Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле"

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 565.536

Немчинов Константин Витальевич

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РУСЛОВОГО И ПОЙМЕННОГО ПОТОКОВ НА ТРАНСПОРТ НАНОСОВ В ОСНОВНОМ РУСЛЕ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт — Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре гидрометрии гидрологического факультета Российского государственного гидрометеорологического университета

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ Н.Б.Барышников

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор А.М. Догановский, кандидат технических наук С.А. Зажимаров

Ведущая организация: Московский государственный университет

им В.В. Ломоносова, научно исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов им. Н.И. Маккавеева

Защита диссертации состоится 22 апреля 2004 г.. в 15 часов 30 МИНУТ на заседании Диссертационного Совета К212.197.01 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: г.Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., д.98.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан 22 марта 2004 г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из - за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.

Анализ формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных, а погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.

В середине 5 0-х годов прошлого века был вскрыт эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность русла. Хотя эта проблема имеет большое научное и практическое значение, так как основная часть стока донных наносов проходит именно в периоды высоких паводков и половодий.

Актуальным также является совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Цели и задачи исследования.

1. Вскрытие закономерностей влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков, при первом и третьем их типах, на транспорт наносов в основном русле.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ . БИБЛИОТЕКА 1

¿"•До

2. Изучение некоторых особенностей механизма перемещения донных наносов, в частности, процессов сортировки разнозернистого материала.

3. Совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Для достижения поставленных целей была выполнена серия лабораторных экспериментов в лаборатории водных исследований РГТМУ, проведен большой объем натурных исследований на естественных водотоках по изучению механизма перемещения донных наносов. Выполнен теоретический анализ лабораторных и натурных данных.

Научная новизна. Впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового при схождении их динамических осей.

Предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства.

Натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ.

Вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд.

Разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных отложений. Данная методика позволяет выделять в русле зоны, где происходит транзитное перемещение наносов и зоны, где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов, должны быть исключены из расчетов расходов донных наносов.

Практическая значимость. Вскрытие механизма влияния эффекта взаимодействия потоков на транспорт донных наносов

позволяет вплотную подойти к разработке методики расчетов расходов донных наносов в русловом потоке при влиянии на него пойменного, что позволит уточнить величину стока наносов в паводочный период.

Предложенная методика обработки проб донных наносов позволяет не только значительно повысить точность при их обработке, но и значительно ускорить данный процесс. Кроме того, данный метод позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами.

Учет направленности руслового процесса при определении средних и эффективных диаметров донных наносов позволяет существенно снизить погрешность в определении расходов донных наносов по формулам.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 2001 - 2004 гг., на восемнадцатом пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов в Курске в 2003г, на международной научно — теоретической конференции "Гидравлика", посвященной 100 -летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора P.P. Чугаева в СПбГПУ в 2004г, частично результаты вошли в научные отчеты НИР кафедры гидрометрии.

По теме диссертации имеется 7 публикаций

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, и приложений. Работа изложена на 147 страницах текста, включает 31 рисунок, 5 таблиц, 16 приложений и библиографический список использованной литературы из 84 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы исследования механизма движения донных наносов. Выполнен анализ исследований по данной проблематике. Приведены результаты анализа натурных и лабораторных исследований автора по проблеме механизма перемещения наносов, в частности, в донно-грядовой фазе.

Натурные исследования движения донных наносов проводились с 1998 по 2002 на реках Луга, Оредеж, Плюса, на баровой отмели Лужской губы, а также на ручьях Северо - Запада России. Лабораторные эксперименты выполнялись параллельно с натурными исследованиями в лаборатории водных исследований кафедры гидрометрии РГГМУ. Эксперименты производились на гидравлических лотках с переменным уклоном длиной 12, 7 и 6 метров и шириной 0.4,0.6 и 0.12 метра соответственно.

При анализе проб помимо традиционного ситового метода использовались и два новых:

- с помощью разработанного на кафедре гидрометрии РГГМУ прибора ШГ-1М, принцип действия которого заключается в разделении по фракциям частиц пробы в вертикальном турбулентном потоке воды;

- с помощью обработки цифровых изображений проб донных наносов. Для этого навеску пробы фотографируют цифровой фотокамерой с большой разрешающей способностью через микроскоп, затем цифровое изображение обрабатывается с помощью специально разработанных программ.

В результате обработки проб были получены кривые распределения гранулометрического состава донных наносов.

