Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Гидротехнические работы – хозяйственная деятельность на водных объектах, выполняемая техническими средствами с целью постройки гидротехнических сооружений, борьбы с разрушающим действием водной стихии (наводнение, разрушение берегов), поддержания судоходных глубин, развития рекреационной структуры, реконструкции изношенных гидротехнических сооружений, добычи нерудных строительных материалов в акваториях и т.д.

С 2002 по 2010 г. проводились гидротехнические работы в рамках федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России». В настоящее время проводятся гидротехнические работы в рамках новой федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы Российской Федерации (2010-2015 годы)», утвержденной в 2008 году. Чаще всего гидротехнические работы проводят с помощью специализированной техники – земснаряда.

Земснаряды создают зоны мутности больших размеров. Кроме того, при гидроизвлечении грунта вместе с пульпой могут засасываться и погибать гидробионты. В зоне повышенной мутности следует учитывать влияние взвеси как находящейся в воде, так и оседающей на дно, что имеет особо важное значение для нерестилищ и мест нагула молоди рыб [7].

В данной работе сделана попытка выработать подходы к количественной оценке негативного воздействия оседающей на дно взвеси для донных организмов в период работы земснаряда, использовать полученные результаты для расчета ущерба, наносимого водным биоресурсам при производстве на водном объекте гидротехнических работ. До настоящего времени используются ориентировочные критерии при оценке воздействия осевшей взвеси на зообентос [9; 11]. Поэтому были поставлены следующие задачи:

- оценить распространение и скорость оседания взвеси при работе земснаряда для дальнейшего определения толщины переотложенной взвеси на разном удалении от земснаряда;

- оценить влияние переотложенной взвеси на бентосные кормовые организмы для рыб.

1. Объект и методы исследования

Объектом исследования является неразработанный лицензионный участок месторождения строительного песка «Бахчи-Сарай» (участок № 5 С1-II ООО «Казанские нерудные материалы»). Участок расположен в пределах Куйбышевского водохранилища на территории Верхнеуслонского муниципального района Республики Татарстан.

Согласно технической документации на разработку месторождения, оно простирается узкой полосой вдоль левой части русла реки Волга (рис. 1), представлено южным участком длиной 3 км (блок С1-II), шириной от 60 до 205 м. Площадь участка месторождения С1-II – 355 тыс. м2. Напротив участка месторождения, на правом берегу реки Волга, находится поселок Бахчи-Сарай.

Средняя ширина водоема в районе разработки месторождения строительного песка «Бахчи-Сарай» – 3-4 км. Скорость течения 0,2 м/с. Глубина участка месторождения – около 11-22 м. В районе непосредственной добычи – до 14 м. Рельеф дна ровный. Грунт песчаный, местами заиленные пески и глины. Ширина водоохранной зоны и прибрежной защитной полосы – 200 м.

Куйбышевское водохранилище является одним из крупнейших искусственных водоемов, имеет протяженность 510 км (по Волге), площадь поверхности 5900 км2, объем водной массы 56,1 км3. Воды в районе добычи песка по показателю ИЗВ слабо загрязненные [4].

Рис. 1. Район проведения работ

Ихтиофауна Куйбышевского водохранилища представлена лещом, стерлядью, судаком, щукой, сомом, плотвой, синцом, густерой, белоглазкой, жерехом, бершом, язем, чехонью, карасем, окунем, сазаном, уклеей и др. [5; 6; 10]. Основные ценные промысловые рыбы Куйбышевского водохранилища (стерлядь, лещ и др.) являются бентофагами [3]. По данным Кузнецова В.А. [5], происходит снижение доли хищных рыб, что, по его мнению, свидетельствует о существенных структурных перестройках в рыбном сообществе.

Основные седиментационные источники формирования донных осадков водохранилища [4] следующие:

- переотложенные почвенные горизонты и почвообразующие породы, поступившие в водоем за счет абразии берегов и эрозионных процессов;

- взвешенный материал, привнесенный волжской и камской водами и боковыми притоками водосборного бассейна;

- осаждающийся детрит, образование которого связано с внутриводоемными процессами;

- абразионный материал (обрушение берегов).

