Трансформация стока наносов при антропогенных воздействиях на русла рек и их бассейны (на примере Лены, Селенги и рек Камчатки) (грант УС)НИР

Sediment load transformation due to anthropogenic impact on river beds and its basins (for example, the Lena River, the Selenga River and the rivers of Kamchatka)

Соисполнители НИР

географический факультет МГУ Координатор
географический факультет МГУ Координатор

Источник финансирования НИР

Грант Ученого совета географического факультета МГУ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 сентября 2016 г.-31 августа 2017 г. Трансформация стока наносов при антропогенных воздействиях на русла рек и их бассейны (на примере Лены, Селенги и рек Камчатки), 1 этап
Результаты этапа: При изучении влияния антропогенной деятельности на сток наносов Лены, Селен-ги и рек Камчатки выявлены два основных фактора, вызывающих его трансформацию. К первому относится значительное увеличение стока наносов, которое происходит в ре-зультате добычи россыпных драгоценных металлов, что, в свою очередь, приводит к за-илению русел и ухудшению качества воды для водопотребителей и гидробионтов. Вто-рой фактор – это проведение русловыправительных работ, связанных с перемещением руслообразующих наносов. Такие действия вызывают изменение гидравлической струк-туры потока, изменение его транспортирующей способности, что в дальнейшем приводит к направленным русловым деформациям, спроектированным под нужды человека. Ан-тропогенное воздействие на сток наносов рассмотрено в масштабах большой, средней и малых рек [ГОСТ 19179-73]. Одним из основных источников увеличения стока наносов при добыче полезных ископаемых в бассейне Селенги является месторождение золота «Заамар» в долине сред-ней реки Туул, также изучено влияние месторождения «Бороо Гоулд» в долине малой ре-ки Бороо. На Камчатке исследовано воздействие добычи россыпной платины в районе Сейнав-Гальмоэнанского горного узла на сток наносов малых рек в бассейне Вывенки. Влияние работ по изменению русла на сток наносов в наибольшем масштабе проявляется на большой реке Лене в районе Якутского водохозяйственного и воднотранспортного уз-ла. Увеличение стока наносов в реках при добыче россыпей обусловлено поступлени-ем тонкодисперсных (илисто-глинистых) взвешенных частиц в результате промывки горных пород, что в итоге проявляется в значительном повышении мутности воды. Эти процессы усиливаются при прохождении паводков. Так, при непрерывном поступлении в поток техногенных частиц сезонное превышение содержания в воде взвешенных ча-стиц по сравнению с фоновыми значениями для малых рек в период паводков в зоне сте-пей (р. Бороо, бассейн Селенги) достигает 8,8 раз, в тундре (рр. Левтыринываям, Пени-стый, бассейн Вывенки) – 3,3 раза. Для средней реки (р. Туул, бассейн Селенги) увеличе-ние мутности в зависимости от фазы водного режима составляет 1,6–2,7 раза. Ниже участков добычи полезных ископаемых по длине малых рек уменьшения мутности воды не происходит в связи с большим содержанием в воде фракций пыли, ила и глины, которые формируют транзитный поток наносов вплоть до поступления в приёмные водо-ёмы. При впадении Вывенки в залив Корфа (Берингово море) формируется шлейф мутно-сти площадью около 6 км2 (длина до 4 км, ширина – 1,5 км). По длине средней реки тех-ногенная мутность воды к устью снижается в среднем в 1,7 раз за счёт аккумуляции крупных фракций вне зависимости от изменения водности. Трансформация стока наносов при антропогенном воздействии на русло большой реки проявилась в долговременном масштабе. Участок р. Лена в районе Якутска, распо-ложенного на её левом берегу, характеризуется русловой многорукавностью. В 1960-х при создании Якутского речного порта было принято решение по перекрытию выхода из небольшой крайней левой (ближайшей к городу) протоки (Городская протока). Несмотря на незначительное влияние в масштабах большой реки, незапланированные из-менения в сочетании с естественными флуктуациями руслового рельефа произошли в пределах всего Якутского водного узла. В настоящий момент они вызывают негативные последствия на участке основного разветвления, расположенного напротив города, где русло делится на два крупных рукава: левый (Адамовская протока) и правый (Буолырар-ская протока). Происходит постепенное отмирание левого рукава и активизация правого, в результате обмелел речной порт, изменился судовой ход, обнажился водозабор, нарушилась циркуляция воды у городского водосброса: сточные воды периодически за-брасываются выше по течению к району водозабора. Современные количественные изменения на участке русловой многорукавности вблизи Якутска прослеживаются при анализе распределения стока взвешенных наносов по рукавам и состава руслообразующих наносов. Расчёт баланса наносов на участке пока-зал, что на входе в Городскую протоку в летнюю межень сток взвешенных наносов со-ставляет всего 10–11 % от общего стока наносов на участке, а в паводки незначительно увеличивается до 14 %. За 40-летний период сток наносов в Адамовской протоке снизил-ся примерно с 70 до 50 %, в том числе из-за перекрытия выхода в неё Городской протоки, сейчас в неё и Буолырарскую протоку поступает равное количество взвешенных наносов. Привлечение данных о составе руслообразующих наносов демонстрирует, что си-туация по обмелению Адамовской протоки ещё критичнее, т.