Анализ этих кривых позволил выявить следующие закономерности:

- установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ;

- в русле формируется верхний слой наносов, непосредственно участвующих в движении. При этом кривая распределения > гранулометрического состава этого слоя имеет одномодальный характер, независимо от места отбора пробы;

- при перемещении донных наносов в форме гряд одномодальная кривая распределения гранулометрического состава характерна для всего тела гряды;

- при процессах осаждения и аккумуляции наносов максимум кривой распределения гранулометрического состава смещен в сторону пойменной фации аллювия, а при грядовом режиме - в сторону русловой, при наложении процессов наблюдается полимодальное - чаще двух модальное распределение.

На основе данных исследований предложена методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных наносов. Суть методики состоит в следующем. На основе анализа кривых распределения гранулометрического состава выделяются зоны транзитного движения наносов. Для этих зон характерна одномодальная кривая распределения грансостава, с некоторой асимметричностью в сторону русловой фации. Расчет расхода наносов производится только для этих зон в живом сечении потока.

Из расчета исключаются элементы живого сечения, кривая распределения гранулометрического состава которых имеет выраженную асимметрию в сторону пойменной фации. Для проб с полимодальным распределением кривой грансостава требуется уточнение величины среднего диаметра.

При проведении лабораторных экспериментов были изучены процессы сортировки частиц при грядовом режиме перемещения донных наносов. Ход эксперимента в режиме реального времени фиксировался на цифровую видеокамеру, а добавление контрастного белого кварцевого песка позволило детально проследить процесс сортировки.

Результаты обработки полученной цифровой информации позволили вскрыть механизм образования слоистой (полосатой) структуры гряды, связанный с различием в скоростях и формах движения наносов различных крупностей. Это позволило сделать вывод о том, что наиболее мелкие фракции, участвующие в движении на напорном склоне гряды, имеют совершенно отличный характер движения, чем крупные частицы, перемещающиеся сальтацией. Имея размеры, сопоставимые с толщиной вязкого придонного слоя, мелкие частицы наносов в своем движении образуют сообщества, сплоченно перемещающиеся по напорному склону гряды как единое целое. На гребне гряды эти сообщества накапливаются и с некоторой периодичностью обрушиваются в подвалье гряды, образуя тем самым ее слоистую структуру

Во второй главе выполнен анализ методов расчетов транспортирующей способности потока. При проведении анализа этих методов и формул, были использованы результаты исследований полученные в ГТИ, под руководством З.Д.Копалиани, как для донно-грядового, так и для других режимов перемещения наносов. Результаты анализа показали, что формулы применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных. К тому же погрешность расчетов по ним часто выходит за допустимые пределы. В тоже время известно, что основной сток наносов в реках проходит в периоды высоких половодий и паводков.

В третьей главе рассматриваются процессы взаимодействия руслового и пойменного потоков. Приведены основные положения по данной проблеме. Выполнен анализ основных особенностей морфологического строения пойм, и эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков. Данный эффект был вскрыт в середине прошлого века, в основном работами отечественных исследователей (В.Н. Гончаров, Г.В.Железняков и др.).

В РГГМУ разработана типизация процессов взаимодействия руслового и пойменного потоков и на ее основе выделено пять их типов в соответствии со взаимным расположением динамических осей потоков. Таким образом, типизация основана на положении о превалирующем влиянии особенностей морфологического строения русла и поймы на расчетном участке, на гидравлику потоков.

В четвертой главе рассмотрено влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле. В частности, выполнен анализ данных натурных наблюдений по этой проблеме, полученных З.М.Великановой и Н.АЛрных ПО результатам. паводочных работ на р. Оби у г.Барнаула. Здесь же выполнен анализ результатов лабораторных экспериментов по данной проблеме, полученных, в том числе, в РГГМУ.

К сожалению, анализ данных работ выявил ряд существенных недостатков: это, в первую очередь, малые размеры лабораторных установок, а также то, что измерения производились лишь при параллельности динамических осей руслового и пойменного потоков.

В связи с этим перед нами встала задача проведения экспериментов с целью выявления влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле, как при параллельности динамических осей потоков, так и при их схождении и, безусловно, на установках больших размеров.

Для проведения экспериментов был использован гидравлический лоток с переменным уклоном, длиной 6 м и шириной 0.6 м (рис I). В этом лотке были смонтированы русло и пойма высотой 0.05 м, ширина поймы составляла 0.35 м, а русла 0.25 м.

Модель была изготовлена из несущей деревянной конструкции усиленной алюминиевыми листами, каркас был уложен и прикреплен ко дну лотка, после чего образовавшиеся пустоты были засыпаны песком.

Затем на поверхность поймы, по всей ее ширине, были уложены стеклянные панели. Таким образом, рабочая часть поймы была выполнена из стекла (в последствии на нее наносили шероховатость).