Всего взвешенных веществ поступает в водохранилище 33,7 млн т, за счет обрушения берегов (85,4%), твердых стоков камского (6,0%) и волжского (4,4%) потоков, и боковых притоков (3,7%). Аккумулируется в водохранилище 95,4% всех наносов. Расход составляет всего 4,6% от среднегодового прихода взвеси за счет сброса через гидроузел ГЭС [4].

По данным 1957-1985 гг. (Розенберг, 2008), средняя скорость осадконакопления с годами уменьшается от 1,2 до 0,4 см/год, а площадь заиления увеличивается от 31 до 60% (табл. 1).

Таблица 1

Показатели осадконакопления и площади заиления Куйбышевского водохранилища (Розенберг, 2008)

Средний модуль крупности песков участка «Бахчи-Сарай» - 1,4. Его мощность от 5,1 до 12,1 м, в среднем составляет – 7,1 м. В составе песков преобладают фракции 0,16 и 0,315 мм (средневзвешенное содержание 58,5-68,8% и 18,2-22,4% соответственно). Содержание глинистых частиц в песках 0,8%. Насыпная плотность песков колеблется от 1566,0 до 1611,0 кг/м3. Истинная плотность песков составляет 2,65 г/см3, пустотность 39,3 – 41,0%. Пески месторождения «Бахчи-Сарай» в целом по всем основным параметрам соответствуют требованиям ГОСТ 8736 – 93 для мелких и очень мелких песков I класса.

Добыча песка на месторождении «Бахчи-Сарай» на блоке С1-II участка № 5 производилась в 2012 году плавкраном КПЛ 16-30 c погружным насосом типа DOP (рис. 2).

Рис. 2. Схема земснаряда c погружным насосом типа DOP:

1. Агрегат. 2. Погружной насос. 3. Электро- или гидродвигатель. 4. Механический рыхлитель.5. Пульпопровод плавучий. 6. Канат стальной. 7. Стрела. 8. Энергоблок. 9. Плавкран. 10. Водопровод

Данная плавучая установка (земснаряд) для подводного извлечения грунта была запатентована в 2010 году. Работает она по следующим схемам.

Вариант 1. При включении электро- или гидродвигателя на сопла гидроразмыва погружного насоса подается забортная вода избыточного давления гидрорыхления, которая размывает грунт. Размытый грунт (пульпу) погружной насос засасывает и нагнетает в гибкий плавучий пульпопровод и далее на склад или переработку. Герметичный агрегат подвешивается на гибком стальном канате стрелы плавкрана и приводится в действие посредством энергоблока, расположенного на плавкране.

Вариант 2. Для разработки и гидроперемещения подводного грунта рыхление добываемого грунта, например глинистого, может осуществляться с помощью механических рыхлителей, установленных на агрегате. В этом случае при включении электро- или гидродвигателя разрыхленный грунт погружным насосом засасывается и нагнетается в гибкий плавучий пульпопровод и далее на склад или переработку.

При проведении наших исследований добыча песка на участке «Бахчи-Сарай» проводилась по схеме № 1 (механические рыхлители на погружном насосе отсутствовали) (рис. 3).

Рис. 3. КПЛ 16-30 c погружным насосом типа DOP без рыхлителей

Транспорт, используемый для перевозки добытого речного песка – несамоходные баржи проектов Р-156, Р-85А, Р-178У, буксир-толкач проектов типа ОТА, «Дунайский», «Шлюзовой».

Разработка месторождения проводится по течению р. Волга снизу вверх. Земснаряд устанавливается на запланированном к добыче песка блоке отработки месторождения (глубина воды под днищем барж при этом должна быть не менее 3 м). На дно водоема опускается всасывающий грунтопровод, оснащенный наконечником с рыхлителем (сосун), который заглубляется в грунт, засасывая песок вместе с водой. Песок в виде песчаной пульпы подается по трубопроводу в баржу корытообразного типа, постепенно заполняя его водонасыщенным уплотненным песком до верха (рис. 4).

