10.1931 |
31.12.1934 |
40,65 |
усл |
Участок исследования расположен в долине (преимущественно на пойме) реки Белая, в нижнем ее течении; магистральный трубопровод пересекает долину реки Белой на участке с наименьшей шириной — где отсутствуют левобережные террасы. С геоморфологической точки зрения район изысканий представляет собой низкую аккумулятивную и эрозионно-аккумулятивную равнину. Долина нижнего течения р. Белой характеризуется большой шириной, что, по-видимому, в значительной степени определяется абразионной деятельностью Акчагыльского моря, которое ингрессировало в виде удлиненного залива [10].
Долины рек Камы и Белой, расположенные в понижении, имеют древнее заложение. В четвертичное время — это понижение, в отличие от Уфимского плато и Бугульминско-Белебеевской возвышенности, испытывало опускание, вследствие чего здесь преобладали процессы боковой эрозии над глубинной и происходила аккумуляция мощной толщи аллювиальных и озерных отложений [7].
Участок исследования расположен в умеренно-холодном климатическом районе, в I климатическом подрайоне, в сухой зоне влажности. Продолжительность неблагоприятного периода для производства инженерных изысканий составляет 6,5 месяцев — с 15.10 по 1.05. При составлении климатической характеристики участка изысканий использовались характеристики ближайших метеостанций, рекомендации. Расчетные характеристики по метеостанции Сарапул приведены по 2016 год; источник — Научно-прикладной справочник «Климат России» [3].
Средняя годовая скорость ветра составляет 2,9 м/с, максимальная средняя месячная скорость ветра наблюдается в зимние месяцы.
Рис. 1. Повторяемость основных направлений ветра по метеостанции Мензелинск [7]
Гидрографическая сеть представлена рекой Белая. Река Белая берет начало в пределах восточного подножья хр. Аваляк, в 4 км от деревни Ново-Хусаиново Учалинского района с координатами 54°32' С.Ш. и 59°03' В. Д. Она впадает в р. Каму на 177 км выше ее устья, является одной из крупных ее притоков, как по длине, так и водности [4].
Длина реки 1430 км, средний уклон 0,00039, площадь водосбора 142 тыс.км 2 ; 80 % водосборной территории р. Белой расположено в Башкортостане. В пределах всего бассейна реки насчитывается 12 725 притоков общей длиной 57 366 км, из них 11 731 — длиной менее 10 км, 11 рек имеют длину более 200 км. В бассейне р. Белой насчитывается около 2 720 озер общей площадью зеркала, приблизительно равной 428 км 2 , самое крупной из которых озеро Асли-Куль (22 км 2 ). Бассейн отличается резкой асимметричностью, правобережная часть почти вдвое больше левобережной. [2].
Лесистость водосбора р. Белой составляет 48 %. Бассейн р. Белой расположен в горной и равнинной местности. В лесах реки отличаются относительно равномерным распределением стока внутри года. Это происходит потому, что благодаря обилию пустот и микротрещин, характерных для лесных почв, происходит интенсивное поглощение выпавших атмосферных осадков. Подземные воды в лесных массивах выклиниваются в виде родников, как летом, так и зимой. С середины 1960-х годов заметного изменения лесистости водосборного бассейна р. Белая не наблюдается [1].
Реки района по своему водному режиму относятся к рекам с весенним половодьем, устойчивой летне-осенней меженью с эпизодическими паводками и устойчивой зимней меженью [5].
Результаты инженерно-гидрометеорологических изысканий
Зарегулированность стока р. Белой на участке изысканий обусловлена влиянием Бельского отрога Нижнекамского водохранилища. Рассматриваемый участок нефтепровода расположен в долине р. Белой, в нижнем течении, который во все фазы водного режима находится в зоне подпора Нижнекамского водохранилища [3].
Весеннее половодье на р. Белой сильно растянуто во времени, может продолжаться более 3 месяцев и иметь два и более пиков [6].
Максимальные обеспеченные расходы воды рассчитаны в соответствии с требованиями СП 33–101–2003, с использованием данных поста-аналога р. Белая — г. Бирск, с учетом данных научно-прикладного справочника «Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Волги» [7].