Выходное отверстие лотка было снабжено жалюзи для стабилизации гидравлического режима потока, а также специально разработанным для данного лотка пескоулавливающим устройством, представляющим собой металлический каркас с прикрепленной к нему ловушкой, выполненной из капроновой ткани.

Каркас был снабжен гибкими алюминиевыми щупами, с помощью которых он крепился непосредственно к выходному отверстию лотка.

На лотке была установлена специальная тележка с закрепленными на ней штативами для микро вертушек и игольчатого шпицен — масштаба.

Для контроля измерения расходов воды лоток был снабжен трегольным водосливом. Над входным отверстием лотка был сооружен помост для равномерной подачи наносов.

При проведении экспериментов применялась методика, разработанная в РГГМУ. Первоначально измерения проводились в русловом потоке изолированном от пойменного. Затем изолирующая стеклянная перегородка снималась, и измерения проводились при взаимодействии руслового и пойменного потоков. Последним этапом были измерения при схождении динамических осей потоков, под углом равным 20°. Эксперименты выполнялись как при гладкой, так и при шероховатой пойме. Все измерения проводились при двух уклонах дна установки (три и один промилле). В процессе экспериментов осуществлялись измерения уровней и глубин потока с помощью мерной иглы шпицен — масштаба, скоростей потока -микровертушками, расходов воды методом скорость — площадь и с помощью тонкостенного треугольного предварительно протарированного водослива. Расход наносов измерялся объемным способом с помощью описанного выше пескоулавливающего устройства.

Все измерения проводились через один сантиметр уровня, на трех створах. На каждом створе назначалось пять вертикалей в русловой части потока. Во время проведения экспериментов осуществлялся также, отбор проб на гранулометрический анализ.

Для расчетов уклонов водной поверхности, были использованы натурные данные по рекам, где уклоны водной поверхности близки к 20° ( при схождения потоков).

В частности, по рекам Вига-Шартаново и Ветлуга-Быстри. Коррекция проводилась на основе зависимости 1р/1р6=^р^р6), разработанной в РГГМУ.

В результате обработки экспериментальных данных были получены графические зависимости в = ^ 0) п в = f(h) приведенные на рис. 2 и 3, а также зависимость в = 1 (V) приведенная на рис. 4.

рпс2.в = 1(0)

1 — русловой поток изолированный от пойменного; 2 - русловой поток взаимодействующий с пойменным при параллельности их динамических' осей; 3 - русловой поток взаимодействующий с пойменным при угле схождения их динамических осей равным 20°; 3 - пойма гладкая; 4 - пойма шероховатая.

PнC3.G =

Условные обозначения приведены на рис. 2.

Как видно на рисунках, кривые зависимостей G = ^^Б^ = f(Q) для изолированного руслового потока являются однозначными. Отклонение исходной информации от расчетных кривых не превышает 5 %. В тоже время данные, полученные при условии взаимодействия потоков, существенно отклоняются влево от расчетной кривой изолированного русла. Они образуют самостоятельные кривые G = f(h)nG = f(Q) соответственно для условий параллельности динамических осей взаимодействующих потоков и при их схождении под углом а = 20°. При этом кривые соответствующие сходящимся потокам располагаются левее соответствующих кривых для изолированного русла и при взаимодействии при параллельности осей потоков. Зависимости G = ^^ и G = f ( Q ) для руслового потока, находящегося под воздействием пойменного, формирующегося под воздействием шероховатой поймы

( К ~ 1.5 см ) занимают крайне левое положение. Уменьшение транспортирующей способности русла по сравнению с условиями его изоляции от поймы достигает 80 - 90 %.

Эти данные полностью подтверждают и уточняют результаты, полученные в исследованиях 60-х годов на установках меньших размеров ( при параллельности динамических осей потоков).

В тоже время зависимости G = f(h)HG = f(Q) для руслового потока, находящегося под воздействием пойменного при сходящихся их динамических осях под углом а = 20° , являются оригинальными. Следует отметить, что в этом случае движение руслового потока является неравномерным из - за тормозящего воздействия пойменного потока. В целом эти данные подтверждают концепцию РГГМУ, о существенном уменьшении транспортирующей способности руслового потока под воздействием пойменного потока. К тому же полученные результаты могут, хотя бы качественно подтвердить выводы, полученные на основе

анализа формул вида б = М~)т, для расчета транспортирующей

способности потока. Анализ этого вида формул, в которых транспортирующая способность потока определяется в зависимости от относительной средней скорости, позволяет в явном виде выявить влияние глубины на расход наносов в виде зависимости Как вытекает из ее анализа, при незначительном увеличении глубины транспортирующая способность потока резко уменьшается. Это свидетельствует о том, что при неравномерном движении и соответственно увеличении глубины при постоянном расходе воды транспортирующая способность потока должна резко уменьшаться. Это является логическим подтверждением результатов, полученных на основе проведенных экспериментальных исследований.

