Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек

Алешкин, Сергей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

на правах рукописи

АЛЕШКИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 551.482.6

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕПРИЛИВНЫХ ДЕЛЬТАХ РЕК

Специальность 25.00 27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор В.Н. Михайлов Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.К. Дебольский

доктор географических наук В.Н. Коротаев

Ведущая организация - Московский государственный университет природообустройства (кафедра гидрологии и гидрометрии)

Защита состоится"_"_2004 г.

в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-501.001.68 при Московском государственном университете им. М В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан"_

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

ЛХ к! Ссс, СО

С.Ф. Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Речные дельты представляют собой уникальные географические объекты, очень изменчивые и экологически уязвимые. Они обладают богатыми природными ресурсами, широко используемыми различными отраслями хозяйства. Особенности природного облика дельт и возможности их хозяйственного использования в основном определяются гидролого-морфологическими процессами, под которыми понимают совокупность динамики вод и наносов, рельефа дна и берегов. Изучение этих процессов вследствие их сложности, многофакторности, значительной естественной и антропогенной изменчивости представляет большие трудности. В этих условиях возникает необходимость в поиске дополнительных (помимо натурных наблюдений и исследований) путей изучения этих процессов, в том числе и с применением методов математического моделирования.

Математическое моделирование может стать одним из эффективных путей изучения и прогнозирования гидролого-морфологических процессов в дельтах рек. Оно позволяет, с одной стороны, более глубоко изучить эти процессы, а, с другой стороны, спрогнозировать воздействие на них как естественного, так и антропогенного изменения определяющих факторов. С помощью моделирования можно более точно рассчитать влияние на режим дельт проектируемых водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, предсказать их последствия и выбрать наиболее оптимальные варианты.

При исследовании речных дельт ранее уже применялись методы математического моделирования, в основном основанные на решении уравнений речной гидравлики (работы К.В. Гришанина, В.В. Иванова и др.). С помощью математического моделирования изучались также и некоторые проявления русловых процессов в дельтовых водотоках (работы В.В. Иванова, МА Михалева, АА. Пискуна, Н.И. Алексеевского, А.Ю. Сидорчука, В.Н. Михайлова, В.Ф. Полонского и др.). Выдвижение дельт в море моделировали С.С. Байдин, В.Н. Михайлов, В.Ф. Полонский и др. Однако комплексной модели, позволяющей одновременно рассчитывать перераспределение стока воды и наносов по рукавам дельты, процессы активизации и отмирания рукавов, выдвижение и отступание дельты, а также воздействие морских факторов, разработано не было.

ускоряющимся повышением уровня Мирового океана и связанных с ним морей (подъем уровня моря не только приводит к затоплению дельт, но и усиливает разрушающее воздействие на морской край дельт волнения, нагонов и приливов), в-третьих, расширением освоения природных (водных, земельных, биологических) ресурсов дельт, в-четвертых, сокращением экспедиционных исследований и стационарных наблюдений в дельтах по экономическим причинам.

Большой интерес вызывает также оценка гидрологического состояния неизученных или слабоизученных дельт или их отдельных русловых систем. Кроме того, актуальным становится решение ряда более общих вопросов: например, каким образом уменьшение стока наносов скажется на развитии многорукавных дельтовых систем, ускорит ли оно отмирание боковых водотоков или нет; как скажется на режиме и развитии дельт повышение уровня моря и усиление абразии их морского края; как на процессы развития дельт влияют число водотоков, рельеф дна устьевого взморья и т.д. Решение этих вопросов возможно путем численных экспериментов с помощью методов математического моделирования.

Цель работы - разработать комплексную компьютерно-математическую модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек и применить ее для изучения и прогнозирования изменения гидрологического режима этих объектов.

Для этого потребовалось последовательно решить следующие задачи:

1) разработать алгоритм и компьютерную программу комплексной математической модели гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек на основе комбинации методов речной гидравлики (метод общих модулей гидравлического сопротивления), концепции "устойчивых" гидролого-морфометрических характеристик, балансового подхода при расчете движения воды и наносов;

2) проверить модель на примере конкретных объектов;

3) применить модель для более углубленного исследования гидролого-морфологических процессов в дельтах Яны, Дуная, Кубани и Волги;

4) исследовать с помощью модели влияние на развитие и режим неприливных дельт воздействие таких внутренних и внешних факторов, как структура русловой сети дельты, уклоны дна взморья, сток воды и наносов реки, изменения уровня моря, разрушающее воздействие морского волнения;

5) использовать модель для расчета и прогноза возможных изменений строения и режима дельт Яны, Дуная, Кубани и Волги в случае осуществления различных вариантов гидротехнических работ (дноуглубления, русловыправления и др.);

6) разработать систему графического и текстового представления результатов расчетов и инструкцию для пользователей, позволяющих лицам, не имеющим специального образования, производить на ПЭВМ собственные расчеты по разработанной компьютерно-математической модели.

Методика исследования и исходные материалы Исследование базируется на достижениях отечественной школы в изучении неприливных дельт и теории устьевых процессов, созданной в ГОИНе, МГУ, ААНИИ," ИВП РАН. В процессе выполнения работы применялись методы речной гидравлики, расчетов гидролого-морфометрических характеристик водотоков, балансовые методы. Результаты моделирования сравнивались с данными полевых исследований. В качестве программной основы применялись программный комплекс Microsoft Excel ХР и Visual Basic for Applications.

В качестве исходных материалов использованы карты и данные стационарных и экспедиционных полевых исследований Астраханского центра по гидрометеорологии, Астраханского комплексного проектно-изыскательского отдела Института Союзморниипроект (автор принимал участие в совместной экспедиции в дельте Волги), Дунайской гидрометеорологической обсерватории (Измаил, Украина), географического факультета МГУ (кафедры гидрологии суши и Лаборатории эрозии почв и русловых процессов), Кубанской устьевой гидрометстанции (г. Темрюк). Автор диссертации благодарит перечисленные организации за сотрудничество в совместных исследованиях и предоставленные материалы наблюдений.

Научная новизна работы и предмет зашиты. Представлена комплексная компьютерно-математическая модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах, состоящая из гидравлического и морфологического блоков и позволяющая рассчитывать и прогнозировать изменения гидролого-морфометрических характеристик рукавов дельт под влиянием естественных и антропогенных факторов. С помощью модели получены новые данные о гидролого-морфологических процессах в дельтах Яны, Дуная, Кубани и Волги, выявлены основные закономерности реакции одно-, двух- и трехрукавных дельт на изменения стока воды и наносов реки, подъем уровня моря, устьевое удлинение русла, волновой размыв дельты и др.

Результаты исследования переданы для использования Астраханскому комплексному проектно-изыскательскому отделу Института Союзморнштроект, Дунайской ГМО, Кубанской устьевой гидрометстанции. Результаты работы могут быть использованы при изучении и прогнозировании гидролого-морфологических пооцессов в неприливных дельтах других рек.

Апробация работы. Результаты исследования доложены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-98" (Москва, МГУ, 7-10 апреля 1998 г.), V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей" (Москва, ИВП РАН, 22-26 ноября 1999 г.), в весенней студенческой школе "Динамика атмосферы и океана" (Текос, 5-10 мая 2000 г.), на Международной конференции "Гидрометеорология и охрана окружающей среды -2002" (Одесский государственный экологический унивепситет, сентябрь 2002 г), "XXI Конференции придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства" (Бухарест, Румыния, сентябрь 2002 г.), семинаре кафедры гидрологии суши (МГУ). По результатам исследования опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из Введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 149 страницах машинописного текста и включает 65 рисунков, 71 таблицу. Список литературы насчитывает 102 наименования, из них 13 на английском языке.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи работы, охарактеризованы ее научная новизна, практическая значимость, приведены сведения об исходных материалах и методах исследования.

В главе 1 рассматриваются основные закономерности гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек.

Гидролого-морфологические процессы в дельтах рек представляют собой важнейшую часть устьевых процессов, формирующих устьевую область реки как географический объект и ее специфическую экосистему.

Гидролого-морфологические процессы (ГМП) в дельтах рек включают в первую очередь взаимосвязанные и взаимодействующие 1) динамику воз в водотоках дельты (распределение расходов и уровней воды, скорости течения, заливание дельты и др.); 2) перенос взвешенных и влекомых наносов; 3) русловые процессы в дельтовых водотоках, формирование устьевых баров и морского края дельты (МКД). ГМП создают основу процесса дельтообпазования, определяют гидрологический режим дельты и его сезонные

и многолетние изменения, они также обусловливают развитие других устьевых процессов - формирование почвенно-растительного покрова дельты, ее гидрохимического режима и экологических условий.

В главе подробно рассмотрены основные формы проявления ГМП в неприливных дельтах, природные и антропогенные факторы на них влияющие. В качестве примеров рассмотрены ГМП в дельтах рек Волги, Кубани, Дона, Дуная и др.

Показано, что ведущими процессами, входящими в ГМП, являются взаимосвязанные перераспределение стока воды и наносов по водотокам дельты и эрозионно-аккумулятивные процессы в ее русловой сети - отмирание и активизация водотоков, выдвижение рукавов в море, волновой размыв устьевых баров и МКД.

Важнейшую роль в ГМП в дельтах играют внешние факторы и прежде всего естественные и антропогенные изменения стока воды и наносов реки, крупномасштабные колебания фонового (среднего) уровня приемного водоема, морское волнение.

Специально рассмотрены виды хозяйственной деятельности в пределах дельт, влияющие на ГМП: обвалование рукавов, сооружение водозаборов и водосбросов, углубление водотоков и устьевых баров для целей судоходства и т.д.

В главе приведена разработанная автором схема взаимодействия элементов ГМП в дельтах рек и внешних и внутренних, естественных и антропогенных факторов, влияющих на эти процессы.

Во второй главе рассмотрены проблемы математического моделирования гидролого-морфологических процессов (ГМП) в неприливных дельтах.

В первой части главы изложена история применения методов математического моделирования для изучения ГМП в дельтах рек. Рассмотрены следующие модели: 1) основанные лишь на уравнениях речной гидравлики - модели К.В. Гришанина (1967), В.В. Иванова (1968, 1976), Ф.М. Чернышева (1973), 2) учитывающие помимо гидравлических закономерностей также и русловые деформации в водотоках дельт -модели В.В. Иванова, МА. Михалева, А.С. Марченко (1980), В.В. Иванова, МА. Михалева, А.С. Марченко, АА. Пискуна, К.Е. Чернина (1983), В.В. Иванова, АА. Пискуна, МА Михалева, А. С. Марченко (1990); 3) основанные на уравнениях баланса наносов - модели В.Ф. Полонского (1990,1992).

Показаны условия применимости, преимущества и недостатки упомянутых моделей. Отмечено, что следующим логическим продолжением раннее проведенных исследований ГМП в дельтах с применением методов математического моделирования является разработка комплексной компьютерно-математической модели, учитывающей как сугубо гидравлические закономерности режима дельт, так и крупномасштабные

морфологические процессы в дельтах (процессы отмирания и активизации водотоков, выдвижение и отступание дельт, формирование устьевого конуса выноса, включая устьевые бары и МКД), учитывающие также влияние крупномасштабных изменений уровня моря, морского волнения, воздействие местных гидротехнических мероприятий. Такая модель должна быть, с одной стороны, гибкой в настройке и учитывать взаимозависимые факторы, а, с другой, должна легко адаптироваться к современным персональным компьютерам и быть доступной для пользователей. Настраиваемый интерфейс вместе с комплексным подходом позволяет использовать полученную модель в целом ряде как теоретических, так и практических исследований.

