Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек

Векшина, Татьяна Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек"

На правах рукописи

Вскшина Татьяна Викторовна Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек

Специальность 25.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный руководитель' доктор технических наук,

профессор И.Ф Карасев

Официальные оппоненты' доктор технических наук,

В. А Лобанов;

кандидат географических наук В.Г. Орлов

Ведущая организация' Северо-Западное УГМС

Защита диссертации состоится «10» ноября 2004г. в 11 часов на заседании диссертационного совета ДР 327.006 12 Государственного гидрологического института по адресу: 199053, Санкт-Петербург, В О 2-ая линия, д.23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института.

Автореферат разослан 08 октября 2004г Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук

Балонишникова Ж А

/У? 6/У

/ 4'6 УОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Значительный ущерб зарастание наносит водному хозяйству и мелиорации, вследствие уменьшения пропускной способности каналов. Зарастание рек сопровождается подпором уровня воды, который нередко достигает по данным различных авторов 0,4-0,8 м, а иногда и 1,5 м, что в естественных условиях равнинных рек ведет к заболачиванию пойменных земель.

В этих условиях одной из важнейших предпосылок оценки влияния зарастания рек на экологическое состояние природных территорий, биоценоз ландшафтной и водной среды является определение пропускной способности зарастающих русел или, конкретно, характеристик их гидравлических сопротивлений.

Наряду с этим, осложняется и гидрометрический учет стока. В результате зарастания русел уменьшаются скорости течения, появляются «мертвые зоны», косоструйность потока, искажаются эпюры скоростей по глубине и ширине потока. В результате, зарастание приводит к нарушению однозначной устойчивой зависимости расхода воды от уровня, что вынуждает производить более частые измерения расходов воды, и в конечном счете, увеличивает стоимость наблюдений.

Современная практика гидрометрического учета стока основана на методических руководствах, разработанных почти полвека назад. Согласно содержащихся в них рекомендациях, для получения сколько-нибудь надежных данных, необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений, что находится в явном несоответствии с

настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета сгока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов, а так же для проектных и водохозяйственных нужд.

Цели и задачи исследования

Цель исследований заключается в количественной оценке коэффициентов шероховатости для русел рек, подверженных зарастанию, и разработке методики гидрометрического учета стока зарастающих рек, применительно к новым компьютерным технологиям в режимном и оперативном вариантах. В качестве объекта исследований служили зарастающие реки Европейской территории России (ЕТР).

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности на ЕТР, а также особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.

2. Выявить определяющие факторы развития водных растений и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки их влияния на пропускную способность речных русел.

3. Получить расчетную формулу для коэффициентов шероховатости в зависимости от системно-зональных гидрологических факторов.

4. Оценить гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации для различных рек ЕТР.

5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.

6. Разработать методику и алгоритмы автоматизированного учета стока зарастающих рек для внедрения их компьютерной технологии в гидрологическую сеть.

»*» Л<

Методика исследований и исходный материал

В качестве исходного материала использовались данные наблюдений на гидрологической сети Росгидромета, результаты собственных наблюдений автора и материалы П И.

Решение поставленных задач проводилось путем регрессионно-статистической обработки гидрометрических данных и численных экспериментов, выполняемых на ПЭВМ. В работе использованы также результаты исследований различных авторов в области гидравлики и гидрологии. Реализация моделей для различных вариантов исследования и статистическая оценка надежности полученных результатов производилась на персональном компьютере в срсдс Delphi и Excel.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками результатов и сравнительными характеристиками с независимой натурной информацией. Научная новизна и практическая значимость

1. В ходе диссертационного исследования впервые были получены зависимости, позволяющие количественно оценивать гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведугся гидрометрические наблюдения, эта задача решается непосредственно на основе предложенного уравнения, параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды.

2. Предложены расчетные формулы для решения той же задачи, при отсутствии гидрометрических данных на неизученных реках.

3. Представлена таблица коэффициентов шероховатости для неизученных зарастающих рек в различные периоды вегетации и для различных зон ЕТР, с использованием только их количественных характеристик.

наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.

5. Использование предложенной методики учета стока при зарастании дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности характеристик стока.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2001г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002г., на научном семинаре отдела гидрологической сеуи и мониторинга ГГИ в июне 2003г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГГМУ. Некоторые аспекты диссертационной работы вошли в учебное пособие, составленное на кафедре гидрометрии РГГМУ.

По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в

печати.

Разработанные методики предполагается включить в Наставление для гадрологической сети Росгидромета, выпуск 6, часть III.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 55 наименований, 11 таблиц и 23 рисунка. Общий объем работы составляет 112 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена режиму зарастания речных русел. Рассмотрены гидробиологические условия и фазы развития водных растений, основные

факторы, обуславливающие развитие водной растительности в русле, видовая совокупность водных растений, географические и гидробиологические закономерности распространения водных растений.

Зарастание рек - сложный процесс, развитие которого обусловлено совместным влиянием естественных и антропогенных факторов. Растительное сообщество в ходе своего развития и жизнедеятельности меняет условия своего существования, подчиняясь естественным закономерностям.

Видовая совокупность водных растений очень многообразна, и природа нам оставляет максимум неопределенности в этом вопросе. Однако можно выделить четыре основные группы водной растительности:

1) воднободотная группа,

2) воздугано-водная, сюда относится тростник, рогоз,

3) прикрепленные растения с плавающими листьями - это такие, как кувшинка, кубышка,

4) погруженная растительность - рдест, рогалистник.

