Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Воздействие на природные и природно-антропогенные водные объекты корабельных волн

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Лукина, Евгения Александровна

Введение.

Глава 1. Гидродинамическое воздействие судов на водные объекты. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Создание математического описания процесса распространения корабельной волны на водном объекте конечных размеров.

2.1. Особенности волнообразования от судов различных типов и выбор метода оценки параметров корабельных волн вблизи судна.

2.2. Исследование процесса затухания корабельной волны при взаимодействии с дном и берегами водного объекта.

2.3. Экспериментальная проверка адекватности математического описания процесса распространения 44 корабельной волны в водном объекте конечных размеров.

2.4. Исследование взаимосвязи устойчивости грунта, образующего дно и берега, с характеристиками судна и водного объекта.

Глава 3. Оценка воздействия корабельных волн на ложе и берега природных водных объектов.

3.1. Оценка возможности разрушения дна водоёмов и водотоков корабельной волной.

3.2. Оценка возможности разрушения берегов корабельной волной.

Глава 4.

Разработка методики определения возможности разрушения корабельными волнами ложа и берегов водных объектов.

4.1. Приведение математического описания процесса взаимодействия корабельных волн с водными объектами к виду, удобному для инженерных расчётов.

4.2. Методика определения возможности разрушения ложа и берегов водных объектов судовой волной при заданном экологическом риске.

4.3. Оценка воздействия корабельных волн от крупнотоннажных судов ОАО СК «Волжское пароходство» на дно и берега малых рек в паводковый период.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Воздействие на природные и природно-антропогенные водные объекты корабельных волн"

Существующие исследования по экологии природных и природно-антропогенных водных объектов свидетельствуют о том, что судоходство является одним из важных факторов влияния хозяйственной деятельности человека на эти объекты В работах по экологической оценке состояния водных объектов используются различные биологические и санитарно-гигиенические показатели состояния [86 89текущие значения которых зависят не только от климатических, но и от антропогенных факторов.

Вследствие гидродинамического воздействия движущегося судна могут изменяться условия обитания живых организмов в водоёмах и водотоках. В значительной мере этому способствует разрушение грунта ложа и берегов водного объекта, которое само по себе к тому же является начальным этапом возможного нарушения руслоформирующего процесса. Эта проблема обостряется при сезонном заходе на малые реки крупнотоннажных судов по «большой воде». Иными словами, эксплуатация водных объектов должна происходить при разумной вероятности негативных последствий, которая в соответствии с законом РФ «Об охране окружающей среды» [67] определяется понятием экологического риска.

Проблема защиты природных и природно-антропогенных водных объектов от негативного гидродинамического воздействия судоходства актуальна не только для России. В некоторых европейских странах, например, в Швеции, существуют довольно жесткие требования к физическому воздействию судов на берега и ложе водоемов, на обитающие в них живые организмы [76]. В Соединенных Штатах Америки также уделяется должное внимание вопросам гидродинамического влияния судоходства на водные пути [&/].

К сожалению, в России в настоящее время отсутствуют систематические исследования в этой области. Однако, такие исследования необходимы, потому что за последние годы Россия стала участницей целого ряда международных соглашений, которые способствуют увеличению интенсивности судоходства на её водных путях. Поэтому, они должны быть защищены от дополнительного негативного воздействия нормативами допустимой антропогенной нагрузки на окружающую среду и специальными природоохранными мероприятиями, которые могут быть разработаны только на основе предварительных исследований, имеющих целью комплексную оценку влияния судов на природные и природно-антропогенные экосистемы. Оценка гидродинамического воздействия корабельных волн на ложе и берега водных объектов, являющаяся частью такой комплексной оценки, была впервые сделана в предлагаемой диссертационной работе.