В основу разработанной комплексной математической модели (вторая часть главы) положены:

1. Метод общих модулей гидравлического сопротивления для расчета перераспределения расходов воды по системе разветвляющихся водотоков при изменении их морфометрических характеристик (предложен В.Н. Михайловым в 1974 г.). Преимущество этого метода, применительно к решаемым в работе задачам, заключается в возможности непосредственного (без процедуры итераций) аналитического расчета распределения (и перераспределения) расходов воды по рукавам дельты при заданных морфометрических характеристиках водотоков: длины Ь, ширины В, средней глубины к и площади поперечного сечения , а также известном коэффициенте шероховатости

п. Метод основан на предположении, во-первых, о существовании полного баланса расходов воды в системе дельтовых водотоков, т.е. об отсутствии линейных потерь или добавлений стока воды в дельте, и .во-вторых, о равенстве суммы падений уровня воды от вершины дельты до моря по любым смежным направлениям. Сущность метода заключается в замене модулей гидравлического сопротивления водотоков и их систем некоторым "общим модулем", вычисляемым, по аналогии с электрическими цепями по схемам последовательного, параллельного и последовательно-параллельного соединений водотоков, их частей и систем.

Распределение расходов воды между двумя системами рукавов при использовании этого метода рассчитывается по формуле

(1)

где - расходы воды в истоках двух смежных русловых систем с общим узлом

разветвления и выходящих на одно и то же приглубое устьевое взморье, -

общие модули гидравлического сопротивления обеих русловых систем, вычисляемые по формуле вида

где - модуль сопротивления основного (подводящего) рукава системы, а и

Рцбщм - общие модули сопротивления частных подсистем, входящих в систему i (они вычисляются также по формулам вида (2)).

Для простейшей двухрукавной системы, состоящей из рукавов I и П, формула (1) примет простой вид

а/а.--Ум • (3)

Модуль гидравлического сопротивления рукава или его участка (характеристика, введенная в гидравлику Н.Н. Павловским) определяется следующим уравнением, вытекающим из формулы Шези - Маннинга

^ = Дгф = ЬпгIВ2№ . (4)

Коэффициент шероховатости и можно рассчитать по формуле В.М. Маккавеева - А.В.

Караушева п = О.ОЗс/^, где d - средний диаметр донных наносов в мм.

Метод общих модулей сопротивления был ранее применен для расчета распределения расходов воды в дельтах Дона, Дуная, Яны и дал удовлетворительные результаты.

2. Метод расчета изменения морфометрических характеристик водотоков дельты с помощью гидролого-морфометрических зависимостей, связывающих между собой "устойчивые" характеристики водотоков, при которых необратимые (направленные) русловые деформации отсутствуют и возможны лишь обратимые (знакопеременные) изменения русла, например при движении донных гряд. "Устойчивые" морфометрические характеристики определяются только руслоформирующим расходом воды Q и соответствующей мутностью воды 5:

(5)

Зависимости вида (5) получены В.Н. Михайловым для многих дельт мира, причем коэффициенты К оказались индивидуальными для каждой дельты и зависящими от ,5 (чем больше мутность воды, тем меньше В, к и а при тех же величинах Q).

Если расход воды водотока в связи с перераспределением стока по рукавам дельты изменяется, то в процессе взаимного приспособления потока и русла в соответствии с (5) изменяются и величины В, к и а . Эти изменения ведут согласно гидравлическим формулам (1) - (4) к новому перераспределению расходов воды по рукавам. Это, в свою

очередь, вызывает новые русловые деформации, и процесс продолжается, пока водоток, уменьшающий свой сток и свои морфометрические характеристики, не отомрет.

3. Метод расчета той части стока наносов, которая выносится рукавом на взморье и участвует в формировании конуса выноса и в устьевом удлинении русла. Расчет складывается из трех этапов. На первом рассчитывается сток "транзитных" русло- и бароформирующих наносов, поступающих из реки. Расчет ведется по формулам

R.=s.Q,WR,t=Si.At. (б)

Здесь Q и Л, - расходы воды и русло- и бароформирующих наносов в рукаве; S. -концентрация таких наносов; W„ п - транзитный сток русло- и бароформирующих

наносов за расчетный интервал времени Д/ (например год); 5 - плотность дельтовых отложений (обычно 1100-1300 кг/м3). К русло- и бароформирующим наносам относятся наносы песчаных фракций с доля таких наносов в полном стоке наносов

обычно составляет 30-50%, т.е. s,=kts, где. £,»0,3-0,5. На втором этапе рассчитывается изменение стока русло- и бароформирующих наносов вдоль рукава, вызванное либо эрозией и увеличением его площади поперечного сечения либо

аккумуляцией наносов и уменьшением его площади сечения

А1УЯ = AmL, (7)

где L - длина.рукава, а изменение До за расчетный период равно е>т - а^ {<om определяется по формулам вида (5) при заданной величине Q). На третьем этапе "транзитная" и "эрозионно-акхумулятивная" составляющие стока наносов суммируются:

(8)

4. Определение тенденции развития отдельного рукава дельты при отсутствии данных о многолетних изменениях его поперечных размеров. В этом случае фактическая средняя скорость течения сравнивается с неразмывающей скоростью которая рассчитывается по формулам Г.И. Шамова, В.Н. Гончарова или A.M. Латышенкова. Последняя, дающая хорошие результаты, выглядит следующим образом:

V„ = (9)

где крупность донных наносов d в мм, глубина h в м. Принято, что при V > 1,4ГЯ водоток размывается, при находится в динамически устойчивом

состоянии, при V <V„ движение влекомых наносов отсутствует. Аналогичные результаты могут быть получены и путем расчета расхода влекомых наносов в разных

створах вдоль устьевого участка реки или рукава дельты. При этом можно использовать общеизвестные и дающие близкие результаты формулы Г.И. Шамова и В.Н. Гончарова.

5. Метод расчета выдвижения дельтового рукава в море. Решение этой задачи наиболее сложно, так как заранее неизвестны форма и объем конуса выноса в устье реки. Имеется несколько формул для расчета объема конуса выноса в устье реки. Наилучшие результаты дает расчет по эмпирическим формулам, связывающим между собой длину площадь и объем конуса выноса вида

ЩНаг ^з-^л (10)

где к, х,у,1 - индивидуальны для разных дельт. При отсутствии данных наблюдений можно воспользоваться простым уравнением для определения объема конуса выноса, продольный профиль которого представлен как половина трапеции:

_ГВ. у0

"кв ~ - /. . \ » 2 (/,-/<,)

(11)

где I - длина конуса выноса, В, - его ширина, пропорциональная ширине русла в устьевом створе (Й.=ЛВ), »„- исходный уклон дна устьевого взморья, ¡е- уклон морского склона конуса выноса (устьевого бара), при этом >/„. Из (И) получаем формулу для расчета длины конуса выноса

! = (12)

\ 2 »Л

Если известен объем русло- и бароформирующих наносов , поступающих на конус выноса за все время существования дельты, то приравнивая и используя формулу

(12), можно получить величину I. Вычисляя аналогичным образом I за два последовательных момента времени, определяем величину устьевого удлинения

^ ^КОН Ают *

Третья глава посвящена проверке эффективности модели для дельт рек Яны, Кубани и Дуная. Поскольку любая модель представляет научный интерес и практическую ценность в основном применительно к конкретным объектам, то для практического использования, апробации и проверки разработанной компьютерно-математической модели был выбран ряд дельт, отвечающих набору определенных требований. К их числу относятся следующие: 1) все дельты должны быть неприливными, но отличаться друг от друга строением русловой сети, интенсивностью морфологических процессов, степенью влияния антропогенных факторов; 2) применение модели к этим дельтам должно представлять как научный, так и практический интерес (в связи с прогнозом хода

естественных процессов и оценкой возможного влияния на режим дельты местных уже осуществленных или проектируемых водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, в частности русловыправительных и дноуглубительных работ); 3) для проверки и калибровки модели необходимо иметь данные, полученные в результате полевых исследований.

При моделировании принято проверять модель сначала на более простых объектах (или упрощенных подобиях сложных), постепенно усложняя объект моделирования или переходя к более сложным объектам. По данному принципу ранжированы три выбранные дельты (от более простых к более сложным): дельты рек Яны, Кубани и Дуная.

Дельта Яны характеризуется простой структурой русловой сети, относительно стабильными руслами рукавов. Дельта Кубани также имеет относительно простое строение, однако кардинально отличается от дельты Яны наличием многочисленных искусственных водозаборов и водосбросов. Дельта Дуная - еще более сложный объект моделирования, так как не только обладает весьма разветвленной русловой сетью, но и большим количеством устьевых баров. Особенностью дельты Дуная является изменчивая русловая сеть, поскольку процессы активизации и отмирания водотоков происходят здесь достаточно интенсивно, что приводит к относительно быстрому перераспределению стока воды и наносов по рукавам дельты.

Дельта р. Яны хорошо изучена по сравнению с другими устьями рек арктической зоны, прежде всего благодаря двум сериям- широкомасштабных экспедиционных исследований географического факультета МГУ в 1971-1973 и 1985-1988 гг. Важным результатом полевых изысканий явились планы русел магистральных рукавов дельты и съемки их устьевых баров, схемы распределения крупности донных отложений, данные многочисленных измерений расходов воды и взвешенных наносов в дельтовых рукавах и баровых бороздинах.

Для использования расчетного метода русловая сеть дельты была схематизирована, каждый участок Яны между узлами разветвления и каждый рукав дельты получили номера (нумерация водотоков проведена сверху вниз от самого верхнего правого бокового рукава, и поэтому в данном случае справа налево). Всего выделено 12 участков русла и отдельных рукавов и 5 узлов разветвления Для упрощения

вычислений в расчетную схему дельты внесен ряд допущений. В частности принято, что рукава XI и ХП (Тарынгнаах и Ильин-Шар) не сливаются вблизи моря, а впадают в него изолированно друг от друга; рукава (протоки) Дурганова и Камелек (V и VII) также впадают в море независимо, не сливаясь (в связи с этим длина каждой из них принята увеличенной на 10 км). Устьевые бары обозначены малыми русскими буквами (/ = а, б

...з). Всего в пределах дельты существует 8 устьевых баров, однако при дальнейших расчетах учтены характеристики только самых крупных баров рукавов (проток) Правая и Главное Русло. Различия в коэффициенте шероховатости п для разных участков рукавов в дельте Яны оказались незначительными. При типичном для дельты Яны диапазоне изменения d от 0,1 до 0,2 мм величина п варьирует от 0,020 до 0,023, в целом уменьшаясь с уменьшением расхода воды в рукавах, а также вниз по течению.

Результаты расчета распределения расходов воды по предлагаемой модели и сравнения с данными натурных измерений на ряде гидростворов в истоках рукавов представлены в табл.1 и показали следующее.

