Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование донных гряд и излучин рек

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Формирование донных гряд и излучин рек"

МОСКОВСКИМ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ мм.МЛЗ ЛОМОНОСОВ А

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

МЕЛЬНИКОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА ОРМИРОВАНИЕ ДОННЫХ ГРЯД И ИЗЛУЧИН РЕК

На правах рукописи УДК 556.535.2

Специальность 04.00.22 - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультета МГУ.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Б.Ф.Снищенко

доктор физико-математических наук, профессор А.П.Сухоруков

доктор физико-математических наук, профессор ЮД.Чашечкин

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Московский го суда р ственный университет природообу строк

Защита состоится "" @4л Ъ&71995 г. в / $Г-заседании Специализированного совета Д 053.05111 по геофизике в Московском государственном университете им. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, М1 Физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физичес факультета МГУ.

Автореферат разослан " I "_О Ъ>_1995г.

Ученый секретарь .

Специализированного совета I /1

кандидат физико-математических наук Ц I В.Б.Смири

Актуальность темы. Жизнь и деятельность человека егда была тесно связана с реками и во многом зависят от 1елого использования их ресурсов. С другой стороны, деловая :тивность человека уже неоднократно приводила к гибели :чных систем и превращению плодородных земель в пустыню.

В настоящее время свободных земель, пригодных для «зни, уже не осталось, а в обжитом мире в результате ятельности человека ежегодно гибнут десятки мелких и едних рек. Одна из причин такой печальной картины -сутствие необходимых званий о физических процессах, ■отекающих в реках.

Тесно связывая свою деятельность с реками, человек не лько получает большие выгоды, используя их как источник ды, для сброса отходов, как дешевый транспорт, но терпит и льшие убытки от наводнений, паводковых размывов берегов к а, изменения русел рек, аварийных загрязнений воды.

Ежегодные громадные убытки заставляют правительства имулировать исследования процессов размыва русел и спросгранения примесей в реках. Однако, эти явления азались настолько сложны, что до сих пор не созданы 1зические модели основных процессов.

Создание физических моделей процесса формирования ела является особо важным и при проведеюш сстановительных работ: восстановлении ландшафтов в ссейнах мелиорированных рек. В решении этой задачи шбки от использования эмпирических формул при расчетах иводят к наибольшему ущербу.

Процесс формирования речного русла во многом ределяется образованием гряд на его дне и излучин рек . В зультате взаимодействия турбулентного открытого потока ды и не закрепленной поверхности дна, состоящей из скретных частиц, на дне образуются периодические формы -еды, высота которых бывает сравнима с глубиной потока.

В паводок речное русло образует еще одну почти риодическую структуру - излучины, часто имеющие четко раженный пространственный масштаб , называемый шагом

излучин. Излучины рек иногда подвергаются частым переформированиям, а иногда остаются неизменными в теч< длительного времени .

Регулярное изучение процесса грядообразования и формировання излучин peí: начали вести с середины прошг века геологи, занятые поиском полезных ископаемых, гидротехники (судоходство и строительство сооружений на реках). В танце девятнадцатого века были опубликованы ра следующих исследователей: Hunt, 1882 Cando]],! 893, Darvi 1883, Cornish, 1897 и др.

В конце прошлого и начале настоящего века появилисз первые работы, связывающие формирование песчаных гряр общим ходом руслового процесса. Это работы В.М.Лохтина , Н.С.Лелявского , Blasius. Первая экспериментальная работа Hahmann , посвящена определению количественной зависимости длины песчаных гряд от скорости и глубины потока, плотности и вязкости жидкости, плотности и размер частиц.К настоящему времени исследователями в различны странах были выполнены сотни экспериментальных и натур наблюдений, позволивших выяснить основные особенности образования гряд и излучин рек.

Существующие в настоящее время модели процесса грядообразования можно условно разбить на следующие группы: турбулентные теории, связывающие возникновение гряд с пульсациями скорости, существующими в турбуленп л о токе( M.A.B елика нов, Н.А.Михайлова, КИ.Росашский, И.А.Кузьмин), вихревые теории, предполагающие наличие i потоке неподвижных вихрей, вращающихся как твердое тело(Н.Т.Повало-Швешадвский, A.J.Paudki\riJKB.Fpjmaarara); теории исследующие устойчивость двухфазного и однофазн noTOKa(CandolljLui Hsin- Ku an,Снищенко Б.Ф.). Однако, ни од из предложенных теорий не включает все особенности проц< грядообразования и не позволяет рассчитать параметры гря известным характеристикам потока.

Наиболее известной теорией образования излучин рек является теория, связывающая возникновение излучин с

вкручиванием руслового потока силой Кориолиса впервые ыдвинутая Thomson J. Однако, многолетние натурные (аблюдения на река к Миссисипи и Миссури убедительно юказали, что такое поперечное течение не приводит к юперечному переносу донных наносов. Кроме того, до сих пор ia основе сугцествующих теорий не удалось создать надежной гетодики расчета шага излучин рек, возникающих при аданном расходе воды. На практике для составления прогноза (спользуется статистичесзаш подход, основанный на анализе [еформаций берегов реки за прошлые годы.