Существенно отличаются результаты анализа зависимостей G = приведенные на рис.4.

pnc4.G = ДУ)

Условные обозначения приведены на рис.2.

Как видно на рисунке, в отличие от данных, полученных в 60 - е годы, вместо однозначной зависимости прослеживается серия кривых. Действительно кривые G = f (У) для взаимодействующих потоков располагаются левее аналогичной кривой для изолированного русла. При этом наблюдается четкая закономерность в расположении этих кривых. Крайне левое положение занимает зависимость G = f (У) для условий, в которых скоростное поле потока формируется под воздействием пойменного, поступающего с шероховатой поймы и вторгающегося в русло под углом а = 20°. При этом отмечается значительное, до 90 %, уменьшение расхода донных наносов в русловом потоке.

Естественно, что попытки адаптировать какую - либо методику расчетов расходов наносов к данным условиям не имеют основания, из -за малого объема исходной информации.

По - видимому, в эти методики необходимо вводить понижающие коэффициенты, учитывающие воздействие эффекта взаимодействия потоков.

По нашему мнению, причиной такого уменьшения транспортирующей способности руслового потока являются уклоны водной поверхности и трансформация поля скоростей руслового потока под воздействием пойменного.(рис 5,6) Последнее приводит к изменению соотношения между средними и донными скоростями потока.

Рис 5. Поле скоростей руслового потока изолированного от пойменного. По экспериментальным данным

I I I I

рис 6. Поле скоростей руслового потока взаимодействующего с пойменным. По экспериментальным данным

Действительно, практически все формулы для расчета транспортирующей способности потока, разработаны для условий равномерного движения. При взаимодействии же потоков движение руслового потока является неравномерным. В частности, при третьем типе взаимодействия, т.е. при сходящихся потоках, под воздействием пойменного потока создается подпор движению руслового потока. В результате последний движется при четко выраженном неравномерном движении.

К сожалению, ширина установки в лаборатории РГГМУ только 0.6 м, поэтому режим движения руслового потока является пространственным . Следовательно, скоростное поле руслового потока оказывается сложнодеформированным под воздействием как пойменного потока, так и эффекта пространственности. Однако эффект пространственности проявляется как в условиях изоляции руслового потока, так и при его взаимодействии с пойменным. Исходя из этого, анализ совмещенных полей скоростей при изоляции и взаимодействии потоков выявил результаты воздействия пойменного потока на трансформацию поля скоростей руслового потока.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

- впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового, при схождении их динамических осей под углом 20°. Это воздействие пойменного потока тем больше, чем больше глубина затопления и шероховатость поймы. Величина уменьшения расхода донных наносов в русловом потоке может достигать 90 % и более. Этот вывод имеет большое практическое значение при подсчете стока донных наносов в периоды спада уровней при пропуске паводков и половодий по затопленным поймам;

- на установке больших размеров экспериментальным методом подтверждены выводы об уменьшении транспортирующей способности русла при взаимодействии потока в нем с пойменным, при параллельности их динамических осей;

- впервые установлено, что при взаимодействии руслового и пойменного потоков кривые зависимостей в = 1 ( V ) отклоняются от аналогичной кривой для изолированного руслового потока влево, то есть в сторону уменьшения расходов наносов. Это наблюдается как при параллельности динамических осей потоков, так и при их схождении;

- предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства. Данная методика не только существенно ускоряет процесс обработки проб, но и позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами;

- натурными исследованиями установлено, что различие в

гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ;

- вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд;

- разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных наносов. Данная методика позволяет выделять в русле зоны где происходит транзитное перемещение наносов и зоны где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов не должны учитываться при расчетах расходов донных наносов. Использование данной методики существенно уменьшает погрешность в определении расходов донных наносов;

— аналогичные экспериментальные исследования, по изучению влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле, целесообразно проводить на установках больших размеров и по возможности в натурных условиях, охватив ими все типы взаимодействия потоков.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Антроповский В.И, Барышников Н.Б, Немчинов К.В. Влияние стока наносов, русловых процессов и ограничивающих факторов на саморегулирование в системе речной поток-русло //Восемнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Курск 2003//

2. Барышников Н.Б, Немчинов К.В. Транспорт наносов в руслопойменных потоках// Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. Санкт-Петербург 2004//

3. Барышников Н.Б, Немчинов К.В, Самсонов М.В. Воздействие пойменного потока на транспортирующую способность русла // Материалы международной научно-теоретической конференции « Гидравлика», посвященной 100 - летаю со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора P.P. Чугаева в СП6ТПУ . Санкт - Петербург 2004//

