Оптимизация конструкции инженерной защиты берегов водных объектов (на примере прудов г. Москвы)

В 2003 году Правительством Москвы принято постановление № 450-ПП «О концепции по восстановлению малых рек и русловых водоемов города Москвы и первоочередных мероприятиях по реализации Концепции на период 2003;2005 г. г.».

Целью «Концепции восстановления и реабилитации малых рек г. Москвы» является определение основных экологических и экономических принципов городского развития, направленных на реабилитацию малых рек, сочетание рационального использования природных ресурсов, социально-экономических и эколого-градостроительных приоритетов развития городских территорий, прилегающих к водным объектам, а также формирование программы первоочередных мероприятий по реабилитации малых рек. Основные принципы реализации Концепции:

— обеспечение охраны, экологической реабилитации и научно обоснованного, сбалансированного, рационального использования природных ресурсов малых рек и прилегающих территорий в градостроительных и рекреационных целях;

— обеспечение экологической безопасности при разработке и реализации градостроительных и инженерных решений по восстановлению и реабилитации водных объектов.

Анализ существующего положения показал, что на территории г. Москвы существует более 140 рек и ручьев. Большинство из них представляет значительную экологическую и ландшафтно-рекреационную ценность. Общая площадь водного зеркала прудов превышает 900 га, а общая протяженность открытых русел составляет порядка 310 км. Система водных объектов г. Москвы является частью природной среды города, выполняет градообразующие, инженерные и экологические функции, формирует ландшафтный облик города, осуществляет отвод поверхностного и дренажного стока.

Под воздействием техногенных факторов питание водных объектов в г. Москве превышает естественный уровень. В поверхностном стоке вследствие высокого коэффициента стока с территории города и сбросов сточных вод, в подземном стоке за счет утечек из водопроводно-канализационных сетей.

Задачи восстановления, сохранения и экологической реабилитации малых рек необходимо решать в комплексе с мероприятиями по благоустройству территорий, прилегающих к водным объектам, которые формируют качество и состояние самих водных объектов, ландшафт городской среды, поддерживают рекреационный и природный потенциал города. В условиях мегаполиса экологическая роль долин малых рек не только не уменьшилась, но и в некоторых случаях возросла по сравнению с «дикой» природой, осуществляя компенсационную функцию. Существующая система пойменных и прибрежных территорий представляет собой фрагментированную цепочку незастроенных площадей с частично сохранившимся озеленением и природными сообществами в различной стадии антропогенной дегрессии. Долины рек трансформированы, подвержены оползневым и эрозионным процессам. Это связано, с одной стороны, со сложившимся отношением к речной системе и прилегающим территориям как «бесхозным неудобьям», не представляющим градостроительного интереса или требующим более дорогостоящих инженерных решений при их освоении. На участках долин рек наблюдается различная степень нарушения биогеоценозов вплоть до полной их ликвидации в том месте, где река заключена в коллектор. В то же время пойменные территории, благодаря пересеченному рельефу и разнообразной растительности, привлекательны как места отдыха. Однако неудовлетворительное состояние самих объектов и прилегающих территорий, которое обусловлено химическим и механическим загрязнением, а также активно развивающимися экзогенными геологическими процессами (под экзогенными геологическими процессами понимается многообразие геологических процессов, которые происходят в приповерхностных частях литосферы преимущественно под воздействием внешних факторов [47]) не всегда позволяет использовать пойменные территории водных объектов в хозяйственных и рекреационных целях.

Увеличение антропогенной нагрузки (расширение площадей застройки, развитие дорожной сети и т. д.) вызывает нарушение естественных гидрологических и геологических условий территории, которые влекут за собой изменения режима подземного и поверхностного стока дождевых, талых и поливочных вод, угнетение растительного покрова. Это приводит к уменьшению инфильтрации воды и, как следствие, увеличение количества поверхностного стока и скоростей потоков. Последствием этого становится интенсификация эрозионно-склоновых и эрозионно-русловых процессов. V.

Эрозионные процессы оказывают негативное влияние на общеэкологическую ситуацию всей территории водосборного бассейна. Эрозионный сток является крупнейшим и опасным источником загрязнения поверхностных вод т.к. в отличие от промышленных стоков его невозможно задержать с помощью очистных сооружений.

Как правило, при оценке негативного воздействия эрозии главное внимание уделяется потерям плодородия почв. При этом игнорируются другие последствия: заиление и загрязнение водоемов, нарушение структуры и снижение устойчивости ландшафта к негативным воздействиям. Иными словами, широкой общеэкологической проблеме придается узковедомственный статус сельскохозяйственной проблемы, который в значительной степени снижает важность задачи и сдерживает процесс принятия эффективных мер по стабилизации экологической обстановки на территории[25].

При правильной организации, культурный ландшафт, как часть системы озеленения прибрежных территорий, способствует восстановлению и оздоровлению среды обитания человека и биосферы в целом.

В работе приводятся материалы экспериментально-теоретических исследований на стадиях проекта, строительства и эксплуатации геокомпозиционных систем, рассматриваемых как элемент восстанавливаемой природно-антропогенной экосистемы. Исследования были сосредоточены на оценке экологической безопасности берегов водных объектов, подверженных развитию эрозионно-русловых процессов.

Цель работы — обеспечение экологической безопасности берегов водных объектов, подверженных развитию эрозионно-русловых процессов, на основе оптимизации противоэрозионных мероприятий и конструкций.

Для достижения поставленной цели нами были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выполнен аналитический обзор и анализ фактического состояния проблемы, разработана методологическая схема исследования, обоснованы методы и средства для достижения поставленной цели.

2. На основании данных литературных источников, фондовых материалов и геоэкологического обследования водных объектов г. Москвы определен аналоговый объект натурного моделирования — Нижний Царицынский пруд.