Первые две группы образуют - гидрофиты, а третья и четвертая группы образуют - гедатофиты. Флора только цветковых водных растений (это высшие водные растения) на территории России насчитывает свыше 250 видов, принадлежащим к 40 семействам. В работе рассмотрены наиболее распространенные семейства высшей водной растительности, их генезис, условия развития, благоприятные факторы для их произрастания и размножения.

Несмотря на то, что растительный мир водных объектов достаточно разнообразен, видовой сослав водных растений интразонален, т.е. одни и те же виды встречаются в разных географических зонах, с той лишь разницей, что в зонах более теплых водные растения того же вида будут крупнее, чем в более холодных зонах. Будет различаться так же и время вегетации, в более теплых районах это время будет более длительным.

Выделено три зоны зарастания рек ЕТР по признаку сроков наступления и продолжительности вегетационного периода. Для всех трех зон обнаружена

закономерность, степень зарастания пропорциональна площади водосбора реки. Чем меньше площадь водосбора реки, тем больше ее зарастание и наоборот, с увеличением площади водосбора - зарастание уменьшается, а на реках с площадями водосборов более 25000 км2 зарастание теряет свое влияние на пропускную способность русла.

Вместе с тем, нельзя утверждать однозначно, что если физико-географические условия бассейнов рек примерно одинаковы, то они одинаково подвержены зарастанию, так как на зарастание реки помимо географического положения и размеров водотока влияют очень многие факторы (скорости течения, устойчивость фунтов дна и берегов, наличие растворенных в воде веществ и т.д.). В этом заключается сложность проблемы, связанной с оценкой влияния водных растений на гидравлические сопротивления русла.

Во второй главе представлено современное состояние проблемы изучения гидравлических сопротивлений при зарастании русла. Рассмотрены работы В.Н.Гончарова, АНайта, Н.Б.Барышникова, И.Ф.Карасева, В.С.Боровкова, Е.А.Леонова, Х.Наги и К.Ватанабе, Э.Л.Беновицкого, Фратрича, Квернера и др. Анализ этих работ, а также большого объема натурных данных, в том числе и наблюдений автора диссертации, позволил выявить сложную структуру потока при зарастании русла. Поток расчленяется на обособленные струи с большими градиентами скоростей течения и т.д.

Можно понять тех исследователей, которые отвлекаются от рассмотрения схем обтекания препятствий и выделяют обособленные части сечения, заросшие и свободные. При этом, кроме сил трения по дну, учитываются касательные напряжения на границах внутреннего расчленения потока.

Исследуя и анализируя работы ряда авторов, мы видели, что гидравлика дает возможность конструировать многообразные расчетные схемы и механизмы движения потока в заросшем русле, но они не отражают всей сложности растительных структур и самого процесса зарастния, а ведь, как известно, характеристики заросшего русла непрерывно изменяются в течение вегетационного периода, охватывающего начало появления, развитие и

отмирание водных растений. При практическом использовании гидравлических зависимостей необходимо располагать различными биометрическими характеристиками водных растений, которые можно получить лишь по данным специальных дорогостоящих рекогносцировочных обследований зарастающих русел. В связи с этим становится понятен интерес к интегрально-статистическим (регрессионным) оценкам гидравлических сопротивлений зарастающих русел при различных определяющих факторах.

Третья глава посвящена решению задачи определения изменений шероховатости, вызванных водной растительностью, а также разработке расчетных формул, учитывающих определяющие факторы, от которых зависят эти изменения. Зарастание речного русла, как фактор гидравлических сопротивлений, в отличие от шероховатости самого ложа, зависит от ландшафтно-климатических условий. Гидравлические сопротивления зарастающих речных русел подвержены сезонным изменениям. В таком случае, нельзя признать состоятельными существующие шкалы и таблицы для оценки шероховатости русла при зарастании рек, в которых не учитывается ни климатическая зона, ни сезон, ни порядок (площадь бассейна) реки.

Для характеристики гидравлических сопротивлений предложено рассматривать параметр Великанова ш=л/1/п. Его особая ценность состоит в том, что он может быть определен непосредственно по гидрометрическим данным.

Величина т3 для зарастающих русел зависит от фазы развития водных растений. С одной стороны, т, уменьшается по мере увеличения массы растений, а с другой - увеличивается, из-за их старения, полегания и срыва. Эти процессы происходят хронологически закономерно, так что изменение может быть представлено в виде некоторой функции времени, имеющей однотипную аналитическую структуру в разные годы и для различных рек, если время от начала вегетации Т выражено в долях от общей продолжительности периода зарастания русла Тз: т=Т/Тз Вид этой функции

устанавливается нами в резулыаге регрессионно-статистического анализа гидрометрических данных.

гпз- ао-а|Т+а2х4/3 (1)

На рисунке 1. прсдсшвлен график изменения параметра Великанова непосредственно по данным измерений расходов воды и его аппроксимации, согласно уравнению (1). В результате анализа полученных данных установлено, что в естественных условиях зарастание русла, как правило, вызывает существенное увеличение гидравлических сопротивлений.

Рис. I. Хронологический график изменения т3 р.Нерль-д.Подол 1971г. 1- тз рассчитанный по измеренным расходам воды, 2 - кривая по уравнению (1).