Рис. 4. Работа земснаряда землесосного типа (КПЛ 16-30 c погружным насосом типа DOP)

За период работы земснаряда с июня по октябрь 2012 года было добыто 322 083 т песка, исследования нами проводились в это же время.

Для оценки влияния процесса добычи песка на гидробионты были использованы седиментационные ловушки (рис. 5а), изготовленные специалистами Института Океанологии РАН им. П.П. Ширшова.

Ловушка (рис. 5б) представляет собой трубу (1) диаметром 11 см, открытую с одной стороны, с другой стороны к трубе подсоединена воронка (2) с переходником (3) для привинчивания пробоприемника (бутылки). Прикрепляется ловушка к металлическому основанию. Металлическое основание состоит из площадки 30х30 см (4) и штыря (5) с петлей (6) для закрепления к нему ловушки и подъемного каната (7) с буйком (8) (рис. 7в).

а. фото ловушки в сборе

б. схема

в. буек на воде

Рис. 5 Ловушка для взвеси

Исследование процесса оседания взвеси и влияние слоя техногенной переотложенной взвеси на гидробионты производилось при выполнении 5-ти полевых съемок (табл. 2), в ходе которых отбирались пробы зообентоса, также пробы фитопланктона, зоопланктона, измерялись гидрохимические показатели.

Таблица 2

Перечень полевых съемок с указанием количества отобранных проб в 2012 г.

Станции намечались согласно плану разработки месторождения, с учетом результатов моделирования распространения взвеси, выполненного Вычислительным центром им. А.А. Дородницина РАН, по зонам переотложенного осадка (рис. 6), а также относительно расположения земснаряда. Расположение станций на удалении от земснаряда 50, 100, 150, 300 м (июнь), 190, 230 м (август) (рис. 7). Фоновые станции находились выше места разработки месторождения.

- блок С1-II участок № 5 меcторождение «Бахчи-Сарай»

Рис. 6. Поле толщины слоя осадков (мм), отложившихся из взвеси (для момента времени 25 ч. 30 мин.)

а) б)

- расположение земснаряда, - станции отбора проб, - фон

Рис. 7. Схема станции отбора проб: а (слева) май, июнь; б (справа) - август

Пробы переотложенной взвеси, отобранные с помощью ловушек, перевозились в лабораторию в пробоприемниках. В лаборатории переливались в цилиндры и отстаивались 7 дней. Толщина слоя переотложенного осадка замерялась штангенциркулем. Результаты были пересчитаны на площадь входного отверстия ловушки, с учетом времени постановки эксперимента и фонового значения.

Для гидробиологических исследований использовали следующее оборудование:

для отбора проб фитопланктона - батометр Паталаса на 5 литров, 10-литровое ведро;

для отбора проб зоопланктона - сеть Джеди;

для отбора проб зообентоса - дночерпатель Ван-Вина, площадью захвата 1/40 м2.

Пробы фитопланктона отбирали 2 батометрами с верхнего горизонта, сливали в ведро, тщательно перемешивали и заполняли бутылки объемом 1 л. Фиксировали 4%-ным формалином.

Пробы зоопланктона отбирали протягиванием сети Джеди от дна до поверхности. Пробы сливали в пеницилинки и фиксировали 4%-ным формалином.

Пробы бентоса отбирали на станции по 3 дночерпателя. Затем промывали пробы через мельничное сито. Разбирали организмы бентоса на судне и фиксировали формалином.

Результаты и обсуждение

Опытный участок С1-II № 5 ранее не разрабатывался, что дало возможность при проведении исследований отследить его вскрытие. При вскрытии участка поднимается значительно больше взвеси, поскольку вскрышные породы содержат больше мелких частиц, чем песок, который добывается в промышленных целях с целью дальнейшей реализации.

Весной, в период паводка (май), фоновая скорость оседания и накопления из толщи воды взвеси, по нашим данным, составила в среднем – 0,694 см/сут. Летом на исследованном участке фоновая природная скорость осадконакопления составляла: в июне – 0,08 см/сут, в июле-августе – 0,009 см/сут (табл. 3).