Для оценки возможного разрушения грунта ложа и берегов водного объекта корабельной волной необходимо знать параметры последней, от которых зависит её разрушительная сила. Волнообразование от корпуса судна в различных условиях широко исследовалось с точки зрения сопротивления воды движению судна многими учёными - Г.Е. Павленко, А.А. Костюковым, Я.И. Войткунским, А.И. Смородиным, Е.П. Ронновым и другими учёными. Однако они не рассматривали вопрос о распространении корабельных волн за пределы волнового сектора и взаимодействии с границами водоёма. Известны работы [7f36> £2]по распространению судовых волн в антропогенных водных объектах (канале) рассматривают их взаимодействие только с гидротехническими сооружениями, геометрия дна и берегов которых существенно отличается от формы дна и берегов природных и природно-антропогенных водных объектов. Комплексного математического описания образования и распространения корабельных волн в природном и природно-антропогенном водном объекте в известной мне литературе не встречается. Поэтому, для исследования воздействия корабельных волн на грунт автором получено математическое описание процесса распространения корабельных волн на водном объекте конечных размеров. Его адекватность проверена натурным экспериментом.

Известно, что разрушение донного и берегового грунта под воздействием потока можно оценивать с помощью показателей устойчивости грунта[23,£4]. Полученное математическое описание было использовано для выражения взаимосвязи характеристик судна и водного объекта с показателями устойчивости грунта, образующего дно и берега этих объектов.

Задача оценки разрушения грунта с помощью показателей устойчивости осложняется тем, что расчётные и критические значения показателей оказываются случайными величинами, так как являются функциями случайных аргументов - характеристик потока и грунта. В этом случае их сравнение можно выполнить только с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. В диссертационной работе данная задача сведена к проверке статистических гипотез. При этом получены выражения для числовых характеристик расчётных и критических значений показателей устойчивости.

Итогом настоящей диссертационной работы явилось научное обоснование методики и разработка алгоритма расчёта возможности разрушения корабельной волной ложа и берегов водных объектов с учётом заданных экологических рисков. Методика позволяет оценить целесообразность эксплуатации судна с определёнными характеристиками в каком-либо природном водном объекте с точки зрения его экологической безопасности. Также результаты исследований могут быть использованы для решения ряда задач прикладной экологии.

Данная методика использована для расчёта волнового воздействия грузовых судов пр.576 на дно и берега р. Унжа в период весеннего половодья по заданию ОАО СК «Волжское пароходство».

Часть методики, касающиеся расчёта характеристик корабельной волны, распространяющейся на водном объекте конечных размеров, в виде самостоятельной методики приобретены и используются Федеральным институтом водного строительства Германии (BAW).

Заключение Диссертация по теме "Экология", Лукина, Евгения Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследований, проведённых в предлагаемой диссертационной работе, были получены следующие основные результаты:

1. Выбран способ оценки параметров волны вблизи корпуса судна, наиболее удобный для исследования процесса её взаимодействия с водным объектом.

2. Исследована зависимость параметров распространяющейся корабельной волны от характеристик водного объекта.

3. Создано математическое описание процесса распространения корабельной волны в естественном водоёме конечных размеров.

4. Проведён натурный эксперимент, показавший адекватность созданного математического описания.

5. С помощью математического описания установлена зависимость показателей устойчивости грунта дна и берега с характеристиками судна и водного объекта.

6. Получены выражения, позволяющие оценить числовые характеристики показателей устойчивости грунта дна и берегов, в зависимости от параметров корабельной волны и случайных значений характеристик водного объекта.

7. Обоснована методика определения разрушения корабельными волнами ложа и берегов водных объектов при заданном экологическом риске.

Результаты исследований могут быть использованы в дальнейшем при решении ряда других задач прикладной экологии:

- создание нормативов допустимой антропогенной нагрузки по волновому воздействию на природные и природно-антропогенные водные объекты;

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Лукина, Евгения Александровна, Нижний Новгород

1. Алферьев М.Я. Гидромеханика М. .Речной транспорт, 1961. - 328с.

2. Амелькин В.В., Садовский А.П. Математические модели и дифференциальные уравнения. Минск: Высшая школа, 1982.

3. Бавин В., Ляховицкий А. Гидромеханика и развитие речных судов.//Речной транспорт. 1989. - №7. - С.18-19

4. Бажан П.И., Вайсблат Б.И., Трянин И.И. Основы научных исследований на речном транспорте: Учебное пособие для студентов институтов водного транспорта. Горький: Волго-Вятское книжное издательство. 1990. - 319 с.

5. Балашов Б.В., Лаппо Д.Д. К вопросу об определении параметров судовых волн у берегов // Гидротехническое строительство. 1982. -№8. - С.39-40

6. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов: Учебное пособие для вузов водн. транспорта. М.: Транспорт. 1957. - 456с.

7. Вальдман Н.А. Численное моделирование решения нелинейной задачи о волновом сопротивлении транспортных судов.: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Л., 1992. 19с.

8. Ведомость взвешенных наносов и донных отложений за 1950-1974г.г. по рекам: Сура, Ветлуга, Унжа, Ока, Клязьма, Вятка. Бюро расчётов и справок Верхне-Волжского главного бассейнового управления.

9. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения: Учебное пособие для втузов. 2-е изд., стер. - М.:Высш. шк., 2000.-480 с.

10. Воздействие судовых волн на качество воды в прибрежной зоне./ Отчёт о НИР/ В.Л. Этин, И.И. Милова Н.Новгород: Кафедра Теории корабля и экологии судоходства, 2000-35с.

11. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов: Учебник -2-е изд., доп. и перераб. Л.: Судостроение, 1988. - 288с.

12. Герасимович А.И., Матвеева Я.И. Математическая статистика: Учебное пособие для инж.-техн. и экон. спец. вузов. Минск: Вышэйшая школа, 1978. - 200 с.

13. Гидрология и гидротехнические сооружения: Учебник для вузов по специальности водоснабжение и канализация./ Г.Н. Смирнов, Е.В. Курлович и др.; под ред. Г.Н. Смирнова. М.: Высшая школа, 1988. -472с.

14. Гладков Г.Л. Устойчивость русел судоходных рек при инженерном вмешательстве в развитие руслового процесса.// Всороссийск. науч.-метод. конф. «Высш. образ, в соврем, условиях», С.-Петербург, 1996: Тез докл. 4.2 С-Пб, 1996.-С.160-161.

15. Горнушкина Т.В. Исследование динамической посадки и обеспечение безопасности движения речных составов наограниченном по ширине и глубине фарватере: Дис. на соиск. уч. степени к. т. н Новосибирск: НИИВТ, 1990. - 251с.

16. ГОСТ 20522-75 Грунты. Методы статистической обработки результатов определения характеристик.

17. ГОСТ 25100-82 Грунты. Классификация.

18. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, ленингр. отд., 1990. -288 с.

19. Гришанин К.В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. -JI. :Гидрометеоиздат,1992.

20. Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов. -JI. :Гидрометеоиздат, 1974г.

21. Гурьев Ю.В., Патрашев JI.A., Трусов А.А. Численный метод учёта влиянии гребного винта на распределение давлений по корпусу судна. // Сборник научных трудов ЛКИ: Проблемы гидродинамики и безопасности плавания. 1988. - С.74-78.

22. Европейское соглашение о важнейших внутренних водных путях международного значения. Комитет по внутреннему транспорту ЕЭК ООН. - Документ TRANS / SC.3 / 2000 / 6.

23. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, ленингр. отд., 1974. - 108 с.

24. Зильман Г.Н. Гидродинамические реакции при движении системы поверхностных давлений на мелководье./Труды ЛКИ. Вып. 289. С.-Пб, 1989. - С.31-39.

25. Иванов П.JI. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов: Учеб. Для гидротехн. Спец. Вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.:Высш. шк., 1991. - 477 с.