Таблица 1. Результаты расчета распределения расходов воды по рукавам дельты. Яны (межень)

№ водотока Название водотока По расчету 0» м'/с По измерениям Оф. м'/с Ошибка расчета,

0 Яна, Юбилейная 1250

1 Самандон 18,3 18.7 2,1

И Яна (2) 1232 1231 0,0

III Кочевая 102 104 1.9

IV Яна (3) 1130 1127 0,2

V Дурганова 0,74 0 —

VI Яна (4) 1129 1127 0,2

VII Камелек 53,1 56,9 6,6

VIII Яна (5) 1076 1070 0,6

IX Главное Русло 636 635 0,2

X Правая 331 324- 2.3

XI Тарынгнаах 34,8 35,9 3,0

XII Ильин-Шар 73,7 74,7 1.4

Ошибки рассчитывались по формуле: А(Э% = _ | * 100%

Модель в целом адекватно отражает распределение расходов воды по рукавам дельты, полученное по данным измерений. Для условий половодья ошибки расчетов оказались больше - до 10-12%.

Для дельты Кубани была принята следующая нумерация водотоков и их участков: каждому водотоку дельты присвоен римский номер от 0 (р. Кубань до разветвления) до XXXV; нумерация водотоков проводилась от вершины дельты к ее морскому краю, от самых правых рукавов к левым. Каждому постоянному водозабору (или водосбросу) была присвоена буква кириллицы от а до х (от вершины дельты к ее устью и от правых рукавов к левым), всего 21 водозабор (водосброс).

Расчет проводился следующим образом. Расход воды в рукаве Протока был обозначен как Qíм3/с, а в рукаве Кубань как ((2,,- (¿¡У м'/с (£?0 м3/с - суммарный расход

воды в рукавах Кубань и Протока). Соответственно для каждого участка рукава Протока расход рассчитывался по формуле

еЛ-а±5>,. (13)

где ^д, - сумма расходов всех водозаборов (водосбросов) выше расчетного участка. Для

каждого участка рукава Кубань аналогичная формула выглядит следующим образом.

(14)

где - сумма расходов всех водозаборов (водосбросов) выше расчетного участка. При

этом модули сопротивления для приморских участков (как рук. Кубань (^^к), так и рук.

Протока (К^д), где происходит естественное деление рукавов), рассчитываются

методом общих модулей сопротивления. Уравнивая падение уровня вдоль рук. Кубань с величиной его падения вдоль рук. Протока, получаем

Е|а =£((&-а ¿Е^Ь^Л*- (15)

Решая данное уравнение (при помощи компьютерной программы Мар1е7, использующей метод итераций), получаем величину , затем по вышеприведенным зависимостям рассчитываем величину расхода воды для каждого расчетного участка. Расчеты для межени дали удовлетворительные результаты (для ряда участков см. табл. 2), что позволило провести аналогичные вычисления для условий половодья, когда данных наблюдений практически не было.

Таблица 2. Результаты расчета распределения расходов воды по рукавам дельты Кубани (межень)

№ водотока Название водотока По расчету Ор, м'/с По измерениям 0», м'/с Ошибка расчета, Д0%

0 Кубань 360

1 Рук. Протока (1) 184 180 2,2

II Рук. Протока (2) 172 168 2,4

V Рук. Протока (5) 156 153 2,0

VI Рук. Протока (6) 153 149 2,7

VII Рук. Протока (7) 166 163 1.8

VIII Рук. Протока (8) 152 149 2,0

IX Рук. Протока (9) 155 151 2.8

X Рук. Протока (10) 150 146- 2.7

XIV Рук. Протока (Левое гирло) 36,9 36 2,5

XV Рук. Кубань (1) 176 180 2,2

XVI Рук. Кубань (2) 163 166 1,8

XVII Рук. Кубань (3) 162 166 2,4

XXI Рук. Кубань (7) 151 154 1.9

XXIII Рух. Кубань (9) 173 178 1.7

XXVI Рук. Кубань (12) 165 169 2,4

XXVII Галиисков гирло 54,8 55,8 1.8

XXVIII Рук. Кубань (13) 110 113 2,7

XXIX Среднее гирло 37,8 38,8 2,6

XXX Рук. Кубань (14)-Чайкинский 72,2 74,2 2.7

XXXI Казачий ерик 7.77 7,80 0,4

Рукава и их расчетные участки в упрощенной схеме дельты Дуная пронумерованы

римскими цифрами (/ -= I, П, Ш ... ХХХП); всего, таким образом, учтены 32 рукава и их участка. Узлы разветвления и соединения водотоков пронумерованы арабскими цифрами (к = 1, 2, 3 ... 17); всего, таким образом, учтено 17 узлов. Устьевые бары обозначены заглавными латинскими буквами {/" А, В, С ... Ь); всего, таким образом, учтено 11 устьевых баров. В схеме не учтены очень маловодные естественные и искусственные водотоки, не играющие заметной роли в распределении стока воды Дуная по пространству дельты.

Результаты моделирования распределения стока воды по основным рукавам дельты Дуная (табл. 3) также показали удовлетворительные результаты.

Таблица 3. Результаты расчета распределения расходов воды в дельте Дуная для

периода 1996-2000 гг. (межень)

№ : водотока Название водотока По расчету Ор, м'/с По измерениям 0«, м'/с Ошибка расчета, ла%

I Килийский (1) 1553 1560 0.4

11 Тульчинский• 1447 1440 0.5

III Кислицкий 68 68 3,3

IV Средний 1071 1080 0.9

IVa Средний 1435 - -

IV6 Иваиешть 365. 385 0.1

V Килийский (2) 1503 - -

Va Килийский (2) 992 - -

V6 Бабина 511 548 7,2

VI Соломонов 501 502 0.1

VII Прямой 491 510 4,0-

VIII Килийский (3) 1503 1510 0.5

IX Очаковский(1) 394- - -

XII Прорва (1) 144 140 2,8

XIII Соединительный канал 69 66 4,8

XV Потаповский (1) 142 140 1.9

XVII Гнеушев 39 39 0,3

XVIII Полуденный 89 63 8,3

XIX Анкудинов 38 37 6,1

XX Старостамбульский (1) 1109 - -

XXI Быстрый 543 585 7.7

XX1IK Восточный 63 64 2.0

XXVI Лимба 10 10 1.2

XXVIII Курильский 13 13 5.3

XXIX Цыганский 70 75 6,9

XXXI Сулинский 608 615 1.1

XXXII Георгиевский 829 815 1.7

С помощью модельных расчетов были определены расходы воды в тех рукавах (табл. 3), для которых данных измерений не было. Для условий половодья ошибка расчета оказалась больше - до 15%.

Для дельты Дуная с помощью модели была также проверена концепция "устойчивых" гидролого-морфометрических характеристик и получены результаты, ее подтверждающие. Так, например для рукавов Прямой, Быстрый, Цыганский, реальные значения глубины и ширины русла за 1976-1980 гг. были меньше величин "устойчивых" гидролого-морфометрических характеристик для этих рукавов (это признак активизации водотоков), а для рукавов Потаповский, Гнеушев, Курильский - больше (это — признак отмирания рукавов). Данные измерений в 1996-2000 гг. подтверждают именно эту направленность процессов.

Анализируя результаты моделирования, можно сделать вывод об их адекватности данным полевых исследовании. Таким образом, разработанная модель может быть использована как для вариантных расчетов гидролого-морфометрических характеристик водотоков в реальных дельтах, так и для имитационного моделирования абстрактных дельт.

Четвертая глава посвящена исследованию гидролого-морфологических процессов в абстрактных неприливных дельтах с помощью разработанной модели. В качестве объектов исследования были выбраны одна-, двух-, трех- и четырехрукавные дельты.

Модель однорукавной дельты позволяет выявить условия формирования двух гидравлических режимов - подпора и спада; оценить закономерности влияния на форму сопряжения реки и моря удлинения (или сокращения длины) русла и повышения уровня приемного водоема; определить зоны размыва и аккумуляции наносов при разных гидрологических условиях. В качестве прототипа для модели была использована практически однорукавная дельта Куры. Для расчета кривых спада и подпора применен метод КН. Павловского, основанный на построении для отдельных участков русла зависимостей - модуль гидравлического сопротивления, вычисляемый по

формулам (4), 7- средняя отметка уровня на каждом участке. Автором диссертации сделаны некоторые усовершенствования этого метода. В результате расчет свелся к построению упомянутых зависимостей, представлении их в аналитической форме и последовательном расчете величины падения уровня на участках, начиная с заданной отметки уровня моря.

Моделирование однорукавного устьевого участка реки и многовариантные численные эксперименты привели к следующим выводам: 1) при фиксированных длине

русла и уровне моря имеется один единственный расход воды , при котором режим потока близок к равномерному (скорость течения V вдоль русла практически не изменяется, т.е. , при оси х, направленной в сторону моря). При расходах воды

реки больше формируются кривые спада а при - кривые подпора

Для условий устья Куры расчет неразмывающей

скорости течения по формуле (9) и ее сравнение с , рассчитанной по формуле позволяют определить расположение участков эрозии и аккумуляции; с ростом зоны размыва, аккумуляции и отсутствия движения влекомых наносов смещаются в сторону моря. Аналогичные выводы можно получить, анализируя изменение расхода влекомых наносов вдоль русла; 3) удлинение русла влечет за собой изменение характера сопряжения реки и моря, причем тем более заметное, чем больше и значительнее удлинение русла; чем сильнее дельта выдвинулась в море, тем больше , при котором разделяются кривые спада и подпора; 4) повышение уровня моря приводит к повышению кривых водной поверхности на устьевом участке, причем тем большее, чем меньше и больше величина подъема уровня моря; величина существенно возрастает с

повышением уровня моря; 5) удлинение русла и повышение уровня моря смещают вверх по реке зону размыва и зону, где движение влекомых наносов отсутствует. Таким образом, при небольших расходах воды состояние гидравлического подпора сопровождается уменьшением скоростей течения вдоль русла и аккумуляцией наносов. При малых 2 нижняя часть устьевого участка реки становится "ловушкой" для наносов, и в море крупные речные наносы не поступают. Удлинение русла при выдвижении дельты в море и повышение уровня приемного водоема усиливают наносозадерживающую роль устьевого участка реки при малых расходах воды. При больших расходах воды состояние гидравлического спада сопровождается, наоборот, увеличением скоростей течения потока и "промывкой" русла. В это время не только вымываются отложившиеся ранее наносы, но может произойти сильный размыв, в особенности в приморской части русла. В эти периоды в море поступает дополнительный сток крупных наносов.

Моделирование развития двухрукавной дельты и численные эксперименты проведены в несколько этапов.