При производстве работы земснаряда летом, в июне, максимальное значение скорости оседания и накопления антропогенной (переотложенной) взвеси составило 0,545 см/сут на расстоянии 50 м от земснаряда. Данное значение в более чем в 6 раз превышает фоновое значение осажденной взвеси в июне, однако несколько ниже, чем фоновое значение осажденной взвеси в период паводка в мае, когда скорость осадконакопления за период исследования составила 0,694 см/сут.

В июне, с удалением от работающего земснаряда показатели осаждения антропогенной взвеси значительно уменьшались, и на расстоянии около 300 м от земснаряда сводились к 0 (табл. 4).

В июле-августе было установлено, что облако взвеси при работе земснаряда распространяется во все стороны практически одинаково, и антропогенная взвесь оседает со скоростью порядка 0,3 см/сут (при этом ловушка № 2 находилась от земснаряда на расстоянии 190 м, ловушка № 3 – 230 м).

Таблица 3

Показатели осадконакопления в период исследований

Фитопланктон. На исследуемом участке Куйбышевского водохранилища из планктонных водорослей были встречены 8 групп: синезеленые, золотистые, диатомовые, протококковые, эвгленовые, желтозеленые, зеленые (улотриксовые, десмидиевые), пирофитовые. В мае средняя биомасса фитопланктона составила 6,5 мг/л, численность – 1,2 млн. кл./л; в июне до проведения работ – 1,1 мг/л и 0,7 млн кл./л, после проведения работ – 1,3 мг/л и 0,9 млн кл./л; в июле биомасса составила 60 мг/л, численность – 2,7 млн кл./л; в октябре биомасса составила 0,9 мг/л, численность – 1,0 млн кл./л (табл. 4). Таким образом, просматривается сезонная динамика количественных показателей с уменьшением биомассы и численности в июне, что связано с развитием зоопланктона, максимальным увеличением данных показателей в июле (отмечено «цветение» воды синезелеными водорослями рода Oscillatoria, р. Microcystis) и спадом в октябре.

Таблица 4

Количественные показатели фитопланктона исследуемого участка Куйбышевского водохранилища, 2012 г.

На участке 50-100 м от земснаряда в июне, до проведения работ по добыче песчано-гравийной смеси (ПГС), средняя численность одноклеточных водорослей составила 0,8 млн кл./л, биомасса - 0,7 мг/л. Спустя сутки, после трехчасовой работы земснаряда, численность составила 0,8 млн кл./л, биомасса – 0,6 мг/л. Таким образом, влияние трехчасовой работы земснаряда на количественные показатели фитопланктона было незначительным.

Зоопланктон. В зоопланктоне Куйбышевского водохранилища встречены 3 группы планктонных организмов: коловратки (Rotatoria), ветвистоусые (Cladocera), веслоногие (Copepoda). Коловратки отмечались главным образов в октябре (табл. 5). Из ветвистоусых на протяжении всего сезона обнаруживались представители из рода Bosmina. В летний период наиболее часто встречались Daphnia longispina, Leptodora kindtii. Из веслоногих на протяжении всего сезона отмечены виды из рода Cyclops, р. Diaptomus и науплиальные стадии копеподит.

Таблица 5

Структура зоопланктонного сообщества исследуемого участка Куйбышевского водохранилища, 2012 г.

Зоопланктон на исследуемом участке характеризовался крайне низким видовым разнообразием, биомассой и численностью на протяжении всего сезона (табл. 5, 6).

Таблица 6

Биомасса и численность зоопланктона (мг/куб. м) до и через сутки после проведения работ

Были отмечены следующие изменения количественных показателей сообщества зоопланктона после работы земснаряда по сравнению с фоном: увеличение численности и биомассы в 50, 100 и 150 метрах от места работы земснаряда; снижение численности до фоновых значений на расстоянии 300 м (табл. 6).

Также отмечены изменения в структуре зоопланктонного сообщества на расстоянии 50 и 100 м от места работы земснаряда - изменилось соотношение групп зоопланктона: в июне до работы по численности и биомассе доминировали ветвистоусые, после работы земснаряда доминантной группой стали веслоногие. В то время как на фоновой станции подобная зависимость не прослеживалась (табл. 7). Это изменение может быть не связано с антропогенным воздействием, так как возможно естественное пятнистое распределение зоопланктона, горизонтальные миграции и т.д.