26. Каган А.А. Расчётные показатели физико-механических свойств грунтов. Назначение, методы определения. Л.:Изд-во лит-ры по строит-ву,1973. - 144с.

27. Караушев А.В. Теория и методы расчёта речных наносов-Л.:Гидрометеоиздат, 1977. 270 с.

28. Карта реки Унжа от селения Грушино до селения Красногорье: Для служебного пользования (экз.№791). Главводпуть, Волжское бассейновое управление пути: отпеч. на ЦКФ МРФД984. - 10 е., усл. обозн., 44 листа карты.

29. Кацман Ф.М., Пустотный А.Ф., Штумпф В.М. Пропульсивные качества морских судов. Л. Судостроение, 1972г.

30. Ковалёв А.Н. Определение волнового сопротивления движению судов на воздушной подушке над ледяным покровом водоёмов: Автореф. дис. канд. техн. наук-Н.Новгород: НГТУ, 1990г.-24с.

31. Кодекс внутреннего водного транспорта Российской Федерации. -М.:Былина, 2001.

32. Костюков А.А. Сопротивление воды движению судов: Л.: Судостроение, 1966. - 448с.

33. Костюков А.А. Теория корабельных волн и волнового сопротивления. -Л.: Судпромиз, 1959. -311с.

34. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001576 с.

35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика 4-е изд., стер - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988.-736 с.

36. Лапшенков B.C. Прогнозирование русловых деформаций в бьефах речных гидроузлов. Л.: Гидрометеоиздат, 1979г. -238 с.

37. Методическое пособие по определению механических свойств грунтов./ Бирюков Н.С. и др. М.:Недра. 1975.

38. Мирцхулава Ц. Е. Основы физики и механики эрозии русел. -Л. :Гидрометеоиздат, 1988.

39. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов. Строительные нормы и правила СНиП 2.06.04-82. -М. : Стройиздат, 1983. -38 с.

40. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб и доп. - Л.: Энергоатомиздат, ленингр. отд., 1991.-304 с.

41. Орлов В.П. Состояние и проблемы сохранения природных ресурсов в бассейнах великих рек России/ТНижегородский институт экономического развития. Вестник экономических реформ. 1999. -№4-5.

42. Павленко В.Г. Гидродинамические аспекты экологически чистого судна.//Речной транспорт. 1990. -№9. - С.30-31.

43. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов. М.: Морской транспорт, 1956. - 507с.

44. Порядин А.Ф. Качество вод и оценка экологического состояния речных бассейнов великих рек России//Нижегородский институт экономического развития. Вестник экономических реформ. 1999. -№4-5.

45. Проект заключительного акта дипломатической конференции по принятию конвенции о договоре перевозки грузов по внутреннимводным путям (КПВГ). Комитет по внутреннему транспорту ЕЭК ООН. - Документ ЕСЕ / TRANS / CMNI / CONF / 3*.

46. Распространение информации о действующих двусторонних и многосторонних соглашениях в области международных перевозок внутренним водным транспортом. Комитет по внутреннему транспорту ЕЭК ООН. - Документ TRANS / SC.3 / 2000 / 7.

47. Рекомендации по оценке и прогнозу размыва берегов водохранилищ и крупных равнинных рек. / ПНИИС. М.:Стройиздат, 1987. - 72с.

48. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. -Л. :Гидрометеоиздат,1985.

49. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). П58-76. ВНИИГ. Ленинград,1977. - 317с.

50. Сахарчук А.И. Устойчивость грунтовых откосов и откосов гидротехнических сооружений: автореф. дис. на соиск. ст. к.т.н. -Одесса, 1987.

51. Серебряков А.В. Русловые процессы на реках с зарегулированным стоком. М.:Транспорт, 1970.

52. Смородин А.И. Расчет волнового сопротивления в реальной жидкости. // Вопросы судостроения, серия 1. Проектирование судов. -1972. Вып.1 - С.122-129.