Параметры уравнения (1) устанавливаются по совокупности измерений расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов. Анализ результатов расчета параметров уравнения (1) приводит к следующим выводам, во-первых, в качестве определяющего фактора зарастания следует рассматривать площадь водосбора реки. Устанавливается, что на сравнительно больших реках с площадью водосборов более А0=25000 км2 зарастание русла не происходит. Во-вторых, повышение температуры воды сверх её порогового значения (8°С) является условием начала зарастания.

Таким образом, при обобщенной количественной оценке гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел необходимо учитывать, по крайней мере, два критериальных комплекса; гидролого-гидрографический,

Р,= 1-(А/25000)°'5 (2)

и зонально-климатический,

Р2=(1В/8)-1 (3)

Оценке подлежат экстремальные значения относительного уменьшения параметра Великанова при наибольшем развитии зарастания (ш3) по сравнению с величиной то, ,

5тах= ~ ^ (4)

В качестве адекватной аппроксимации функции 8тах(РьР2) принимается экспонента:

8тах=ехр(а,Рга2Р,2)Р2 (5)

которая удовлетворяет естественным физическим условиям: 81ШХ=1 при Р]=0 и Рг=0. Для определения параметров а; и а2 представим (5) в логарифмическом виде:

У=-р— =а1Р,-а2Р,2 (6)

Поле точек, рассчитанных по уравнению (6), представлено на рис.2, для сравнения здесь же помещены точки независимых данных.

кйтах/Рг 2-,

•оЛ. О *0

.ооп<Рог.

Р1

о 2

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0

Рис. 2. Системно-зональная зависимость относительных коэффициентов шероховатости от гидролого-гидрографических и климатических факторов.

1 - данные, по которым получена зависимость; 2 - независимые данные.

Формула (5) дает возможность определить экстремальные значения для неизученных рек. Более того, оказывается возможным воспроизвести хронологический ход изменений т3.

Новизна и практическое значение полученных соотношений заключается в том, что они позволяют оценивать гидравлические сопротивления русла в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведутся гидрометрические наблюдения, эта задача решается на основе уравнения (1), параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды. Но та же задача, разумеется, с меньшей точностью может быть решена и при отсутствии гидрометрических данных на неизученных реках с использованием расчетных формул (6-7).

т3=2.16[1-9.2(х-0.99х 4П)(1- -1,04 )]/А'

015

(6)

Преобразуя формулу (6) с использованием ряда соотношений, получаем уравнение, описывающее изменение коэффициента шероховатости зарастающего русла в течение вегетационного периода:

пз=0.051/А0067[1 -9.2(т-0.99т4/3)( 1 -1--~)] (7)

^лях

Полученные соотношения проверены нами на основе независимой информации - по гидрометрическим данным более чем для 50-ти створов. Можно отметить достаточное соответствие полученных фактических и расчетных значений коэффициентов шероховатости зарастающих русел: относительные отклонения значений по всей совокупности в среднем составляют 25%. Существенно то, что эти отклонения остаются в пределах интервалов, принятых в современных шкалах коэффициентов шероховатости.

Разработанные формулы, получены в результате перехода от собственно гидравлических характеристик зарастающих русел к соответствующим ландшафтно-климатическим факторам, что позволяет получить их обобщенные оценки для разных рек и климатических зон. На этой основе нами рассчитана шкала характерных значений коэффициентов шероховатости: максимальных, осредненных за период вегетации и по его фазам - весеннюю, летнюю и осеннюю в зависимости от порядка реки и средневегегационной температуры воды 1в В наших расчетах приняты следующие значения 1;в: 12°С; 15°С и 18°С соответственно для Севера, Центра и Юга ЕТР, результаты расчеюв представлены в таблице 1.

Таблица 1 в полной мере отражает широкий диапазон изменений коэффициентов шероховатости зарастающих русел как по зонам ЕТР, так и но порядкам рек. Чем меньше порядок реки, тем больше зональная изменчивость коэффициента шероховатости. Гидравлические сопротивления русел больших рек менее чувствительны к зарастанию и, соответственно, отличаются меньшим диапазоном изменения коэффициентов шероховатости.

Таблица 1. Зонально-сезонные значения коэффициентов шероховатости зарастающих русел рек ЕТР (п111ах, пср - коэффициент шероховатости, соответственно максимальный и осредненный за весь вегетационный период, пвл, пл, пло - коэффициенты шероховатости в различные фазы вегетации, соответственно в весенне-летнюю, в летнюю, в летне-осеннюю).

А,км Зоны ЕТР

Север Центр Юг

Порядок потока Птах Пср Птах ПСр Птах Пср

П„л пл Пло Пвл пл ПЛо Пвл пл Пло

300 0,065 0,049 0,114 0,065 0,162 0,075

VII 0,048 0,059 0,045 0,061 0,096 0,055 0,068 0,127 0,060

1000 0,062 0,046 0,108 0,061 0,154 0,070

VIII 0,045 0,056 0,042 0,057 0,091 0,051 0,063 0,121 0,055

3500 0,056 0,042 0,098 0,055 0,140 0,063

IX 0,041 0,050 0,038 0,051 0,081 0,046 0,058 0,108 0,050

8000 0,043 0,035 0,075 0,047 0,107 0,055

X 0,034 0,039 0,033 0,045 0,064 0,041 0,051 0,086 0,045

22500 0,019 0,017 0,027 0,025 0,039 0,032

XI 0,017 0,018 0,015 0,026 0,027 0,025 0,032 0,036 0,030

Обращает на себя внимание значительная изменчивость коэффициентов шероховатости по сезонам в среднем в 1,5-2 раза, и в тех же пределах максимальные значения превосходят средние. Приведенные характеристики изменчивости коэффициентов шероховатости свидетельствуют о нерепрезентативности характеристик сопротивлений зарастающих рек безотносительно к зонам ЕТР, порядкам рек и сезонам вегетационного периода.