4. Исаев Д.И, Колесник М.В, Немчинов К.В. Новые подходы к изучению донных наносов// Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. Санкт-Петербург 2002//

5. Исаев Д.И, Немчинов К.В. Исследования донных наносов // Семнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Краснодар 2002//

6. Исаев Д.И, Немчинов К.В. Процессы сортировки донных наносов // Материалы итоговой сессии ученого совета РГТМУ. Санкт-Петербург 2001//

7. Немчинов К.В. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспортирующую способность русла //Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. Санкт-Петербург 2003//

Изд. ЛП № 000048 от 11.12.98. Подписано в печать 18.03.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная UNION PRINT S. Гарнитура «Times». Усл. печ. л. 1,02. Тираж 100 экз. Заказ № 1803/01-Р

Издательство «Знак» 191025, С.-Петербург, ул. Восстания, д.6

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Немчинов, Константин Витальевич

Введение

1 Современное состояние проблемы исследования движения донных наносов

1.1 Образование речных наносов и факторы их обуславливающие

1.2 Движение речных наносов

1.3 Грядовый режим перемещения донных наносов

1.4 Натурные и лабораторные исследования механизмов перемещения донных наносов

2 Методы расчета транспортирующей способности потока

2.1 Анализ основных причин неудовлетворительного состояния проблемы расчетов расходов донных наносов в реках

2.2 Основные методы и формулы для расчета расходов донных наносов

2.3 Оценка формул на основе фактических измерений

3 Эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков

3.1 Особенности морфологического строения пойм

3.2 Натурные и лабораторные исследования эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков

3.3 Воздействие эффекта взаимодействия потоков на уклоны водной поверхности

4. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов в основном русле

4.1. Общие положения

4.2 Результаты экспериментальных исследований по проблеме воздействия пойменного потока на транспорт наносов в основном русле

4.3. Натурные исследования по проблеме влияния пойменного потока на транспортирующую способность руслового

4.4. Описание установки и методики проведения экспериментов

4.5. Анализ экспериментальных данных 131 Заключение 138 Список использованных источников 140 Приложения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле"

Актуальность темы. Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из — за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.

Анализ формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных, а погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.

В середине 50 — х годов прошлого века был вскрыт эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность русла. Хотя эта проблема имеет большое научное и практическое значение, так как основная часть стока донных наносов проходит именно в периоды высоких паводков и половодий.

Актуальным также является совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Цели и задачи исследования.

1. Вскрытие закономерностей влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков, при первом и третьем их типах, на транспорт наносов в основном русле.

2. Изучение некоторых особенностей механизма перемещения донных наносов, в частности, процессов сортировки разнозернистого материала.

3. Совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Для достижения поставленных целей была выполнена серия лабораторных экспериментов в лаборатории водных исследований РГТМУ, проведен большой объем натурных исследований на естественных водотоках по изучению механизма перемещения донных наносов. Выполнен теоретический анализ лабораторных и натурных данных.

Научная новизна. Впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового при схождении их динамических осей.

Предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства.

Натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ.

Вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд.

Разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных отложений. Данная методика позволяет выделять в русле зоны, где происходит транзитное перемещение наносов и зоны, где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов, должны быть исключены из расчетов расходов донных наносов.

Практическая значимость. Вскрытие механизма влияния эффекта взаимодействия потоков на транспорт донных наносов позволяет вплотную подойти к разработке методики расчетов расходов донных наносов в русловом потоке при влиянии на него пойменного, что позволит уточнить величину стока наносов в паводочный период.

Предложенная методика обработки проб донных наносов позволяет не только значительно повысить точность при их обработке, но и значительно ускорить данный процесс. Кроме того, данный метод позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами.

Учет направленности руслового процесса при определении средних и эффективных диаметров донных наносов позволяет существенно снизить погрешность в определении расходов донных наносов по формулам.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии, итоговых сессиях ученого совета РГТМУ в 2001 - 2004 гг., на восемнадцатом пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов в Курске в 2003г, на международной научно — теоретической конференции " Гидравлика", посвященной 100 — летаю со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора P.P. Чугаева в СПбГПУ в 2004г, частично результаты вошли в научные отчеты НИР кафедры гидрометрии.