53. Спиридонов В.Н. Исследование диффузии примеси из донных грунтов в речную воду .//Гидравлические исследования и расчёты трубопроводных систем, каналов и портовых сооружений: Сб. тр. МИСИ им. В.В. Куйбышева.-М.:МИСИ, 1987. С.44-47.

54. Справочник по гидравлическим расчётам. Под ред. Киселёва П.Г. Изд. «Энергия», 1974. 5-е изд. - М.: Энергия, 1974.)

55. Справочник по механике и динамике грунтов/ В.Б. Швец, Л.К. Гинзбург и др.; под ред В.Б. 1Шеца.-Киев:Будавельник, 1987. 231с.

56. Справочник по серийным транспортным судам: В 10 т. М.: Транспорт, 1993. - Т.9.-230 с.

57. Справочник по серийным транспортным судам: В 9 т. М.: Транспорт, 1977.-Т.3.-238 с.

58. Справочник по серийным транспортным судам: В 9 т. М.: Транспорт, 1987.-Т.8.-230 с.

59. Справочник по теории корабля / Под ред. Войткунского Я.И. JL: Судостроение, 1985.

60. Судольский А.С. Динамические явления в водоёмах. -Л.:Гидрометеоиздат, 1991г. -261 с.

61. Торгашов В.П. Инженерная геодезия: Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов. Горький: ГИИВТД984. - 67с.

62. Федеральный закон Российской Федерации от 10 янв. 2002г. №7-ФЗ «Об охране окружающей среды».

63. Федяевский К.К., Гиневский А.С., Колесников А.В. Расчёт турбулентного пограничного слоя несжимаемой жидкости. -Л.:Судостроение,1973. 256с.

64. Хомицкий В.В. Природоохранные аспекты береговой гидротехники. -Киев: Наукова думка, 1983г. -276 с.

65. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.:Энергия, 1982. -598 с.

66. Шанкин П.А. Расчет покрытий откосов гидротехнических сооружений. М.: Речной транспорт, 1961. - 373с.

67. Шор Я.Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надёжности. М.: Советское радио, 1962. - 522с.

68. Эрозия почб и русловые процессы. Под ред. Маккавеева Н.И. М.; Изд-во МГУ,1976. Вып. 5.

69. Этин В.Л. Основы проектирования комплекса систем водоснабжения судов внутреннего и смешанного плавания: Диссерт. на соиск. уч. ст. д.т.н. Н. Новгород, 1984г. -342 с.

70. Этин B.JI., Плотникова В.Н., Наумов B.C. Экологическая безопасность судов и промышленных предприятий: Часть I. -Н.Новгород: ВГАВТ,1997. -207с.

71. Dong Ronald R., Katz Jozeph, Huang Thomas T. On the structure of bow waves on a ship model. / // J. Fluid Mech. -1997. -346. p. 77-115.

72. Forsman B. Higt-speed ferries environmental impact and safety assessment. // Bull // Assoc. int. navig. Bull Assoc. int. perman. Congr. navig. - 1997. - №96. - C.23-27

73. Fuehrer M. Untersuchungen zur hydraulischen Beanspruchung der WasserstraBen durch die Schiffahrt./Mitteilungsblatt der Bundesanstalt fur Wasserbau. 1998. -Nr.77. -p.17-42.

74. Hagerty D.J., Hagerty M.J. Ohio river bank erosion traffic effects // J. waterway, Port, Coast., and Ocean Eng. - 1989. - 115, №3. - C.404-408.

75. Lunga Adrian Numerical calculation of 2-dimensional waves behind a pressure acting on the free-surface/ Международный симпозиум по гидродинамике судов, посвященный 85-летию со дня рождения A.M. Басина, Санкт-Петербург, 1995. С. 381-388.

76. Pohl R. Welleniiberlauf im Ubergangsbereich zwischen Brandung und reflexion. / Ports & Wateiways/Hansa-Schiffahrt-SchifEbau-Hafen-134. Jargang. 1997. - Nr. 10. -p.62-64.130