В совокупности система приведенных в диссертации расчетных зависимостей позволяет считать преодоленной ту неопределенность, которая заключена в современных шкалах коэффициентов шероховатости, основанных

лишь на качественных оценках. Несомненно, полученные системно-зональные зависимости подлежат дальнейшему уточнению, но уже и в первом приближении они обеспечивают объективность и единство подхода к оценке гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.

Четвертая глава рассматривает проблемы оптимизации гидрометрического учета стока зарастающих рек. Современная практика гидрометрического учета стока зарастающих рек основана на методическом руководстве, разработанным почти пол века назад. Согласно содержащимся в нем рекомендациям, для получения сколько-нибудь надежных данных необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений расходов воды (до 5-10 раз в месяц), что находится в явном несоответствии с экономическими возможностями настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета стока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов.

Необходимость в большом количестве измерений расходов воды, регламентированным действующими методическими рекомендациями, проистекает из того, что в них игнорируются гидравлические закономерности движения потока в интервале между измерениями. Этот недостаток удалось преодолеть, благодаря использованию регрессионно-гидравлических моделей учета стока, разработанных в отделе гидрометрии ГГИ и усовершенствованных в процессе наших исследований.

Предложенная новая методика гидрометрического учета стока зарастающих рек базируется на формуле Шези - Маннинга, на ее основе получено уравнение множественной линейной регрессии, параметры которого определяются методом наименьших квадратов по совокупности измеренных расходов воды. Кроме того, в качестве определяющих факторов учитывались: средневегетационная температура воды и время от начала вегетации водных растений, которое совпадает с днем, когда температура воды становится выше 8°С.

Методика разрабатывалась таким образом, чтобы она в полной мере основывалась непосредственно на объективной измерительной информации. Эту возможность позволяет реализовать использование параметра Великанова, определяемого на основе совокупности измеренных расходов воды.

Ежедневные расходы воды (их определение и составляет главную задачу гидрометрического учета стока) рассчитываются по формуле Шези-Маннинга:

0 = "^ . (4Л)

где со - площадь живого сечения, В - ширина русла, т, - параметр Великанова.

Значения со и В для среднесуточных уровней на каждую дату принимались по кривым связи ю(Н) и В(Н), построенным для конкретных постов, параметр Великанова ш3 вычисляется на каждый день по уравнению множественной линейной регрессии.

щ,=ао+а1Х1+а2Х2, (4.2)

в котором х(=т;

Параметры уравнения ао, аь а2 определяются по совокупности измеренных расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов.

Представленная выше методика учета стока при зарастании реализована в виде вычислительных процедур. Проведены различные серии численных экспериментов по оптимизации и компьютерной технологии гидрометрического учета стока для постов на ряде рек ЕТР, в каждом створе при полном количестве измеренных расходов воды (2-3 раза в месяц) и сокращенном до одного измерения в мссяц.(рис.З.)

Рис.3. Гидрографы р.Утроя - д.Большая Губа в период зарастания за 1999 г., 1 - РГМ; 2 - данные ГЕ; 3,4 - измеренные расходы, соответственно, включенные и не включенные в расчет.

Как показали численные эксперименты, предложенная методика учета стока, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова, в полной мере отражает изменения пропускной способности русла и является наиболее рациональной математической основой компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.

Применение параметра Великанова открывает возможность использования наблюдений предшествующих лет и изучения влияния на пропускную способность русла других факторов.

Наиболее сложными для учета стока при зарастании являются периоды дождевых паводков, тем более они, как правило, неосвещены измерениями РВ В этом случае интерполяция ш позволяет существенно повысить точность учета стока (рис.4).

Рис.4 Гидрографы р.Молога-Спас-Забережье, 1961г.; 1 - РГМ; 2 -интерполяция т; 3 - данные ГЕ; 4, 5 - используемые и неиспользуемые

ИРВ.

В Заключении сформулированы основные выводы проделанной работы: 1. Зарастание речного русла, как фактор гидравлических сопротивлений, в отличие от шероховатости самого ложа, зависит от ландшафтно-климатических условий. Вместе с тем, гидравлические сопротивления речных г

русел подвержены сезонным изменениям. Именно сезонная изменчивость составляет основную черту гидравлических сопротивлений зарастающих русел. В таком случае, нельзя признать состоятельными существующие шкалы и таблицы для оценки шероховатости русла при зарастании рек, в которых не учитывается ни климатическая зона, ни сезон, ни порядок (площадь бассейна) реки. Казалось бы, без учета этих факторов подобные шкалы и таблицы теряют всякую определенность, тем не менее, они составляют неотъемлемую часть современных руководств и курсов речной гидравлики. Устранение этого

существенного недостатка - актуальная проблема гидравлической науки Ее решение составило основное содержание диссертационной работы.

