СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ЗАИЛЕНИЕМ ВОДОХРАНИЛИЩ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ

IMPROVING METHODS FOR CONTROLLING RESERVOIR SILTATION: A COMPARATIVE ANALYSIS OF HYDRAULIC AND MECHANICAL CLEANING METHODS

Zakirov Nurbulat Ilyusovich

Student, Department of Environmental Engineering, Construction and Hydraulics, Bashkir State Agrarian University,

Russia, Ufa

Khazipova Aigul Fargatovna

Scientific supervisor, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor, Bashkir State Agrarian University,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

Заиление водохранилищ является глобальной проблемой, приводящей к ежегодной потере полезной емкости. В статье выполнен сравнительный анализ двух принципиально различных подходов к восстановлению утраченного объема: гидравлических методов (промывка, опорожнение) и механических способов (дноуглубление, экскавация). На основе обобщения данных натурных исследований на российских водохранилищах (Краснодарское, Отказненское, Новотроицкое, Иваньковское, Цимлянское) установлено, что гидравлические методы экономически эффективны для удаления неконсолидированных илистых фракций при наличии достаточного водного ресурса, тогда как механическая очистка остается безальтернативной для связных глинистых отложений и локализованной защиты водозаборных сооружений. Показано, что для водохранилищ Северного Кавказа и Нижнего Дона характерно преобладание механических методов очистки, тогда как для водохранилищ Волжского бассейна применимы комбинированные схемы. Предложена стратегия совершенствования, включающая гранулометрическую диагностику, гибридные технологии и интеграцию извлекаемых наносов в хозяйственный оборот.

ABSTRACT

Reservoir siltation is a global problem leading to annual losses of useful storage capacity. The article presents a comparative analysis of two fundamentally different approaches to restoring lost volume: hydraulic methods (flushing, drawdown) and mechanical methods (dredging, excavation). Based on a synthesis of field study data from Russian reservoirs (Krasnodar, Otkaznenskoye, Novotroitskoye, Ivankovskoye, and Tsimlyanskoye), it has been established that hydraulic methods are cost-effective for removing unconsolidated silty fractions when sufficient water resources are available, whereas mechanical cleaning remains the only viable option for cohesive clayey sediments and localized protection of water intake structures. It is shown that reservoirs in the North Caucasus and the Lower Don are dominated by mechanical cleaning methods, while combined schemes are applicable to reservoirs in the Volga basin. A strategy for improvement is proposed, including granulometric diagnostics, hybrid technologies, and the integration of extracted sediments into economic use.

Ключевые слова: заиление водохранилищ, гидравлическая промывка, дноуглубление, связные наносы, управление твердым стоком, восстановление емкости, Краснодарское водохранилище.

Keywords: reservoir siltation, hydraulic flushing, dredging, cohesive sediments, sediment flow management, capacity restoration, Krasnodar Reservoir.

ВВЕДЕНИЕ

Ежегодные потери емкости водохранилищ мира от заиления оцениваются в 0,8–1%. Для России проблема особенно актуальна в связи с тем, что значительная часть водохранилищ построена в 1950–1980-е годы и к настоящему времени накопила существенные объемы донных отложений. В отличие от других видов деградации инфраструктуры, заиление не является мгновенным отказом, однако его кумулятивный характер требует заблаговременного выбора стратегии борьбы.

Современная классификация методов управления наносами включает три уровня: предотвращение поступления наносов в водохранилище (лесомелиорация, стокорегулирующие сооружения), пропуск наносов транзитом (обводные каналы, промывка) и удаление уже отложившихся наносов (механическое или гидравлическое). Настоящая работа сосредоточена на третьем уровне, поскольку для эксплуатируемых водохранилищ с уже накопленным объемом отложений именно выбор между гидравлической и механической очисткой определяет технико-экономическую эффективность мероприятия.

Цель исследования — сравнительный анализ гидравлических и механических способов очистки водохранилищ от наносов на примере российских объектов с выявлением областей рационального применения каждого метода и обоснованием направлений совершенствования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование базируется на обобщении опубликованных данных натурных наблюдений и материалов проектных работ, выполненных на водохранилищах различных климатических и геоморфологических зон России. Ключевыми источниками послужили данные по заилению и очистке Краснодарского водохранилища (Краснодарский край) [1], материалы судебного решения и обследования Отказненского водохранилища (Ставропольский край) [2], результаты исследований влияния дноуглубления на Новотроицком водохранилище (Ставропольский край) [4], данные по расчистке Иваньковского водохранилища (Тверская область) [6], а также характеристики заиления Цимлянского водохранилища (Ростовская область) [5].

Методическая основа включала: (1) систематизацию методов по физическому механизму воздействия на отложения; (2) сопоставление затрат на извлечение единицы объема наносов; (3) анализ ограничений, выявленных в ходе практического применения на российских объектах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ: МЕХАНИЗМ И ОГРАНИЧЕНИЯ

Гидравлическая промывка с понижением уровня (промывка сработкой) основана на понижении уровня воды в водохранилище и пропуске транзитного потока через донные отверстия, который размывает и транспортирует отложения в нижний бьеф. Эффективность метода критически зависит от двух факторов: крупности и связности наносов, а также располагаемого водного ресурса.