На первом этапе модельных исследований были рассмотрены два простейших случая: 1) оба рукава двухрукавной дельты имеют изначально равные расходы воды но разные и неизменные во времени длины 2) оба рукава

двухрукавной дельты имеют изначально одинаковую длину (кЬ1 = ), но разные расходы воды (0, >0и)

Для расчета использовались уравнения (3), (4), (5) при величинах К близких к их значениям для дельты Дуная (ЛГВ =5,9, /Гц =0,61) Расчетный интервал времени был равен одному году, было принято, что в течение года русла обоих рукавов придут в соответствие с расходами воды на начало года Расчет велся последовательно определялись "устойчивые" значения характеристик русел при заданных или рассчитанных на начало года расходах воды в руслах, затем по ним определялись новые значения , по ним находились новые модули сопротивления рукавов, новое

распределение () по рукавам, после этого расчет повторялся для нового года и т д

В первом случае происходило перераспределение расходов воды в более короткий рукав (П), вследствие взаимного приспособления потока и русла поперечные размеры рукава П увеличиваются, рукава I уменьшаются Это ведет к увеличению гидравлического сопротивления у рукава I и к уменьшению у рукава П, что способствует дальнейшему прогрессирующему перераспределению стока воды в рукав П и отмиранию рукава I Чем больше изначальное различие в длинах рукавов, тем быстрее отмирает рукав I При этом время "жизни" рукава I уменьшается с ростом по зависимости

Т, =аехр[б(1,/£д)], (16)

где - отношение длины водотока I (более длинного) к длине водотока П В данной

модели с условиями близкими к дельте Дуная для диапазона отношения длин рукавов О < < 0,9 значения коэффициентов в формуле (16) получены равными я =5,42,

Ь = 2,32 В качестве момента отмирания рукава в этом и других случаях принимался год, в который расход воды в рукаве становился меньше

Во втором случае отмирает тот рукав, расход воды которого (при равной длине рукавов) был изначально меньше При этом установлено, что чем больше отношение быстрее отмирает рукав П

(17)

При тех же начальных условиях, что и в предыдущем случае, и для диапазона значения параметров оказались равны На втором этапе моделирования рассмотрен случай, когда при неизменной длине обоих рукавов во времени начальные соотношения были различными

Многовариантные расчеты привели к выводу о том, что для определения тенденции развития двухрукавной дельты имеют значение начальные соотношения

Так, в результате моделирования получено, что в случае, когда >А/А/ ,

отмирает менее водоносный и более короткий рукав I, а в противоположенном случае -наоборот, более водоносный и более длинный рукав П. При этом коэффициенты К, и Кг определяются для каждой дельты отдельно (так, для абстрактной дельты с начальными условиями = 10000м, &+&г=3500м3/с, £,=0,13, а £,«1).

Численные эксперименты подтвердили обнаруженный раннее в дельтах Дуная и Кубани факт: далеко не всегда активизируется более короткий рукав (I) из двух смежных; это происходит лишь в тех случаях, когда отношение Ql|Q¡J становится больше некоторой критической величины.

На третьем этапе исследований рассмотрены случаи неодинакового удлинения рукавов во времени с заданной интенсивностью (начальные условия были и

Q| —QП)■ Основной вывод по результатам расчетов следующий: всегда отмирает тот рукав, интенсивность удлинения (выдвижения в море) которого больше. Время "жизни" быстрее удлиняющегося рукава уменьшается с возрастанием отношения , где

Д£ - интенсивность удлинения рукава (м/год).

На четвертом этапе моделирования исследовано влияние разветвленности одного из смежных рукавов на перераспределение стока между ними (начальные условия также были и ). В результате численных экспериментов показано, что

разветвленность одного из рукавов ведет к увеличению его модуля гидравлического сопротивления, что в свою очередь, приводит к перераспределению стока в неразветвленный рукав. Оказалось, что время "жизни" разветвленного рукава будет зависеть в основном от расхода воды в вершине дельты: чем он больше, тем быстрее отомрет разветвленный рукав.

На пятом этапе исследований рассмотрены более сложные, но более актуальные случаи, когда удлинение рукавов происходит естественным путем в соответствии с величиной их стока наносов и рельефом дна устьевого взморья. В этих случаях расчет усложняется и необходимо помимо гидравлических расчетов распределения расходов воды по рукавам и расчетов изменения поперечных размеров русел (формулы (3) - (5)), учесть влияние эрозии или аккумуляции в рукавах на сток наносов (формулы (б) - (8)) и рассчитать естественное удлинение русел с помощью формулы (12). В этих случаях помимо расчета изменения за расчетный период (год) по заданным на его

начало необходимо определить транзитный сток наносов, дополнительные изменения стока наносов из-за эрозии или аккумуляции и величину устьевого удлинения за год.

Расчеты проведены для условий близких к характерным для дельты Килийского рукава в устье Дуная. При этом взяты следующие варианты уклонов

Транзитная мутность потока была задана в диапазоне от 0,001 до 1 кг/м3. Величина кг в выражении 5. = принята равной 0,5; плотность дельтовых отложений взята равной в формуле для равным 8.

В результате многовариантных расчетов получены следующие основные выводы: 1) изначально в море быстрее выдвигается рукав, выходящий на более отмелый участок устьевого взморья; затем происходит перераспределение стока в более короткий (на этот момент) рукав, выходящий на более приглубое взморье, увеличивается его ширина и глубина, а в конкурирующем рукаве происходит уменьшение этих характеристик, при этом резко замедляется его выдвижение в море (вследствие уменьшения в нем стока наносов). В дальнейшем этот рукав отмирает; 2) увеличение мутности ведет к ускорению развития дельты (удлинения рукавов и процесса отмирания одного из них), а уменьшение мутности - наоборот, к замедлению этих процессов; для нескольких вариантов расчета получена зависимость, связывающая время "жизни" отмирающего рукава (Н) (в годах) с мутностью воды

Гл=45,2^31; (18)

3) интенсивность процесса перераспределения стока между рукавами и отмирания одного из них изменяется во времени: сначала процесс идет быстро, затем замедляется; 4) в начальный период развития дельты ведущим фактором, влияющим на перераспределение стока по рукавам, является длина водотоков (разница длин конкурирующих рукавов), затем более важными становятся соотношения глубины и ширины водотоков.

Моделирование воздействия морских факторов на развитие дельты. С помощью модельных расчетов была сделана попытка оценить влияние повышения уровня моря на развитие двухрукавной дельты. Получены следующие выводы:

1) повышение уровня моря приводит к уменьшению длин водотоков (при затоплении приморской части дельты) и увеличению времени их совместного существования. Непосредственным следствием изменения длин водотоков явится перераспределение стока в тот из них, который сократит свою длину сильнее, т.е. в более короткий рукав; 2) влияние повышения уровня моря на перераспределение стока воды по рукавам (при отсутствии затопления дельты) может быть качественно описано также следующим образом. Пусть, согласно (3) и (4), при неизменности длины рукавов и их ширины имеем соотношение расходов воды смежных рукавов до (штрих) и после (2 штриха) повышения уровня в узле деления на , вызванного подъемом уровня моря:

Из этих двух уравнений следует: если до повышения уровня глубина в водотоке I была больше, чем во П-ом, то повышение уровня приведет к уменьшению доли стока водотока I (и соответственно увеличению у водотока П). Если же изначально имело место соотношение Л/'<АЛ', то повышение уровня приведет к увеличению доли стока рукава I (и уменьшения у рукава II). Иными словами, чем относительно мельче рукав, тем более заметным будет перераспределение стока в этот рукав в результате распространения, подпора от поднимающегося уровня моря. Если же этот более мелкий рукав еще и уменьшит свою длину (в результате затопления приморской части дельты) сильнее, чем смежный и более глубокий, то такое перераспределение стока в его пользу будет еще сильнее. Доказательством справедливости таких заключений служат факты "оживления" стока в отмирающих или даже отмерших небольших рукавах в дельтах Волги и Урала в результате недавнего значительного повышения уровня Каспийского моря.

Оценка влияния волнового размыва морского края дельты на перераспределение стока воды по рукавам с помощью модели привела к следующим результатам:

1) основным действующим фактором, влияющим на распределение расходов воды по рукавам, является изменение длин водотоков под совокупным воздействием как устьевого удлинения, так и размыва МКД волнением. При этом можно выделить следующие три этапа процесса: а) начальный, когда волновой размыв ускоряет перераспределение стока в активизирующийся рукав в результате уменьшения его длины (и как следствие большего, чем у смежного, уменьшения модуля сопротивления развивающегося рукава); б) переходного, когда размыв не оказывает заметного влияния на перераспределение стока; в) конечного, когда размыв МКД замедляет отмирание более короткого рукава при уменьшении его длины и как следствие уменьшения его модуля сопротивления в большей степени, чем у конкурирующего рукава. Совместное влияние удлинения рукавов в результате отложения наносов и размыва МКД на перераспределение расходов воды приближенно можно оценить по формуле аналогичной (19)

где - начальные длины рукавов, - величины их удлинения в процессе

формирования конусов выноса, величина волнового размыва МКД. Из этой

формулы следует, что волновой размыв способствует перераспределению стока воды, при прочих равных условиях, в рукав, который имеет меньшую длину или менее интенсивно

(20)

выдвигается в море; 2) влияние волнового размыва на изменение распределения стока воды и наносов по рукавам дельты зависит от мутности потока, и при больших ее значениях влияние размыва практически незаметно; 3) волновой размыв оказывает несколько компенсирующее влияние на процесс: так, при малых величинах мутности воды время "жизни" отмирающего водотока уменьшается, при средних

значениях мутности (0,002 < 5 < 0,03 кг/м3), наоборот, увеличивается, а при больших не оказывает ощутимого влияния.

Моделирование трехрукавной дельты. Изучен более сложный случай, когда один из рукавов двухрукавной дельты разделен еще на два рукава, образуя трехрукавную дельту (в этом случае рукав П делится на два малых - Ш и IV, расходы воды в которых изначально одинаковы и в сумме составляют расход воды рукава П). В отличие от предыдущих случаев важную роль играет увеличение общего модуля сопротивления системы вследствие деления рукава на два.

В результате численных расчетов сделаны следующие основные выводы: 1) разделение одного из водотоков на два приводит к увеличению его общего модуля сопротивления и к уменьшению стока в этот рукав; 2) в случае, когда волновой размыв МКД отсутствует, при малых величинах мутности воды отмирает неразделяющийся рукав, что объясняется его большой начальной интенсивностью выдвижения в море, которая при отсутствии компенсирующего влияния волнового размыва приводит к перераспределению стока во второй рукав; 3) уменьшение уклона дна взморья (УДВ) у одного из малых (Ш либо IV) рукавов, при небольших значениях мутности приводит к отмиранию второго из них, поскольку начинается конкурирующее развитие водотоков, и весь сток рукава П уходит в малый рукав с большим значением УДВ. В то же время увеличение мутности потока приводит к тому, что отмирает уже рукав с большим УДВ, поскольку увеличение его длины в результате влияния изначально большего стока воды и наносов приводит к увеличению его модуля сопротивления и перераспределению стока в рукав с меньшим УДВ, 4) если оба фактора (деление водотока на два и разные УДВ) действуют однонаправленно, то всегда отмирает русловая система с меньшим УДВ и делящимся рукавом. Увеличение мутности воды ускоряет этот процесс; 5) если оба фактора (деление водотока на два и разные УДВ) действуют разнонаправленно, то большее влияние оказывает различие в УДВ, а рукав с его меньшим значением отмирает. При этом в системе из двух малых рукавов отмирает (при мутности более рукав с большим УДВ по причинам, описанным выше.