к. в ней из-за снижения транспортирующей способности потока состав наносов отличается меньшим размером по сравнению с правым рукавом. В Адамовской протоке преобладает среднезернистый пе-сок (с), на участке бывшего судового хода пока остаются среднекрупнозернистые (ск) ча-стицы, в Буолырарской протоке вдоль фарватера присутствует среднекрупно- (ск) и крупнозернистый (к) песок с примесью гравия (гр) и гальки (глк), на некоторых участках состав наносов увеличивается до мелкой (глк м) и средней (глк ср) гальки. Вход в Город-скую протоку перекрыт тонко- (т), тонкомелко- (тм) и мелкозернистым (м) песком, это говорит об очень низких скоростях течения на этом участке реки, и практически полной неактивности протоки. Таким образом научная значимость полученных результатов заключается в выяв-лении закономерностей изменения мутности воды вдоль рек разного размера ниже гор-нодобывающих предприятий в разные фазы водного режима, а для большой реки – в изу-чении последствий русловыправительных работ на сток взвешенных и состав руслообра-зующих наносов. Полученные результаты планируется применить для проведения моде-лирования стока наносов на ключевых участках рек с целью создания рекомендаций по способам снижения или изменения стока наносов.
2 1 сентября 2017 г.-31 августа 2018 г. Трансформация стока наносов при антропогенных воздействиях на русла рек и их бассейны (на примере Лены, Селенги и рек Камчатки), 2 этап
Результаты этапа: Моделирование распределения стока речных наносов ниже участков антропогенного воздействия было проведено на основе уравнения турбулентной диффузии взвешенных частиц. Принятие ряда допущений и учёта изменения мутности воды по глубине потока позволило получить аналитическое решение этого уравнения. Для создания математической модели переноса взвешенных наносов вдоль участка реки приняты следующие гипотезы: 1) глубина, ширина и скорость потока в реке на исследуемом участке неизменны; 2) в пределах рассматриваемого участка отсутствовали другие источники поступления взвешенных наносов; 3) режим мутности установившийся ( = 0); 4) попереченая и вертикальная компоненты скорости течения равны нулю. Полученная математическая модель распространения взвешенных частиц в водном потоке продемонстрировала экспоненциальное уменьшение мутности при удалении от начального створа. Моделирование для участков ниже хозяйственных объектов проведено с учетом, что значительное поступление дополнительной мутности приводит к существенному превышению нисходящего потока минеральных частиц над восходящим. В этих случаях поступление взвешенных частиц превышает транспортирующую способность потока, и ниже по течению они переходят в состав донных отложений на расстоянии, зависящем от размера частиц, скорости и глубины потока. В качестве модельных объектов были выбраны объекты в зоне россыпных драгоценных металлов на рр. Левтыринываям и Пенистый в бассейне Вывенки, р. Туул в бассейне Селенги. В бассейне Вывенки расчёт осуществлён для малых рек, протекающих в условиях с разным режимом работы горного предприятия. Для р. Левтыринываям исследования проведены при интенсивной добыче россыпной платины и при её снижении, когда крупность взвешенных наносов увеличилась в 1,5 раза. Режим мутности на рекультивированном участке изучен для р. Пенистый. В результате расчётов модельная мутность по длине р. Левтыринываям при максимальной интенсивности работы предприятия снижается к контрольному створу всего на 5,4 г/м3, что соответствует абсолютной погрешности ∆S = 6,3 г/м3 и относительной погрешности δ = 29 %. В условиях снижения добычи платины мутность по длине реки уменьшается интенсивней за счёт увеличения доли пылеватых и песчаных частиц на 25 %, в этом случае точность расчётов оказывается выше: ∆S = –2,1 г/м3, δ = –11 %. После рекультивации участка добычи россыпной платины в долине р. Пенистый воды ручья продолжают размывать отложения бывших илоотстойников, в результате происходит дополнительное поступление илисто-глинистых частиц в поток. Согласно расчётным оценкам мутность в реке при выходе с нарушенных территорий снижается на 7,1 г/м3, это на 18 % или 2,0 г/м3 превышает фактические данные. Моделирование переноса взвешенных частиц вдоль протяжённых участков осуществлено для бассейна Селенги для рр. Туул, испытывающей воздействие предприятия по добыче россыпного золота. Несмотря на значительную длину исследуемых участков (90 км), расчёты показали удовлетворительный результат, так как в пределах этих участков отсутствовали другие существенные источники дополнительной мутности. Расчёт распределения мутности в р. Туул проводился для условий межени и паводков. В условиях повышенной водности результаты показали хорошую сходимость с фактическими значениями: δ = –6 %, ∆S = –8 г/м3. Это означает, что добыча золота на месторождении «Заамар» является доминирующим источником поступления взвешенных наносов во время паводков на исследуемом участке реки. При низком стоке воды оценка мутности оказалась менее точной: в конечном створе её величина на 24,1 г/м3 превысила Sр, δ = –31 %, что может