2. До последнего времени ни теория, ни лабораторные эксперименты пока не дают решения всего комплекса задач, относящихся к гидравлическим сопротивлениям зарастающих речных русел. В связи с этим оказалось целесообразным использовать непосредственно результаты регулярных гидрометрических наблюдений, выполняемых на гидрологической сети Росгидромета. Их ценность заключается в том, что они проводятся на единой методической основе и в течение всего годового гидрологического цикла, в том числе в период летне-осенней межени, к которому и приурочено зарастание речных русел.

3. На постах гидрологической сети измеряются уровни, расходы и температура воды, но, как правило, не выполняются измерения уклонов свободной поверхности I, и тем более не оцениваются коэффициенты шероховатости п. Зато получаемые гидрометрические данные позволяют определить параметр Великанова ш3, который приобретает значение важнейшей характеристики гидравлических сопротивлений.

Величина гц, для зарастающих русел зависит от фазы развития водных растений. С одной стороны, ш, уменьшается по мере увеличения массы растений, а с другой - увеличивается, из-за их старения, полегания и срыва. Эти процессы происходят хронологически закономерно, так что изменение ш, может быть представлено в виде некоторой функции времени, имеющей однотипную аналитическую структуру в разные годы и для различных рек, если время от начала вегетации Т выражено в долях от общей продолжительности периода зарастания русла.

Параметры этой функции устанавливаются по совокупное ги измерений расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов. Соответствующие расчеты выполнены нами более чем для 50 гидрометрических створов малых и средних рек, расположенных в северной, центральной и южной зонах Европейской части России. На этой основе

получены расчетные формулы для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих рек при отсутствии гидрометрических данных. Задача решалась с использованием закономерностей изменения гидроморфологических характеристик речных сиЬтем, предложенных Н.А.Ржаницыным.

4. В структуре речных систем, каждая отдельно взятая река, рассматривается как звено - поток фиксированного порядка N. С нарастанием его от истоков к устью, а сами порядки определяются водностью реки. Эти характеристики ставятся в соответствие площади водосбора.

Другим определяющим фактором служит повышение температуры воды сверх ее порогового значения (8°С).

Именно эти два критериальных комплекса; (гидролого-гидрографический и зонально-климатический) положены в основу формул, позволяющих количественно оценить гидравлические сопротивления в фазу наибольшего развития водных растений. Их положительная черта заключается в том, что они опираются на общие сведения, которые содержатся в изданиях водного кадастра и банках данных современных геофизических информационных систем.

Проверка полученных зависимостей выполнена применительно к характерным речным бассейнам Севера, Центра и Юга ЕТР, данные по которым не использовались при их выводе. Средние отклонения по всей совокупности составляют 25%, а наибольшие достигают не более 60%. Для практики такой диапазон вполне допустим, так как он отвечает характеристикам точности гидравлических расчетов даже в более благоприятных условиях движения потока, чем в зарастающем русле.

5. Предложенные формулы получены в результате перехода от собственно гидравлических характеристик зарастающих русел к соответствующим ландшафтно-климатическим факторам, что позволяет использовать их для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих русел в различных климатических зонах. На этой основе рассчитана шкала характерных значений коэффициентов шероховатости: максимальных,

осредненных за период вегетации и по фазам - весеннюю, летнюю и осеннюю в зависимости от порядка реки и средневегегационной температуры воды.

Шкала отражает значительную изменчивость коэффициентов шероховатости по сезонам в среднем в 1,5-2 раза, и в тех же пределах максимальные значения превосходят средние, что свидетельствует о нерепрезентативиости существующих в речной гидравлике описательных характеристик сопротивлений зарастающих русел безотносительно к климатическим зонам, порядкам рек и сезонам вегетационного периода.

В совокупности система приведенных в диссергации расчетных зависимостей позволяет преодолеть гу неопределенность, которая заключена в современных шкалах коэффициентов шероховатости, основанных лишь на качественно-описательных оценках.

6. Представленные в диссертации зависимости выведены из достаточно обоснованных физических предпосылок и большого объема статистических данных, и поэтому обладают необходимой общностью для применения в других зонах России. Естественно, при этом следует ожидать меньшей надежности расчетов, и вопрос об их уточнении должен составлять задачу специальных исследований.

7. Предложена новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова ш3, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии ведения Государственного Водного Кадастра.

Использование этой методики дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности получаемых характеристик.

экологического состояния и мониторинга водных объектов в течение вегетационного периода.

Основные результаты диссертационных исследований получены впервые. Они опираются на объективные физические и статистические подходы к интерпретации гидрометрических данных, что отвечает задачам дальнейшего прогресса в решении сложных задач гидравлики и гидрометрии зарастающих рек.

1. «Гидравлические сопротивления и русловые образования» Н.Б.Барышников, Т.В.Векшина, А.В.Симанович. //XVI пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. МГУ - СПб ГУВК, 2001г., 257с., с.21-25

2. «Гидравлические сопротивления речных русел, заросших растительностью» Т.В.Векшина, В.С.Батурина, Т.Л.Горшкова XVI пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. МГУ - СПб ГУВК, 2001г., 257с., с.54-55

3. «Режим гидравлических сопротивлений при зарастании русел» И.Ф.Карасев, Т.В.Векшина. Труды Академии проблем водохозяйственных наук. Вып.9. Проблемы русловедения. - М.: изд. МГУ, 2003,220с., с.112-122

4. Учебное пособие «Гидравлические сопротивления речных русел» Изд. РГГМУ Т.В.Векшина - соавтор., 2003,147с.

