Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидравлические сопротивления в системе речных русел

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Симанович, Андрей Викторович

Введение.

1. Проблемы исследования гидравлических сопротивлений речных русел.

1.1. Понятие о гидравлических сопротивлениях.

1.2. Пропускная способность речных русел.

1.3. Существующие формулы для расчётов коэффициентов Шези.

1.4. Виды связей изменения коэффициентов Шези с глубиной.

2. Системы речных потоков и морфометрические характеристики их русел.

2.1. Структура речной сети.1.

2.2. Общий уклон, как характеристика квазиравномерного режима движения.

3. Системно-статистическая оценка коэффициентов шероховатости речных русел.

3.1. Организация наблюдений на гидрологической сети и Государственный Водный Кадастр.

3.2. Оценка погрешностей измеряемых величин.

3.3. Анализ использовавшейся натурной информации.

3.4. Существующие способы определения коэффициентов шероховатости.

3.5. Определение коэффициентов шероховатости на основе их связи с общими уклонами русел рек.

4. Анализ зависимостей для оценки влияния формы русла на гидравлические сопротивления речных русел.

4.1. Эффект геометрической формы русла.

4.2. Состояние изученности проблемы пространственных потоков.

5. Расчётная зависимость для оценки пропускной способности речных русел.

5.1. Критериально-статистическое понятие квазиоднородного потока.

5.2. Вывод формулы для расчёта коэффициента Шези на основе закона сохранения количества движения

5.3. Анализ расчётной зависимости.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидравлические сопротивления в системе речных русел"

Актуальность темы. Гидравлические сопротивления - узловая проблема речной гидравлики. Методики их расчёта всё ещё остаются несовершенными и не позволяют получить желаемой точности результатов. Это обусловлено недоучётом ряда факторов, в частности, формы сечения русел и неопределённостью характеристик их шероховатости.

Важным представляется осуществление оценки коэффициентов шероховатости не только на основе качественных признаков участка реки, но и от других, поддающихся количественной оценке, факторов. В частности, определение коэффициентов шероховатости в зависимости от общих уклонов водотоков, как характеристики литологических условий бассейнов.

Цель и задачи исследований. Основной целью работы является оценка влияния формы сечения и гидроморфологических факторов на гидравлические сопротивления русел рек с учётом их изменения в иерархической структуре речной системы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработана методика оценки гидравлических сопротивлений с учётом формы сечения русел.

- обосновано использование общего уклона водной поверхности на бесприточном участке реки фиксированного порядка потока, как фактора, отражающего коэффициент шероховатости;

- определён гидравлически наивыгоднейший интервал относительных ширин русел, в пределах которых сопротивление берегов движению потока минимально;

- определена зона гидравлической неустойчивости потока в относительно широких руслах;

Научная новизна. Результаты исследований, изложенные в работе, обладают следующей научной новизной:

- впервые разработана методика расчёта коэффициентов шероховатости с использованием характеристик системы речных русел;

- получена новая зависимость для оценки коэффициентов Шези, включающая объективные характеристики русла - его относительную ширину и количественно определяемый коэффициент шероховатости;

- установлено, что зона минимальных гидравлических сопротивлений речных русел соответствуют значениям относительной ширины B/h «10-20, и зависит от глубины и коэффициента шероховатости русла;

Практическая ценность работы. Предложенная формула для определения коэффициента Шези с учётом влияния формы сечения существенно повышает точность определения пропускной способности речных русел. Полученные результаты исследований могут быть использованы для расчётов расходов воды при проектировании гидротехнических сооружений и регулировании рек (Ги-протранс, Гипротрансмост, Гидропроект и др.).

Методика исследования. Исследования проводились на основе гидравлических зависимостей для квазиравномерных потоков, характеристик сопротивлений их движению в системе речных русел с использованием результатов натурных и лабораторных данных.

Достоверность полученных результатов. Достоверность обоснована положительными результатами контрольных расчётов по предложенной методике, выполненных на основе независимой натурной информации. Корректность полученной методики определяется использованием современных методов количественного компьютерного анализа.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии РГГМУ (19982001гг.); на итоговых сессиях учёных советов РГГМУ (1998-2001гг.); на третьей Санкт-Петербургской Ассамблее молодых учёных и специалистов (1998г.); на первой международной научной конференции студентов и аспирантов "Современные аспекты гидроаэродинамики - 98" (1998г); на специализированных научно-практических конференциях, в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" (1999-2000гг.); на XVI пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (2001г.) и др.