В целом можно отметить, что трехрукавная дельта более стабильна, чем двухрукавная, так как требуется большее изменение одного из влияющих на ее развитие факторов, чтобы привести к отмиранию одного (либо двух) водотоков, либо к перераспределению стока из одних водотоков в другие. Также было проведено аналогичное модельное исследование и четырехрукавной дельты.

Пятая глава посвящена исследованию с помощью математической модели последствий различных гидротехнических работ в дельтах рек Яны, Дуная и Волги, а также расчету изменения распределения стока по рукавам дельты Кубани в результате наводнения зимой 2002 г.

Так, для дельты Яны оценено возможное влияние дноуглубительных работ на устьевом баре (углубление бороздины Заманиха до б м) на долю стока воды в рукаве Главное Русло. Здесь к 1997 г. произошли коренные изменения, связанные с заилением судоходного канала по Восточной бороздине, сопровождающиеся практически полной потерей ее навигационных свойств и переводом судового хода в бороздину Заманиха. Расчеты показали, что в случае полного заиления Восточной бороздины и сооружения даже капитальной глубоководной судоходной прорези в бороздине

Заманиха, где в настоящее время проводится лишь ремонтное землечерпание, доля стока воды рукава Главное Русло от стока всей реки увеличится менее чем на 1%. Однако на самом баре - распределение расходов воды по бороздинам и мелководным частям изменится довольно значительно в пользу Заманихи (табл. 4).

Таблица 4. Распределение расходов воды по бороздинам и мелководным частям бара рукава Главное Русло дельты Яны (С =1250 М^с)

Частм бара Расход воды О, мЗ/с Расход воды в,, мЗ/с

Бар Главного Русла (в целом) 644 644

Бар до разветвления 644- 644.

Левая мелководная часть 134 122

Бороздина Заманиха 194- 233

Центральная мелководная часть - 53,5. 49,0

Бороздина Восточная 128 118

Правая мелководная часть . 134 122

Примечание: Q - расходы воды до дноуглубительных работ, () - расходы воды после планируемого углубления фарватера бороздины Заманиха до 6 м

Одновременно проведен анализ расположения зон размыва и аккумуляции наносов в дельте Яны в две фазы водного режима: межень и половодье. В результате моделирования получено, что в межень у ряда рукавов отношение меньше 1,4, что указывает на общую тенденцию к аккумуляции наносов в этих рукавах (рук. Главное

Русло, рук. Правая и др.) в данную фазу водного режима, а у других рукавов У/Уи > 1,4, что указывает на размыв в этих рукавах (Тарынгнаах, Кочевая). В половодье картина изменяется, и у всех рукавов что говорит об общей тенденции к размыву

русел рукавов дельты в период половодья. Это подтверждают и данные полевых исследований.

В качестве примера практического применения модели для дельты Дуная рассчитано возможное изменение распределения расходов воды в системе Очаковского рукава в случае восстановления судоходства через рукав Прорву и его устьевой бар и их углубления; в результате спрямления Георгиевского рукава; в результате углубления бара рукава Быстрого; возможного выдвижения рукава Потаповского в море с интенсивностью 50 м/год; углубления Георгиевского рукава; удлинения Сулинского рукава; углубления перекатов в Килийском рукаве.

Как показали модельные расчеты, при углублении судового хода через бар рукава Прорвы до 5,0 м (т.е. увеличение средней глубины на баре до 3,3 м) в узлах Прорва-Потаповский и Прорва-Соединительный канал произойдет небольшое перераспределение стока воды в пользу рук. Прорвы. Углубление как правой, так и левой бороздины бара рук. Быстрого не приведет к какому-либо заметному перераспределению стока воды по рукавам Килийской дельты Дуная. В свою очередь, на самом баре углубление одной из его бороздин вызывает значительное изменение распределения стока воды по пространству бара.

Проведенные многовариантные расчеты показали, что для будущего развития дельты Дуная и ее гидрологического режима ключевым вопросом является соотношение противоположенного воздействия на дельту продолжающегося размыва Георгиевского рукава и масштабного искусственного углубления Килийского рукава. Доказано, что воздействие гидротехнических мероприятий в этих рукавах распространится на всю дельтовую систему (как вниз, так и вверх по течению).

Практическое применение модели для системы Кизани в дельте Волги состояло в исследовании возможных последствий углубления и (или) спрямления Рытого банка. Предполагались следующие варианты: 1) увеличение его средней глубины до 2,5 м; 2) увеличение средней глубины до 3 м; 3) уменьшение длины рукава (в результате спрямления) на 1100 м; 4) уменьшение длины рукава на 1100 м и увеличение средней глубины до 2,5 м; 5) уменьшение длины на 1100 м и увеличение средней глубины до 3 м;

В результате расчетов получено, что углубление (либо спрямление) рукава Рытый банк приведет к значительному перераспределению стока воды в этот рукав.

В январе 2002 г. в дельте Кубани произошло сильное наводнение, которое привело к значительному изменению гидролого-морфометрических характеристик рукавов дельты. Поскольку оперативно произвести достаточно сложные работы по измерению расходов воды после наводнения не представлялось возможным, одним из эффективных способов расчета перераспределения стока по рукавам дельты Кубани стало применение математической модели. В рук. Протока произошло углубление русла на 0,5-1,0 м, и причиной этого является движение аномально больших объемов воды после ликвидации заторов в низовьях рук. Протока, вызвавшее размыв дна. В рукаве Кубань произошли более сложные процессы. Отличие рук. Кубань от рук. Протока состоит в том, что он пршшмал в себя огромные массы воды всей реки, сток которых ограничивался заторами в низовьях рукава, в 15-20 км от его устья. Именно в этой зоне (район ответвления Казачьего ерика) создавался подпор воды и как следствие происходила интенсивная аккумуляция наносов. Зато выше, в районе хут. Зайцево Колено, где воды реки транзитом поступали на пойму, отмечался размыв русла (до 1 м). Чуть ниже, перед Переволокским узлом разветвления, где ощущался подпор, произошло некоторое обмеление (на 0,2-0,5 м). Ниже зоны подпора, после прорыва заторов, русло было размыто на 0,5-1,2 м. В результате исток Казачьего ерика обмелел с 3,1 до 1,5 м. Модельные расчеты позволили рассчитать изменение распределение стока между рукавами Кубань и Протока, а также выявить резкое уменьшение стока в Казачий ерик, что может привести к полному отмиранию этого водотока.

В Заключении сформулированы основные выводы работы.

Научные выводы. Разработана комплексная компьютерно-математическая модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек, основанная на методах общих модулей сопротивления, расчета "устойчивых" гидролого-морфометрических характеристик водотоков и балансового расчета устьевого удлинения русла. Достоверность модели подтверждена сравнением результатов расчетов и материалов наблюдений в дельтах рек Яны, Дуная и Кубани.

1. Модель позволяет рассматривать дельту как единую гидравлико-морфологическую систему, в которой любое естественное или антропогенное изменение отдельных элементов передается на всю дельту. Подтверждено, что степень распространения этого влияния зависит от масштаба изменений.

2. Модель позволила более полно исследовать гидролого-морфологические процессы в дельтах рек Яны, Кубани, Дуная и Волги, в частности изучить распределение расходов воды по рукавам в разные фазы водного режима (в том числе и в те, для которых

отсутствуют данные наблюдений), получить данные о гидрологических характеристиках в неизученных водотоках, оценить тенденцию (отмирание, активизация) водотоков.

3. Модель позволила качественно оценить влияние на развитие однорукавной, двухрукавной и трехрукавной дельт начальных условий и различных внешних факторов. В частности, получены такие выводы: если изначально смежные рукава имеют равные расходы воды, то активизируется короткий рукав, а длинный отмирает; при равной длине рукавов активизируется рукав более водоносный; если изначально смежные рукава имеют разные расходы и длины, то более короткий рукав активизируется только тогда, когда его расход больше некоторого критического; при выдвижении рукавов в море активизируется рукав, в устье которого уклон дна взморья больше, а смежный рукав отмирает; при этом интенсивность перераспределения стока между рукавами постепенно уменьшается; увеличение мутности воды ускоряет этот процесс и уменьшает период "жизни" отмирающего рукава; повышение уровня моря и волновой размыв МКД, как правило, ведут к активизации более коротких рукавов; повышение уровня моря и удлинение рукавов ведет к смещению зон размыва и аккумуляции вверх по течению; дробление рукава на более мелкие способствует его отмиранию; увеличение числа рукавов ведет к замедлению процессов перераспределения стока в дельте.

Методические выводы. Разработаны приемы: 1) комплексного компьютерно-математического моделирования гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек, пошагового расчета характеристик рукавов, систем внутреннего контроля расчетов; 2) использования при исследовании гидролого-морфологических процессов в дельтах рек программного интерфейса Microsoft Excel XP для создания компьютерной модели, картографической ГИС системы ESRI Arcview 3.2 для картографической визуализации полученных в модели результатов расчета, системы Maple 7.0 (компании Waterloo Maple) для решения сложных уравнений при расчете перераспределения стока воды по рукавам дельты; 3) использования комплекса этих программ для расчетов, проверки, адаптации и применения комплексной модели гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек.

Практическое знамение могут иметь результаты вариантных расчетов: 1) перераспределения стока воды и наносов в результате гидротехнических работ в дельтах Яны, Дуная и Волги; 2) перераспределения стока в результате изменения работы водозаборов и водосбросов в дельте Кубани. Эти результаты, а также прогностические оценки тенденций развития рукавов дельт Яны и Дуная, могут быть использованы при проектировании и осуществлении гидротехнических мероприятий в дельтах, оценке их гидрологических последствий, разработке мер по охране водных ресурсов.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Методы расчета русловых процессов в многорукавных системах // Тезисы докладов Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-98". Сер. "География". М. 1998. С.П6-117.

2. Modeling of channel processes in delta multibrunch systems // Society for South African Geographers conference 1998 // Johannesburg, 1998. (В соавторстве с В.Н. Михайловым).

3. Методы расчета русловых процессов в многорукавных системах и их применение к дельте Волги // Труды V конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей". М. 1999. С. 404.

4. Методы устьевого моделирования // Динамика атмосферы и океана" Текос. 2000.

5. Методы математического моделирования русловых процессов в многорукавных системах и их применение к дельте Волги // Веста. Моск. ун-та, Сер. 5, География, 2001. №5. (депонент №1285 от 18.05.01).

6. Математическое моделирование распределения стока воды по рукавам дельты // Веста. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2001. №: 5. С. 9-14. (В соавторстве с М.В. Корниловым).

7. Математическая модель распределения расходов воды по рукавам дельты реки Яны // Веста. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. Jfe: 5. С. 43-49. (В соавторстве с Д Б. Бабичем, В.Н. Михайловым).

8. Математическое моделирование распределения водного стока по рукавам Килийской дельты Дуная // Пдрометеоролопя i охорона навколишнього середовища -2002. Одесса. 2002.179 с. (В соавторстве с MB. Корниловым).

9. Mathematical modeling ofwater runoff distribution between the Danube delta branches // XXIth Conf. ofthe Danubian Countries on Hydrological Forecasting and Hydrological Bases for Water Management, Bucharest. 2002. P. 124. (В соавторстве с М.В. Корниловым).

10. Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах // Веста. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2004. №: 5. (В соавторстве с В.Н. Михайловым, в печати).