5. «Усовершенствованная методика гидрометрического учета стока зарастающих рек» Т.В.Векшина, С.А.Зажимаров. Труды ГГИ, 2004 (в печати)

6. «Расчетная оценка гидравлических сопротивлений русел зарастающих рек» И.Ф.Карасев, Т.В.Векшина // Материалы международной научно-теоретической конференции «Гидравлика», Спб, изд. < 152с., с.68-70

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Подписано в печать 24.09.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 2409/1-Р.

Мини-типография «Знак» издательства «Знак» 191025, Санкт-Петербург, ул. Восстания, 6

PI 8 3 Ô б

РНБ Русский фонд

2005-4 14692

[ i

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Векшина, Татьяна Викторовна

Глава I. Режим зарастания речных руселК)

1.1 Гидробиологические условия, видовой состав и фазы развития водных растений

1.2 Географические и гидробиологические закономерности распространения водной растительности

Глава П. Проблемы в оценке гидравлических сопротивлений и гидрометрического учета стока

2.1 Современное состояние исследований гидравлических сопротивлений при зарастании русел

2.2 Параметр Великанова как системная характеристика гидравлических сопротивлений руслового потока

2.3 Методы и задачи совершенствования гидрометрического учета стока зарастающих рек

Глава III. Гидравлические сопротивления зарастающих речных русел

3.1 Системно-климатические факторы и расчетная оценка гидравлических сопротивлений зарастающих русел

3.2 Зонально-сезонная изменчивость и шкала коэффициентов шероховатости зарастающих русел7£

Глава IV. Оптимизация гидрометрического учета стока зарастающих рек

4.1 Регрессионно-гидравлическая модель учета стока в условиях зарастания русла

4.2 Численные эксперименты по оптимизации и компьютерной технологии гидрометрического учета стока

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек"

Актуальность темы

Ежегодно с наступлением лета десятки тысяч водотоков, протекающих на территории России, зарастают водной растительностью. Развитие водной растительности нередко приводит к вредным последствиям: быстрому заилению и обмелению рек, каналов и водохранилищ, заболачиванию речных пойм, ухудшению качества воды, затруднению водоснабжения. И это далеко не полный список негативных последствий. Для примера приведем данные Б.В.Веригина /1/ по Новомосковской ГРЭС, где зарастание водоема-охладителя составляло всего 10% его площади, это вызывало снижение вакуума по машинному залу на 0,5%, что влекло за собой недовыработку 5760000 квт/час электроэнергии в год.

Значительный ущерб зарастание наносит водному хозяйству и мелиорации. При зарастании каналов затрудняется осушение и орошение вследствие уменьшения пропускной способности каналов. Так, например, по данным Д.С.Алиева /2/ при зарастании скорость течения воды в каналах, а значит, и их пропускная способность снижаются в 3-4 раза против проектной.

Во многих случаях убытки, приносимые зарастанием в естественных условиях равнинных, болотистых рек, вообще не поддаются сколько-нибудь полному учету. Зарастание рек сопровождается подпором уровня воды, который нередко достигает по данным различных авторов /3,4,6 и др./ 0,4-0,8 м, а иногда и 1,5 м, что в естественных условиях равнинных рек ведет к заболачиванию пойменных земель /Зи др./.

В этих условиях одной из важнейших предпосылок оценки влияния зарастания рек на экологическое состояние природных территорий, биоценоз ландшафтной и водной среды является оценка пропускной способности зарастающих русел или, конкретно, характеристик их гидравлических сопротивлений.

Наряду с этим, осложняется и гидрометрический учет стока. В результате зарастания русел уменьшаются скорости течения, появляются «мертвые зоны», косоструйность потока, искажаются эпюры скоростей* по глубине и ширине потока. Соответственно, зарастание приводит к нарушению однозначной устойчивой зависимости расхода воды от уровня. Отсутствие однозначной связи расходов и уровней на зарастающих реках вынуждает производить более частые измерения расходов воды, что, в конечном счете, усложняет и значительно удорожает учет стока.

Современная практика гидрометрического учета стока основана на методическом руководстве, разработанным почти пол века назад /4/. Согласно содержащимся в нем рекомендациям, для получения сколько-нибудь надежных данных, необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений, что находится в явном несоответствии с экономическими требованиями настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета стока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов, а так же для проектных и водохозяйственных нужд.

Цели и задачи исследования

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности на ЕТР, а так же особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.

2. Выявить определяющие факторы и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки при зарастании.

4. Оценить гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации для различных рек ЕТР.

5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.

Методика исследований и исходный материал

В качестве исходного материала использовались данные наблюдений на гидрологической сети Росгидромета, результаты ь собственных наблюдений автора и материалы ГГИ.

Решение поставленных задач проводилось путем регрессионно-статистической обработки гидрометрических данных и численных экспериментов, выполняемых на ПЭВМ. В работе использованы так же результаты исследований различных авторов в области гидробиологии, гидравлики и гидрологии. Реализация моделей для различных вариантов исследования и статистическая оценка надежности полученных результатов производилась на персональном компьютере в среде Delphi и Excel.

Научная новизна и практическая значимость

1. В ходе диссертационного исследования впервые были получены зависимости, позволяющие количественно оценивать гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведутся гидрометрические наблюдения, эта задача решается непосредственно на основе предложенного уравнения, параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды.

4. Разработана новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2001г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002г., на научном семинаре отдела гидрологической сети и мониторинга ГТИ в июне 2003г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГГМУ.