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 84 наименований, 10 приложений, 5 таблиц и 15 рисунков. Общий объём работы составляет 132 страницы.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Симанович, Андрей Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение приведём основные результаты выполненной работы.

- выполнен критический анализ морфометрических зависимостей характеристик речных русел от порядка потоков. Установлено, что они приобретают наибольшую устойчивость для потоков VI-XV порядков, что связано с появлением несвязных аллювиальных отложений в их руслах. Тем самым определена область применения зависимостей, вытекающих из основной характеристики системы речных русел;

- показана роль общего осреднённого уклона, отражающего геоморфологию бассейна и определяющего характеристики русел, как элемента речной системы;

- рекомендована методика определения коэффициента шероховатости речных русел в зависимости от общего уклона русла;

- предложена зависимость для расчёта коэффициента Шези, учитывающая форму сечения русла и общий уклон русла;

- установлены границы интервалов минимальных сопротивлений для рек B/h = 20-25 и Bjh > 100;

- положительные результаты проверок полученных соотношений на независимом материале, позволяют рекомендовать их для практического применения в инженерных расчётах.

ПУБЛИКАЦИИ По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Симанович А.В. Гидравлические сопротивления речных русел// Материалы Итоговой Сессии Учёного Совета РГГМУ. СПб.: Изд.РГГМУ, 1998.-c.76-77.

2. Симанович А.В. Гидравлические сопротивления речных русел// Тринадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: Тез. докл.- Псков, 1998.-е. 149-150.

3. Симанович А.В. Разработка критериев оценки экологической опасности загрязнения донных отложений рек и каналов Санкт-Петербурга// Третья Петербургская Ассамблея молодых учёных и специалистов. Тез. докл.-СПб.:Изд.РГГМУ,1998.-е. 15.

4. Симанович А.В. Учёт дополнительных факторов для оценки гидравлических сопротивлений//Современные аспекты гидроаэродинамики-98. Сб.тез.СПБ.-1998.-с.22.

5. Барышников Н.Б., Саму сева Е.А., Симанович А.В. Гидравлические сопротивления речных русел// Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей: Тр. V конференция М.: Изд. Россельхозакадемии,1999.-с.12-13.

6. Барышников Н.Б., Симанович А.В. Влияние глубин и формы сечения на гидравлические сопротивления речных русел// Четырнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов.- Уфа, 1999.-С.58-59.

7. Барышников Н.Б., Симанович А.В. Роль гидравлических сопротивлений в процессе саморегулирования подсистемы речной поток - русло// Итоговая Сессия Учёного Совета РГГМУ. СПб.: Изд.РГГМУ,1999.-с.57-58.

8. Симанович А.В. Оценка гидравлических сопротивлений с позиций системного подхода// Региональная экология.-СПБ,1999.- №1-2.-с.61-66.

9. Симанович А.В. Системный подход в оценке гидравлических сопротивлений речных русел// Конференция молодых учёных национальных гидро-метслужб стран СНГ: Тезисы докладов.- М.: Изд. ВНИИГМИ-МЦД,1999.-с.111-112.

10. Симанович А.В. Учёт дополнительных факторов, влияющих на гидравлические сопротивления речных русел// Региональная экология,- СПб, 1999.-№4. -с.74-76.

11. Симанович А.В. Гидравлические сопротивления речных русел// Итоговая Сессия Учёного Совета РГГМУ.- СПб.:Изд.РГГМУ, 2000.-c.67.

12. Барышников Н.Б., Симанович А.В. Гидравлические сопротивления речных русел// Итоговая Сессия Учёного Совета РГГМУ.- Спб.:Изд.РГГМУ, 2001.-С.70-71.

13. Барышников Н.Б., Векшина Т.В., Симанович А.В. Гидравлические сопротивления и русловые образования// Тр. XVI межвузовского научно-координационного совета по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов. М.- 2001 .-с.21 -25.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Симанович, Андрей Викторович, Санкт-Петербург

1. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных рус-лах.-Л. :Гидрометеоиздат.-1981 .-240с.

2. Алтунин B.C., Ларионова Л.В. Гидравлический расчёт крупных каналов в легкоразмываемых грунтах // Гидротехническое строительство.-1986.-№1.-с.26-31.

3. Альтшуль А.Д. Основные закономерности равномерного течения воды в каналах. Изв. АН СССР.-№5.-1956.-с.85-94.