Таблица 7

Соотношение количественных показателей групп зоопланктона в июне 2012 г.

Так как нет фоновых данных по станциям на расстоянии 150, 300 м, наблюдения за влиянием добычи ПГС на зоопланктон необходимо повторить.

Зообентос. Зообентос исследуемого участка Куйбышевского водохранилища представлен в основном моллюсками, главным образом двустворчатыми – дрейссеной (Dreyssena) (от 99,2 до 99,9% от биомассы), и в меньшей степени брюхоногими. Биомасса дрейссены на отдельных станциях достигала значений от 0,6 до 2,5 кг. Кормовой бентос представлен личинками хирономид, ручейников, личинками прочих насекомых, олигохетами. В июне численность кормового бентоса по станциям изменялась от 61 до 247 экз./м2, биомасса – от 0,04 до 3,6 г/м2; в июле аналогичные показатели изменялись от 12 до 98 экз./м2 и от 0,1 до 0,6 г/м2 соответственно; в октябре – от 99 до 667 экз./м2 и от 0,5 до 2,5 г/м2, соответственно. Главным объектом питания леща, стерляди, густеры и других широко распространенных рыб-бентофагов реки Волги и ее придаточных водоемов являлись личинки насекомых, в первую очередь личинки хирономид [2]. На данном участке Куйбышевского водохранилища численность и биомасса кормового бентоса низкая.

До работы земснаряда, в июне, максимальная биомасса кормового бентоса была отмечена на 2-й станции и составляла около 3,6 г/м2. Минимальное значение биомассы на всех станциях отмечено в июле – 0,1 г/м2. Скорее всего, это связано с сезонной динамикой – вылетом имаго комаров, ручейников и прочих насекомых. Средняя биомасса и численность кормового зообентоса до работы земснаряда были выше в 3,7 раза и 2,1 раза соответственно, чем после работы земснаряда (табл. 8).

Таблица 8

Биомасса (г/м2) и численность (экз./м2) кормового бентоса до и через сутки после проведения работ

С отдалением от земснаряда биомасса и численность кормового зообентоса увеличивается от станции к станции (рис. 8, 9), что свидетельствует о постепенном оседании взвеси из облака мутности и погребении донных беспозвоночных.

- фон

Рис. 8. Биомасса кормового зообентоса до и после проведения работ

Рис. 9. Численность кормового зообентоса до и после проведения работ

Таким образом, можно отметить, что по результатам исследования прослеживалось влияние на бентосные организмы гидротехнических работ в течение небольшого периода их проведения на месторождении. Численность и биомасса бентоса до проведения работ выше, чем после проведения. Также отмечается увеличение численности и биомассы зообентоса с отдалением от места проведения гидротехнических работ.

Заключение

1. За период исследования максимальная скорость накопления антропогенной взвеси составила 0,545 см/сут на расстоянии 50 м от земснаряда. Данное значение в 6 раз превышает фоновое значение в июне, однако несколько ниже, чем фоновое значение, которое наблюдалось в мае, в период паводка.

2. С удалением от работающего земснаряда показатели осаждения антропогенной взвеси значительно уменьшаются, и на расстоянии порядка 300 м от земснаряда сводятся к 0.

3. Выявлена зависимость изменения гидробиологических показателей до и после проведения гидротехнических работ. Показано, что биомасса и численность кормовых организмов зообентоса увеличивается с удалением от работающего земснаряда, поскольку, как было отмечено, скорость антропогенного осадконакопления с удалением от земснаряда уменьшается.

4. Наблюдения за фитопланктоном показали, что влияние на него трехчасовой работы земснаряда незначительно, что обусловлено пятнистостью распределения фитопланктона.

5. Наблюдения за зоопланктоном нуждаются в повторении.

Рецензенты:

Мельченков Е.А. – д.б.н., зав. отделом ФГУП «ВНИИПРХ», п. Рыбное.

Семеняк Л.В. – д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории сводного прогноза ФГУП «ВНИРО», г. Москва.