А*

Некоторые аспекты диссертационной работы вошли в учебное пособие, составленное на кафедре гидрометрии РГГМУ.

По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в печати.

Разработанные методики предполагается включить в Наставление для гидрологической сети Росгидромета, выпуск 6, часть III.

1.Режим зарастания речных русел

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Векшина, Татьяна Викторовна

Основные результаты диссертационных исследований получены впервые. В отличие от существующих, они опираются на объективные физические и статистические подходы к интерпретации гидрометрических данных, что отвечает задачам дальнейшего прогресса в решении сложных задач гидравлики и гидрометрии зарастающих рек.

Заключение

1. Зарастание речного русла, как фактор гидравлических сопротивлений, в отличие от шероховатости самого ложа, зависит от ландшафтно-климатических условий. Вместе с тем, гидравлические сопротивления речных русел подвержены сезонным изменениям. Именно сезонная изменчивость составляет основную черту гидравлических сопротивлений зарастающих русел. В таком случае, нельзя признать состоятельными существующие шкалы и таблицы для оценки шероховатости русла при зарастании рек, в которых не учитывается ни климатическая зона, ни сезон, ни порядок (площадь бассейна) реки. Казалось бы, без учета этих факторов подобные шкалы и таблицы теряют всякую определенность, тем не менее, они составляют неотъемлемую часть современных руководств и курсов речной гидравлики. Устранение этого существенного недостатка -актуальная проблема гидравлической науки. Ее решение составило основное содержание диссертационной работы.

3. На постах гидрологической сети измеряются уровни, расходы и температура воды, но, как правило, не выполняются измерения уклонов свободной поверхности J, и тем более не оцениваются коэффициенты шероховатости п. Зато получаемые гидрометрические данные позволяют определить параметр Великанова т3, который приобретает значение важнейшей характеристики гидравлических сопротивлений.

Величина т3 для зарастающих русел зависит от фазы развития водных растений. С одной стороны, т3 уменьшается по мере увеличения массы растений, а с другой - увеличивается, из-за их старения, полегания и срыва. Эти процессы происходят хронологически закономерно, так что изменение т3 может быть представлено в виде некоторой функции времени, имеющей однотипную аналитическую структуру в разные годы и для различных рек, если время от начала вегетации Т выражено в долях от общей продолжительности периода зарастания русла.

Параметры этой функции устанавливаются по совокупности измерений расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов. Соответствующие расчеты выполнены нами более чем для 50 гидрометрических створов малых и средних рек, расположенных в северной, центральной и южной зонах Европейской части России. На этой основе получены расчетные формулы для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих рек при отсутствии гидрометрических данных. Задача решалась с использованием закономерностей изменения гидроморфологических характеристик речных систем, предложенных Н.А.Ржаницыным.

4. В структуре речных систем, каждая отдельно взятая река, рассматривается как звено - поток фиксированного порядка N. С нарастанием его от истоков к устью, а сами порядки определяются водностью реки. Если сток не изучен, эти характеристики ставятся в соответствие площади водосбора.

Другим определяющим фактором служит повышение температуры воды сверх ее порогового значения (8°С). Именно эти два критериальных комплекса; (гидролого-гидраграфический и зонально-климатический) положены в основу формул, позволяющих количественно оценить гидравлические сопротивления в фазу наибольшего развития водных растений.

Их положительная черта заключается в том, что они опираются на общие сведения, которые содержатся в изданиях водного кадастра и банках данных современных геофизических информационных систем.

Шкала отражает значительную изменчивость коэффициентов шероховатости по сезонам в среднем в 1,5-2 раза, и в тех же пределах максимальные значения превосходят средние, что свидетельствует о нерепрезентативности существующих в речной гидравлике описательных характеристик сопротивлений зарастающих русел безотносительно к климатическим зонам, порядкам рек и сезонам вегетационного периода.

В совокупности система приведенных в диссертации расчетных зависимостей позволяет преодолеть ту неопределенность, которая заключена в современных шкалах коэффициентов шероховатости, основанных лишь на качественно-описательных оценках.

7. Предложена новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова гп3, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии ведения Государственного Водного Кадастра.

Наряду с режимным учетом стока (вычислением ежедневных расходов воды по истечении года), предложены алгоритмы для получения оперативных данных о водности рек для службы гидрологических прогнозов, оценки экологического состояния и мониторинга водных объектов в течение вегетационного периода.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Векшина, Татьяна Викторовна, Санкт-Петербург

1. Веригин Б.В. Проблемы рыбохозяйственного использования растительноядных рыб в водоемах СССР - Ашхабад.: Изд. АН Туркм., 1963.

2. Алиев Д.С. Опыт использования белого амура для борьбы с зарастанием водоемов Ашхабад.: Изд. АН Туркм., 1963.

3. Семенов В.А., Семенова И.В. Водные ресурсы и гидроэкология Калужской области. Обнинск, 2002.

4. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов -Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

5. Беркович К.М., Чалов Р.С., Чернов А.В. Экологическое русловедение М: ГЕОС, 2000.

6. Константинов А.С. Общая гидробиология М: Высшая школа, 1986.

7. Жадин В.И., Герд С.В. Реки, озера и водохранилища СССР их фауна и флора М: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1961.

8. Леонов Е.А. Некоторые характеристики зарастающего русла в связи с методикой учета стока воды. Тр. ГГИ, вып. 77. Л., Гидрометеоиздат, 1960, с. 74-86.