4. Альтшуль А.Д. Сравнение формул без коэффициентов шероховатости для определения средней скорости течения воды в реках. \\ Гидротехническое строительство. №1.-1973 .-с.41 -42.

5. Артамонов К.Ф. Регулировочные сооружения при водозаборе на реках в предгорных районах. Фрунзе.: АН КиргССР.-1963.-344с.

6. Барышников Н.Б. Речные поймы.-Л.:Гидрометеоиздат.-1978.-152с.

7. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм.-Л.: Гидро-метеоиздат.-1984.-280с.

8. Барышников Н.Б. Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы.-Л.: Гидрометеоиздат .-1988.-455с.

9. Барышников Н.Б. Руководство к лабораторным работам по динамике русловых потоков и русловым процессам.-Л.: Гидрометеоиздат .-1991.-224с.

10. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Системный подход к оценке сопротивлений речных русел.-СПб.: Гидрометеоиздат .-1992.-79с.

11. Барышников Н.Б. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему бассейн-речной поток-русло.-Л.: Гидрометеоиздат .-1999.-200с.

12. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. JL: Гидрометеоиздат.-1989.-286с.

13. Борсук О.Н. Влияние волнения и пульсации уровня воды на горных реках на точность водомерных наблюдений.-Тр. ГГИ, вып.60.-1960.

14. Васильев А.В., Шмидт С.В. Водно-технические изыскания.-Л.: Гидрометеоиздат .-1987.-357с.

15. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Т.1. Структура потока. М.: Гостехтеориздат.-1954.-323с.

16. Великанов М.А. Гидрология суши. Л.: Гидрометеоиздат .-1964.-403с.

17. Глушков В.Г., Вопросы теории и методы гидрологических исследований.-М.: Изд-во АН СССР, 1961.-320с.

18. Горбачёв П.Ф. Формулы скорости течения жидкости.-М.Л.:Стройиздат.-1936.-168с.

19. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Изд-во ЛГМИ.-1962.-374с.

20. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков.-Л.: Гидрометеоиздат .-1979.-312с.

21. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.:Изд-во стандартов, 1973.-189с.

22. Железняков Г.В., Данилевич Б.Б. Точность гидрологических измерений и расчётов. Л.: Гидрометеоиздат .-1966.-240с.

23. Железняков Г.В. Теория гидрометрии. Д.: Гидрометеоиздат .-1976.-343с.

24. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек.-Jl.: Гидрометеоиздат .-1981.-311с.

25. Залесский Ф.В. О зависимости уклона водной поверхности реки от уровня воды.//Метеорология и гидрология. 1969.-№12.-с.55-62.

26. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. СПб.: Гидрометеоиздат .-1992.- 240с.

27. Ибад-Заде Ю.А. Транспортирование воды в открытых каналах. М.: Стройиздат.-1983.-272с.

28. Инструкция для речных гидрологических станций.-Л.: Гидрометеоиздат .1938.

29. Инструкция по нивелированию I, И, III и IV классов.-М.:Госгеолтехиздат.-1963.

30. Карасёв И.Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети// Тр.ГГИ.-1968.-вып.164.-с.З-36.

31. Карасёв И.Ф. Русловые процессы при переброске стока.-Л.: Гидрометеоиздат .-1975.-288с.

32. Карасёв И.Ф. Речная гидрометрия и учёт водных ресурсов.-Л.: Гидрометеоиздат .-1980.-311с.

33. Карасёв И.Ф., Шумков И.Г. Гидрометрия. Л.:Гидрометеоиздат, 1985.-384с.

34. Карасёв И.Ф., Лобанов В.А. Оценка эффективности пространственной интерполяции характеристик речного стока и численность оптимальной гидрологической сети СССР// Тр.ГГИ.-1988.-вьш.325.-с.З-12.

35. Карасёв И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии.-СПб.: Гидрометеоиздат .-1992.-208с.

36. Карасёв И.Ф. Диффузионно конвективная модель турбулентности и гидравлические характеристики русловых потоков // Метеорология и гидрология, М.: Гидрометеоиздат, 1993.-№9.-с.69-78.

37. Караушев А.В. Проблемы динамики естественных водных потоков. Л.: Гидрометеоиздат .-1960.-392с.

38. Католиков В.М. Экспериментальные исследования побочневого типа руслового процесса. Диссерт. к.т.н. СПб.-2000.-124с.