Для российских водохранилищ, расположенных в засушливых регионах Юга России, применение гидравлической промывки ограничено дефицитом водных ресурсов. В частности, на Краснодарском водохранилище, где ежегодно накапливается до 7 млн м³ ила, а используемая площадь за время эксплуатации уменьшилась на 50%, промывка не рассматривается как основной метод восстановления емкости [1]. Более того, между Краснодарским и Тщикским водохранилищами образовалась «перемычка», заросшая лесом, что делает невозможным пропуск промывных расходов без предварительной механической расчистки.

В то же время для водохранилищ с достаточным водным ресурсом гидравлические методы сохраняют потенциал. Анализ заиления Цимлянского водохранилища показывает существенные различия в скоростях заиления по участкам: приплотинный участок характеризуется наибольшей степенью заполнения донными отложениями, и для поддержания устойчивости эксплуатации рекомендуется локальная очистка, в первую очередь в приплотинной зоне [5]. Для таких крупных водохранилищ с многолетним регулированием возможна комбинация промывок в многоводные годы с механической очисткой в локализованных зонах.

Модификацией метода является промывка с регулированием мутности промывного потока, осуществляемая путем ступенчатого опорожнения верхнего бьефа. Как отмечается в нормативных материалах, при необходимости удаления наносов с участков, недоступных промывному потоку (отложения вдоль берегов и крупных островов), целесообразно совместное использование механического и гидравлического способов очистки [8].

Ключевое преимущество гидравлических методов — отсутствие необходимости в дорогостоящем оборудовании и утилизации извлеченного материала. Основное ограничение для российских условий — безвозвратные потери воды из полезной емкости и зависимость от гидрологического режима, что делает их малоприменимыми для водохранилищ засушливой зоны.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ: ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭКОНОМИКА

Механическая очистка подразделяется на экскавацию (при опорожненном ложе) и дноуглубление (под водой). Дноуглубление, в свою очередь, реализуется через грунтонасосные снаряды, забор грунта с плавучим пульпопроводом или сифонный способ.

Российская практика дает как примеры успешного применения механической очистки, так и иллюстрации ограничений. Показательным является опыт расчистки Иваньковского водохранилища (Коровинский залив, Тверская область). В рамках проекта, рассчитанного на три года, запланировано изъять свыше 1 млн 185 тыс. м³ иловых отложений. На первом этапе (2024 г.) было поднято около 420 тыс. м³ донных отложений. Средняя толщина иловых отложений в заливе составляла около 1,2 м, общая площадь заиления мелководий — порядка 172 га [6]. Этот пример демонстрирует, что для относительно небольших по площади, но экологически значимых участков (рекреационные зоны, питьевые водозаборы) механическая очистка является экономически оправданной и технически реализуемой.

В то же время Отказненское водохранилище (Ставропольский край) представляет собой пример критического заиления, при котором механическая очистка становится обязательной мерой безопасности. Построенное в 1965–1966 гг. с проектным объемом 131 млн м³, к 2017 г. водохранилище заилилось на 62%, фактический объем сократился вдвое — до 66 млн м³. Прокуратура через суд обязала эксплуатирующую организацию провести дноуглубительные работы и восстановить проектные параметры [2]. Этот случай показывает, что при достижении критического уровня заиления механическая очистка переходит из категории «оптимизации» в категорию «обязательных требований безопасности» гидротехнического сооружения I класса опасности.

Новотроицкое водохранилище (Ставропольский край) иллюстрирует экологические аспекты механической очистки. Интенсивное заиление вследствие размыва берегов и русла р. Егорлык привело к образованию обширных застойных зон и заболачиванию отдельных участков. Для очистки применялся свайно-якорный земснаряд «350-50л» с папильонажным способом разработки грунта. Исследования показали, что при таком способе возникает шлейф повышенной мутности, параметры которого зависят от сезона производства работ и объема изымаемого грунта. Был выполнен расчет вреда водным биологическим ресурсам и разработаны компенсационные мероприятия [4]. Это подчеркивает необходимость экологического сопровождения механической очистки, особенно на рыбохозяйственных водоемах.

Совершенствование механического метода связано с двумя направлениями. Первое — адаптация оборудования к связным грунтам и оптимизация технологии (выбор сезона работ, минимизация вторичного загрязнения). Второе — утилизация извлеченных наносов. Для Цимлянского водохранилища исследования показали, что донные отложения по химическому составу (содержание макро- и микроэлементов) могут рассматриваться как потенциальный ресурс, в частности для использования в качестве удобрений или мелиорантов при соблюдении нормативов безопасности [5].