3. Разработана математическая модель прогноза развития эрозионно-русловых процессов на водных объектах г. Москвы.

4. Разработана конструкция инженерной защиты, технология изготовления и монтажа, основанные на анализе жизненного цикла природно-технической системы (ПТС) «ВОДОЕМ».

5. Обоснована методика расчета устойчивости геокомпозиционных систем на берегах водных объектов.

6. Разработана программа проведения экспериментальных исследований и мониторинга.

7. Реализован крупномасштабный натурный эксперимент для обоснования теоретических положений и выводов диссертации.

Объект исследования диссертационной работы — природно-техническая система, включающая биотоп, прибрежную зону и конструкцию инженерной защиты берегов.

Предмет исследования — методы защиты берегов водных объектов от развития эрозионно-склоновых и эрозионно-русловых процессов.

Рабочая гипотеза заключается в том, что применение геокомпозиционных систем служит эффективным средством инженерной защиты берегов водных объектов, подверженных эрозионно-склоновым и эрозионно-русловым процессам, позволяющим обеспечить устойчивость природно-технической системы, условия гомеостаза и экологическую безопасность.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Показано, что механизм развития эрозионных процессов на берегах малых водоемов различен и зависит от положения уровня водной поверхности. На основании теоретических исследований и натурных наблюдений проведено зонирование берегов в зависимости от характерных нагрузок, воздействий и подверженности геологическим процессам и явлениям;

2. Разработана экспериментально обоснованная модель критического развития эрозионно-склоновых и эрозионно-русловых процессов, учитывающая зональность берегов водоемов;

3. На основе теоретических исследований и результатов натурного эксперимента разработана конструкция, технология изготовления и монтажа противоэрозионного экрана, обеспечивающая защиту берегов водных объектов и позволяющая предотвратить развитие эрозионных процессов на берегах водных объектов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что:

• Математическая модель, предложенная автором, рекомендована для N прогноза развития эрозионно-склоновых процессов на берегах водоемов при проектировании инженерной защиты;

• Изготовлен опытный образец защитного экрана, прошедший натурные испытания и готовый промышленному использованию.

На защиту выносятся:

1. Методика зонирования берегов водных объектов.

2. Экспериментально обоснованная модель критического развития эрозионно-склоновых и эрозионно-русловых процессов, учитывающая зональность берегов водоемов;

3. Технологический регламент изготовления и монтажа конструкции инженерной защиты;

4. Результаты натурного моделирования, обосновывающие теоретические исследования и эффективность использования геокомпозиционных систем, изготовленных на основе геосинтетических материалов, как оптимальной конструкции противоэрозионной защиты берегов водных объектов.

Публикации: основное содержание диссертации отражено в 7 опубликованных работах.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Третьей международной (VIII традиционной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (Москва 25−26 мая 2005 г.) — научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва 2005 г.) — Тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан «(Москва 9−10 ноября 2005 года) — Международной научно-технической конференции «Экология урбанизированных территорий» (Москва 15−16 июня 2006).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 143 страницах машинописного текста, включая 32 рисунка, 23 таблицы, список литературы из 110 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.

Общие выводы.

1. Возрастание антропогенной нагрузки на водные объекты г. Москвы приводит к активизации эрозионно-склоновых процессов, разрушению их берегов и деградации природных систем, что определяет возрастающую актуальность задачи разработки дружественных окружающей среде методов и средств инженерной защиты, основанных на рассмотрении объекта как природно-технической системы. Проведенное сопоставление геоэкологического состояния объекта исследования и других прудов г. Москвы показало, что данный объект и полученные результаты могут быть использованы в качестве аналогов при восстановлении и экологической реабилитации прудов, озер и малых рек со скоростью течения воды не более 0,05−0,1 м/с.

2. В результате анализа геоэкологических условий выполнено зонирование берегов водных объектов по характеру нагрузок, воздействий, процессов и явлений, определяющих особенности развития эрозионно-склоновых процессов, что позволяет оптимизировать конструкцию инженерной защиты.

3. Автором предложена и апробирована на реальном объекте математическая модель, позволяющая определить критическую скорость в зависимости от глубины потока и крутизны склона, что дает возможность прогнозировать развитие эрозии и эрозионную устойчивость грунтов. Полученные результаты дополняют классические представления и эмпирические зависимости Н. И. Макавеева и Б. П. Любимова. Использование модели позволяет определить необходимость разработки берегозащитных мероприятий на начальном этапе разработки проекта реабилитации водного объекта.

4. Выполненные исследования показали эффективность использования геокомпозиционных систем в конструкции инженерной защиты берегов водных объектов, включающих биотическую и абиотическую составляющие. В качестве матрицы системы используются геосинтетические материалы. Заполнитель системы определяется с учетом зонирования берегов и содержит минеральную и связующую составляющие. Биотическая составляющая геокомпозиционной системы определяется в зависимости от климатических условий и береговой зоны. Автором разработан опытный образец, технический регламент и технология производства работ.

5. В работе определен оптимальный состав минеральной и связующей составляющей геокомпозиционной системы. В качестве минеральной составляющей для зоны 1 использовался растительный грунт, для зон 2 и 3 — щебень (фракция 2−6 мм, отсев) с добавлением резиновой крошки. В качестве связующей составляющей для зоны 1 использовался 20% раствор карбоксиметилцеллюлозы, для зон 2 и 3 — битумная эмульсия.

6. Результаты натурного моделирования обосновывают теоретические положения работы и разработанные автором конструкцию, технологию изготовления и производства работ противоэрозионного экрана, как оптимального решения с позиций обеспечения экологической безопасности ПТС «Водоем».