11. Математическое моделирование распределения стока воды по водотокам дельты Кубани // Труды VI конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей". Ноябрь 2004 г. (В соавторстве с Д.В. Магрицким, АА. Ивановым, в печати).

12. Use of mathematical modeling for prediction of natural and anthropogenic changes in the hydrological regime of the Danube delta // XXIIth Conf. of the Danubian Countries on the Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management. Brno, AugustSeptember 2004. (В соавторстве с В.Н. Михайловым, в печати).

»1045 1

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 07.04.2004 г. Формат 60x90 1У16. Усл.печл. 1,5. Тираж ПО экз. Заказ 376. Тел. 939-3890, 939-3891,928-1042. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Алешкин, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ . .2

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГИДРОЛОГО

МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕПРИЛИВНЫХ

ДЕЛЬТАХ РЕК. . . . ----- . 10

1.1. Устьевая область реки как особый географический объект , . . . . .10

1.2. Гидролого-морфологические процессы в дельте реки . . . . . . . . 12

1.3. Водный режим неприливных устьев рек . 15

1.4. Природные и антропогенные факторы гидролого-морфологических процессов в дельтах . . . . . . . . . . . 18

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕЛЬТАХ РЕК . . . 25

2.1. Понятие компьютерно-математической модели.25

2.2. Существующие модели для расчета распределения стока воды и русловых деформаций в водотоках дельт .26

2.3. Гидравлический блок модели, предложенной в диссертационной работе . 34

2.4. Морфологический блок предлагаемой модели .57

2.5. Алгоритм моделирования.66

2.6. Необходимые исходные данные.67

2.7. Данные, позволяющие улучшить модель, провести ее верификацию и настройку . . . . . . . . . . . .67

2.8. Варианты расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.9. Применимость модели данного типа и ее возможности. . . . . . . . 69

2.10. Вопросы адаптации, настройки, верификации предлагаемой модели . 70

ГЛАВА 3. ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НА РЕАЛЬНЫХ

ОБЪЕКТАХ: ДЕЛЬТАХ РЕК ЯНЫ, КУБАНИ И ДУНАЯ . . . . . . . 72

3.1. Объекты применения компьютерно-математической модели. . . . . . 72

3.2. Компьютерно-математическая модель дельты р. Яны.74

3.3. Компьютерно-математическая модель дельты р. Кубани. 87

3.4. Компьютерно-математическая модель дельты Дуная . . . . . 106

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АБСТРАКТНОЙ НЕПРИЛИВНОЙ ДЕЛЬТЕ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ . , . . . . . 122

4.1. Общие принципы применения компьютерно-математической модели неприливной дельты . . .122

4.2. Компьютерно-математическая модель однорукавного устьевого участка реки . . . . . . . . . . . . . . 123

4.3. Компьютерно-математическая модель многорукавного устьевого участка реки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

ГЛАВА 5. ВАРИАНТНЫЕ РАСЧЕТЫ ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕЛЬТАХ РЕК ЯНЫ, ВОЛГИ, КУБАНИ И ДУНАЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ . . . . 199

5.1. Прикладные расчеты с использованием математических моделей гидролого-морфологических процессов в дельтах рек и выбор объектов.199

5.2. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте

Яны с использованием математической модели . .200

5.3. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Волги с использованием математической модели . . 205

5.4. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Кубани с использованием математической модели . . . . . . .213

5.5. Вариантные расчеты гидролого-морфологических процессов в дельте Дуная с использованием математической модели . . . . . . . . . 218

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек"

Актуальность темы. Речные дельты представляют собой уникальные географические объекты, очень изменчивые и экологически уязвимые. Они обладают богатыми природными ресурсами, широко используемыми различными отраслями хозяйства. Особенности природного облика дельт и возможности их хозяйственного использования в основном определяются гидролого-морфологическими процессами, под которыми понимают совокупность динамики вод и наносов, рельефа дна и берегов. Изучение этих процессов вследствие их сложности, многофакторности, значительной естественной и антропогенной изменчивости представляет большие трудности. В» этих условиях возникает необходимость в поиске дополнительных (помимо натурных наблюдений и исследований) путей изучения этих процессов, в том числе и с применением методов математического моделирования.

10], В.Н. Михайлов [52, 60], В.Ф. Полонский [68] и др. Однако комплексной модели, позволяющей одновременно рассчитывать перераспределение стока воды и наносов по рукавам дельты, процессы активизации и отмирания рукавов, выдвижение и отступание дельты, а также воздействие морских факторов, разработано не было.

В настоящее время разработка и применение таких комплексных математических моделей приобретает особую актуальность в связи с необходимостью расчета и прогноза изменения строения и режима речных дельт. Такая необходимость обусловлена, во-первых, резким антропогенным уменьшением стока наносов многих рек мира, во-вторых, ускоряющимся повышением уровня Мирового океана и связанных с ним морей (подъем уровня моря не только приводит к затоплению дельт, но и усиливает разрушающее воздействие на морской край дельт волнения, нагонов и приливов), в-третьих, расширением освоения природных (водных, земельных, биологических) ресурсов дельт, в-четвертых, сокращением экспедиционных исследований и стационарных наблюдений в дельтах по экономическим причинам.

Изначально в России сформировалось несколько научных подходов к изучению устьев рек. Первый из них делал упор прежде всего на геологию, тектонику, изучение дельтовых отложений и геоморфологию речных дельт.

В это же время развивался подход, изучающий почвенный покров устьевых областей рек. Однако наиболее продуктивным оказался третий подход -гидрологический. В нем предпочтение отдавалось изучению устьевых процессов как основных факторов динамики дельт. При этом комплексный подход к изучению дельт как с гидравлической, так и с географической точки зрения был предложен И.В. Самойловым в его монографии "Устья рек", вышедшей в 1952 г [80].

Приоритет в изучении гидролого-морфологических процессов в дельтах рек принадлежит российской научной? школе. Основы теории устьевых процессов были заложены в ведущих российских научных учреждениях, занимающихся изучением устьев рек: в Государственном океанографическом институте (ГОИНе), на географическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, в Арктическом и антарктическом научно исследовательском институте, в Институте водных проблем Российской академии наук.

Значительную роль в развитии гидрологической науки сыграли региональные исследование гидролого-морфологических процессов в дельтах рек России и сопредельных стран. Наиболее детально исследованы дельты Волги [48, 46, 73, 78], Терека и Сулака [3, 12, 20], Дуная [18, 54], Куры [19], Яны [4,65, 66], Индигирки [86], Амударьи [71]. В США подобные исследования проводились в дельте Миссисипи [94,102].

Существует несколько научных подходов к исследованию гидролого-морфологических процессов в дельтах рек:

1) расчет распределения расходов воды по рукавам дельты (С.С. Байдин [11], ВВ. Иванов [30-33]);

2) изучение процессов отмирания и активизации рукавов дельт (М.М. Рогов [60,73], В.Н. Михайлов [60,61], В.Ф. Полонский [69]);

3) изучение геоморфологических аспектов процессов дельтообразования (В.Н. Коротаев [39,41]);

4) изучение динамики морского края дельты, устьевых баров и взморья (В.Н. Михайлов [47,49], В.К. Дебольский [27], В.Ф. Полонский [69]);

5) типизация и классификация устьев рек и характера гидролого-морфологических процессов в дельтах рек (В.Н. Михайлов [47, 49, 50], В.В. Иванов [32], В.Ф. Полонский [69]).

Развитие научных знаний и одновременный значительный прогресс в электронно-вычислительной технике позволил не только рассматривать гидролого-морфологические процессы в дельтах как объект исследования, но и начать на этой основе изучение дельт как единых комплексных систем.

Представления о дельте реки как единой системы предполагает комплексный подход к изучению как самого объекта - дельты реки, так и основных гидролого-морфологических процессов, формирующих данную систему. Такой комплексный подход предполагает наличия следующих основных условий:

1) объекты исследования должны быть изучены не только как статичные элементы, но и в динамике своего развития. Это, в свою очередь, предполагает проведение длительных и повторных полевых, так и лабораторных исследований устьев рек. Так, большой вклад в изучение дельт рек как динамических объектов внесли многие ведущие ученые - гидрологи, такие как С.С. Байдин[10,11], М.М. Рогов [56, 59 72], В.Н. Михайлов [47,49, 53, 56] , В.Н. Коротаев [40, 41, 56], В.Ф. Полонский [69], В.В. Иванов [30, 31], A.A. Чистяков [61] и др.;

2) гидролого-морфологические процессы в дельтах рек должны быть изучены, типизированы и рассмотрены как взаимодействующие компоненты системы поток-русло. В изучение этих процессов в последнее время внесли вклад такие ученые, как Н.И. Алексеевский [4, 5, 40],, В .К. Дебольский [27, 75], P.C. Чалов [41,66] и др.;

3) должны быть разработаны алгоритмы компьютерно-математического моделирования, а также интерфейсы их практического применения на современных персональных ЭВМ.

При соблюдении этих условий математическое моделирование может стать одним из эффективных путей изучения и прогнозирования гидролого-морфологических процессов в дельтах рек. Оно позволяет, с одной стороны, более глубоко изучить эти процессы, а, с другой стороны, спрогнозировать воздействие на них как естественного, так и антропогенного изменения действующих факторов. С помощью моделирования можно более точно рассчитать влияние на режим дельт проектируемых водохозяйственных и гидротехнических мероприятий, предсказать их последствия и выбрать наиболее оптимальные варианты.

Для этого потребовалось последовательно решить следующие задачи:

2) проверить модель на примере конкретных объектов;

Методика исследования и исходные материалы. Исследование базируется на достижениях отечественной школы в изучении неприливных дельт и теории устьевых процессов, созданной в ГОИНе, МГУ, ААНИИ, ИВП РАН. В процессе выполнения работы применялись методы речной гидравлики, расчетов гидролого-морфометрических характеристик водотоков, балансовые методы. Результаты моделирования сравнивались с данными полевых исследований. В качестве программной основы применялись программный комплекс Microsoft Excel ХР и Visual Basic for Applications.

В качестве исходных материалов использованы карты и данные стационарных и экспедиционных полевых исследований Астраханского центра по гидрометеорологии, Астраханского комплексного проектыо-изыскательского отдела Института Союзморниипроект (автор принимал участие в совместной экспедиции в дельте Волги), Дунайской гидрометеорологической обсерватории (Измаил, Украина), географического факультета МГУ (кафедры гидрологии суши и Лаборатории эрозии почв и русловых процессов), Кубанской устьевой гидрометстанции (г. Темрюк). Автор диссертации благодарит перечисленные организации за сотрудничество в совместных исследованиях и предоставленные материалы наблюдений.

Научная новизна работы и предмет защиты. Представлена комплексная компьютерно-математическая модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах, состоящая из гидравлического и морфологического блоков и позволяющая рассчитывать и прогнозировать изменения гидролого-морфометрических характеристик рукавов дельт под влиянием естественных и антропогенных факторов. С помощью модели получены новые данные о гидролого-морфологических процессах в дельтах Яны, Дуная, Кубани и Волги, выявлены основные закономерности реакции одно-, двух- и трехрукавных дельт на изменения стока воды и наносов реки, подъем уровня моря, устьевое удлинение русла, волновой размыв дельты и др.