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Сводное сопоставление методов приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика гидравлических и механических методов очистки водохранилищ (применительно к российским условиям)

Анализ российского опыта показывает четкую региональную дифференциацию. Для водохранилищ Северного Кавказа (Краснодарское, Отказненское, Новотроицкое) характерно преобладание механических методов, что обусловлено дефицитом водных ресурсов для промывок и высокой степенью заиления связными отложениями. Для водохранилищ Волжского бассейна (Иваньковское) механическая очистка применяется локально в зонах повышенной экологической или рекреационной значимости. Для Цимлянского водохранилища рекомендуется сочетание локального дноуглубления в приплотинной зоне с оптимизацией режима промывок в многоводные периоды [5].

НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

На основании проведенного анализа могут быть сформулированы три направления совершенствования методов борьбы с заилением.

Первое — гранулометрическая диагностика как основа выбора метода. Ошибка в оценке связности наносов приводит либо к неоправданным затратам на дноуглубление там, где возможна промывка, либо к провалу гидравлических мероприятий на глинистых отложениях. Для российских водохранилищ, характеризующихся значительной долей связных отложений (что подтверждается опытом Краснодарского и Отказненского водохранилищ), обязательным элементом проектирования должно стать определение гранулометрического состава и критического сдвигающего напряжения для отложений в зоне предполагаемой очистки.

Второе — гибридные схемы и локализация воздействия. Для крупных водохранилищ (Цимлянское, Краснодарское) сплошная очистка чаши технически и экономически нереализуема. Целесообразна концентрация усилий на участках, где восстановление емкости дает наибольший эффект: приплотинная зона (для Цимлянского), зона водозаборов и рекреационных мелководий (для Краснодарского и Иваньковского). Сочетание гидравлического взрыхления с последующей механической очисткой или промывкой позволяет расширить диапазон эффективно удаляемых грунтов.

Третье — экономика замкнутого цикла и экологическое сопровождение. Рассмотрение извлеченных наносов как ресурса меняет экономический баланс механической очистки. Для Цимлянского водохранилища показана принципиальная возможность использования донных отложений в народном хозяйстве при условии соответствия нормативам [5]. Кроме того, опыт Новотроицкого водохранилища демонстрирует необходимость обязательной оценки воздействия на водные биоресурсы и разработки компенсационных мероприятий при планировании дноуглубления [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнительный анализ российского опыта показывает, что гидравлические и механические методы не являются взаимозаменяемыми альтернативами, а занимают различные ниши в системе управления наносами. Для водохранилищ засушливой зоны Юга России (Краснодарское, Отказненское, Новотроицкое) механическое дноуглубление является единственно возможным методом восстановления емкости в силу дефицита водных ресурсов и преобладания связных отложений. Для водохранилищ с достаточным водным ресурсом (крупные водохранилища Волжского и Донского бассейнов) рационально сочетание локальной механической очистки ответственных зон с оптимизацией режима промывок. Совершенствование практики борьбы с заилением лежит в плоскости не выбора «лучшего» метода, а обоснованного комбинирования с обязательной гранулометрической диагностикой, экологическим сопровождением и, где возможно, вовлечения извлеченного материала в хозяйственный оборот.

Список литературы:

1. Погорелов А.В. Много ила и лесные заросли: причины обмеления Краснодарского водохранилища // Россия 24. Краснодар. 2026. [Электронный ресурс]. URL: https://ecology.russia24.pro/kuban/257638337/
2. Прокуратура потребовала очистить заиленное Отказненское водохранилище // Коммерсантъ. 2026. 7 мая. [Электронный ресурс]. URL: https://www.kommersant.ru/doc/8647849
3. Беликов В.В., Васильева Е.С., Волынчиков А.Н., Пшенов А.Ю. Обоснование компоновочных решений головного узла Нихалойской ГЭС с применением численного моделирования // Гидротехническое строительство. 2025. № 5. С. 49–79. DOI: 10.71917/EP.2025.05.49.79.002
4. Денисенко О.С. К вопросу комплексной оценки воздействия дноуглубительных работ методом гидромеханизации на различные систематические группы водных биологических ресурсов Новотроицкого водохранилища Ставропольского края // Вестник АГТУ. Серия: Рыбное хозяйство. 2019. № 2. С. 33–43. DOI: 10.24143/2073-5529-2019-2-33-43
5. Степанян А.А. и др. Использование донных отложений Цимлянского водохранилища: химический состав и потенциал применения // Наука Юга России. 2024. Т. 20, № 4. С. 61–69
6. Расчистка акватории Иваньковского водохранилища (Коровинский залив) // Федеральное агентство водных ресурсов (Росводресурсы). Пресс-релиз. 2024. [Электронный ресурс]. URL: https://voda.gov.ru
7. Совещание по разработке предложений, связанных с увеличением полезной емкости Краснодарского водохранилища // Избиратель – Депутат. 2025. 29 января. [Электронный ресурс]. URL: https://ideputat.er.ru/news/1629311
8. Промывы водохранилищ с регулированием мутности промывного потока // Нормативные материалы по безопасности гидротехнических сооружений. [Электронный ресурс]. URL: http://fp7.cawater-info.net/bk/dam-safety/files/43886.pdf
9. Современные методы борьбы с заилением русловых водохранилищ // Сборник материалов конференции «Современные тенденции». Кубанский ГАУ. 2025. С. 105