быть связано с дополнительными источниками взвешенных наносов на рассматриваемом участке Туула, например, с русловой эрозией. Таким образом, разработанный алгоритм расчёта распределения осреднённой в поперечном сечении мутности воды вдоль рек перспективен для оценки и прогноза хозяйственной нагрузки на водотоки. Он позволяет получать серии номограмм для прогнозирования характера распределения мутности воды в реке в зависимости от режима техногенного воздействия Рекомендации по способам снижения техногенного стока наносов для ключевых участков антропогенного воздействия выполнены на основе анализа режима работы горнодобывающих предприятий в разные сезоны (межени, паводки) за многолетний период. Преобразование рельефа, вызванное добычей полезных ископаемых, приводит к изменению речной сети, образованию каналов (руслоотводов) и локальных водоразделов. В результате, отмечается перераспределение поверхностного стока, значительно изменяющего водный баланс территории, возникновение новых форм рельефа, нарушение почвенно-растительного покрова, это приводит к дополнительному поступлению минеральных частиц в водотоки. Одновременно в пределах малых речных бассейнов наблюдается отторжение водосборных территорий из-за создания искусственных областей внутреннего стока (карьеры, технологические пруды, илоотстойники). Продукты поверхностного смыва с нарушенных полигонов, поступившие в технологические водоемы, в дальнейшем либо накапливаются там, либо выносятся с отработанными техническими водами при штатном или аварийном режиме их сброса, а также вследствие просачивания воды и содержащихся в ней минеральных частиц через стенки отвалов в реки. Изменение стока взвешенных наносов WR по длине рек, в долинах которых проводятся открытые горные работы, связано с поступлением минеральных частиц как с естественных, так и нарушенных участков водосбора. Для определения основных факторов поступления дополнительной мутности в реки на нарушенных хозяйственной деятельностью территориях использован метод расчленения графика изменения мутности воды (Мозжерин В.В., Мозжерин В.И., 2010). В зависимости от поступления осадков, интенсивности снеготаяния, изменения водности и поступления взвешенных частиц, режима функционирования горного предприятия с открытым типом добычи можно выделить четыре источника формирования мутности: 1) фоновая мутность воды обусловлена частицами, которые поступают в реки с участков водосбора при отсутствии хозяйственной деятельности; 2) минимальная техногенная мутность возникает при штатной работе горнодобывающего предприятия и обусловлена просачиванием загрязненных вод в водотоки или размывом ранее отложившихся в русле техногенных частиц при отсутствии других факторов воздействия; 3) увеличение мутности за счет склоновой эрозии при выпадении осадков или снеготаянии, а после повышения стока воды и увеличения транспортирующей способности потока – за счет русловой эрозии; 4) сбросы технических вод при намеренном (спуск воды для снижения уровня) и непреднамеренном (размыв стенок прудов и илоотстойников) сбросе загрязненных отработанных вод из технологических водоемов без предварительного отстаивания или с недостаточной степенью их очистки; складировании мелкодисперсных грунтов (эфелей) в пойме ручьев; работе землеройной и другой техники в русле водотоков; движении техники по руслам водотоков. За 5-летний период наблюдений (2008–2013 гг.) в среднем в 50 % случаев содержание взвешенных частиц на участке добычи россыпной платины в летний сезон формируется за счёт общего техногенного преобразования территории, 18 % – обусловлено склоновой и русловой эрозией при выпадении осадков, 17 % – фоновыми условиями ненарушенных территорий. Наименьший вклад (15 %) в формирование мутности вносят сбросы технических вод (при штатном режиме предприятия). Изменение мутности воды происходит на фоне трансформации гранулометрического состава взвешенных наносов. Естественно, при уменьшении хозяйственной нагрузки на месторождение количество взвешенных минеральных частиц, сбрасываемых в реки заметно уменьшается. Однако проведение исследований на закрытых участках добычи платины показало, что после проведения частичной (а не полной, как следовало бы) технической рекультивации в водотоки, протекающие в их пределах, продолжает поступать техногенная взвесь. Таким образом, к основным рекомендациям по уменьшению техногенного стока наносов в реки можно отнести неукоснительное соблюдение природоохранного законодательства, которое, к сожалению, повсеместно на подобных предприятиях нарушается. Это относится ко всем этапам работ по добыче полезных ископаемых: при подготовке месторождения, в период самой добычи, после закрытия участка. При этом, как показали наши исследования, значительное количество наносов поступает не только при сбросе сточных вод, а за счёт плохой работы по преобразованию рельефа на территории месторождения. Существующие условия природопользования требуют создания четких, универсальных алгоритмов оценки переноса взвешенных частиц ниже хозяйственных объектов с целью определения их влияния, прогноза и предотвращения воздействия на природные экосистемы.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".