Практическая значимость исследования. Разработан прогноз возможного воздействия на режим дельт Яны, Дуная и Волги различных вариантов дноуглубительных и русловыправительных работ для улучшения условий судоходства, регулирования распределения стока по рукавам дельты Кубани с использованием системы водозаборов и водосбросов. С помощью модели оценены последствия наводнения в дельте Кубани. Разработан качественный прогноз тенденции развития рукавов дельт Яны и Дуная. Результаты исследования переданы для использования Астраханскому комплексному проектно-изыскательскому отделу Института Союзморниипроект, Дунайской ГМО, Кубанской устьевой гидрометстанции. Результаты работы могут быть использованы при изучении и прогнозировании гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах других рек.

Апробация работы. Результаты исследования доложены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-98" (Москва, МГУ, 7-10 апреля 1998 г.), V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей" (Москва, ИВП РАН, 22-26 ноября 1999 г.), в весенней студенческой школе "Динамика атмосферы и океана" (Текос, 5-10 мая 2000 г.), на Международной конференции "Гидрометеорология и охрана окружающей среды - 2002" (Одесский государственный экологический университет, сентябрь 2002 г.), "XXI Конференции придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства"

Бухарест, Румыния, сентябрь 2002 г.), семинаре кафедры гидрологии суши (МГУ). По результатам исследования опубликовано 9 работ и 3 находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 149 страницах машинописного текста и включает 65 рисунков, 71 таблицу. Список литературы насчитывает 102 наименования, из них 13 на английском языке.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Алешкин, Сергей Александрович

Исследование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек с помощью математического моделирования позволило сделать ряд выводов, относительно, во-первых, методики составления комплексной математической модели, во-вторых, недостаточно изученных процессов, происходящих в водотоках конкретных дельт (Яны, Кубани, Волги и Дуная), в-третьих, общих закономерностей гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах под влиянием комплекса речных, морских и местных геоморфологических факторов, в-четвертых, ряда прикладных вопросов, возникающих при использовании водных ресурсов дельт.Полученные выводы можно подразделить на научные, методические и практические.Научные выводы. Разработана комплексная компьютерно математическая модель гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек, основанная на методах общих модулей сопротивления, расчета "устойчивых" гидролого-морфометрических характеристшс водотоков и балансового расчета устьевого удлинения русла.Достоверность модели подтверждена сравнением результатов расчетов и материалов наблюдений в дельтах рек Яны, Дуная и Кубани.1. Модель позволяет рассматривать дельту как единую гидравлико морфологическую систему, в которой любое естественное или антропогенное изменение морфометрических характеристик отдельных элементов системы передается на всю дельту. Подтверждено, что степень распространения этого влияния зависит от масштаба изменений.2. Модель позволила более полно исследовать гидролого морфологические процессы в дельтах рек Яны, Кубани, Дуная и Волги, в частности, изучить распределевме расходов воды по рукавам в разные фазы водного режима (в том числе и в те, для которых отсутствуют данные

наблюдений), получить данные о гидрологических характеристиках в неизученных водотоках, оценить тенденцию развития (отмирание,

активизация) водотоков.3. Модель позволила качественно оценить влияние на развитие однорукавной, двухрукавной и трехрукавной дельт начальных условий и различных внешних факторов. В частности, получены такие выводы: если изначально смежные р>тсава имеют равные расходы воды, но разные длины, то активизируется короткий рукав, а длинный отмирает; при равной длине рукавов активизируется рукав более водоносный; если изначально смежные рукава имеют разные расходы и длины, то более короткий рукав активизируется только тогда, когда его расход больше некоторого критического; при выдвижении рукавов в море активизируется рукав, в устье которого уклон дна взморья больше, а смежный рукав отмирает; при этом интенсивность перераспределения стока между рукавами постепенно уменьшается; увеличение мутности воды ускоряет этот процесс и уменьшает период "жизни" отмирающего рукава; повышение уровня моря и волновой размыв МКД, как правило, ведут к активизации более коротких рукавов; повышение уровня моря и удлинение рукавов ведет к смещению зон размыва и аккумуляции вверх по течению; дробление рукава на более мелкие способствует его отмиранию; увеличение числа рукавов ведет к замедлению процессов перераспределения стока в дельте,

4. Модель позволила выявить некоторые зависимости между соотношением влияющих на гидролого-морфологические процессы факторов и динамикой дельтовой системы водотоков, например связь между начальной разницей в длинах смежных водотоков и временем "жизни" одного из них.5. Модель позволила учесть влияние водозаборов (водосбросов) на дельтовую систему рукавов и выявить возможные пути регулирования этой системы через изменение объемов водозаборов.Методические выводы. Разработаны приемы:

1. комплексного компьютерно-математического моделирования гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек, пошагового расчета характеристик рукавов, систем внутреннего контроля расчетов;

2. использования при исследовании гидролого-морфологических процессов в дельтах рек программного интерфейса Microsoft Excel ХР и языка программирования VBA для создания компьютерной модели, картографической ГИС системы ESRI Arcview 3.2 для картографической визуализации полученных в модели результатов расчета, системы Maple 7.0 (компании Waterloo Maple) для решения сложных уравнений при расчете перераспределения стока воды по рукавам дельты;

3. использования комплекса этих программ для расчетов, проверки, адаптации и настройки комплексной модели гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек;

4. изучения гидролого-морфологических процессов в существующих неприливных дельтах рек с помощью комплексной математической модели.Практическое значение могут иметь результаты вариантных расчетов:

1. перераспределения стока воды и наносов в результате осуществленных и проектируемых гидротехнических работ в дельтах Яны, Дуная и Волги;

2. перераспределения стока в результате изменения режима работы водозаборов и водосбросов в дельте Кубани (показано, что изменение объемов водозаборов может служить инструментом регулирования распределения стока воды по рукавам);

3. гидролого-морфометрических характеристик неизученных рукавов и их частей в дельтах Кубани и Дуная;

4. изменения распределения стока воды по рукавам дельты Кубани и Дуная в результате естественной динамики дельты.Эти результаты, а также прогностические оценки тенденции развития рукавов дельт Яны и Дуная, могут быть использованы при проектировании и осуществлении гидротехнических мероприятий в дельтах, оценке их гидрологических последствий, разработке мер по охране водных ресурсов дельт.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Алешкин, Сергей Александрович, Москва

1. Алабян А.М. Динамика потока и русла равнинных рек, разветвлённых на рукава. Автореф. дисс. канд. географ, наук. М.: 1991.20 с.

2. Алабян А.М., Сидорчук А.Ю. Метод расчёта переформирований разветвлённого русла при изменении гидрологического режима // Метеорология и гидрология. 1987. № 10. С. 82-89.

3. Алексеевский Н.И. Основные особенности руслового процесса в низовьях р. Терек // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1980. № 6. С. 5— 12.

4. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. Изд-во Моск. ун-та, 1998.202 с.

5. Алексеевский Н.И., Гниломедов Е.В., Никитина Л.Н. Имитационное моделирование процессов массообмена между потоком и речными отложениями // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1993. № 9. С. 5-11.

6. Алешкин С.А., Бабич Д.Б., Михайлов В.Н. Математическая модель распределения расходов воды по рукавам дельты реки Яны // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. №: 5. С. 43-49.

7. Алешкин С. А., Корнилов М.В. Математическое моделирование распределения стока воды по рукавам дельты // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2001. №: 5. С. 9-14.

8. Бабич Д.Б., Коротаев В.Н., Магрицкий Д.В.,, Михайлов В.Н. Нижняя Индигирка: устьевые и русловые процессы. М.: ГЕОС, 2001.202 с.

9. Байдин С.С. Сток и уровни дельты Волги. М.: Гидрометеоиздат. 1962. 337 с.

10. Байдин С.С. Стадийность развития устьевой области реки // Тр. ГОИН. 1971. вып. 104. С. 5-30.с.

11. Богучарсков В.Т., Иванов A.A. Дельта Кубани. Ростов-на Дону.: Изд-во Рост, ун-та, 1979. 108 с.

12. Болгов М.В. Стохастические модели многолетних и сезонных колебаний речного стока. Автореф. дисс. докт. техн. наук. М.: ИВП РАН. 1996. 54 с.

13. Бутаков А.Н. Русловые процессы в устьях судоходных рек. М.: Транспорт, 1981.104 с.

14. Васильев JI.B., Марченко A.C. К методике расчета расходов воды в сложноразветвленных руслах // Тр. ЛПИ. 1982. №383. С. 3-8.

15. Гидродинамика береговой зоны и эстуариев. Перев. с англ. JI.: Гидрометеоиздат, 1970. 394 с.

16. Гидрология устьевой области Дуная. М.: Гидрометеоиздат, 1963. 383 с.

17. Гидрология устьевой области Куры. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.323 с.

18. Гидрология устьев рек Терека и Сулака. М.: Наука, 1993.160 с.

19. Гидроэкология украинского участка Дуная и сопредельных водоемов. Киев.: Наукова думка, 1993. 328 с.

20. Горбунов К.В. Водоемы дельты Волги, их облик, режим, эволюция // В сб. "Волга-1Куйбышев. 1971. С. 51-57.

21. Горелиц О.В. Влияние водохозяйственных мероприятий на режим стока Волги и ее дельты // Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. Том 9. Устья рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. С. 53-58.

22. Гришанин К.В. Гидравлический расчет элементов водного режима в дельтах рек арктической зоны // Тр. ААНИИ. 1967. т. 278. С. 5-21.

23. Дельты модели для изучения / Под ред. М.А. Бруссард. М.: Недра, 1979.313 с.

24. Демин А.П., Исмайылов Г.Х, Федоров В.М. Анализ и оценка влияния природных и антропогенных факторов на водные ресурсы бассейна Волги // Водные ресурсы. 1997. Т. 24. № 5. с. 609-616.

25. Динамика русловых потоков и литодинамика прибрежной зоны моря // Под ред. Дебольского В.К., Масселя С., Зайдлера Р. М.: Наука, 1994. 303 с,

26. Дубинина В.Г. Гидрологический режим поймы нижнего Дона и проблемы рыбохозяйственного использования водных ресурсов реки. Автореф. дисс. канд. географ, наук. Ростов-на-Дону. 1969. 30 с.

27. Иванов В.В. Метод гидравлического расчета элементов водного режима в дельтах рек // Тр. ААНИИ. 1968. Т. 283. С. 30-63.

28. Иванов В.В. Гидравлический расчет проектного перераспределения расходов воды при выправлении многорукавных русел рек // Тр. ААНИИ. 1976. Т. 314. С. 5-15.

29. Иванов В.В., Котрехов Е.П. Опыт численного моделирования неустановившегося движения воды в многорукавной дельте реки // Тр. ААНИИ. 1976. Т. 314. С. 16-35.

30. Иванов В.В., Марченко A.C., Михалев М.А. Развитие методов расчета водного режима многорукавных русел рек с учетом русловых процессов и основные задачи экспериментальных исследований в этой области. // Тр. ААНИИ. 1980. Т. 358. С. 46-54.

31. Иванов В.В., Михалев M.A., Марченко A.C., Пискун A.A. Гидравлический метод расчета водного и руслового режима в многорукавных дельтах рек // Тр. ААНИИ. 1968. Т. 378. С. 5-22.