Таблица 3
Максимальные расходы воды (м 3 /с) р. Белая в створе перехода [4]
Река/Створ |
Обеспеченность, % | ||
1 % |
5 % |
10 % | |
р.Белая — расчетный створ |
18500 |
14200 |
12600 |
На участке изысканий подводный переход МТ на пойме р. Белой пересекает с севера на юг озеро Яланкуль, протоку без названия, Барсуковскую Прорезь и основное русло реки Белой — судоходный рукав — Барсуковскую Воложку, а также несколько заливов и заполненных водой межгривовых пониженей («стариц») [6]. Естественные рукава реки Белой (протока без названия и Барсуковская Воложка) пересекаются трассой МТ в вершинах левых излучин (рисунок 2).
Рис. 2. Трасса проектируемого трубопровода на космоснимке
Морфоствор на участке через р. Белая представлен на рисунке 3, кривая зависимости на рисунке 4.
Рис. 3. Морфоствор на участке через р. Белая
Рис. 4. Кривая Q=f(H)
Согласно выполненному анализу и построению кривых зависимостей, были определены отметки затопления в пределах участка исследования, представленные в таблице 4.
Таблица 4
Максимальные расходы воды (м 3 /с) р. Белая в створе перехода
Р, % |
1 |
2 |
5 |
10 |
Q, м3/с |
18500 |
16600 |
14200 |
12600 |
Н, м |
68,36 |
67,84 |
67,22 |
66,82 |
Река Белая на участке изысканий находится в подпоре от Нижнекамского водохранилища; сток реки Белая составляет большую часть бокового притока водохранилища [11].
С 2014 г. НПУ Нижнекамского водохранилища повышен до отметки 63,3 м БС. Минимальный допустимый уровень (УМО) составляет 62,7 м. Диапазон колебаний уровней воды в Нижнекамском водохранилище увеличивается по мере удаления от плотины. Согласно полученным данным определены отметки затопления, в пределах которых необходимо провести мероприятия по проектированию, направленные на обеспечение безопасной прокладки трубопровода [8].
Заключение
Подводный переход МТ пересекает русло реки Белой и ее протоку без названия в вершине левых излучин, находящихся в средней стадии развития. Между руслом реки Белой и протокой трасса МТ пересекает Барсуковскую прорезь и заливы (старицы), а севернее протоки заливы протоки и озеро Яланкуль.
Уровни воды в предполоводный и половодный периоды на участке изысканий могут незначительно понижаться в апреле — в период предполоводной сработки водохранилища; в начальный период половодья уровни растут (проходит апрельский пик), после чего постепенно понижаются; в конце половодья в некоторые годы уровни повторно повышаются (проходит майский пик). Максимальные уровни воды участка изысканий не связаны с прохождением камского пика и целиком определяются повышенной водностью реки Белая.
Высший годовой уровень воды р. Белая в створе перехода МН «Пермь-Альметьевск» Н1 %=68,36 м БС, Н10 %=66,82 м БС. Наивысший уровень весеннего ледохода р. Белая в створе МТ Н1 %лдхд.=65,5 м БС
Литература:
- Гареев А. М. Региональные проблемы водопользования (на примере территории Республики Башкортостан) //ББК 26 Р 31. — 2014. — С. 11–15.
- Гареев А. М. Реки, озера и болотные комплексы Республики Башкортостан. Уфа: Гилем, 2012. — 260 с.
- Гареев А. М. Оптимизация водоохранных мероприятий в бассейне реки (географо-экологический аспект). Гидрометеоиздат, Санкт-Петербург, 1995. 189 с.
- Гареев А. М. Реки и озера Башкортостана. Уфа: Китап, 2001. — 260 с.
- Гареев А. М., Горячев В. С., Галеева Э. М. Особенности изменения качественных характеристик речных вод на примере среднего течения реки Белая // Доклады Башкирского университета. 2016. Т. 1. № 2. С. 319–326.
- Малмыгин А. С. Состояние водных ресурсов на территории Республики Башкортостан в 2008 году // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Вода для жизни». Уфа, 2009. С. 36–38
- Схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейна реки Кама. Книга 1. Общая характеристика речного бассейна. Волгоград.: Камское БВУ, 2014. — 370 с.
- Управление водохозяйственными комплексами Республики Башкортостан. — Уфа: Инеш, 2012. — 488 с.
- Фондовые данные ФГБВУ «Центррегионводхоз».
- Чалов Р. С. Классификация рек по условиям управления русловыми процессами при решении водохозяйственных и воднотранспортных задач // Вопросы географии. — 2018. — № 145. — С. 169–182
- Черняев А. М. Оптимальное управление водохозяйственной деятельностью в регионе. Методы планирования и управления природными ресурсами. М., 1985. 226 с.