Цель работы. Основной целью настоящего исследования [вляется создание физической модели образования донных гряр ( потоке воды без стратификации плотности с открытой юверхностью при докритических и критических числах Фруда. Модель должна непосредственно включать все особенности фоцесса грядообразования, известные из экспериментов.

Кране того, целью настоящего исследования является издание физической модели образования речных излучин в гаводок. Одной из главных задач работы является получение на ¡снове физической модели и результатов эксперименталъного ^следования зависимости шага излучин рек от характеристик эечного потока.

Научная новизна работы состоит в тол, что в ней

1. Впервые показано, что гряды на дне открытых эусловых потоков образуются при воздействии стационарных волн - специфических волн с геподвижными гребнями, существующих в потоке, скорость которых меняется вдоль по течению.

2. Впервые проведено экспериментальное исследование зелинейных стационарных волн в потоке, скорость которого меняется вдоль по течению, с размываемым и гшоским закрепленным дном для докритических и критических чисел Фруда.

3. Впервые показано, что при критических числах 3>руда в стационарном потоке, скорость которого меняется

вдоль по течению, происходит возбуждение нелинейны воли похожих на солитопы, движущихся вверх по течению, формирующих на размываемом дне гряды, известные как анти-дюны.

4.. Впервые показано, что на гребнях стационарных в большой крутизны в области сильной дисперсии происходит возбуждение нелинейных солитоноподобны волн, движущихся вверх по течению, связанное с взаимодействием близких мод стационарных волн, существующих в одной области потока.

5. Впервые показано, что при докритических числах Фруда существует диапазон значений крутизны стационарных волн, в котором они неустойчивы к трехмерным возмущениям, а также, диапазон, в которо появляется генерация второй гармонию].

6. Впервые показано, что при воздействии стационар: волн на поток в зоне торможения перед гребнем волны происходит образование вихря с горизонтальной осью. Получены условия отрыва вихря, его характеристики, модель движения вихря с захваченными донными частицами.

7. Впервые показано, что вихрь с горизонтальной осы может без потерь удерживать частицы дна, если утлова скорость вращения превышает некоторую критическую величину, определяемую размером и плотностью частлг

8 Впервые показано, что происходит усиление стационарной волны на образованной донной гряде: вол и гряда представляют собой систему с положительной обратной связью. При достижении предельного знамени; крутизны волны и распада плоской волны на длинные трехмерные волны происходит формирование; трехмерн гряд той же длины.

9. Впервые показано, что при паводковых расходах 50ды, формирующих излучины рек, длины трехмерных 50лн и гряд на порядок и более превышают глубину ютока, а высота этих гряд сопоставима с глубиной потока ! межень. После спада воды поток обтекает эти гряды, >бразуя излучины. Шаг излучин определяет зависимость |^шны трехмерной волны от числа Фруда, полученная в эксперименте»

Практическая ценность диссертации состоит в том, что >азработанная физическая модель образования донных гряд и речных излучин связывает основные параметры гряд и излучин параметрами потока. Найденные зависимости проверены на :атурном материале. Это позволяет использовать полученный 1еханизм образования гряд и излучин рек в методиках рогноза русловых деформации в паводок и в межень

Б работе исследован процесс размыва дна в потоках, корость которых уменьшается вдоль по течению. Физический 1еханизм размыва дна вихрями, отрывающихся от дна в таких отоках, можно использовать в методиках прогноза размыва на и берегов рек, опор гидросооружений.

Полученная модель движения цилиндрических вихрей в отоке со сдвигом скорости позволяет учесть влияние вихрей на роцесс перемешивания в практических расчетах.

Апробация работы.

Результать,1 работы пять раз докладывались на ' ом оно совски х чтениях физического факультета МГУ, на сесоюзной конференции "Исследование русловых процессов ля практики народного хозяйства" (Москва, 1933г.), на второй сесоюзной конференции "Динамика и термика рек, одохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984г.), на всесоюзной йнферешцш "Эрозионно-аккумулятивные процессы" (Москва, 985г.), на четвертой всесоюзной конференции "Закономерности роявления эрозионных и русловых процессов в различных риродных условиях" (Москва, 1987г.), на третьей всесоюзной энференции "Вихри и турбулентность в океане" (Светлогорск,

1990г.), на всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Канев, 1991г.), на семинаре сектора проблем астрофизики теоротдела физического института АН в 1989 и 1991 годах, на четвертой школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1992г.), на международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993г.), на четвертс всеросийской школе семинаре "Волновые явления в неоднородных чредах" (Красновидово, 1994г.), на 1У-ой конференции "Дгаамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей" (Москва, 1994г.), на совещан по численным методам в задачах волновой гидродинамики в рамках программы мероприятий "Вычислительные технолога 94" СО РАН (Новосибирск, 1994г.) на международном симпозиуме "Встреча стран востока и запада, севера и юга д обсуждения состояния знаний в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснования проектирования г реках (С.-Петербург, 1994).