По теме диссертации имеется 7 публикаций

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, и приложений. Работа изложена на 147 страницах текста, включает 31 рисунок, 5 таблиц, 16 приложений и библиографический список использованной литературы из 84 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Немчинов, Константин Витальевич

Заключение

Проведенный анализ результатов работ по данной проблеме, а также анализ результатов собственных натурных и лабораторных исследований, позволяют сделать следующие выводы и рекомендации: впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового, при схождении их динамических осей под углом 20°. Это воздействие пойменного потока тем больше, чем больше глубина затопления и шероховатость поймы. Величина уменьшения расхода донных наносов в русловом потоке может достигать 90 % и более. Этот вывод имеет большое практическое значение при подсчете стока донных наносов в периоды спада уровней при пропуске паводков и половодий по затопленным поймам; на установке больших размеров экспериментальным методом подтверждены выводы об уменьшении транспортирующей способности русла при взаимодействии потока в нем с пойменным, при параллельности их динамических осей; впервые установлено, что при взаимодействии руслового и пойменного потоков кривые зависимостей G = f ( V ) отклоняются от аналогичной кривой для изолированного руслового потока влево, то есть в сторону уменьшения расходов наносов. Это наблюдается как при параллельности динамических осей потоков, так и при их схождении; предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства. Данная методика не только существенно ускоряет процесс обработки проб, но и позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами;

- натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ;

- вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд;

- разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных наносов. Данная методика позволяет выделять в русле зоны где происходит транзитное перемещение наносов и зоны где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов не должны учитываться при расчетах расходов донных наносов. Использование данной методики существенно уменьшает погрешность в определении расходов донных наносов;

- аналогичные экспериментальные исследования, по изучению влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле, целесообразно проводить на установках больших размеров и по возможности в натурных условиях, охватив ими все типы взаимодействия потоков.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Немчинов, Константин Витальевич, Санкт-Петербург

1. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков.-Л.: Гидрометеоиздат.— 1962.-374 с.

2. Шамов Г.И. Речные наносы. — Л.:Гидрометеорологическое издательство.-1954.-345с.

3. Михайлова Н.А. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды.-Л. :Гидрометеоиздат.-1966.-234с.

4. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов.— Л. :Гидрометеоиздат.-1977.-272с.

5. Корчоха Ю.М. Исследование грядового движения наносов на р. Поломети.-Труды ГТИ, 1968,вьш.147,с.52-68.

6. Пушкарев В.Ф. Движение влекомых наносов.—Труды ГТИ,1948,вып.8(62), с.93-109.

7. Знаменская Н.С.— Донные наносы и русловые процессы.-Л.: Гидрометеоиздат.-1976.-191с.

8. Знаменская Н.С.-Некоторые проблемы современных исследований руслового процесса //Гидрофиз. Процессы в реках, водохр. и окраин, морях.-М.: Наука.-1989.-е.83-96.

9. Снищенко Б.Ф. Движение песчаных гряд в естественных водных потоках.-Труды ГГИ, 1966, вып. 136, с. 82-91.

10. Ю.Снищенко Б.Ф.,Клавен А.Б.,Корчоха Ю.М. Пространственный характер движения песчаных гряд и кинематика потока над ними.—. Труды ГГИ, 1972, вып. 190, с. 151-164.

11. Снищенко Б.Ф.ДСопалиани З.Д.,Твалавадзе О.А. О масштабе времени русловых деформаций при моделировании на размываемых моделях речных русел.-Труды ГТИ, 1977, вып. 242, с.55-60.

12. Снищенко Б.Ф. О связи высоты песчаных гряд с параметрами речного потока и русла.-Метеорология и гидрология, 1980, №6, с.84-91.

13. Снищенко Б.Ф. К расчету длины песчаных гряд в открытых потоках.-Метеорология и гидрология , 1980, №2, с. 89-96.

14. Караушев А.В., Романовский В.В. Научные и прикладные аспекты исследования стока наносов // Тр. 5 гидрол. Съезда.Л., 1988.-t.40, KH.1.-C.22—32.

15. Алексеевский Н.И.Формирование и движение речных наносов. М.:— Издательство МГУ -1998 -201 с.

16. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков.-Л.:Гидрометеоиздат.— 1979.-311 с.

17. Гришанин К.В. Речной поток.-М.: Издательство Министерства речного флота СССР.-1952.-139с.

18. Гришанин К.В. Теория руслового процесса.-М.: Издательство «транспорт».-1972.-215 с.19.3енкович В.П. Основы учения о развитии морских брегов.-М.: изд. Акад. наук СССР -1962 Г.-710 с.

19. Сидорчук А.Ю. О расчетах скорости смещения донных гряд и расхода влекомых наносов // Водные ресурсы.-1990. №5.-с. 56-63.

20. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла.-С.-Петербург.:Гидрометеоиздат.-1992.-126с.

21. Беркович К.М. Виды антропогенного вмешательства и его влияние на русловые деформации рек в различных природных условиях // Труды 5 гидрол. Съезда.-1988.-10, кн.1. -с. 374-380.