39. Клавен А.Б. кинематическая структура турбулентного потока. Тр. ГГИ.-1968.-в.147.-с.52-60.

40. Коваленко В.В. Гидрологическая измерительная техника. Л.:изд-во ЛГМИ.-1984.-72с.

41. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. ДАН СССР.-1941.-т.30.-№4.-с.299-303.

42. Курдин Р.Д. Государственный учёт вод и государственный водный кадастр.- в кн.: Проблемы современной гидрологии.-Л., 1979.-С.48-58.

43. Лосиевский А.И. Лабораторные исследования процессов образования перекатов. -Л. :Госстройиздат.-1934.

44. Лохтин В.М. О механизме речного русла. В. кн.: Вопросы гидротехники свободных рек. М.-1948.-С.23-64.

45. Ляхтер В.М., Милитеев А.Н., Школьников С.Я. Численное моделирование турбулентных открытых потоков //Водные ресурсы.-1987.-№ 1.-С.35-41.

46. Маастик А.А. Исследование сопротивления движению воды в открытых призматических руслах.-Тарту.:Эстонская с/х академия.-1959.-29с.

47. Маккавеев В.М. Распределение продольных и поперечных скоростей в открытых потоках. Тр.ГГИ, вып.2(56).-1947.

48. Маккавеев В.М. О структуре граничного слоя турбулентного потока.-Тр.ЛИИВТ.-1957, вып.24.-с.З-11.

49. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М.:Изд-во МГУ.-1986.-264с.

50. Маликов С.Ф., Тюрин Н.И. Введение в метрологию.-М.: Изд-во стандартов, 1966.-248с.

51. Методические указания управлениям Гидрометслужбы, №81. Организация наблюдений над продольными уклонами водной поверхности рек. Л.: Гид-рометеоиздат .-1971.-24с.

52. Методические указания УГМС № 87. Установка и эксплуатация автоматического режимного регистрирующего гидрологического поста АРРГП (ГР-103).-Л.: Гидрометеоиздат .-1974.-133с.

53. Мостков М.А. Очерк теории руслового процесса. М.: Изд. АН СССР.-1959.-274с.

54. Наблюдения на гидрометеорологической сети СССР. Определение понятий гидрометеорологических элементов и оценка точности наблюдений.-Jl.: Гидрометеоиздат .-1970.-92с.

55. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.6,ч.1, 1978; вып.6,ч.2, 1972; вып.б.ч.З, 1958. Гидрометеоиздат.

56. Наставление по изысканиям железнодорожных мостовых переходов через водотоки. -М. :Гл автранспроект. -1957. -224с.

57. Павловский Н.Н. Гидравлический справочник.-М.:Энергоиздат.-1937.-892с.

58. Панов Б.П. Элементы морфологии речных систем.-Сб.Тр. ЛГМИ, №3.1954.

59. Положение о государственном учёте вод и их использования.-М.: Гидрометеоиздат .-1975.-7с.

60. Проскуряков А.К. Об одной систематической ошибке при измерении расходов больших рек с деформирующимся руслом.//Метеорология и гидрология.-№ 11.-1951.

61. Рекомендации по гидравлическому расчёту крупных каналов.-М.: ГКНТ.-1988.-153с.

62. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети.-Л.: Гидрометеоиздат .-I960.-238с.

63. Савельева А.В. Характеристика основного способа измерения расходов воды на реках с метрологической точки зрения // Метеорология и гидрология, М.: Гидрометеоиздат, 1991.-№9.-с.106-109.

64. Сергутин В.Е., Радкж A.JT. О морфометрии русел и сечении каналов.-Красноярск.: Изд-во Красноярского ун-та.-1984.-151с.

65. Скородумов Д.Е. Гидравлические основы экстраполяции кривых расходов до высших уровней.-Тр.ГГИ, вып.77.-1960.-с.З-44.

66. Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды.-Тр.ГГИ,вып. 128.-1965.-с.3-96.

67. Соколов А.А., Чеботарёв А.И. Очерки развития гидрологии в СССР.- Л.: Гидрометеоиздат ,1970.-3 Юс.

68. Спицын И.П., Соколова В.А. Общая и речная гидравлика.-Л.: Гидрометеоиздат .-1990.-359с.

69. Срибный М.Ф. Нормы сопротивления движению естественных водотоков и расчёт отверстий больших мостов по способу бытовых морфологических характеристик. Л.-М. Гострансиздат.-1932.

70. Срибный М.Ф. Формула средней скорости течения рек и их гидравлическая классификация по сопротивлению движения.- в сб. Иссл-я и компл. Испол. Вод.ресурсов.-М. :АН СССР.-1960.-с204-220.

71. Уханов В.В. Очерк развития стационарных гидрологических наблюдений в СССР.-Тр.ГГИ.-1948.-вып.4 (58).-с.З-15.

72. Форхгеймер Ф. Гидравлика.-Пер.с нем.-М.:Мир.-1972.-615с.

73. Хортон Р.Е. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов.-М.:ИЛ.-1948.-110с.

74. Черкавский С.К. Государственный учёт вод и их использование и гидрологические расчёты и прогнозы.// Метеорология и гидрология.-1973.-№ 10.-c.18-26.

75. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов.-Пер.с англ.-М.:Госстройиздат.-1969.-464с.

76. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.:Энергоиздат.-1982.-672с.

77. Braydlay I.N. Hydraulics bridge waterways.-Washington.:Hydraulics research №l-1960.-pl-53

78. Garbrecht G. Abflusberechnungen fur Flusse und Kanale. Die Wasser-Wirtschaft.-1961, n.2-3.

79. Kazemipour A.K., Apelt G.I. New data on shape effects in smooth rectangular channels. J. Of hydr. res.-1982. Vol.20, №3, p.225-233.

80. Nalluri G., Aderoju B.A. Shape effects on resistance to flow in smooth channels of circular cross-section. J. of hydr. Res.- 1985, vol. 23, №1, p.37-46.

81. Raudkivi A.J. Loose boundary Hydraulics / 2nd ed.-N.Y.: Pergamon Press, 1976.-395p.

82. Shih K., Grigg M.A. Reconsideration of hydraulics radius as a geometric quantity in open channel hydraulics. Proc.XII congr. IAHR.-1967.-p.14.

83. Характеристики потоков речной системы по НА Ржаницыну

84. Характеристика 1 2 О U1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

85. Длина рек (от истоков) 0,8 1,5 2,8 5,1 9,3 16,9 31 57 104 190 338 620 1140 2090 3810

86. Длина потоков 0,8 0,71 1,3 2,3 4,2 7,6 14,1 26 47 86 148 282 520 950 1720

87. Площадь водосбора (линейная) 0,15 0,21 0,31 0,44 0,64 0,92 1,33 1,91 2,75 3,96 5,7 8,2 11,8 17 24,5

88. Площадь водосбора км2 0,12 0,315 0,868 2,24 5,95 15,55 41,23 109 286 752 1927 5084 13452 35530 93345

89. Расход среднемноголетний 0,004 0,011 0,03 0,088 0,25 0,71 2 5,65 16 45,2 128 363 1025 3000 8500

90. Расход сред нема кси м а л ьы ы й 0,5 1,12 2,51 5,6 12,6 28,2 63 141 316 710 1590 3560 7950 17800 40000

91. Соотношение характерных расходов 128 102 81 63,7 50,4 39,7 31,5 25 19,8 15,7 12,4 9,82 7,75 5,93 4,71

92. Т еолнь| весеннего половодья 0,01 0,1 0,4 1 2,08 4,7 7,2 10,1 17,5 21,5 29 40 52 70 90

93. ЫЦ 0,173 0,098 0,061 0,042 0,0308 0,024 0,0195 0,0167 0,0146 0,0132 0,0122 0,0113 0,0108 0,0103 0,01

94. В (ширина) меженного русла 0,26 0,69 1,6 3,5 7 13,3 24,2 42 70 114 182 283 433 658 1000

95. Ук|юн русла продольный 0,134 0,049 0,02 0,0089 0,0042 0,00216 0,00114 0,00063 0,00036 0,000215 0,000129 0,000079 0,0000495 0,000031 0,00002h (глубина) меженного русла 0,045 0,068 0,098 0,147 0,216 0,319 0,472 0,701 1,02 1,50 2,22 3,20 4,68 6,78 10

96. B/fo 5,8 10,2 16,3 23,8 32,5 41,7 51,3 59,9 68,5 75,8 82,0 88,5 92,6 97,1 100

97. F площадь селения русла 0,012 0,047 0,157 0,515 1,51 4,25 11,42 29,459 71,54 172 404 905 2025 4460 10000уы юн ? | -©-Волга | —а— Кама -х-Ока f i — Клязьма | -о- Мокша | -*-Москва 1