Список основных публикаций по теме диссертации включает 30 наименований.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, приложения, 90 рисунков, 1 таблицы и содержит 270 страниц текста. Список литературы включает себя 165 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении описываются основные аспекты проблемы создания физической модели образования гряд на дне открьг потоков воды и речных излучин, пригодной для разработки надежных методик прогноза размыва дна и берегов рек. Приводятся основные гипотезы о механизмах образования донных гряд м излучин рек, существующие в настоящее вре] и их анализ, формируются основные пути и методы решети проблемы, дается общая характеристика работы.

В первой главе приводятся натурные и экспериментальные данные, полученные усилиями несколък»

поколений исследователей, описывающие основные характеристики процесса грядообразования. Поставлена эсновная цель диссертации - создание физической модели, непосредственно, без дополнительных допущений включающей основные особенности грядообразования, известные из экспериментов.

Во второй главе описаны методики проведенного экспериментального исследования и основная аппаратура. Приведены характеристики экспериментальных лотков, в которых моделировались по тога.

В работе решались экспериментальные задачи двух эсновных типов: определение параметров стационарного потока 2 закрепленным дном и потока с размываемым дном, характеристики которого меняются во времени. В соответствии г этими задачами были созданы два основных автоматизированных комплекса измерительной аппаратуры и разработан ряд оригинальных методик регистрации характеристик потока и дна.

Для измерения скорости течения использовались вертушки, гермотидрометры (1, 2-х и 3-х компонентные), [щухкомпонентный проволочный термогидрометр, показания которого не зависят от температуры среды, разработанный В.Ю.Вытяганцем, трубки Пито.

Форма водной поверхности регестрировалось с помощью золнографов, положение поверхности дна - с помощью па бора торного эхолота производства ГГИ и фотографирования поверхности дна на фоне масштабной сетки непосредственно в течение эксперимента.

Измерители характеристик потока либо перемещались вдоль ¿го оси с одновременной регистрацией их положения (эхолот, золнограф), либо устанавливалась сеть неподвижных измерителей, опрашиваемых последовательно 'термогидрометры, волнографы).

Для регистрации аналоговых сигналов измерителей характеристик потока и их опроса использовались ЭВМ ДВК-4

с аналого-цифровым преобразователем САМАС и 1ВМ-386 с конвертирующей платой.

В третьей главе диссертации приведен разработанный автором механизм образования донных гряд в потоке со свободной поверхностью.

В первом параграфе дан краткий свод особенностей проце< грядообразования, которые должны быть описаны физическш механизмом.

Во втором параграфе изложена гипотеза, связывающая возникновение гряд на дне открытых потоков с воздействием поток стационарных волн с неподвижными гребнями. Извести что такие волны возникают при натекании потока на препятствие на дне или, если скорость потока меняется вдоль по течению. Фазовая скорость волн близка скорости потока и направлена вверх по течению. В результате мода, фазовая скорость которой точно соответствует скорости потока, может быть обнаружена на поверхности воды в виде волны с застывшими гребнями. Если амплитуда волны достаточно ма.) то ее длина определяется дисперсионным соотношением линейного уравнения и зависит только от числа Фруда

где и-екорость, Н-глубина потока, »-ускорение свободного падения. Для волн конечной амплитуды их длина является еще и функций амплитуды волны.

Воздействие стационарной волны на поток заключается в ускорении и замедлешш течения. На гребне волны в прямом потоке скорость меньше, чем во впадине (расход жидкости постоянен), а динамическое давление наоборот больше, так ка для стационарного безвихревого потока справедлив закон Бернулли- Эйл ер а.

аи 1

Из уравнения движения жидкости —-— ----\р + 2* ,где

Ш р .

внешние силы, действующие на жидкость, следует, что если градиент давления вдоль какой либо координаты больше нулз то на жидкость действует сила в отрицательном направлении оси.

Известно, что при торможении потока жидкости у твердой поверхности под воздействием положительного градиента давления и сил вязкости может возникнуть противоток с образованием цилиндрических вихрей - устойчивых образований, вращение которых подобно вращению твердого тела. Таким образом, если в зоне торможения потока перед гребнем стационарной волны градиент давления достаточно велик, то можно ожидать постоянное появление вихрей. Причем эти вихри будут4 двигаться в потоке специфическим образом под действием подъемной силы, обусловленной разностью давления в нижней и верхней точках вихря

Если вихрь способен унести с собой донные частицы, то в зоне торможения потока будет образовываться промоина. Таким образом, регулярная неподвижная структура - стационарная волна может сформировать регулярную структуру на дне потока с характерным продольным размером равным длине волны.