22. Беркович.К.М. Географический анализ антропогенных изменений русловых процессов. -М.: ГЕОС.-2001.-163 с.

23. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Сншценко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л. гидрометеоиздат. 1982г.-272с.

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

25. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. М.:Гос. Изд-во техн.— теор. Лит-ры.-1955-T.2.-323 с.

26. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: Гос. Изд-во физ-мат. Лит-ры —1958.-395 с.

27. Гришин Н.Н. Механика придонных наносов.-М.: Наука.-1982.-160 с.

28. Шуляк Б. А. Физика волн на поверхности сыпучей среды и жидкости.— М.: Наука.-1971 .-400 с.

29. Маккавеев В.М. К теории турбулентного режима и взвешивания наносов // Тр.ГГИ -1931.-№32.-с.5-26.

30. Ляпин А.Н., Александрова Н.К. Расчет глубинных деформаций естественных русел.—Труды ГГИ, 1980, вып. 263, с .78-85.

31. Боголюбова И.В. Результаты типовых исследований и расчет стока влекомых наносов р. Мзымты.-Труды ГТИ.-1968, вып. 156.-е. 39-63.

32. Кнороз B.C. Влияние макрошероховатости русла на его гидравлические сопротивления-Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева,1959. т. 62, с. 75-96.

33. Кнороз B.C. О деформациях дна и о влиянии их на гидравлический режим потоков.-В кн.: Труды 3 Всесоюз. Гидрол. Съезда, т.5. Л.—1960.-С.116-176.

34. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах. — Л.:Гидрометеоиздат.-1981.-239 с.

35. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. С.Петербург.: Гидрометеоиздат.—1992.-239 с.

36. Кромер Р.К. Режим твердого стока рек юга Казахстана. Водныересурсы, 1985.-№6.-с. 105-110.

37. Носелидзе Д.В. Лабораторные исследования структурного транспорта наносов и регулирования руслового процесса на мостовых переходах предгорных рек. Автореферат канд. дисс. — Тбилиси.: 1992. — 23— с.

38. Ромашин В.В. К оценке поступления речных наносов на пляжи г. Сочи.- Вопросы совершенствования методов берегозащиты. — М.: 1990.— с. 20-30.

39. Снищенко Б.Ф., Копалиани З.Д. О скорости движения гряд в реках и лабораторных условиях. Труды I I И, 1978 — вып. 252.— с. 20-37.4Z Форгхеймер ф. Гидравлика.-М.: ОНТИ, 1935.-615 с.

40. Талмаза В.Ф., Крошкин А.Н. Гидроморфометричские характеристики горных рек.

41. Фрунзе.: Кыргызстан.—1968. — 203 с.

42. Тимирова Р.В., Классем 3.JI. К вопросу определения расхода влекомых наносов на горно-предгормых участках рек. — Труды САНИИРИ.- 1970.-вып. 124.-с. 197-205.

43. Chang Н.Н. Fluvial processes in river engineering, Krieger Publishing Company. Malabar, Florida. 1992.432 p.

44. Einstein H.A. Formulas for the transportation of bed load. Trans. ASCE, 1942, 107.-pp. 561-573.

45. Gomez D., Church M. Catalogue of equilibrium bedload transport data for coarse sand and gravel-bed channels. The University of British Columbia. Vancouver, Canada, V 6 T 1.- W 5. 90 p.

46. Laursen P.M. The Total Sediment Load of Streams. Journ. of the Hydraulic Division. ASCE. Vol. 84, No 1 1958.

47. Shvidchenko A.B. Kopaliani Z.D. Study of channel process in the Laba river resulted from gravel excavations. Proc. of the Intern. Symp. «River Eng. Methods and Design Philosophies)). Vol. П. St. Petersburg, 1994.-pp. 290-303.

48. Van Rijn L.C. Sediment Transport by Currents and Waves. Report II461. June 1989. Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands.

49. White W.R., Mill H., Grabbe A.D. Sediment Transport Theories: A Review. Proc. of the Institute of Civil Eng. London, pt 2, No 59, 1975.- pp. 265-292.

50. Yang C.T. Sediment Transport Theory and Practice. The McGraw Hill

51. Companies, Inc. 1996.-395 p.

52. Никитин C.H. Общая геологическая карта России. Лист 56,—Трудыгеологического комитета, 1884, т. 1, №2,153 с.

53. Шанцер Е.В. Аллювий равнинных рек умеренного пояса и его значение для познания закономерностей строения и формирования аллювиальных свит.- Труды ИГ АН СССР, геол. Серия (№ 55), 1951, вып.135,274 с.

54. Еленевский Р.А. Вопросы изучения и освоения пойм — М.:ВАСХНИЛ,1936.—100 с.

55. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне.-М.: АН СССР.-1955.-347 с.

56. Попов И.В. Типизация пойм в связи со строительным проектированием — В кн.: Движение наносов в открытых руслах.-М.: Наука—1970.-е. 28-32.

57. Чалов Р.С. Рельеф пойм.-В кн.: Эрозия почв и русловые процессы.-М.: МГУ.-1979.-232 с.

58. Барышников .Н.Б. Морфология гидрология и гидравлика пойм.-Л.: Гидрометеоиздат.-1984.-279 с.

59. Барышников Н.Б., Николаев В.Ф. Пропускная способность русла с различной шероховатостью.-Труды ЛГМИ.-1967, вып. 25.-c.28—33.

60. Барышников Н.Б. Речные поймы (морфология и гидравлика)-Л.: Гидрометеоиздат.-1978.-152 с.

61. Радюк А.Л. Основы гидравлики лесосплавных сооружений. Дноуглубление-Красноярск.: изд.СТИ.-1978.-62 с.

62. Спицын И.П. О взаимодействии потоков основного русла и поймы.— Метеорология и гидрология ,-1962, № 10, с. 22-27.

63. Радюк А.Л.Трассирование прорезей на порогах с учетом кинематического эффекта.-Красноярск.:1973.-28 с.

64. Sellin R. Н. I. F A laboratory investigation into the interaction between the flow in the channel of a river and that over its flood plain.- La Houlle Blanche.-1964.-N7 p. 793-802.

65. Toebes G.Y., Sooky A. A. Hydraulics of meandering with flood plain.— Waterways and Harbors Div. Civ. Eng.-1967.-vol.93, N 2.-p.213-236.

66. Uslu O. Optimization of roughness parameters for rivers with flood plains.— In.: Proc. 16 th Cong. IAHR. Vol. 2 San Paulo.-1975.-p.411-417.

67. Барышников Н.Б. Влияние шероховатости поймы на транспорт наносов в основном русле.—Труды ЛГМИ, 1967 вып. 36.- с. 70-79.

68. Ржаницын Н.А.Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети.-Л.: Гидрометеоиздат.-1960.-238 с.

69. Саликов В.Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков.— В кн.: Труды 4 Всесоюзного гидрол. съезда. Л., 1976, т.11.-с.75-81.

70. Барышников Н.Б., Кокарев А.В. К ворсу о влиянии формы сечения на пропускную способность русла.-Труды ЛГМИД969, вып. 36.— с. 80-89.

71. Пособие по экстраполяции кривых расходов воды до наивысших уровней.-Л.:Гидрометеоиздат.-1966.-102 с.

72. Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды .-Труды ГТИ—1965, вып. 128 -с. 3-96.

73. Карасев И.Ф.Русловые процессы при переброске стока.-Л.:Гидрометеоиздат.-1975.-288 с.

74. Карасев И.Ф.Русловая гидрометрия и учет водных ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат.-1980.-310 с.

75. Соколов Ю.Н. Лабораторные исследования пропускной способности русла при пересечении под прямым углом пойменного и руслового потока — В кн.: Вопросы водохозяйственного строительства. Минск,— 1969.-с. 214-224.

76. Великанова З.М., Ярных Н.А. Натурные исследования гидравлики пойменного массива в высокое половодье.-Труды ГТИ, 1970, вып. 183.-с. 33-53.

77. Попов И.В., Гаврин Ю.С. Применение аэрофотосъемки к оценке процессов затопления и опорожнения речных пойм и развития пойменных течений.-Труды ГТИ, 1970, вып. 183.-е. 4-25.

78. Усачев В.Ф. Анализ изменения уровней воды для оценки процессов затопления и опорожнения многорукавной поймы.-Труды ГТИ, 1972, вып. 195.-е. 63-76.

79. Барышников Н.Б. Об учете взаимодействия руслового и пойменного потоков при построении и экстраполяции кривых расходов воды.— Труды ЛГМИ, 1967, вып. 25.-е. 41-49.

80. Барышников Н.Б. Методика расчета пропускной способности русел с поймами.— Межвузовский сборник. Труды ЛПИ (ЛГМИ), 1969, вып. 69.-е. 127-143.

81. Барышников Н.Б. Поймы равнинных рек (морфология, гидрология и гидравлика).- Межвузовский сборник. Труды ЛГМИ.-1981, вып. 74.-е . 95-104.

82. Железняков Г.В. Пропускная способность русел, каналов и рек. Л.: Гидрометеоиздат.- 1981.- 310 с.

83. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ СТРОЕНИЯ РЕ ЧНОЙ ДОЛИНЫа1. ОЛЛ5ГЩГ, п.1. X S39