9. Мудрецова-Висс К.А. Прогноз цветения воды водохранилищ для водоснабжения промышленных предприятий и населенных мест М., Водгео стройиздат, 1971

10. П.Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР Л., Гидрометеоиздат, 1948.

11. Макковеев М.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М., 1955.

12. Чалов Р.С. Общее географическое и инженерное русловедение: предмет исследований и положение в системе наук. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.5, География. 1992, №6, с.10-16.

13. Кондратьев Н.Е., Попов И.В.,Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса -Д.: Гидрометеоиздат, 1982.

14. Антроповский В.И. Морфология долин и деформации русел рек в карстовых районах Европейской части России // Труды V конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 1999.

15. Барышников Н.Б.,Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы -JI.: Гидрометеоиздат, 1988.

16. П.Гришанин К.В. Гидравлические сопротивления естественных русел -JL: Гидрометеоиздат, 1992.

17. Барышников Н.Б. Антропогенное воздействие на русловые процессы -Л.: Изд-во ЛГМИ, 1990.

18. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока —Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

19. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов -М.: Стройиздат, 1969.

20. Спицын И.П.,Соколова В.А. Общая и речная гидравлика -Л.: Гидрометеоиздат, 1990.22.3ежгда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах Л.:- М.: Госстройиздат, 1957.

21. Барышников Н.Б.,Самусева Е.А. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему бассейн- речной поток- русло -СПб, изд-во РГГМУ, 1999.

22. Дубов А.С., Быкова Л.П., Марунич С.В. Турбулентность в растительном покрове.-Л.: Гидрометеоиздат,1978.

23. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Ч. 1 -М.: Наука, 1967.

24. Гончаров В.Н. Основы динамики русловых потоков -Л.: Гидрометеоиздат, 1954.

25. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика потоков на урбанизированных территориях -Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

26. Альтшуль А.Д., Нгуен Тай Гидравлические сопротивления при фильтрации воды в растительном слое почвы. Ж. «Метеорология и гидрология», №12,1973, с.77-84.

27. Knight А.С.Е. Rationalized Energy-lass parameters for channels. J. Hydravlies Engineering. T.144,1988, p.757-765/

28. Карасев И.Ф., Сунцова Е.Б. Пропускная способность русла и учет стока зарастающих рек. Ж. «Гидротехническое строительство», №1,2001.

29. Nagy Н.М., Watanobe К. Critical shear stress in vegetated open channel. Proc. Twelfth congr. of the ARD JAHR. Nov.13-16. 2000. Bangkok. Vol.1 Riv. Hydraulics. S. 279-287

30. Беновицкий Э.Л. О коэффициенте гидравлического трения по границе заросшей высшей водной растительности в открытых руслах. «Водные ресурсы» з, «Наука», 1991г., с.71-75

31. Fratric I. Urcenie niektorych charakteristik v zarastenych korytach. "Vodohospodarsky casopis". Slov. ak. vied, Bratislava. 1962/

32. Querner E.P. Aqatic weed control an integrated water management framework.- Wageningen (Netherlands): DLO Winand Starting Center, 1993 203 p.

33. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм,-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

34. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов —Л.: Гидрометеоиздат, 1992.

35. Великанов М.А. Динамика русловых потоков -М.: Гидрометеоиздат, 1954.Т1, М.: Гидрометеоиздат 1955, Т2.

36. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии,- СПб.: Гидрометеоиздат, 1994

37. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности речной сети.-Л.:Гидрометеоиздат, 1960г.

38. Тумановская С.М. Особенности организации полевых исследований на малых водосборах для оценки максимального стока воды. В сб. «Условия формирования и методы прогноза стока р.Волги» СПб.: Гидрометеоиздат, 1995, с.70-81.

39. Roudkivi A.I. Loose Boundary Hydraulics. Rotterdam, Brookfild, 1988.

40. Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (НИМП-72).-М.: Транспорт, 1972.43.0гиевский А.В. Гидрометрия и производство гидрометрических работ ОНТИ, 1937.

41. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

42. Наставление гидрометеорологическим станциям и потам, вып.6, ч. 1-3 -Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

43. Флерова Р.А. Гидрологический анализ результатов наблюдений на речных станциях Л., Гидрометеоиздат, 1951.

44. Комора Ю. Результаты исследований влияния древостоя на прохождения паводков. Инф бил. По водному хозяйству СЭВ, №2, Москва, 1978, с. 13-18.

45. Эйпре Т.Э. Анализ способов вычисления ежедневных расходов воды рек.-Л.: Гидрометеоиздат, 1981г.

46. Карасев И.Ф., Яковлева Т.П. Методы оценки погрешностей гидрометрического учета стока. Ж. «Метеорология и гидрология», №6, 2001, с. 96-106.

47. Карасев И.Ф. Эколого-гидрологические характеристики водного режима рек. Ж. «Гидротехническое строительство», 1997, № 5, с. 40-45.

48. Моисеев Н.Н. Комментарии к «Эволюция атмосферы» Костицина В.А. М.: изд. «Наука», 1984, с. 46-96.

49. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек -Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

50. Трестман А.Г. Методы подсчета стока рек в зависимости от физико-географических условий Л.; Гидрометеоиздат, 1960.

Информация о работе

Векшина, Татьяна Викторовна
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2004
ВАК 25.00.07

Диссертация

Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы