Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Русловые процессы и эрозионные формы

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Русловые процессы и эрозионные формы"

с> государственный комитет

российской федерации по высшему образованию ^ российский государственный

„ ^ ^гидрометеорологический институт

3 ; - На правах рукописи

удк 6.3!.4 : 551.3

кудряшов

Аркадий Федорович

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЭРОЗИОННЫЕ ФОРМЫ

11.00.07—Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

санкт-петербург 1996

Работа выполнена в Российском Государственном Гидрометеорологи ческом институте.

Научный консультант:

доктор географических наук, профессор, заслуженный деятел науки РФ Барышников Николай Борисович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Знаменская Нинель Сергеевы

доктор технических наук, главный научный сотрудник Щевье Юрий Леонидович,

доктор географических наук, профессор Чалов Роман Сергеевич.

Ведущая организация: АО СОВИНТЕРВОД.

часов на заседании Специализированного совета Д.063.19.01 при Российско Государственном Гидрометеорологическом институте по специальност 11.00.07 — Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. . Адрес: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомитьс

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

1996

Ученый секретарь специализированного совета, д. г. н., проф.

Ю. И. ЛЯХИР

общая характеристика работы

Актуальность темы

Прямой и косвенный ущерб от неблагоприятного воздействия только руслового процесса на сооружения в Российской

Федерации ежегодно измеряется сотнями миллиардов рублей. Потери почвы с поверхности Земного шара по американским данным составляют 2,4 миллиарда тонн в год, при этом образование и восстановление почвы происходит в два раза медленнее, чем ее смыв. Наряду с разрушением почв водная эрозия уносит с полей и пастбищ в 60 раз больше элементов питания растений, чем этих элементов поступает с удобрениями, что приводит к резкому падению продуктивности эродируемых почв. Продукты ускоренной эрозии, вызванной антропогенным воздействием, поступая в водоток, вызывают деградацию рек н ухудшение качества поверхностных вод. По социально-экономическому лначеишо эти задачи являются народнохозяйственной проблемой, которая усугубляется кризисной экологической ситуацией. В настоящее время крупные природоохранные меро-!■ рн. т и'- осушее гилиюте •! с учетом единого комплекса, включающего регулирование речных русел, защиту почв от эрозии и другие экологические проблемы. Поэтому выявление закономерностей русловых и эрозивных процессов является исключительно важной проблемой.

Цель работ,'-,5 — на основ.* петряитпоппых подходов создать единую научную концепцию и выявить гидрологические закономерности, необходимые для оценки величин русловым деформаций и объемов смыва почв в результате воздействия эрозионных процессов. В качестве таких подходов были использо-п"тш: аналитический метод и физическое моделирование деформируемых русел: метод аналогии; механика взаимодействия потока с водопроницаемыми и размываемыми границами; математическое обеспечение прикладных задач: результаты комплексных натурных исследовании.

Задача и методика исследований. Основной задачей работы является вскрытие закономерностей русловых и эрозионных процессов на основе дискретного подхода к исследованию русловых и эрозионных формирований, механика их развития и влияющих на этот процесс факторов. Методика исследований базируется на единстве гидравлических закономерностей применительно к спонтанно сформированным турбулентным потоком телам и их поверхностям; следствием этого единства является рассмотрение саморегулирующейся системы «водосборный бассейн — речной поток — русло». Анализ роли отдельных параметров, влияющих на функционирование этой системы, позволяет использовать гидравлические методы их оценки: сначала процесс изучается в спонтанном развитии, затем в расчеты вводятся ограничивающие условия. При обобщении и анализе материалов диссертант исходил из представления о динамической устойчивости руслового и эрозионного процессов с целью исключения влияния на них дополнительных факторов.

Объекты исследований и материалы. Объектами исследований являлись реки, водохранилища и водоемы, расположенные в различных географических зонах на территории бывшего СССР. Основой работы являются материалы, полученные диссертантом при проведении натурных (стационарных и экспедиционных) и лабораторных исследований, выполнявшихся под руководством или непосредственном участии автора, а также заимствованные из Гидрологических ежегодников и научной литературы.

Натурные исследования: стока и механизма перемещения взвешенных и донных наносов на склонах, в ручьях и реках Валдая, Сальских степей, Средней Азии, Казахстана, Кавказа в исследовательских целях; почв и водных ресурсов Казахстана с целью учета последних при подготовке водохозяйственных мероприятий; заиления и занесения водохранилищ и водоемов на реках Кавказа и Средней Азии в связи с решением проблем орошения, энергетики и водоснабжения; русловых процессов на реках бассейнов р. Волги, Севера РФ и других регионов для разработки рекомендаций по улучшению судоходных условий и лесосплава: неустановившегося движения воды (волн попусков) на реках Свирь и Вырица для разработки рекомендаций по улучшению условий судоходства, эксплуатации ГЭС и отработки аэрометодов с целью их использования в гидрометрии.

Лабораторные исследования: русловых процессов методами аэродинамики для обоснования методики моделирования и

в производственных целях; русловых процессов на размываемых моделях^для-установления закономерностей спонтанных формирований и усовершенствования -методики ^ .моделирования; водных однонаправленных потоков в гидравлических лотках -с размываемым дном для исследования мелкомасштабной турбулентности; гидрометрических приборов и оборудования в натурных условиях с целью испытания и улучшения их конструкции; технических устройств и моделей в лаборатории для испытания их надежности.

Применяемая техника исследований регламентирована стандартами бывшего СЭВ, Наставлениями гидрологическим станциям и постам, Методическими указаниями управлениям Госкомгидромета. Часть приборов и устройств сконструирована и испытана диссертантом.

Научная новизна работы: установлено единство закономерностей для спонтанно сформированных турбулентным однонаправленным потоком тел и их поверхностей; разработана методика расчетов величин русловых деформаций и объемов смыва почв из-за воздействия эрозионных процессов, базирующаяся на приемах теоретической механики; на основе указанных закономерностей обоснован физический смысл числа Лохтина; предложен метод ихтиолого-русловой гидравлической аналогии (ИРГА).

Предмет защиты. Методы расчетов величин русловых деформаций и объемов смыва почв из-за воздействия эрозионных процессов. Новое направление в гидравлике — гидравлика спонтанных формирований, отличающееся единым классом течений, характерных для многих природных процессов. Установлена аналогия в строении и гидроаэродинамическом сопротивлении донных гряд, барханов, чешуи рыб, перьев птиц и чругнх формирований.

Практическое значение и реализация результатов работы. Разработанный диссертантом метод расчета русловых и эрози-энных процессов позволяет обосновать параметры элементов <омплекса водохозяйственных мероприятий на этапе проектиро-шгия и осуществить прогноз их состоянии на этапе эксплуатации. Обобщенный подход к изучению рассматриваемых процессов повышает надежность и точность проектных решений, 1 также способствует увеличению достоверности прогнозов. Результаты выполненных исследований в различных географи-геских зонах доведены до возможности их практического применения и используются для расчетов гидравлических сопротив-тений, расходов наносов, загрязняющих веществ, характеристик

донно-грядовых формирований в аллювиальных руслах, выбора масштабов подобия для размываемых моделей и для аэродинамических методов исследования русловых процессов. Они также применяются при оценке объемов эрозии почв и интенсивности заиления и занесения прудов и водохранилищ.

Реализация результатов работы осуществлена: водохозяйственными органами стран-членов бывшего Совета Экономической Взаимопомощи в «методике измерения расходов наносов, изучения деформаций речных русел и исследования твердого стока», Будапешт, 1972 г., выполненный по теме бывшего СЭВ № 7.01.02; управлениями Росгидромета в «методических указаниях управлениям Гидрометслужбы № 67 по учету стока наносов»; управлениями Росгидромета в «методических рекомендациях к составлению справочника по водным ресурсам СССР № 10 (сток.наносов)»; специалистами Польской земледельческой Академии (при расчете водохранилища и сооружений гидроэлектростанции «Дружба народов» на реке Висле — учет стока наносов), Болгарской Академии Наук (при расчетах стока наносов болгарских рек); специалистами по расчетуосад-конакопления в прудах степной зоны Украины; проектировщиками Министерств водного хозяйства Узбекистана и Таджикистана при расчетах интенсивности занесения головных гидроузлов на горных реках, заиления Кайраккумского и Фархадского водохранилищ, при оценке потребности воды для орошения и водоснабжения; учеными Государственного гидрологического института при составлении «справочника по водным ресурсам Кокчетавской области Казахстана», при использовании аэрометодов в гидрометрии, при расчетах русловых переформирований и неустановившегося движения воды на реках Вырица и Свирь; проектировщиками и учеными Калининградского технического института рыбной промышленности при расчетах гидротранспорта рыбы в промышленном рыболовстве, учеными АтлантНИРО, института Биологии южных морей Украины, Зоологического института РАН при исследованиях нектона; внедрены в учебный процесс ряда институтов, академий и университетов по дисциплинам речная гидравлика, русловые процессы, водная эрозия почв, гидроэнергетические установки, гидравлический транспорт, гидрология и другим. Диссертантом опубликованы монография и 74 научных работы по теме диссертации, причем 11 из-них являются учебно-методическими пособиями, используемыми при подготовке студентов и аспирантов в ряде Университетов, Академий и ВУЗов Автором прочитаны спецкурсы студентам гидрологически?

специальностей Российского Государственного Гидрометеорологического института (1992, -93, -95 гг.) и студентам сельскохо-зяйственных__сиециальностей Иркутского сельскохозяйственного

института (1986 г.). -------------- - __________

Достоверность выводов подтверждается использованием----------_

большого' объема натурных .материалов и реализаций полученных закономерностей инженерной практикой и другими исследователями. Научная состоятельность работы подтверждена: Национальным Комитетом СНГ по теоретической и прикладной механике п монографии «Механика и СССР за 50 лет», том 2— механика жидкости и газа; бывшим советским Национальным Комитетом по международной биологической программе «Нектон-»; Заявкой па открытие 32-ОТ-8355 от 10.04.73 г.; Информационным изданием ВИНИТИ «Итоги науки и техники», серии; гидрологии суши, том 8, 1991 г.; Использованием результате?, исследований диссертанта в 39 отечественных и зарубежных монографиях, учебниках, учебных пособиях, многих научных статьях; Включением основных положений в состав научных отчетов по г/б темам, разрабатываемым в соответствии с науч-но-техиическими программами бывшего ГКНТ (с 1969 г. по 1991 г.) (проблема 0.85.01, заседания 08 и 09 (Постановление ГКНТ До 555 01 30.10.1985 г.), планами НИР НТС Госкомобразования СССР, координационными планами НИР АН СССР (проблема 3. 5. 1. 7. 8, с 1987 до 1991 гг.).

Апробация работы. Остылые рсзу.ц таты тпееертакнопной работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научных съездах, конференциях, координационных совещаниях и заседания ч ученых сонетов: па т ретьем и пятом Всесоюзных гидрологических съездах (Ленинград, 1957, 1986); па межведомственной научно-технической конференции по физическим основам механики струйного движения жидкостей и газов (Ленинград, 1957); па межведомственной третьей научно-технической конференции по геофизическим и гидрометеорологическим приборам.,, посвященной международному геофизическому году (Ленинград. 1958); на межведомственной первой научно-технической конференции по моделированию атмосферы и гидросферы (Ленинград, 1960): на пятом всесоюзном совещании по изучению селевых потоков (Баку, 1962); па межвузовских научно-технических конференциях по проблеме «Движение наносов и гидравлический транспорт» (Москва, 1963, 1968); па всесоюзной научно-технической конференции ВАСХНИЛ по проблеме «Заиление водохранилищ» (Москва, 1968); на заседании ученого совета Зоологического института АН СССР (Ленинград, 1966); на

заседаниях ученого совета Государственного гидрологического института (Ленинград, 1957—1961); на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского Гос. Аграрного университета (Пушкин — Ленинград, 1970—1991); на научно-техническом совещании «Трубопроводный транспорт в народном хозяйстве Курской области и перспективы его применения» (Курск, 1972); на Ленинградском телевидении в программе «Монитор» (Ленинград, 1988); на совместном заседании кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского Государственного Университета (Москва, 1976); на всесоюзных межвузовских конференциях «Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях» (Москва, 1976, -81, -87); на научно-технической конференции Азово-Черноморского института механизации сельского хозяйства (Зерноград, 1984); на всесоюзном симпозиуме «Методологические и системные проблемы охраны окружающей среды» (Ленинград, 1984); на всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного использования производств» (Ленинград, 1985); на всесоюзных научно-технических конференциях «Динамика и термика рек, водохранилищ и эстуариев» (Москва, 1984, 1989, 1994); на всесоюзной научной конференции «Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства» (Москва, 1983); на межведомственной третьей научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (Владивосток, 1988); на межвузовских координационных совещаниях (Томск, 1986; Нижний Новгород, 1988; Луцк, 1989; Ярославль, 1990; Одесса, 1991; Ташкент, 1991; Ижевск, 1992; Воронеж, 1993; Брянск, 1994; Вологда, 1995); на всесоюзной научной конференции «Эрозиоведение: теория, эксперимент, практика» (Москва, 1991); на межгосударственной научной конференции «Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха» (Пермь, 1993); на международном симпозиуме по применению инженерных методов для рек «Восток — Запад — Север — Юг» (С.-Петербург, 1994); на международном симпозиуме «Методы охраны атмосферы и водной среды» (С.-Петербург, 1994); на итоговых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Российского Государственного Гидрометеорологического института (С.-Петербург, 1993, -94, -95).

Публикации. По теме диссертации опубликована моногра-, фия и 74 научных работы; результаты исследований отражены в 28 отчетах, имеющих государственную регистрацию. Диссер-

тация является обобщением части результатов натурных, лабораторных и теоретических исследований, выполненных лично автором и_ под его руководством.

Основное содержание работы

Введение. Неоспорима актуальность разработки проблемы комплексного использования водных ресурсов в условиях антропогенного воздействия, для прогноза эрозионно-русловых процессов. Однако недостаточная теоретическая база рассматриваемых процессов затрудняет решение практических задач. Принятый в работе метод исследований отличается от существующих тем, что сначала русловые и эрозионные формирования изучаются в спонтанном развитии, а затем в полученные закономерности вводятся коррективы, учитывающие ограничивающие процесс условия, создаваемые как природой так и искусственно. В настоящее время появилась необходимость в изучении больших систем и в выработке для них специального математического аппарата. К таковым относятся многие природные саморегулирующиеся системы, изучение которых представляет большие сложности. Исследователи вынуждены создавать количественные модели объяснения таких явлений и доведения результатов до числа. Математические методы базируются на результатах экспериментальных исследований, законах механики и позволяют прогнозировать процесс.

В природе ряд механических явлений протекает спонтанно. Под воздействием периодических возмущений в текучих средах процессы сопровождаются образованием спонтанных формирований, которые взаимосвязаны со структурой потока. Под спонтанно сформированными турбулентным потоком телами понимаются тела, форма и поверхность которых деформируется синхронно с турбулентными возмущениями обтекающей их вязкой среды. При этом динамически установившиеся формирования на поверхности такого тела остаются при стационарном обтекании неизменными. Этим поверхностям свойственна вибрация и определенная концентрация инородных для потока, ограниченно подвижных частиц, на границе раздела с текучей средой. Эти частицы отделяются от поверхности тела в поток за счет сил турбулентного перемешивания. В качестве спонтанных формирований в текучих средах рассматриваются побочнн и гряды всех видов в руслах рек, барханы и дюны в пустынях, тела и покровы рыб, корпуса и покровы птиц и многие другие. Наиболее четко спонтанность процессов проявляется при фор-

мировании водным потоком побочней и донных гряд в руслах рек, тел и покровов рыб, т. к. эти процессы менее других затушеваны влиянием других второстепенных факторов. К изучению самоорганизующихся гидроаэромеханических природных систем можно подходить с двух точек зрения: во-первых, как к явлению воспроизведения гидроаэродинамическими сопротивлениями аналогичных форм в неживой и живой природе; во-вторых, как к отрасли науки — гидроаэромеханике спонтанных формирований. Гипотеза в единстве закономерностей, которым подчиняются описываемые спонтанные формирования в живой и неживой природе, была предложена автором в 1949 году и разрабатывалась им и его соавторами в течение последнего времени.

1. Состояние проблемы эрозиокно-русловых процессов

Решение задач рассматриваемой проблемы связано с успехами в развитии таких наук как теоретическая механика, речная гидравлика, геоморфология, прикладная геология, физическая география, гидрология суши и ряда других. Эта проблема является составной частью еще более сложной и пока неразрешимой проблемы турбулентности. Затруднения вызваны недостаточной изученностью процесса и преобладанием эмпирических методов в эрозиоведении. Поэтому привлечение нетрадиционных методов исследования приобретает особое значение при разработке физических основ теории эрозии. Кроме указанных затруднений, на познание процесса оказывают влияние факторы географической зональности, общие законы циркуляции атмосферы, геологические структуры, формы рельефа и другие. Одно из основных положений геоморфологии рассматривает общие закономерности саморегулирующихся систем при формировании рельефа в учении о географическом цикле. "В последние десятилетия решены некоторые задачи русловых процессов. Однако в настоящее время еще полностью не выявлен механизм руслового процесса, отсутствует единая теория происхождения типов руслового рельефа, нет теоретической основы для прогноза русловых деформаций на урбанизированных территориях, сохраняется разрыв между изучением руслового процесса в естественных водотоках и эрозионных процессов на водосборном бассейне, не решены задачи, относящиеся к расходам донных и взвешенных наносов, гидравлическим сопротивлениям в аллювиальных руслах. Методы расчета русловых форм, несмотря на их многообразие, не обеспечивают решения практических задач с достаточной полнотой и надежностью.

2. Гидромеханический анализ наносонесущего потока

В последнее время рассматриваемым проблемам уделяется псе возрастающее внимание, однако изучаются оип обособленно,

без учета взаимосвязи между собою. При этом выявлено, что------------

многим природным гидроаэродинамическим процессам, в том число и эрозионно-русловым, свойственен единый класс движении ньютоновских текучих сред. Поэтому установление общей закономерности для всего явления способствует более углубленному пониманию механизма единого класса течений и позволяет не Iолько оценить данный процесс в большом диапазоне параметров потока и обтекаемого тела, но и применять закономерности, установленные в одной отрасли знаний, для решения задач в другой.

Применение законов сохранения в гидравлике спонтанных формирований. Все уравнения движения твердого тела основаны па втором законе Ньютона. При исследовании многих природных процессов закон сохранения энергии используется совместно с законом импульса. В классической механике закон импульса применяется в теории удара, т. е. при упругом и неупругом столкновении тел. Неупругое столкновение наблюдается тогда, когда после удара внутреннее состояние частиц измен'¡о гсп. Способности текучих сред оказывать сопротивление чвнжущнмея в них телем определяются столкновениями частиц текучей среды друг с дпугом При этом такие частицы могут не ;;г.тясь между собою, отклоняться от прямолинейных путей пелелстпие силопого взаимодействия, неупругого столкновении. Подобный ироиссс характерен и для потока в спонтанно сформированном русле. При взаимодействии потока с наносами «акон сохранения энергии выразится в виде:

р^ _ // пч

1т, ~~ ~1т, 2т, 1 '

где р[", т< и /ь"'. 1П2 — соответственно импульсы, массы наносов и потока после неупругого столкновения; и — внутренняя энергия. Таким образом, основываясь на законе сохранения энергии, можно объяснить уменьшение гидродинамических сопротивлении в иапосонесущем потоке па основе учета внутренней энергии потока и кинетической энергии наносов. Следует отметить, что этот результат может быть использован и для экспериментальных нее ледова пни.

Дифференциальные уравнения двукомвоиентного потока и числа подобия, В классической гидромеханике разработаны

уравнения для математического описания движения реальных жидкостей, однако при применении этих уравнений встречаются непреодолимые трудности, обусловленные незамкнутостью системы уравнений, . что приводит к необходимости введения различных допущений, основанных на результатах лабораторных и натурных экспериментов. Во взвесенесущих потоках сдвиговые деформации воздействуют на нормальные напряжения. Поэтому целесообразно использовать для анализа дифференциальные уравнения в форме Даламбера—Лагранжа. Заимствуя из теоретической механики принципы возможных перемещений и Даламбера применительно к движущейся системе, получим дифференциалы составляющих работы по осям координат. Принимая постоянный по вертикали коэффициент турбулентного обмена, что допустимо для проницаемых границ потока в аллювиальном русле (см. А. С. Монин, А. М. Яглом, 1992 г., с. 320), получим после преобразований в проекции на ось х:

= Р - + + (2)

где последовательно = я, у, г. Для ламинарного режима, когда Тт-*-0 уравнения (2) превращаются в уравнения Навье-Стокса. Характеристиками турбулентности в уравнениях (2) являются компоненты пульсационных напряжений, в частности хтху = ~ ¡(иуп) гДе — вторая составляющая вектора скорости пульсации по вертикали от дна.

При выводе уравнений наносонесущих потоков использовано понятие непрерывной дискретной концепции, введенное Ф.И. Франклем (1953), А. Н. Колмогоровым (1954) и развитое в работах Г. И. Баренблатта, М. А. Великанова, А. К. Дюнина, С. И. Криля и др. На основе уравнений неразрывности и динамики турбулентного двухкомпонентного потока с малой мутностью составлены дифференциальные уравнения для струи при перемещении донных наносов. Несмотря на то, что эти уравнения не доведены до численного решения, они позволяют установить соотношение сил в наносонесущем потоке с малой мутностью.

На основании выражения (1) предложено в формуле для определения касательного напряжения при турбулентном режиме скорости соседних слоев разделять не удельной потенциальной энергией, а полной удельной энергией, т, е. отнесенной к единице силы тяжести;

------------- -- ...... Н*-^ + -£. + г + ии (3)

где —удельная кинетическая энергия; -а —коэффициент

кинетической энергии; и — средняя скорость слоя потока; £—

ускорение силы тяжести; Н ~ ~ +г — удельная потенциальная

энергия; р — гидродинамическое давление; у — удельный вес жидкости; г — геодезическая отметка; ¿7)—удельная внутренняя энергия, учитывающая квазиинерционность потока, влияние поверхностного натяжения, температуры, вязкости, электромагнитных, химических, акустических факторов. Выражение (3) приобретает особое значение для развитого турбулентного режима, когда удельная кинетическая энергия начинает вносить в изучаемый процесс существенный вклад.

Для вывода чисел подобия уравнения Навье-Стокса представлены в безразмерном виде, для чего введены безразмерные коэффициенты. Разделив уравнения почленно на (У2/Н„), получим первое уравнение системы

I1* ШЬ- 7, > 7, ^ _1_ 7> _§н* У —

УУ д,1 . , уу ^ я>г д„- — л

р \ др , ч Г д-ух , , <ЗЧ'Л.

(4)

Ро V2 ? <Э"; Г/7 Л <5;- дг? ' д:=

А

рр лУН*

з

-+- =-

??о2 гад.,,.

дЧ>г , д3ие , д-и.

д;2 1 дг! 1 д? ] 1 — дv г , — дг>х , — г^у

х д; 1 У дъ г д*

Если для потоков будут равны между собою соответственные множители, содержащие масштабы, то уравнения будут одинаковыми. Для динамически подобных потоков необходимо и достаточно чтобы было аналогично числу Стру-

- Фруда; ^пк) ~ Эйлера; ~ Рейнольдса;

(2^ьг^)~вебера; гае «-ск°р°сть

звука в газе, при этом а—Т/я—, а й = — —отношение

' Ро саI

теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме. При равенстве Я* = Н — глубине потока, что соответ-

ствует малым скоростям, течения, получим в уравнении (4) числа Струхаля, Фруда, Эйлера, Рейнольдса, Вебсра, Маха, поменяв числитель на знаменатель. Числа подобия, входящие в уравнение (4), проверены в диапазоне скоростей и давлений от ползущего течения до.предкавитационного состояния.

3. Наносонесущий русловой поток малой мутности

Способность периодических структур к саморегулированию и физическая модель процесса. В качестве периодических структур рассматриваются те формы, которые создаются турбулентными возмущениями, вихрями, флуктуациями при квазиустойчивом состоянии движения ньютоновских текучих сред. Турбулентный поток, являясь сложной системой автоколебаний, способен к самопроизвольному формированию своего строения. Поэтому поле скоростей в турбулентном потоке устанавливается самопроизвольно и не диктуется однозначно внешними условиями. Развитие учения о турбулентности сопровождается применением - теоретических и экспериментальных приемов изучения. Классификация способов описания турбулентных течений предусматривает использование; безразмерных эмпирических зависимостей, деления течений на зоны, уравнений Рейнольдса, моделирования поведения крупных вихрей, полных уравнений Навье-Стокса, двух констант связи между деформациями и напряжениями. Таким образом, математическое описание перемещения отдельных вихревых элементов и частиц примесей в турбулентном потоке пока не представляется возможным. В рассматриваемых процессах проблема турбулентности усугубляется наличием деформаций русла и меняющейся ограниченно подвижной шероховатостью его поверхности.

Одним из перспективных направлений является гидроаэромеханика спонтанных формирований. Спонтанность процесса способствует сортировке частиц по крупности самим потоком. Однако это направление строго регламентировано самопроизвольностью процесса и не позволяет получить приемлемых решений на основе использования закономерностей гидроаэромеханики потоков в недеформируемых границах. С целью повышения надежности и точности расчетов применяется метод аналогий, т. е. допускается создание моделей другой физической природы, но при наличии единства дифференциальных уравнений и одинаковых условий однозначности, описывающих процесс. При этом под условиями однозначности понимаются равенства безразмерных чисел подобия,

Рель симметрии в природных процессах. Формирование приридных объектов зависит от влияния среды. Форма является вторичной по сравнению с содержанием. Земное тяготение накладывает'""отпечаток на формирование органической н неорганической природы. Окатанная водным ""потоком -песчинка имеет форму трехосного эллипсоида. Симметричную форму имеют многие спонтанные формирования (гряды в руслах рек, рыбы и др.), что свидетельствует о симметрии в неживой и живой природе (В. И. Вернадский). Получившие в последнее время распространение полуэмпирнческие гипотезы, позволяющие находить зависимости между физическими характеристиками процессов, исходят из принципа симметрии (Л. И. Седов). Из этого же принципа выделяются теории подобия и размерностей (Н. С. Знаменская). Закон обращения движения справедлив и для русловых процессов в аллювиальных руслах (опыты С. М. Анцыферова, 1969 г.). Закономерно симметричные природные формы позволяют исследователям заимствовать у природы идеи технических решений, математических моделей.

Пульсации скорости. Экспериментальные исследования и теоретический анализ свидетельствуют о главной роли низкочастотных колебаний водных масс в формировании структур турбулентного потока. При ламинарном же режиме наблюдаются близкие к периодическим колебания большой амплитуды. 'Наличие вихревого потока в пограничном слое при ламинарном режиме объясняется перемещением связанных групп молекул. Это взаимодействие начинает проявляться в самом начале движения, когда скорость потока в пограничном слое становится больше пуля, за счет переноса количества движенйя этими группами молекул текучей среды. Возникающие при этом высокочастотные пульсации скорости характеризуются формулой, выведенной автором из теории малых колебании и проверенной на экспериментальном материале:

А" 4 к ' ' (5)

где и — частота; Г — циркуляция скорости по контуру; V — средняя по сечению продольная скорость; р — постоянная безразмерная величина; Кь — обобщенный коэффициент, равный 9,85 (1 /У см - с). По измерениям, проведенным при скоростях потоков воздуха и воды, равных 15 см/с, установлено, что отношение частоты высокочастотных пульсаций скорости воздуха к частоте низкочастотных пульсаций воды обратно пропорционально отношению весовых плотностей этих текучих сред.

Из (5) следует, что при переходе ламинарного режима в турбулентный в пограничном слое потока не наблюдается скачка, что отмечалось И. К. Никитиным (1963 г.).

Низкочастотные пульсации скоростей в открытом водном потоке подчиняются зависимости

/н = /СнУ, (6)

где /н — частота; V — средняя скорость турбулентного потока в диапазоне 14+300 см/сек; /СН = 3,Ы0_3 (1/см)—коэффициент пропорциональности, выводимый из работы элементарной струйки при неустановившемся движении и условии независимости амплитуды от времени, равный отношению энергии одного колебания к скорости распространения волн. Зависимости (5) (6) свидетельствуют об определяющем процессы факторе — средней скорости (удельном импульсе). Низкочастотные пульсации пограничных продольных скоростей в обтекающем тело потоке рассмотрены на основе методов потенциального течения. Для класса течений с потенциалом скоростей используется общий интеграл уравнений Навье-Стокса со скоростями на границе потока, неравными нулю. Это условие соблюдается тогда, когда обтекаемая поверхность не имеет четкой границы, т. е. текучая среда может просачиваться через поверхность, состоящую из инородных для потока частиц. В результате решения на основе этого метода получена эллиптическая кривая для траектерии частиц жидкости, пульсирующих в продольном направлении пограничного слоя. Из закономерностей циклоидального маятника так же может быть предложена в качестве такой кривой эволюта циклоиды.

Затухание продольной осредненной по времени фильтрационной скорости по мере углубления в толщу донных отложений рассмотрено при условии, что переменная сила, действующая на частицу жидкости, зависит только от положения точки. В результате интегрирования составленного дифференциального уравнения получен закон процесса

и = с пр (7)

где ц — продольная фильтрационная скорость в толще донных отложений по нормали у к дну; апр — придонная, осредненная во времени, продольная скорость руслового потока;« — коэффициент пропорциональности, характеризующий отношение коэффициента фильтрации к кинематическому коэффициенту вязкости и зависящий не только от формы и крупности несвязных частиц песка, но и от температуры фильтрующейся жидкости;

е — основание натуральных логарифмов. Следует учитывать случаи, когда знак скорости и в толще отложений может изменяться на обратный. Установленный для условий спонтанных формирований-коэффициент турбулентного обмена (4) использован для вычисления величины заглубления-в- аллювиальные отложения, прн котором фильтрационная продольная скорость становится равной нулю

где V — кинематический коэффициент вязкости воды; о — коэффициент поверхностного натяжения на границе вода — песок (диоксид кремния).

Низкочастотные пульсации приграничных нормальных к обтекаемой поверхности скоростей способствуют отрыву инородных для потока частиц от деформируемой поверхности. Эти пульсации обусловлены перепадами гидродинамического давления при обтекании выступов рельефа поверхности" русла и касательными напряжениями, передающимися от потока в толщу аллювиальных отложений. Для вывода использована теорема об изменении кинетической энергии применительно к жидкому цилиндру, расположенному по нормали к дну потока; при ряде допущений имеем

где /¡о — высота капиллярного поднятия воды в песке; у — величина заглубления жидкого цилиндра в отложения дна; и — вертикальная скорость фильтрации воды в отложениях; т — пористость отложений; к — коэффициент фильтрации; Н — глубина руслового потока; (— время; ц — ускорение силы тяжести. Полученное дифференциальное уравнение не проинтегрировано, однако процесс проанализирован для двух условий: когда глубина руслового потока Н неизменна и когда толщина подрус-ловой части у фильтрационного потока постоянна. Структура выведенных для этих условий уравнений свидетельствует о том, что глубина проникновения в несвязный песок вертикальных пульсаций скорости зависит от их амплитуды и частоты, а интенсивность просачивания воды в песок является функцией времени.

Неразмывающая и начальная скорости. Средние допустимые неразмывающие и нераздузающие (пороговые) скорости потока рассмотрены с использованием трех гидродинамических подхо-

и

(8)

дов применительно к двум условиям: до и после начала трога-ния несвязных частиц. На основе принципа возможных перемещений из динамики несвободной системы материальных точек получено выражение для средней допустимой неразмывающей скорости (см/с), при которой еще не происходит смещение несвязных частиц в прямолинейном потоке:

удоп. неразм. = СС (9)

где а — обобщенный размерный коэффициент для малой мутности потока; ёср (см)—средняя крупность частиц на границе потока. В процессе формирования аллювиальных и эоловых песков несвязные частицы окатываются. Например, в речных песках содержится около 23% окатанных частиц. Автором установлено, что для окатанных частиц крупностью один миллиметр допускаемая неразмывающая скорость возрастает, что объяснимо с позиций наименьшего гидравлического сопротивления (Койда Н. У., 1960 г. и др.). При этом частицы менее 0,05 мм совсем не окатываются, что по-видимому связано с наименьшей величиной суммарного сопротивления эрозии (например, лессы). При дефляции почв существенное значение приобретает влажность песка, однако полученная формула аналогична (9). В результате вывода установлено, что начальная скорость перемещения несвязных частиц, характеризующая начало сдвига отдельных частиц, зависит в основном от их формы и крупности.

Механизм взвешиЕания наносов. Отрыв инородных для потока частиц от обтекаемой поверхности происходит под воздействием на них трех основных сил: движущей, сопротивления и силы тяжести. Однако направления движущей силы и силы сопротивления в большинстве случаев не совпадают, что способствует возникновению пары сил, образованию водоворотов, волн, пульсаций и других возмущений в потоке. Этот процесс рассматривается автором на примере механизма взвешивания частиц донных наносов турбулентным потоком малой мутности. Вращательное движение жидкости разделяется на свободное и вынужденное. Свободное или безвихревое движение наблюдается в виде источника или стока в покоящейся жидкости. Вынужденное движение является вихревым и возникает под воздействием вязких касательных напряжений. Для анализа вынужденного равномерного вращательного движения жидкости выделена в потоке элементарная струйка. Динамический реактивный момент действия струйки на окружающий поток относительно оси вращения равен изменению секундного момента

количества движения струйки. Для рассматриваемого процесса использован принцип действия насоса, когда момент действия направлен против вращения струйки. Результаты теоретичс-ского-анализа-свидетельствуют, что основная роль при отрыве инородных для потока частиц""""от" спонтанно -сформированной поверхности принадлежит подъемной силе и мелкомасштабным водоворотам.

Расход донных наносов. Расчет стока дойных наносов необходим для прогноза русловых переформирований, оценки интенсивности заплети; и занесения водохранилищ, прудов, русловых карьеров и других актуальных задач. Одним из наиболее надежных методов, проведенных автором на ряде рек, является балансовый метод учета стока донных наносов. Однако это г меюд применим только при наличии в реке водоема, созданного подпорным сооружением. Но балансу масс определяете» сток донных наносов на входном гидрометрическом створе, расположенном выше водоема, за период между наблюдениями. Рассмотрены с позиций механики три формы транспорта донных наносов: сальтацией, качением и при донногрядовой форме перемещения. Вычисление расхода донных наносов по параметрам песчаных гряд позволило получить надежные результаты. Однако с позиции гидрометрии оказалось целесообразнее выражать множители п формуле элементарного весового расхода К, - у.:у,:сг11г через осредненные гидравлические элементы потока .ч среднюю крупность частиц донных наносов. В этой формуле а, — коэффициент формы гряды; сг, /гг — соответственно скорость перемещения и высота гряды; у:1— объемный вес донных наносов 1! воздушносухом состоянии. Полученные таким образом выражения автора для расчета расхода этих наносов неоднократно использовались в научных организациях и производственной практике. В этих выражениях расход донных наносов пропорционален пятой степени средней скорости V на вертикали и зависит от температуры воды.

4. Русловые формы и шдравлпческне сопротивления

В настоящее время наиболее полными морфодинамическими классификациями руслового рельефа являются классификации II. И. Маккавеева и Р. С. Чалова, А. 10. Сндорчука, Н. С. Знаменской, объединяющие терминологию общей и специальной лоции рек, Гос. гидрологического института, американского общества гражданских инженеров. Например, классификация Маккавеева—Чалова базируется на различной степени кинетич-

I

17

ности потока (числе Фруда) и формах транспорта донных каносов и поэтому отличается от других классификаций по характеру русловых переформирований и их морфологическим проявлениям. Эта классификация соответствует принятому в данной работе энергетическому принципу исследования. Физическое толкование числа Фруда позволяет делить реки на равнинные, полугорные и горные. В классификацию Маккавеева— Чалова вписывается разделение подводных песчаных гряд на три вида: гряды правильной формы, гряды с шахматным расположением в плане и поперечные цепи гряд. Гряды, занимающие промежуточное положение между этими видами, образуются при нарушении устойчивости донно-грядовой фазы перемещения донных наносов. В качестве донных наносов рассматриваются только те перемещающиеся частицы, которые формируют рельеф дна на данном участке русла в данный момент времени. Эти наносы передвигаются сальтацией, скольжением и качением.

Методика натурных и лабораторных исследований обосновывается теоретическими исследованиями. В результате анализа уравнений движения и теории размерностей установлено, что для выявления закономерностей руслового процесса следует использовать числа: Лохтина для донных наносов, Рейнольдеа, Фруда, Струхаля, Вебера и закон Эри. Условия, связанные с перемещением донных и взвешенных наносов, рассмотрены отдельно, т. к. механизм их движения различен. При анализе результатов измерений выделялись зависимости, соответствующие каждой фазе перемещения донных наносов. Гидравлические сопротивления и русловые формы исследовались в установившихся потоках отдельно для малой и повышенной мутности. Так же при анализе материалов измерений учитывались условия промерзания аллювия, наличие перелетков.

Характеристики донно-грядовых формирований. Форма поперечного сечения русла и гидродинамическая структура потока определяют виды гряд, при этом форма поперечного сечения аллювиального русла зависит от многих гидрологических, географических и геологических признаков. В ряде случаев очертание поперечного сечения русла может быть выражено одной кривой, но обычно требует использования двух и более формул.

Характеристики донно-грядовых формирований обоснованы автором исходя из принципа размерности, физического толкования чисел Фруда, Рейнольдеа и предназначены для вышеуказанных условий при спокойном и бурном состояниях течения для всех видов гряд: кинематические, как отношение кинети-

чёской энергии к работе сил трения. ДинамичёсКйё, как отношение кинетической энергии к работе сил тяжести. Линейные, как отношение энергии волнообразных турбулентных образований к энергии турбулентных вихревых образований в потоке. При этом учтено, что энергия волнообразных-образований, формирующихся с участием турбулентной диссипации, зависит"" от------

пульсационных возмущений в толще потока, а энергия вихревых образований порождает прямую диссипацию у дна. Объемная характеристика — коэффициент формы гряды аг, как отношение фактического объема гряды к объему параллелепипеда с размерами сторон, равными наибольшим размерам гряды (аг<1). Отношение /гг//г является крутизной гряд, при этом путем использования принципа Даламбера установлено, что главную роль при спонтанном формировании верхового ската гряд играют гидродинамические сопротивления и мелкомасштабные водовороты. Характеристики наносных донно-грядо-вых формирований зависят от чисел Фруда и Рейнольдса для потока при всех фазах перемещения донных наносов.

Концентрация донных наносов. В качестве весовой концентрации #э/<3э донных наносов, являющейся важным индикатором русловых деформаций, предложено отношение элементарных весовых расходов этих наносов и воды. Зависимость этой концентрации от числа Фруда для потока, установленная на основе анализа объемной и кинематической характеристик гряд, выражается формулой

Эта формула свидетельствует о том, что каждому численному отношению удельной кинетической энергии к удельной потенциальной (числу Фруда) в потоке соответствует только одна весовая концентрация донных наносов, которую поток способен создавать, сортировать по крупности и перемещать. В этой формуле элементарный весовой расход донных наносов пропорционален пятой степени средней скорости на вертикали. Также установлено, что эта весовая концентрация с увеличением температуры воды возрастает тем интенсивнее, чем больше элементарный весовой расход потока воды с малой мутностью. На основе анализа формул (10) и (19) предложено выражение для расчета элементарного весового расхода донных наносов:

где £?д,и. — средняя крупность частиц донных наносов в месте

(Ю)

' — У-^д-"- 1,2 27УЧ О

э ~ 100007 gH I

(И)

2*

19

измерений V и //; /уч — гидравлический продольный уклон на участке русла; к — коэффициент гидравлического трения по длине. Для условий гладкой, донно-грядовой и антидюнной фаз перемещения донных наносов при спокойном и бурном состояниях стационарного потока из (11) установлена зависимость между элементарными расходами воды = уьН и донных наносов = аг7нСгйг. Эта зависимость, полученная исходя из объемной и кинематических характеристик гряд и проверенная на многочисленных материалах натурных и лабораторных исследований (см. например Н. И. Алексеевский, К. М. Беркович, 1992 г.), свидетельствует о том, с увеличением элементарного весового расхода воды (2Э расход возрастает интенсивнее для глубоких участков русел, чем для мелких. Это обстоятельство подтверждается тем, что в период половодья на реках с малой мутностью наблюдается размыв плесовых лощин и намыв перекатов.

Весовая концентрация донных наносов тесно связана с числом Лохтина У^д.„././уЧ для этих же наносов. Для обоснования этой зависимости учтем формулу (4) и выражение для полезной мощности потока, используемой на турбулентное перемешивание, отрыв частиц донных наносов от дна, их перемещение и сортировку по крупности. Их совместное решение позволяет получить зависимость весовой концентрации донных наносов от числа Лохтина:

где 8я2 — постоянный для принятых условий коэффициент. Из приведенных зависимостей (11), (12) становится ясным физический смысл числа Лохтина для донных наносов, как параметра, обусловливающего весовую концентрацию этих наносов, а отсюда размываемость русел естественных потоков. При этом средняя крупность частиц характеризует русловой процесс на участке русла, уклон определяет транспортирующую способность потока.

Гидравлические сопротивления аллювиальных русел. Во избежании грубых ошибок автором использовано несколько разных подходов для расчета гидравлических сопротивлений в аллювиальных руслах при малой мутности потока. На основе выведенного Л. Прандтлем и Т. Карманом выражения для тт ху, закона Брамса-Эри для наносонесущих потоков ~ У gdл,n. и анализа уравнений Навье-Стокса (4) диссертант получил

(12)

формулу для расчета касательного напряжения на дне при

турбулентном режиме

I а<11и<Их (

где коэффициент турбулентного обмена

Л ,/ч'' И4)

Jyt I а

Здесь ])Ч — продольный гидравлический уклон на участке русла; с11 — элемент векторной длины; й^м./а является отношением удельных кинетических энергий

(15)

пульсационных скоростей разных «рангов», при этом энергия в числителе обеспечивает взвешивание и сортировку частиц песка по крупности, в знаменателе — перемещение донных наносов.

В формулах (Ю), (12) установленных независимо одна от другой, два комплекса (число Фруда и число Лохтина) связаны с одни-.! и тем же параметром — концентрацией донных наносов,

которая характеризует почти все потери энергии напосонесущего потока. Следовательно между числами Фруда и Лохтина должна существовать зависимость, которая определяет фазы перемещения донных наносов, форму образований при их переносе, сортировку этих наносов по крупности. Из этой зависимости путем ее преобразовании получено выражение для коэффициента Шези:

с- я »01/ • <1б>

не содержащее глубины, т. к. она регулируется потоком. Здесь гп — поверхностная пористость песка и гравия в рыхлом состоянии; \х — динамический коэффициент вязкости воды. Силы поверхностного натяжения между атомами кислорода кремния больше таких же сил между атомами водорода молекул воды. Поэтому .межмолекулярные силы вода—диоксид кремния (песок) больше аналогичных сил вода — вода. Эта особенность сил обеспечивает капиллярные явления в песках. Отсюда высота капиллярного поднятия воды среди шаровидных песчаных частиц будет равна

~ = = ^ <17>

где по Но в мономинеральных аллювиальных песках со средней крупностью частиц йсР от 0,075 до 3,6 мм автор по формуле (17) получил значения а в пределах от 0,01967 до 0,0305 кгс/м. Исходя из теории размерностей, анализа объемной и линейной характеристик гряд, морфологии рельефа дна также предложена формула для вычисления коэффициента Шези, но только для донно-грядовой фазы перемещения донных наносов:

(18)

где аг — коэффициент формы гряды; 1Г — длина гряды.

Для плоского потока с малой мутностью с учетом ряда допущений автором выведено выражение:

/у„ Ке Уа?

0,0243, (19)

У ¿д.и.

где 0,0243 — к. п. д. потока при перемещении и отсортировке по крупности донных наносов, этот коэффициент выведен М. А. Великановым (1958 г.) другим способом; а — 1 — коэффициент с линейной размерностью, соизмеримый с ¿¿д.н. и пропорциональный удельной кинетической энергии о2ДОн/(2£) донных пульсационных скоростей в потоке: Ие = vH/v■, Рг =и2/£#; V и Н — средние скорость и глубина на вертикали. Здесь коэф-

2 /уч у л

фициент гидравлического трения по длине % — -р—; -——•

/уЧ } а

число Лохтина. Полученное выражение (19) проверено на материалах натурных и лабораторных измерений при изменении ¿д.н. = 0,01 + 0,25 см (А. Ф. Кудряшов, 1977 г.).

Установлена зависимость Я. =для двух случаев: донные гряды неподвижны и при их перемещении. В первом случае коэффициент гидравлического трения по длине К увеличивается с возрастанием крутизны гряд гг = йг//г и Ие. Во втором случае коэффициент К уменьшается с увеличением кинематической характеристики гряд СтйД.Н.А и Ие для потока.

Диссертантом получено выражение для определения диссипации энергии в плоском потоке при среднем по вертикали коэффициенте турбулентного обмена:

№ У а,

А^* = уч"_1 . (20)

Для аналогичных условий по многочисленным измерениям в широких аллювиальных руслах

------------- Л',* (21)

■0(1 — ту.У-8.

Из сравнения выражений (20) и (21) следует: ЛУСА^*. что можно объяснить недостаточным учетом прямой и турбулентной диссипации, а также подавлением турбулентности при перемещении донных наносов.

На гидравлические сопротивления значительное влияние оказывает форма русла в плане. Для изучения этого процесса рассмотрено движение одномерного наносонесущего потока на повороте русла при малых гидравлических уклонах. Вывод выполнен с использованием дифференциальных уравнений движения в цилиндрических координатах для криволинейного и составного русла в плане.

Влияние мутности потока на русловой рельеф и расход донных наносов. Влияние мутности потока на русловой рельеф, гидравлические сопротивления и расход донных наносов имеет существенное значение при определении точности расчетов русловых процессов. Однозначного мнения о влиянии взвешенных частиц на турбулентные пульсации скорости в настоящее время не существует. Одни исследователи считают, что наличие взвешенных наносов приводит к уменьшению энергии пульсаций и к дроблению турбулентных неоднородностей. Другие придерживаются мнения, что взвесь в потоке способствует увеличению энергии пульсаций вследствие создания дополнительных возмущений, возникающих при обтекании взвешенных частиц потоком. Первая точка зрения характерна для условий уменьшения низкочастотных пульсаций скорости, а вторая — для увеличения высокочастотных пульсаций. Поэтому в зависимости от характера такого многофункционального процесса переноса как рассматриваемый и содержания взвеси может изменяться спектр турбулентности в толще потока, а также различаться прямая и турбулентная диссипация энергии.

Существенное значение в незначительное снижение гидравлических сопротивлений вносят мелкие частицы взвеси диаметром 10'5 м, обволакивание гидратными оболочками физически ;вязанной воды. Эти мелкие частицы ослабляют зацепление между более крупными частицами и играют роль смазки рельефа русла, что приводит к «глинизации» поверхности. При этом "юверхность мелких частиц покрыта коллоидами, поэтому не

исключена возможность их химического взаимодействия (Б. М. Гуменский, 1965 г.). При очень большой мутности неструктурная гидросмесь превращается в структурную, тогда для расчета последней используются закономерности, рассматриваемые в реологии (А. Ф. Кудряшов, 1980 г. и др.). Имеющиеся в настоящее время методы расчета гидравлических сопротивлений при перемещении неструктурных гидросмесей предназначены для потоков с большими концентрациями и, как установил автор, непригодны для малых значений мутности. По нашим данным влияние незначительной мутности (от 0,26 до 2 кг/м3) на геометрию и кинематику донных гряд осуществляется через порозность донных наносов, коэффициент турбулентного обмена, коэффициент поверхностного натяжения на границе вода — песок (диоксид кремния) и другие параметры потока и русла. Верхний предел мутности является для рек России наиболее характерным (И. Ф. Карасев, 1992 г. и др.). Данные натурных и лабораторных исследований (Е. К. Рабкова, Е. Идеи, А. Томас, Р. С. Чалов, Б. Ф. Снищенко, Ю.Л.Щевьев, Н. Н. Виноградова, В. К. Дебольский, А. Ф. Кудряшов и др.) свидетельствуют, что для указанных пределов среднесуточной мутности характеристики донных гряд и концентрация донных наносов изменяются неоднозначно в условиях как спокойного так и бурного состояния течения: — коэффициент формы гряды

■К, 1

ущ 1 м

0,003 Рг

■высота гряд к.

■длина гряд

А- — Лз^Д.и. - ширина гряд

25,9

244

16.0

4

3,75

рг + 0,07 1 (рг + 0,07)2

112,5

33,7

ьг = лга.И.

300

Рг + 0,028 1 (Рг + 0.028Р

__112,5 , 20,7 __

Рг + 0,01 ^ (Рг 4- 0;01>

■ скорость перемещения гряд

25ч КгА.н,

Рг2,

(22)

(23)

(24) (25; (26;

— весовая концентрация донных наносов

- ---------у,_____________-¡1'// Ш'ДНЬ

1? Л'.-/ V г /?

где у — удельный нес водного мутного потока; ун — объемный вес донных наносов в воздушно-сухом состоянии: Рг = о2/(яЯ); с1 н И— средние скорость и глубина на вертикали мутного потока; с1А.н. — средний диаметр частиц донных наносов в месте измерении V н Н: V — кинематический коэффициент вязкости мутного водного потока; — безразмерные коэффициенты

учета влияния мутности, изменяющиеся от 1,0 до 9,0. Предложенные автором формулы (22) н- (27) позволяют установить период времени, в течение которого частица донных наносов может быть погребена в толще отложений при перемещении гряд. Этот период (/г/сг) изменяется в пределах от 1,4 сек до 117 суток, что необходимо для определения интенсивности распространения частиц наносов, зараженных вредными веществами.

5. Эрозия почв водосбора, заиление прудов и водохранилищ, перенос загрязняющих веществ

Среднегодовая мутиссть водотоков и аналог числа Лохтина.

Учитывая то обстоятельство, что основным регулятором саморегулирующейся системы «водосборный бассейн — речной поток — русло» являются гидравлические сопротивления, при обосновании физического смысла аналога числа Лохтина будем исходить ил гидродинамических представлений. В пульсирующем турбулентном течении сравнительно крупная (>0,01 мм) частица взвешенных наносов находится иод воздействием сил тяжести и инерционных. В большинстве потоков сила сопротивления этой частицы пропорциональна второй степени скорости (см. В. Б. Гусеак, 1948). Так как формирование стока взвешенных наносов в естественных потоках зависит от многих природных факторов, то следует использовать осредпенные параметры. Исходя из величин теоретической и полезной мощностей наносонесущего потока диссертант вывел выражение для расчета среднегодовой за многолетие мутности (г/м3) в гидрометрическом створе:

(28)

гдс ув.н. — 1,3 (г/см5)—объемный вес взвешенных наносов (по Г. И. Шамову); 7= 1 (г/см3)—удельный вес воды; а — коэффициент поверхностного натяжения на границе вода — песок (г/см). Выражение (28) подтверждается данными натурных измерений на реках, ручьях, расположенных в разных географических зонах, данными по р. Колорадо Е. В. Лейна и

зависимостью Сх — Для обтекания шара, т. е. с увеличе-

нием температуры воды (влияние о) 5 уменьшается. 'Из полученного выражения (28) становится ясным физический смысл аналога числа Лохтина как параметра, обусловливающего весовую концентрацию взвешенных наносов, т. е. эрозию почв водосборного бассейна.

На основе анализа формул (12) и (28) реферата можно заключить, что число Лохтина характеризует устойчивость русел водотоков при условии, что водный поток может спонтанно формировать свое ложе, сложенное аллювиальными отложениями, а так же находящееся в состоянии длительного динамического равновесия с потоком. При этом уклоны 7Ср и /уч определяют транспортирующую способность потоков, а средние за многолетние крупности взвешенных и донных наносов характеризуют по Г. В. Лопатину (1952 г.) совокупность водноэрозион-ных процессов на водосборах в различных природных условиях.

Водная эрозия почв. Интенсивность эрозии почв выражается в мм/год или в тонно-массе на гектар, т. е. потерями массы почвы т с единицы площади Я] водосбора в единицу времени I или т/($\1). Наибольшей интенсивностью отличается антропогенная эрозия. Ряд исследователей эрозии почв при определении средней величины смыва исходят из уклона и экспозиции склона рельефа и длины склона, так же учитывают влияние других факторов на смыв почвы. Однако до сих пор не существует надежной методики расчета. Для оценки эрозии почв водосбора автор (Кудряшов, 1962, 1965, 1988, 1991 гг.) исходил из энергетического объяснения процесса и использовал два главных фактора: средний диаметр частиц взвешенных наносов йъм,, установленный по среднегодовым за многолетие материалам наблюдений в рассматриваемом гидрометрическом створе потока, и средний уклон /ср потока от истока до этого гидроствора. Гидравлическое обоснование среднеговой за многолетие мутности 5 = в гидрорастворе и весовой концентрации ■Кэ/<3э донных наносов представлено в автореферате формулами (28) и (10, 11, 12). Соотношение весов среднегодового стока

Яв/Ов взвешенных наносов к донным по данным различных авторов изменяется от 70 до 98;%' для равнинных рек и от 20 до 60% для горных рек. Величина указанного соотношения увеличивается "от устья-к- истоку _ независимо от того, горная река или равнинная. Диссертантом установлено,-что- при установившемся динамическом равновесии потока, русла и водосбора"—-соотношение весовых концентраций донных и взвешенных наносов сохраняется в строго определенных долях и зависит от аналога числа Лохтина для взвешенных наносов. Исходя из этих соображений оценивается интенсивность эрозии почв водосбора, ограниченного заданным гидроствором.

Заиление прудов и водохранилищ,. Существующие рекомендации ц результаты измерений заиления свидетельствуют о том, что за счет оценки мутности зональных рек по карте погрешность составляет от 25 до 300% (К. Н. Лисицына, 1977 г.). Использование методики диссертанта позволяет получить более точные результаты, т. к. она базируется на энергетическом подходе к объяснению процесса. Воспользуемся зависимостью (28) аналога числа Лохтина от весовой концентрации взвешенных наносов, при этом учтем отношение На основе натурных измерений получим

где — средний годовой вес отложений взвешенных н донных наносов в аккумулирующей емкости, в тоннах силы; /?„ — средний за многолетие годовой сток взвешенных наносов в тоннах силы; А0 — коэффициент, зависящий от степени зарегулированное™ стока воды этой емкостью. Из этой зависимости (29) следует, что интенсивность заиления емкостей Яо/№о пропорциональна весовой концентрации взвешенных наносов в потоке для емкостей с однозначной зарегулированностыо ими стока воды \VofQs и обратно пропорциональна #в/(3в для емкостей с однозначным показателем их запляемости 1Г0//?В. Выражения (28) и (29) позволяют утверждать, что если два независимых параметра связаны с третьим #„/<2в, то между этими параметрами должна существовать зависимость, т. е. в рассматриваемом случае

где £> — постоянный для однозначных \VoZQb размерный коэффициент; ёв.н. — средний диаметр частиц взвешенных наносов

(30)

йыражён в мм и установлен по среднегодовым за многолетие материалам наблюдений в рассматриваемом гидрометрическом

створе водотока. Здесь т — —— показатель степени; Шо,

£?в— в тоннах силы; /ср — в промилях, м/км, о/оо. На базе вышепредложенных обоснований и проверки (30) на основе анализа натурных материалов можно утверждать, что по аналогу числа Лохтина для взвешенных наносов оценивается с достаточной практической точностью интенсивность заиления и занесения как крупных водохранилищ, так и мелких водоемов с различной зарегулированностью ими стока воды и наносов. Предложенный способ использован в «методике» аналогичных расчетов бывшего Совета Экономической Взаимопомощи, исследователями прудов Украины, института озероведения РАН и др.

Роль взвешенных наносов в переносе загрязняющих веществ. При проектировании водоохранных мероприятий необходимо знать пути миграции и изменение количества загрязняющих веществ в водной среде. Взвешенные наносы, переносимые потоками, сорбируют на своей поверхности загрязняющие вещества и в результате турбулентного перемешивания распространяют их на весь водный объем. Однако в естественных водных объектах наблюдаются сложные гидродинамические, биохимические и физические процессы, приводящие к самоочищению водных масс. При ряде допущений автор рассмотрел два наиболее реальных варианта переноса загрязняющих веществ трех категорий вредности. Первый вариант соответствует условию, когда число загрязненных частиц в общем потоке не увеличивается, что свидетельствует о недостаточном турбулентном перемешивании. Второй вариант предусматривает условия, когда происходит самозаражение частиц, и позволяет определить период времени, когда число зараженных частиц будет наибольшим. Таким образом по аналогу числа Лохтина (28) для взвешенных наносов можно определить количество переносимых загрязняющих веществ разных категорий вредности.

Заключение

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы и предложения:

— на основе метода аналогий, использования законов гидромеханики создано новое направление — гидравлика спонтанных формирований, отличающееся единым классом течений, характерным для многих природных процессов;

— установлено, что спонтанные формирования возникают иол воздействием структурных образований потока;

— выявлены зависимости между основными параметрами турбулентного потока в спонтанно сформированном им русле, что позволяет по минимальному--числу -измерений получить максимальный объем информации;

— получены единые для русловых I! эрозионных процессов закономерности, базирующиеся на принципе саморегулирования системы «водосборный бассейн — речной ноток — русло»;

— разработаны принципиально новые методы гидравлических расчетов величии русловых деформации и объемов смыва почв из-за воздействия эрозионных процессов;

— предложена методика расчетов расходов и концентраций дойных наносов для потоков с малой мутностью:

— разработан способ оценки диссипации энергии и обоснована методика расчетов гидравлических сопротивлений потоков, транспортирующих донные наносы;

— предложены дифференциальные уравнения движения для описания параметров потоков, несущих донные и взвешенные наносы;

— обоснован комплекс безразмерных характеристик донных гряд и получены зависимости этих характеристик от чисел

Фруда и Ренпольдса для потока;

— установлено влияние сил поверхностного натяжения, температуры н мутности потока на характеристики лонных гряд, гидравлические сопротивления и расход, донных наносов;

— выведена формула для расчета коэффициентов турбулеш-ного обмена в потоках, транспортирующих лонные наносы;

— получена формула для расчета средней допустимо!'! нераз-м ы в а ю щ е и скорости;

— выявлен физический смысл числа Лохтнна, как параметра, характеризующего весовую концентрацию взвешенных и донных наносов, возникающую под воздействием как естественных, так и антропогенных факторов;

— обоснованы методы расчета интенсивности водной эрозии и оценки заиления водохранилищ и прудов;

— разработана методика расчетов объемов загрязняющих веществ при их переносе взвешенными наносами;

— все предложенные методики проверены на независимой исходной информации.

Основные научные публикации по диссертационной теме

1. Гидравлика русловых и эрозионных процессов. Монография. Изд. РГГМИ, С.-П, 1995, с. 1—121.

2. Система «бассейн — речной поток — русло» и роль сопротивлений в механизме ее саморегулирования. // Эрозионные и русловые процессы. Изд. Мое. Гос. Ун-та и Луцкого Педагогического ин-та, Луцк, 1991, с. 150— 159 (соавтор — Н. Б. Барышников).

3. Гидроаэромеханика спонтанных формирований и русловые процессы. // Материалы научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья. Гидрометеоиздат, С.-П., 1991, с. 108—115.

4. Методические указания управлениям Гидрометслужбы. // Сток наносов. Гидрометеоиздат, Л., 1963, № 67, с. 1—110 (соавторы — А. В. Карау-шев, К. Н. Лисицына).

5. О затухании скорости руслового потока в мелкозернистых аллювиальных отложениях дна. Межвузовский сб. «Моделирование и прогнозы гидрологических процессов», вып. 113. Издание Рос. Гидрометеорологич. ин-та, С.-П., 1992, с. 66—71.

6. О проблеме турбулентности. Межвузовск. сб. «Проблемы эрозионных, русловых и устьевых процессов». Изд-во Удмуртского Ун-та, Ижевск, 1992, с. 53—54.

7. Наносный режим равнинных водотоков. Ж-л «Гидротехническое строительство», № 6, 1992, с. 39—41.

8. Оценка водной эрозии почв водосборного бассейна по числу Лохтина. Ж-л «География и природные ресурсы», № 3, 1993, с. 144—147.

9. О балансовом методе учета стока наносов и оценка интенсивности заиления водохранилищ. // Водный баланс и заиление малых водохранилищ черноземного центра РСФСР. Наука, М.-Л., 1965, с. 224—242.

10. Воспроизведение русла побочневого типа в лабораторных условиях // Труды Гос. гидрологического ин-та. Гидрометеоиздат, Л., 1959, вып. 69, с. 102—130.

11. О перемещении влекомых наносов. // Труды Гос. гидрологического ин-та. Гидрометеоиздат, Л., I960, вып. 86, с. 43—52.

12. Результаты некоторых опытов по изучению русловых потоков на размываемых моделях. // Труды третьего Всес. гидрологического съезда. Гидрометеоиздат, Л., 1960, том 5, с. 229—236.

13. Методические рекомендации к составлению справочника по водным ресурсам СССР. // Сток наносов. Гидрометеоиздат, Л., 1961, вып. 10, с. 1—45 (соавторы — А. В. Караушев, К. Н. Лисицына).

14. Методика исследования наносных образований в русловом потоке. Ж-л «Метеорология и гидрология», 1961, № 7, с. 28—32.

15. Опыт применения объемного метода учета наносов. // Материалы 1ятого Всес. совещ. по изучению селевых потоков. Изд-во АН Азерб. ССР, Заку, 1962, с. 187—195.

16. Характеристики наносных донкогрядовых образовании в русловом ютоке. // Межвузовская конференция — движение наносов и гидравлический транспорт. Изд. Моск. ннж.-строительного ип-та, М., 1963, с. 34—38.

17. К вопросу методики учета стока наносов горных рек. // Межвузов-:кая ^конференция — движение наносов и гидравлический транспорт. Изд. Чоск. инж.-строительного""ин-таг М:; 1963, с. 39—43 (соавтор — И. В. _Бого-побова).

18. Методика учета стока влекомых наносов суммарным способом по >тложенням в отстойных сооружениях. // Труды Гос. гидрологического иц-та. "идрометеоиздат, Л,, 1964, вып. 111, с. 143—154 (соавтор— И. 13. Бого-побова).

19. Роль взвешенных наносов в переносе загрязняющих веществ. ,// (тоговая сессия Ученого совета. Изд. Рос, Гос. Гидрометеорологического [н-та, 1993, С.-П., с. 28—30.

20. Сходство неровностей чешуйного покрова с неровностями па поверх-остях, сформированных потоком в руслах рек. // Зоологический журнал, ом 46. Наука, М., 1967, вып. 3, с. 393—403 (соавтор — В. В. Барсуков).

21. О гидродинамической роли чешуйного покрова рыб как аналога оверхностей, непосредственно сформированных вихревым потоком. // Зооло ический журнал, том 46. Наука, М., 1967, вып. 4, с. 556—566 (соавтор — !. В. Барсуков).

22. О маневренности водных животных. // Вопросы ихтиологии, том 8, tayxa, М„ 1968, вып. 6(53), с. 1057—1062 (соавтор —Г. В. Зуев).

23. Об аэродинамической роли перьевого покрова корпуса птиц. // оологический журнал, том 50. Наука, М., 1971, вып. 6, с. 864—874 (соав-ор — К. А. Юдин).

24. Воспроизведение гидравлическими сопротивлениями аналогичных >орм в живой и неживой природе. // Заявка на открытие СССР № 32-ОТ-8355

т 10 апреля 1973 г., с. 22 (соавтор — В. В. Барсуков).

25. Исследование русловых процессов на воздушных моделях. ,// Неко-трые новые гидрометеорологические и геофизические методы измерений и рнборы. Гидрометеоиздат, Л., 1957, вып. 1, с. 139—180.

26. Движение турбулентного потока с руслоформиругсшш.ми наносами а повороте русла при малых гидравлических уклонах. // Динамика русло-.1х потоков и охрана природных вод. Изд. Ленннградск. гндрометеорологи-:ского института, Л., 1990, вып. 107, с. 43—57.

27. О сопротивлении плоского стационарного потока с малой мучноеппо аллювиальном русле. // Движение наносов и гидравлический транспорт.

зд. Моск. инж.-строительного ин-та, М„ 1968, с. 74—75.

28. О сопротивлении воды движению рыб. // Биология моря. Наукова емка, Киев, 1968, вып. 16, с. 21 — 38.

29. О механизме плавания рыб и дельфинов. Ч Биологии моря Наукова у'мка, Киев, 1968, вып. 16, с. 59—69.

30. Проектирование малого водохранилища. // Методические указания выполнению курсового проекта. Изд. Ленингр. с/х пн-та, Л., 1975, с. 1—22 оавтор — Э А. Шакирова).

31. Гидравлика и гидромеханизация с/'х процессов, раздел гидпоштевчо-lancnopT. Методич. разработка. Изд. Новгородского е/х нн-та, Новгород. >88, с. 1—21 (соавтор — В. М. Тё).

32. О диссипации энергии потока при перемещении руслоформирующих наносов. Деп. ВИНИТИ, № 7040—В 88, 1988, с. 30—36.

33. Процесс размыва борозды на поверхности связного грунта. // Динамика русловых потоков. Изд. Лешшгр. Политехи, ии-та, Л., 1987, вып. 98, с. 88—93.

34. Особенности гидравлики речного потока в аллювиальном русле при антропогенных воздействиях. // Труды пятого Всес. гидрологического съезда, том 10, кн. I. Гидрометеоиздат, Л., 1988, с. 380—389.

35. Приборы, оборудование и способы наблюдении при русловых исследованиях на размываемых моделях. // Записки Ленингр. с/х ин-та, том. 149, изд. ЛСХИ, Л., 1970, вып. 1, с. 109—113 (соавтор —Э. А. Шакирова).

36. О технике русловых исследований на размываемых моделях. // Записки Ленингр. с/х ин-та, том 149, изд. ЛСХИ, Л., 1970, вып. 2, с. 110—113 (соавтор — Э. А. Шакирова).

37. О взвешивании несвязных частиц наносов потоком жидкости. // Динамика русловых потоков. Изд. Ленингр. Политехи, ин-та, Л., 1983, вып. 83, с. 79—85.

38. Расчет подъемной силы при определении неразмывающей скорости для несвязных грунтов. // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. Высшая школа, Мн., 1984, вып. 13, с. 69—72 (соавтор — В. Д. Баркалова).

39. Способ оценки интенсивности занесения русловых карьеров. Межвузовский сб. «Девятое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов». Изд-во Брянского Гос. Педагогического ин-та, Брянск, 1994, с. 68—69.

40. Батометр для изменения расхода донных наносов. Межведомств, сб. «Итоговая сессия ученого совета РГГМИ». Изд. Рос. Гос. Гидрометеорологического ин-та, С.-П., 1995, с. 19—20.

41. О гидравлических сопротивлениях в наносопесущем русловом потоке. Межведомств, сб. «Вопросы экологии и гидрологические расчеты», вып. 116. Изд. Рос. Гос. Гидрометеорологического ин-та, С.-П., 1994, с. 141—145.

42. Влияние ледяного покрова на характеристики донных гряд. Меж-вузовск. сб. «Десятое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов». Изд. Вологодского Политехнического ин-та, Вологда, 1995, с. 70—71.

43. Лабораторные исследования процессов мсандрирования. // Совершенствование. .. мелиоративных работ. Дсп. ВНТИиф. Центр, Гос. рег Лг5 81030236, пив. № 0286.0067891, 1985, с. 1—80.

44. Гидротранспорт. Задания па расч.-графнч. работу. Изд. Марийскогс Политехи, ин-та, Йошкар-Ола, 1985, с. I—16.

45. Методика и техника исследований русловых потоков в натурных 1 лабораторных условиях. // Шестое межвузовское коорд. совеш, по проблем< эрозионных, русловых и устьевых процессов. Изд. Ташк. Гос. Ун-та, Ташкент 1991. с. 48—51.

46. Оценка эрозин почв водосбора по числу Лохтина. // Эрозиоведение теория, эксперимент, практика. Изд-во Мое. Гос. Ун-та, М„ 1991, с 96—97.

47. Основы гидравлического транспорта в сельском хозяйстве. // Мето дическне указания. Изд. Бел. ин-та механ. с/х-ва, Мн., 1979, с. 1—24 (соав торы — Э. В. Костюченко, В. И. Лаптев).

48. Гидравлика, водоснабжение, гидротранспорт, раздел гидротранспорт Изд. Укр. с/х Академии, Киев, 1980, с. 1—41 (соавторы—А. В. Мищенкс А. Т. Карпусь).

49. Ихтиолого-русловая гидравлическая аналогия. // Закономерного проявления эрозионных и русловых процессов..., Изд-во Мое. Гос. Ун-та. М 1981, с. 338—339 (соавтор —В. В. Барсуков).

50. О гидравлических сопротивлениях плоского стационарного потока в аллювиальном русле. // Динамика потоков и русловые- процессы. Изд. Ленингр. Политехи, ин-та, Л., 1977, вып. 63, с. 50—57.

51. Гидротранспорт' в с/х производстве. Изд-во Белор. с/х Академии, Л1н., 1980, с. 1—35 (соавторы — Э. В. Костюченко, В. И. Лаптев).

52. Технические средства автоматики. // Учебное пособие. Изд. с/х ин-та, Л., 1978, с. 1-^-42 (соавторы —В. С. Зарицкий, Ю. С. Бернер).

53. Формирование гряд в плане на дне "аллювиального русла. // Дина----------- -

мнка и термика рек, водохранилищ и окраинных морей, том I. Изд-во ин-та водных проблем АН СССР и советск. нац. комитета МАГИ, М., 1989,

с. 35—30.

54. Опыт исследования стока взвешенных наносов и переноса загрязняющих веществ в ручьях. Межгосударств, сб. «Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха», ч. I. Изд-во Пермского Гос. Университета, Пермь, 1993, с. 161—162.

55. Влияние мутности потока на весовую концентрацию руслоформирую-Тцих наносов при донно-грядовой форме их перемещения. Межвузовский сб. «Восьмое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов». Изд-во Воронежского Гос. Аграрного Ун-та, Воронеж, 1993, с. 59—60.

56. Число Струхаля и донно-грядовый рельеф аллювиального русла. Меж-государсв. сб. «Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей», том. I. Издание ин-та водных проблем РАН, 1994, М., с. 252—253.

Тип. ВНИИГ. 3. 531. т. 100. 05.12.9S.