Следует отметить, что стационарные волны в потоке воды не наблюдаются, если скорость потока меньше 23.1см./с и, если скорость потока превышает максимальное значение фазовой скорости волн на воде ^Н)!/^. Первое ограничение связано с тем, что фазовая скорость волны С=23.1сы/с соответствует минимуму дисперсионной зависимости фазовой скорости линейной волны от ее длины. В соответствии с предлагаемой гипотезой эти пределы существования гравитационных волн на воде будут справедливы и для образования гряд на дне, что согласуется с известными экспериментальными данным.

Для проверки предлагаемой гипотезы был проведен качественный эксперимент в потоке воды с песчаным дном, позволяющий прямо сопоставить справедливость существующих гипотез возникновения донных гряд с предлагаемой в диссертации.

Суть качественного эксперимента, описанного в параграфе 3 заключается в следующем. В одном и том же турбулентном потоке с первоначально плоским песчаным дном на одном участке выполняются условия существования стационарных:

волн, а на другом - нет. Эксперимент длится в течение 10 ча На участке со стационарными волнами уже через минуту образуются гряды, длина которых равна длине волн, а на участке без волн гряды не образуются в течение всего эксперимента. Это позволяет заключить, что в турбулентном потоке гряды образуются в том случае, если на его поверхно наблюдаются стационарные волны.

В четвертом параграфе исследованы условия, при которы стационарные волны на поверхности потока формируют гря; на дне. Показано, что гряды на дне формируются, если в зон торможения перед гребнем стационарной волны выполняете* условие

Ст=(Ъ/иХШ/о'ХНиЬ/V)1 /4 <- 0.0 7, полученное Бай Ши И на основе анализа экспериментальны: данных об отрыве пограничного слоя в замедляющихся пото! где Ь - толщина пограничного слоя, X - направление движем V - кинематическая вязкость жидкости.

Показано, что абсолютная величина безразмерного градие: скорости й увеличивается при росте крутизны стационарной волны, которая, в свою очередь, определяется перепадом скорости на данном участке потока их, представляющем со б'

величииу градиента скорости

зи

ах

, осредненную на участке

длиной в несколько длин волн. Получена экспериментальная зависимость пороговых значений их> при которых величина достигает критического значения, от числа Фруда: с ростом числа Фруда величина их убывает. Показано, что для донны песчаных частиц, диаметр которых не превышает 0.2мм, для пороговых значений их начинается формирование донных г£ В параграфе 5 исследуется механизм размыва дна в зоне торможения потока при отрыве вихрей. Для этого подробно исследовано поле скорости течения в потоке со стационарной волной и закрепленным плоским дном для значений их мень и больше порогового. В первом случае интенсивность пульсги скорости течения достигает максимума в зоне торможения

потока. Положение максимума не меняется от горизонта в горизонту, а его величина быстро убывает при удалении от дна, Во втором случае интенсивность пульсации скорости у самого два достигает максимума для той же фазы волны, что и в предыдущем случае. При удалении ото дна положение максимума смещается вниз по лоток}*, что может быть связано с подъемом вверх и сносом по течению вихрей, образованных в зоне торможения при отрыве пограничного слоя.

Если на дно потока насыпался тонким слоем песок, то положение максимума интенсивности пульсаций скорости во втором случае совпадало с максимумом мутности потока, что позволило заключить, что наблюдаемые образования перемещаются вместе с захваченным песком.

Для того, чтобы проверить сделанное предположение о связи наблюдаемых образований с вихрями, образующимися при отрыве пограничного слоя, была использована модель движения цилиндрического твердотельного вихря в потоке со сдвигом скорости. В условиях рассмотренной задачи вихрь приобретает значительные смещения в вертикальном направлении и его скорость в горизонтальном направлении может существенно отличаться от скорости потока, Траектория движения вихря представляет собой циклоиду.

Прямые измерения двух компонент средней скорости течения в потоке со стационарной волной показали, что на вертикальных профилях скорости имеются локальные максимумы, положение и величина которых очень близки расчетным значениям скорости движения вихрей. Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных позволяет заключить, что наблюдаемые локальные максимумы скорости являются результатом перемещения в потоке цилиндрических вихрей, оторвавшихся в зоне торможения потока со стационарной волной.

Четвертая глава посвящена детальной разработке механизма образования донных гряд вихрями, формирующимися в зоне торможения потока перед гребнем стационарной волны.

В первом параграфе сформулирована цель м основная иде. исследования, описана экспериментальная аппарату а и методика измерений.

Во втором параграфе описаны эксперименты, позволившие получить зависимость основного параметра вихрей, отрывающихся в зоне торможения потока, -угловой скорости его вращения со от характеристик потока и дна. Угловая скорость вращения определялась по величине максимального подъема оторвавшегося вихря %пах=2и/со. Эксперименты показали, что полученная зависимость <о(С), меняется лишь е пределах ошибки измерений в потоках с различными параметрами течения и покрытиями дна Полученные данные позволили заранее определять траекторют вихрей в потоках известными характеристиками.

В третьем параграфе исследовано влияние захваченного вихрями песка со средним диаметром 0.2мм на траекторию и: движения. Эксперименты, проведенные в потоке с плоским закрепленным дном по методике, описанной в параграфе 2, н< при непрерывной подаче песка в придонную область потока, показали, что зависимость со(С) в этом случае не отличалась зависимости, полученной в потоке без песка. Предложена математическая модель движения вихря с песком, позволивн проверить этот вывод. Для оценки осредненной величины плотности в вихре с песком были использованы данные киносъемки размыва песчаного дна в потоке воды (Н.А.Михайлова), на основе которых авторами киносъемки бы посчитаны песчинки в единице объема жидкости. Для расчета были использованы максимальные значения мутности, зафиксированные в эксперименте. Результаты расчета показали, что траектории вихрей с песком и без песка отличаются на величину меньшую, чем ошибка измерений.

В следующей серии экспериментов, результаты которых приведены в параграфе 4, изучалось влияние характеристик отрывающихся вихрей и их траекторий в потоке с размываемым дном и стационарной волной на форму образующихся донных гряд. В потоке с первоначально плоста:

тесчаным дном создавался известный перепад скорости Us и ¡атеы фиксировалось во времени изменение поверхности дна. Эдновременно регестрировались отметки поверхности воды и гкорость течения в выбранном продольном сечении потока (близи его оси. Для регистрации процесса грядообразования ipil другом значении Ux дно потока снова выравнивалось.

Эксперименталглые данные показали, что существует узкий щапазон значений UXJ включающий пороговое значение, для :оторого характерно образование донных гряд почти :инусоидальной формы, высота которых медленно меняется ючти по гармошп!ескому закону от времени, не достигая величины, начиная с которой гряды усиливают породившую их юлну. Проведенное исследование показало, что синусоидальные ряды образуются в том случае, если отрывающиеся вихри разу же начинают терять песчинки и дальность одного (ерелета такого вихря больше длины волны.

При увеличении Ux дальность одного полета вихря тановится меньше длины волны (и соответственно гряды), армоническая зависимость высоты гряды от времени исчезает: [аблюдается непрерывный рост высоты гряд со временем, а 1ачиная с некоторого значения высоты гряды, -усиление тационарной волны на ею созданном рельефе. Длина волны -же не удовлетворяет дисперсионному соотношению линейной адачи. Вихри в этом случае теряют песок во время всего юлета, а при соударении со дном полностью от него свобож даются. При этом в зоне соударения происходит акопление песка, унесенного из зоны отрыва, что приводит к ыстрому росту высоты гряды, формированию крутого гребня и динного наветренного склона.

Показано, что вихрь достаточно большой интенсивно ста южет переносить песок без потерь из области отрыва, даже елая несколько перелетов. Дно, при перемещении такого типа ихрей, остается неизменным. При приземлении вихря роисходит неупругое столкновение вихря со дном и меньшение его интенсивности. Когда вихрь меньшей нтенсивности уже не может удерживать песчинки и

постепенно их: теряет, происходит образование склона грядь сложной формы

В параграфе 5 рассмотрена очень упрощенная модель движения песчинок в цилиндрическом вихре, вращающемся часовой стрелке гак твердое тело с угловой скоростью со boi горизонтальной оси перпендикулярной направлению потока. Показано, что внутри вихря соотношение сил, действующих песчинку таково, что частица обязательно должна через как то время его покинуть. Однако, если песчинка оказывается г границе вихря r=R, то со стороны окружающей цилиндр жидкости на нее действует еще одна сила, направленная к

J7 âP

центру вихря:г —--, определяемая перепадом

ÔI

тангенциальной составляющей скорости вращения жидкости внешнем к вихрю пограничном слое. Абсолютная величина э силы увеличивается при увеличении угловой скорости вращения вихря. Расчетное критическое значение угловой скорости вихря, удерживающего песчинки, использованные ] опытах, совпало со значением, полученным в эксперименте. Такое соответствие подтверждает предложенную физическу модель.

Таким образом, форма плоских донных гряд определяется траекторией отрывающихся вихрей й их способностью удерживать песок. Оба этих параметра зависят от угловой скорости вращения вихря и определяются параметрами стационарной волны.

В пятом главе приведены результаты экспериментального исследования стационарных волн в потоз плоским закрепленным дном, скорость которого меняется вдо по течению, при докритических и критических числах Фрудс В первом параграфе изучено современное состояние вопрс Показаны трудности численного исследования нелинейных во на воде конечной глубине в области сложной формы, в связи чем избран экспериментальный путь исследования таких вол Выяснено, что основными параметрами потока, определяющи

:арактеристики стационарных волн, являются число Фруда и [ерепад скорости вдоль по течению.

Во втором параграфе описаны аппаратура и методики гроведенного экспериментального исследования.

В третьем параграфе обсуждаются результаты, полученные . эксперименте.: зависимость крутизны и длины стационарных олн от числа Фруда и перепада скорости вдоль по течению их 'стойчивость стационарных волн большой крутизны к плоским ! трехмерным возмущениям, границы области устойчивости олн и сравнение с известными численными результатами, [зл учение нелинейных солитоноподобных волн крутыми ребнями стационарных волн в области сильной дисперсии. 1аиболее важным результатом этого исследования является бнаруженный распад плоской стационарной волны предельной рутизны на трехмерные стационарные волны, гребни которых >асположены в шахматном порядке.

В четвертом параграфе исследованы нелинейные тационарные волны в потоке переменной глубины при ритичесгсих числах Фруда. На основе исследования формы тационарных волн и сравнения полученных результатов с [звестными численными работами делается предположение о ■ом, что эти волны являются солитонами с трехмерной волной е зостовой части.

В шестой главе исследуется процесс возбуждения тационарных волн в потоке с размываемым дном при заданном [ерепаде скорости вдоль по течению.

В первом параграфе обсуждается современное состояние [зучаемого вопроса и большие сложности численного анализа юдобных задач.

Во втором параграфе приведены результаты ксперименталъного исследования плоских стационарных волн е ютоке с размываемым дном. Исследован процесс усиления тационарной волны на созданном ею рельефе дна. Получена ависимость крутизны и длины стационарной волны от числа С>руда и высоты донной гряды, отнесенной к глубине потока.

В третьем параграфе исследован распад плоской стационарной волны предельной крутизны и образование трехмерных стационарных волн, формирующих трехмерные гряды Приведены результаты непрерывного наблюдения за процессом усиления плоской стационарной волны на создатк ею рельефе, распада на длинные трехмерные волны и образования трехмерных гряд этими трехмерными волнами. Получены характеристики волн и гряд для исследованного диапазона значений чисел Фруда. Показано, то горизонгалък размеры волн и гряд совпадают.

В четвертом параграфе показаны отличия генерации стационарных волн в потоках с закрепленным и не закрепленным дном. В потоке с размываемым дном, перепад скорости определяет лишь начало процесса грядообразованш Если он превышает критическую величину и начинается непрерывный рост гряд, то параметры вата определяются ул только высотой гряды. Гряда растет только до высоты, для которой волна достигает предельного значения крутизны, прк которой происходит ее распад на длинные трехмерные волны Эта крутизна волны совпадает с минимальным значением критической величины крутизны волны, полученным в поток* плоским дном для фиксированного числа Фруда. В результат параметры трехмерных волн в потоке с размываемым дном однозначно определяются числом Фруда.

В пятом параграфе приведена проверка сделанных предположений на натурном материале, полностью их. подтвердившая.

В шестом параграфе рассмотрены причины смещения гряд вниз по потоку при докритических числах Фруда. На основе экспериментальных данных показано, что в начале процесса образования гряд на плоском дне существует фаза, в которой гряды не смещаются вниз по потоку. Смещение гряд наблюдается только при появлении обратной положительной связи между стационарной волной и формируемой ею грядой так как при увеличении длины волны, наблюдаемой вниз по

потоку от источника генерации, гребень гряды спускается вниз по потоку вслед за волной.

В седьмом параграфе приведены результаты проведенного экспериментального исследования позволившего установить, чтс образование гряд на дне потока при критических числах Фруда, называемых "антидюны", связано с воздействием на дно соли тонов, источником генерации которых является изменение скорости потока вдоль по течению. Механизм воздействия солитона на размываемое дно тот же, что и механизм воздействия стационарной волны при докритичесгсих числах Фруда.

В седьмой главе предложен физический механизм образования излучин рек в паводок. В первом параграфе описана актуальность проблемы.

Во втором параграфе приведены данные о современном состоянии исследований. В связи с тем, что теория руслового процесса так и не предложила физической модели образована« речных излучин адекватной реальному процессу, в настоящее время для практических прогнозов переформирования русла в паводок используются два основных подхода.

Во первых, создано большое количество эмпирических выражений связывающих шаг излучины с паводковым расходом воды, при котором она была сформирована. Во многих случаях эти выражения дают хорошие результаты, но они не являются универсальными.

Во вторых, используется методика анализа донных деформации русла за достаточно большой промежуток времени в прошлом и составлении вероятностного прогноза на будущее. Однако, в цитируемых работах заказывается на то, что избежать ошибок прогноза, решая задачу таким путем, практически не возможно.

В третьем параграфе изложена гипотеза образования речных излучин. Физическая модель образования гряд на дне русловых потоков, полученная на основе проведенного экспериментального исследования, результаты которого изложены в предыдущих главах, позволила выдвинуть

принципиально новую гипотезу образования речных излучин соответствии с этой гипотезой процесс формирования излучш рек связан с образованием трехмерных гряд на дне потока в паводок.

При больших числах Фруда Г>0.6, характерных для паводковых расходов воды, образуются трехмерные гряды максимальной длины, в десятки раз превышающей глубину потока. После спада паводкового расхода воды поток обтекает гребни трехмерных гряд, расположенных в шахматном поряд образуя излучины реки. При этом шаг речных излучин близо: длине наибольшей трехмерной гряды

В четвертом параграфе для проверки предложенной гипотезы были сопоставлены размеры излучин на ряде свобод меандрирующих рек с параметрами трехмерных гряд. Параметры гряд рассчитывались по предлагаемой модели дл* чисел Фруда, определяемых паводковым потоком, зафиксированным на реках.

Для проведения исследования выбирались только те реки, излучины которых были сформированы в настоящее время пс воздействием паводковых потоков, параметры которых зафиксированы документально. Были проведены расчеты шаг излучин для тех же натурных данных по ряду официально принятых методик.

Сравнение полученных данных, показывает, что предложенная методика расчета дает существенно лучшие результаты, чем известные в настоящее время методики. Расчеты по эмпирическим формулам в некоторых случаях отличаются от натурных данных почти на 100%. Результаты расчета по нашей методике не. отличаются от натурных даннь более, чем на 10% как для больших рек, так и для малых. Этс позволяет рекомендовать предлагаемую модель для практических расчетов.

В Заключении диссертации приведено краткое описание основных защищаемых в работе результатов и положении.

В приложении приведен ряд фотографий, полученных в описанных в диссертации экспериментах.

- Создана принципиально новая физическая модель образования гряд на дне русловых потоков, связывающая формирование гряд с воздействием нелинейных стационарных волн на поток со свободной поверхностью. Модель впервые включает все особенности этого явления и позволяет рассчитать характеристики гряд по заданным параметрам потока.

- Предложена принципиально новая физическая модель образования излучин рек, впервые позволяющая определить шаг излучин по заданным параметрам потока в паводок, пригодная для практического применения

-Получена физическая модель размыва дна в замедляющихся потоках при отрыве цшншдрических вихрей, захватывающих частицы дна.

-Исследованы характеристики нелинейных стационарных волн в потоке воды с открытой поверхностью. Впервые обнаружена неустойчивость плоских стационарных волн большой крутизны к трехмерным возмущениям, генерация второй гармоники, излучение солитоноподобных нелинейных волн на крутых гребнях стационарной волны.

Основные результаты диссертащш опубликованы в следующих работах:

1. Мельникова О.Н,.Осипов Д.Н.,Петров В.П. Механизм размыва дна прямого потока при воздействии стационарной волны. Известия АН. Физика атмосферы и океана.1993.Т.29.№4.С.565-569.

2. Мельникова О.Н.,Хунджуа Г.Г. Профили скорости л температуры в холодной пленке у свободной поверхности плоскопараллельного потока воды. Вестник моек.ун-та,сер.3.1986.Т.27.№4.С.72-75.

3. Мельникова О.Н. Экспериментальное исследование поперечной циркуляции жидкости в турбулентном русловом потоке. 1933. Вестн.моск. ун-та. Сер.З Т.24. №1. С32-34

4. Мельникова О.Н.. С&врухин П.П. Методика определения трех компонент вектора средней скорости в прямом турбулентном русловом потоке. 1984. В кн. "Новые приборы, устройства,

методики, матер, и технол. проц., разработанные учеными МГУ, М.:МГУ, С.12

5. Мельникова. О.Н Струйная модель турбулентного течения руслового потока. 1981. Вестн. моек, ун-та. Сер. физ. №2. С.84-86

6. Кромская Т.П., Мельникова. О.Н. Экспериментальное исследование форлшроватшя песчаных гряд в открытых потоках. 1985. ДепВИНИТИ №3497-В5 от 11.12.85.15с.

7. Мельникова О.Н, Шевченко О.Б., Емельянов А.Б. Исследование песчаных гряд в лабораторном русловом потоке.1986. Гидротехническое строительство. №11. С.26-29

8. Мельникова О.Н.,Петров В.П. Механизм образования песчаных волн в русловом потоке. 1987. Тез. дом. 4-ой всесоюзной конф."3акономерности проявления эрозионных русловых процессов в различи, природных условиях". М.:МГУ, С.325-326.

9. Мельникова. О.Н,Ко1щебовскпя Л.Ф.,Шелченко ОЛ., Янковская. Статистические характеристики донного рельеф и гидравлические сопротивления при форшфовании устойчивого рельефа канала в нелязком грунте. Тез. докл. ой всесоюзной конф." Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различи, природных условиях" 1987* М.:МГУ, С330-331.

10. Мельникова О.Н,Пыр1Шн /С>./ТРабота водных потоков.1987. М.:МГУ.С.120-135.

11. Мельникова О.Н, Петров В.П. Исследование формирования донных гряд в открытом потоке воды 1989. ДАН СССР. Т.304. №1. С.83 2-835.

12. Мельникова О.Н, Шевченко О.Б., Пыркин Ю.Г Формирование донных гряд в каналах. 1989. Гидротехническое строительство. №2. С.29-32.

13. Мельникова О.Н. Формирование многомодульного спектра песчаных гряд в русловом потоке. 1989. 3-я всесоюзная конференция "динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных моей. Тез. дом. М.:АН СССР.Т.1, С.87-89.

14. Мельникова OIL Пыркин Ю.Г.,Петров B.IL, и др. Некоторые результаты экспериментального исследования

массоэтгергообмена во взвесенесугцем потоке и структуры турбулентности вблизи берегового откоса. 1990. В кн. "Земельные и водные ресурсы. Противоэрозионная защита и регулирование русел.М.:МГУ. С.55-68.

15. Мельникова О.Н. Пыркин Ю.Г. Экспериментальное исследование грядообразования в потоке воды.1990. Изв.АН СССР. ФАО. Т.26. №8. С.888-891.

16. Мельникова O.IL, Брязгин А.А., Салькова Г.Ю. Деформация дна в потоке со свободной поверхностью. 1990- Сборник трудов всесоюзного объединения Союзводпроект. М. С.80-85.

17. Вытягянец В.Ю., Мельникова О.Н., Мулюкова Н.Б.. Осипов Д.Н., Петров ВЛ. Вихри в придонном слое течения со стационарной волной. 1991. Тез доклада на всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений". Канев. Т.1. С.93-99.

\8. Мельникова О.Н., Салькова Г.Ю. Физический механизм образования речных излучин. 1992. Тез. доклада 4-ой школы-семинара "Методы гидрофизических исследований". Светлогорск. С.71-72.

'9. Мельникова OJL, Плетнева ЕМ., Рыкунов Л.Н. Физический механизм образования речных излучин. 1992. ДАН. Т.324. №6. С.1179-1182.

10. Мельникова OIL, Петров В.П., Пыркин Ю.Г Донные гряды, формируемые потоком со свободной поверхностью. 1992. В кн. "Экологические проблемы эрозии почв и русловых процессов". М.:МГУ. С.108-117.

U. Мельникова О.Н., Иванова Т£Ж, Рыкунов Л.Н Физический механизм формирования гряд на дне открытых потоков при критических числах Фруда. 1993. ДАН. Т.332. №1. С.502-504. Мельнтпсова OJL, Рыкунов Л.П., Трофимов В.А. Физическая и математическая модель формирования излучин рек в паводок 1993. Междун. конф. "Геофизика и современный мир".Тез.докл.М.:МГУ.С.171.

23. Мельникова. О.Н., Петров В.П.. Особенности массобмена в придонном слое потока воды со стационарной волной. 1993 Меж дун. конф. "Геофизика и современный

мирТез. докл.М.: МГУ.С.195.

24. Мельников a O.EL Устойчивость ламинарного движения у свободной границы потока при поглощении ИК-радиации. i я всесоюзная конф."Вихри и турбулентность в океане".Светлогорск, 1990г. Тез.докл. С.90.

25. Мельникова О.Н., Петров В .П., Масллкава О. Экспериментальное исследование массообмена в придонное слое открытого потока со стационарными волнами. Вестн. моек, ун-та.Сер.З физика и астрономия 1994. Т.35. №5.С. 5Е 66.

26. Белокръхлов В.В. , Елисеев В.Ю., Кременецкий В.В., И.Н.Ив анова,Д.ИЛеонтьев} Мельников а О.Н., Рыкунов Л.Н. Излучение длинных нелинейных волн стационарными волнами большой крутизны в потоке со свободной поверхностью. 1994. ДАН Т.339,№2, С.50-53

27. Иванова 1/1Н} Мельникова O.HL, Петров В.П., Рыкунов JLH. Нелинейные стационарные волны в открытых потоках вод* скорость которых меняется вдоль по течению. 4-я всероеийская школа семинар "Волновые явления в неоднородных средах". 1994. Красновидово. С.31-35.

28. Мельникова О.Н. Форма плоских гряд на дне руслового потока. IY конференция "Динаьотка и термика рек, водохранилищ, внутренних и окрашадых морей". 1994. М. ИВП. Тез. докл. C.280-2S3

29. Иванова И.Н., Мельников а О.Н. Нелинейные стационарньк волны на поверхности руслового потока. IY конференция "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей". 1994. М. ИВП. Тез. докл. C.7S-30.

30. Melnikhova O.N,Petrov V.P. Bottom ridges formed by ire surface sub critical flow, J.of Hydraulic Research, 1992, v.30. I4 P.745-753