32. Иванов В.В., Михалев М.А., Марченко A.C., Пискун A.A. Методика гидравлического расчета водного режима многорукавных дельт с учетом руслового процесса // Труды V Всесоюзного гидрологического съезда, Том 9, Устья рек, Л.: Гидрометеоиздат, 1990. С. 74-78.

33. Иванов В.В., Михалев М.А., Марченко A.C., Пискун A.A., Чернин К.Е. Гидравлический метод расчета водного и руслового режима в многорукавных руслах рек // Тр. ААНИИ. 1983. Т. 378. С. 5-22.

34. Исмайылов Г.Х., Федоров В.М. Анализ и оценка многолетних колебаний годового стока р. Волги. М.: Труды Академии Водохозяйственных Наук. Вып. 5. 1998. с. 59-70.

35. Исмайылов Г.Х., Голубаш Т.Ю. Оценка возможных изменений климата на составляющие водного баланса р. Волги. М.: Труды Академии Водохозяйственных Наук. Вып.5.1998. с. 37-50.

36. Кнороз B.C. Влияние макрошероховатости русла на его гидравлические сопротивления // Изв. Всесоюз. НИИ гидротехники. 1959. Т. 62. С. 75-97.

37. Коротаев В.Н. Геоморфология речных дельт. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991.224 с.

38. Коротаев В.Н., Лодина Р.В., Милошевич В.А., Сидорчук А.Ю., Чалов P.C. Формирование дельты р. Яны и прогноз развития ее устьевых баров // Эрозия почв и русловые процессы. 1978. Вып. 6. С. 123-159.

39. Краюшин В.В. Распределение стока воды по рукавам и протокам дельты Дона // В сб. Ростовской ГМО, Вып. 4,1966. С. 5-12.

40. Круглова Г.В., Христофоров A.B., Эдельнггейн К.К. Влияние антропогенных факторов на многолетние колебания стока Волги // Вест. Моск. ун-та. Сер.5. География. 1994. №1. С.48-55.

41. Леви И.И. Динамика русловых потоков. Л.: Госэнергоиздат. 1956.252 с.

42. Леонтьев O.K., Халилов А.И. Роль речного фактора в динамике западного берега Каспийского моря // Вест. Моск. ун-та. Сер.5. География. 1962. №6. С. 5-9.

43. Магрицкий Д.В., Иванов В.В. Оценка влияния водохозяйственных мероприятий на режим стока Нижней Кубани // Вестн. Моск. ун-та. Сер.5. География. 2003. № 5. С.46-54.

44. Михайлов В.Н. Динамика потока и русла в неприливных устьях рек. М.: Гидрометеоиздат. 1971. 260 с.

45. Михайлов В.Н. Устьевая область Волги как динамическая система // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1995. №1. С.62-75.

46. Михайлов В.Н. Гидрологические процессы в устьях рек. М.: ГЕОС, 1997 г., 176 с.

47. Михайлов В.Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: 1997. 413 с.

48. Михайлов В.Н. Гидрология устьев рек. Изд-во Моск. ун-та, 1998. 175 с.

49. Михайлов В.Н. Процессы дельтообразования и возможности их математического моделирования // Вестн. Моск. ун-та. Сер.5. География. 1998. №5. С. 60-67.

50. Михайлов В.Н. Принципы типизации и районирования устьевых областей рек (аналитический обзор) // Водные ресурсы. 2004. Том. 31. №1. С. 5-14.

51. Михайлов В.Н., Вагин Н.Ф., Морозов В.Н. Основные закономерности гидрологического режима дельты Дуная и его антропогенные изменения // Водные ресурсы. 1981. №6. С.22-44.

52. Михайлов В.Н., Ган Г.Н., Макарова Т.А. Метод расчета расходов и уровней воды в водотоках дельты с применением общих модулей сопротивления // Тр. ГОИН. Вып. 116.1973. С. 63-73.

53. Михайлов В.Н., Коротаев В.Н., Полонский В.Ф., Рогов М.М., Скриптунов Н.А. Гидролого-морфологические процессы в устьевой области Волги и их изменения под влиянием колебаний уровня Каспийского моря // Геоморфология. 1993. №4. С. 97-107.

54. Михайлов В.Н., Морозов В.Н., Михайлова М.В., Гранин П.С. Гидрологические процессы в устьевой области Дуная и их возможные изменения // Водные ресурсы. 1988, №1. С. 24-32.

55. Михайлов В.Н., Рогов М.М., Ган Г.Н. Устьевой бар // В сб. Геоморфология и литология береговой зоны морей и других крупных водоемов. Изд-во Наука, М.,1971

56. Михайлов В.Н., Рогов М.М., Макарова Т.А., Полонский В.Ф. Динамика гидрографической сети неприливных устьев рек. М.: Гидрометеоиздат, 1977. 294 с.

57. Михайлов В.Н., Рогов М.М., Чистяков A.A. Речные дельты. Гидролого-морфологические процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 280 с.

58. Михайлова М.В. Формирование дельты выдвижения Китайского рукава и баланс наносов в устье Дуная // Водные ресурсы. 1995. Том. 22. №4. С. 489-495.

59. Михалев М.А. Материалы по моделированию некоторых видов движения вязкой жидкости // Изв. Всесоюз. науч.-исслед. ин-та. гидротехники. 1975. т. 108. С. 27-39.

60. Михалев М.А. О критеральных связях для открытого потока с зонами отрыва и водоворота // Тр. Лен. политехи, ин-та. 1976. №346. С. 37—45.

61. Налимов Ю.В. Гидрологическая характеристика протоки Главное Русло дельты Р. Яны // Труды ААНИИ. 1965. Том. 268. С. 55-77.

62. Нижняя Яна (устьевые и русловые процессы) / Под. ред. В.Н. Коротаева, В.Н. Михайлова, P.C. Чалова. ГЕОС, 1998.212 с.

63. Петреску И.Г. Дельта Дуная. Происхождение и развитие. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1963.280 с.

64. Полонский В.Ф. Одномерная математическая модель динамики дельтовых водотоков // Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. Том 9. Устья рек. Л.: Гидрометеоиздат. 1990. С. 101-109.

65. Полонский В.Ф., Лупачев Ю.В., Скриптунов H.A. Гидролого-морфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза)., СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 383 с.

66. Попов И.В. Деформация речных русел и гидротехническое строительство. Л.: Гидрометеоиздат, 1969.363 с.

67. Рогов М.М. Гидрология дельты Амударьи. М. : Гидрометеоиздат, 1957. 255 с.

68. Рогов М.М., Байдин С.С. О формировании дельт с большим твердым стоком // В сб. Геоморфология и литология береговой зоны морей и других крупных водоемов. М.: Наука, 1971. С. 9-17.

69. Рогов М.М., Скриптунов H.A. Некоторые гидролого-морфологические особенности устьевой области Волги и их влияние на пути рационального использования водных ресурсов // Труды ГОИН. 1984. Вып. 172.С. 7-19.

70. Родионов H.A. Гидрология устьевой области Дона. М.: Гидрометеоиздат, 1958.95 с.

71. Россинский К.И., Дебольский В.К. Речные наносы. М.: Наука, 1980. 261 с.

72. Руководство по гидрологическому исследованию морских устьев рек. М.: Гидрометеоиздат, 1972.395 с.

73. Русловой режим Средней Оби / Под ред. Н.И. Маккавеева. Изд-во Моск. ун-та, 1969.78» Русловые процессы в дельте Волги. Под ред. Н.И. Алексеевского. М.:. 1997. 164 с.

74. Рычагов Г.И. Уровень Каспийского моря за историческое время // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5 География. 1993. №4. С.42-49.

75. Самойлов И.В. Устья рек. М.: Географгиз, 1952. 526 с.

76. Сафьянов Г.А. Геоморфология морских берегов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996.400 с.

77. Сафьянов Г.А. Эстуарии. М.: Мысль, 1987.189 с.

78. Симов В.Г. Гидрология устьев рек Азовского моря. М.: Гидрометеоиздат, 1989. 327 с.

79. Симонов А.И. Гидрология устьевой области КуЬ'ани. М.: Гидрометеоиздат, 1958. 140 с.

80. Туранов И.М. Обследование устья р. Индигирки в 1958-1959 гг. // Проблемы Арктики и Антарктики. 1960. Вып.5. с. 77—78.

81. Устьевая область Волги: гидролого-морфологические процессы, режим загрязняющих веществ и влияние колебаний уровня Каспийского моря / Под ред. В.Ф. Полонского, В.Н. Михайлова, С.В. Кирьянова. М.: ГЕОС, 1998. 280 е.,

82. Чернышев Ф.М. Повышение эффективности путевых работ на многорукавных участках судоходных рек. Новосибирск. НИИВТ. 1973. 322 с.

83. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 302 с.

84. Шикломанов И.А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. JL: Гидрометеоиздат, 1989.334 с.

85. Axelsson V. The Laitaure delta. A study of deltaic morphology and processes // Geografiska annaler. Stockholm. 1967.49. Ser. A. №1. 127 p.

86. Bates C.C. Rational theory of delta formation // Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geolog. 1953. Vol. 37. №9. P. 2119-2162.

87. Coleman J.M., Prior D.B. Deltaic sand bodies // A 1980 Short Education Course. 1982. Note Series №15.171 p.

88. Chang H.H., Hill J.C. Computer modeling of erodible flood channels and deltas // Journ. Hydraul. Div. Proc. Amer. Soc. Civ. Engrs. 1976. 102. №10. P. 1461-1477.

89. Day J.W., Templet P.H. Consequences of sea level rise: implications from the Mississippi delta // Coastal Management. 1989. 17. №3. P.241-257.

90. Dyer K.R. Coastal and estuarine sediment dynamics. New York: A Wiley-Interscience Publ. 1986.324 p.

91. Hess K.W. A three-dimensional numerical model of the estuary circulation and salinity in Narrangansett Bay // Estuar. and Coast. Marine. Sci. Vol. 4. 1976. P. 1013-1018.

92. Larras J. Embouchers, estuaries, lagunes et deltas. Paris.: 1964.117 p.

93. Officer Ch.B. Physical oceanography of estuaries (and associated coastal waters). New York.: A Wiley-Interscience Publ. 1976. 465 p.

94. Postolache I., Buga L., Diaconeasa D., Malciu V. Erosion control in Romania // Proceedings of the Second International Conference on the Mediterranean Coast Environment, MEDCOAST 95. October 24-27, 1995. Tarragona, Spain. Vol. 2, 1995. P. 1025-1032.

95. Pritchard D.W. What is an estuary: physical viewpoint // Estuaries, Amer. Assos. Adv. Publ., 1967. № 83. P. 3-5.

96. Sea level changes and their consequences for hydrology and water management // International Workshop, 19-23 April 1993. Noordwijkerhout, the Netherlands. The Hague, 1993. 209 p.

97. Wright L.D., Coleman J.M. Mississippi river mouth processes: effluent dynamics and morphologic development // Geology. 1974. 82. P. 751-778.

Информация о работе

Алешкин, Сергей Александрович
кандидата географических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.27

Диссертация

Математическое моделирование гидролого-морфологических процессов в неприливных дельтах рек - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы