автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Экспериментальные исследования динамики рельефа дна в нестационарном потоке

\ О

- 7 им да

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи КАЗШРУК Тамара Николаевна

УДК 556.537

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ РЕЛЬЕФА Д1А В НЕСТАЦИОНАРНОМ ПОТОКЕ

Специальность 05.23.16. - гидравлика и инженерная

гидрология 11.00.07. - гидрология суши, водше ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.К.Дебольский

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ю.В.Писарев кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник О.Н.Мельникова

Ведущая организация - Производственное объединение по изысканию, исследованию, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов

Защита диссертации состоится " 25 " июня 1993 г. .в_часов

на заседании Специализированного совета Л 003.37.01 при Институте водных проблем РАН по адресу: 107078, Москва, ул.Ново-Басманная 10, а/я 524

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН

Автореферат разослан "_" кая 1993 г.

Ученый секретарь sf ^u^- CZI^W

Специализированного соЕвта, /у-*-- ^ ' ~

доктор го.ографичоских наук, профессор В.С.Запетаэв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность томя. Среди нпучных проблем, возникающих в связи с развитием водного хозяйства, особое месте занимает исследование закономерностей руслогого процесса. По мэре роста антропогенного влияния на водные обьектн и одновременного роста технических и экономических возможностей, водохозяйственные задачи и их русловой аспект становятся все сложнее.

Отличительной особенностью речных потоков является их протекание в деформируемых границах. В результате взаимного влияния потока и русла дно реки приобретает волнообразный (грядообразнш!) подвизкный рельеф. Повсеместное распространение гряд.в водотоках говорит о том, что они являются устойчивой формой взаимодействия движущейся водной среды с подстилающей ее сыпучей средой. С перемещением и трансформацией дошшх форм связаны такие сложные процессы как потери энергии потока и транспорт взносов.- В связи с этим возникает необходимость количественного описания русловых микрефорп, наиболее полно учитывая все факторы, влияющие на их формирование.

Следует отметить, что до недавнего времени исследования структуры грядового рельефа дна проводились, как правило, в условиях стационарного" режима движения потока. Однако, движение воды в реках редко бывает стационарным, что обусловлено прохождением волн полободий, дождевых паводков, а на зарегулированных реках и попусками в нижний бьеф гидротехнических сооружений. В таких условиях характер взаимодействия в системе "ноток-руслс" зависит не только от изменения кинематического и динамического факторов, но и от фактора времени, в значительной мере определяющего уровень происходящих русловых переформирований. Поэтому, изучение влияния нестационарного штока на динамику рельефа дна и транспорт наносов явлнчт-

¿к

ся одним из наиболее важных вопросов при исследовании закономерно^ тей руслового процесса, что и обусловило выбор теш диссертацион ной работа.

Цель работы состояла б изучении закономерностей динамики рельефа дна в нестационарных потоках различной интенсивности и получении расчетных зависимостей для определения параметров донных форм.

В соответствии с поставленной целью в задачи работы входило:

- разработка методики проведения экспериментальных исследования, а также алгоритмов и программ для обработки результатов натурных и лабораторных измерены переформирования донных Форм в нестационарном потоке;

- исследование закономерностей динамики рельефа дна и транспорта наносгп в нестационарном потоке;

- статистический и информационно-системный анализ рельефа дна, формируемого зтациоларнчм и нестационарным потоками:

- установление зависимостей и разработка модели трансформации донных форм для случаев резкого и плавного изменения гидравлический характеристик потока.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1.-Выявлены закономерности динамики донных форм для нестационарных потоков различной интенсивности.

2. Получены зависимости для определения параметров донных форм и транспорта наносов при различных интенсивностях изменения скоростей потока ~л диапазонах их критических значений.

3. Предложена модель динамики донных форм при резко нестационарном рокимо движения воды.

4. Получены соотношения, описывающие параметры донных форм в олучао плавного изменения гидравлических характеристик потока:

Практическое значение работы. Результаты работы были использг ваш в ИВП РАН при выполнении НИР по теме: "Исследование гидрологи ческсго режима, динамики течений и переноса примеси е отмелоЯ зоне устьевого взморья Волги в условиях колебания уровня Каспийского моря", выполняемой в рамс эх проекта 05.08 "Каспийское море".

Полученные зависимости и соотношения могут быть использованы для интерпретации русловых переформирования, а также определения параметров денных форм и транспорта наносов во время прохождения волн половодий и паводков, попусков в низшие бье$ы ITC, залповых попусках с целью промывки русел.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуздались на Тринадцатой школе-семинаре "Матемэти ческое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Ростов-на-Дону, 1989 г.); на Всесоюзной конференции "Метода математического' моделирования в задачах охраны природной среда и эколо гни" (Новосибирск, 1991 г.); на Четвертой Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при ис следовании случайных полей и процессов" (Петрозаводск, 1991 г.); на Четвертой школе-семинаре "Математические проблемы экологии" (Ду шанбе, 199Г г.); на научных семинарах ИБП РАН (Москва, 1989 -- 1993 г.г.).

По теме диссертации опубликовано четыре научные работы.

Обьем и-структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы иг. 13Г наименований, в том числе 72 работы зарубежных авторов. обьаД обьем диссертации 217 страниц, г.ключая 15 таблиц и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, определена цель работы и поставлены задачи исследования.

В первой главе дан краткий анализ современного состояния проблемы динами.си рельефа дна под воздействием нестационарного потока. Рассмотрены работы по натурным наблюдениям на участках рек, лабораторным исследованиям н гидравлических лотках, и математическому моделированию переформирования донных форм.

Натурные исследования были проведены E.S.Pretlous'oM и i.Blench'oM на р.Фрезер (Канада, 1950 г.), о.В.СоШпзоп'ом на р.Гана (Норвегия, 1959-1969 г.г.), C.R.Neil на р.Ред-Дир (Канада,

1960-1966 г.г.), Б.Ф.Сшщенко и Ю.Т.Корчохой на р.Поломать (СССР,

1961-1966 г.г.), I.Karcz'oM на реках Лаван, Шигма, Бесор и др.(Израиль, I965-1968 г.г.), H.Nazner на р.Везер (ФРГ, 1966-1972 г.г.), Н.М.Кулемпяой на р.Днепр (СССР, 1965 г.), 1.К.Coleman'ом на р.Брах-мапутра (Бангладеш, 1966-1967 г.г.), W.L.Hauahlld'OM и др. на р.Колумбия (США, I971-1972 г.г.), R.G.Jackson'ом на р.Вабаш (США, 19721973 г.г.), R.A.Levey и др. на р.Конгари (США, 1976 г.),' В.И.Нико-рой на р.Риони (СССР, 1980 г.) и Р.Турунчук (СССР, 1981 г.), I.SM-lr.lzu к др. на р.Ишикари (Япония, 1981 г.), .В.К.Дебольским и др. на р.Волга (СССР, 1983 г,), M.Quaglia и др. на одном из водотоков провинции Пьемонт (Италия, 1991 г.) и др.. К настоящему времени накоплен значительный натурный материал по переформированию рельефа дна в-нестационарном речном потоке. Общим для натурных наблюдений является качественный характер исследований, их односторонность,- что приводит к противоречащим друг другу вивсдам.

Лабораторных- исследований динамики рельефа дна в нестационарном потоке- значительно меньше. Развитие этого направления связано

с работами И.А.Ярославцева, В.К.Дебольского, Е.В.Плетневой, В.М.Коткова, Н.Н.Степановой, M.Bayazlt'a, P.D.Jensen'a, D.M.Gee, Я. IL Graf а, L.Suszka, K.Äshlda, H.Nakagawa, K.Sawal, T.TsuJlmoto, и др.. В результате этих исследований были установлены некоторые закономерности переформирования донных форм и транспорта наносов, что позволяет интерпретировать натурные данные и создает базу для математического моделирования. Основным результатом этих работ является установление времени запаздывания в реакции донных форм на изменение гидравлических характеристик потока.

Математическое моделирование динамики дошшх форм начало развиваться лишь в последние годы и представлено работами J.R.L.A1-len'a, J.Fredsoe, F.Engelund'a, H.Nakagaw'a и T.TsuJlmoto. Однако,, недостаточная изученность механизма изменчивости рельефа дна, пока» не позволяет разработать адекватную математическую модель. Существующие подходы отражают лишь некоторые закономерности рассматриваемого процесса и не получили надежной проверки.

Во второй главе описывается методика проведенных автором лабораторных исследований и обрабопси данных экспериментов.Опыты проводились в Московском гидромелиоративном институте на гидравлической модели с размываемым днем, входящей в состав замкнутой циркуляционной системы. Экспериментальный гидравлический лоток имел прямоугольное поперечное сечение, длину 20,0 м, ширину 1,0 м и высоту стеклянных стенок 0,6 м. В качестве сыпучей среды использовался песок дмитровского карьера со средним диаметром частиц й= 0,2 мм и плотностью ps= 2,6Ь г/см3.

Замкнутая циркуляционная установка по сравнению с другими системами обладает рядом преимуществ: I) обеспечивается автоматическая регулировка подачи наносов к модели; 2) возможен пропуск разных расходов воды при одной и той же глубине потока и, наоборот,

пропуск одинаковых расходов при разных глубинах воды.

При проведения опытов в состав наблюдений входили: расход воды, отметки уровня свободной поверхности, скорость течения воды, распределение мутности потока по1вертикали, общий расход наносов. Производились также эхолотирование рельефа дна по площади, микрофотосъемка скоростной структуры потока и фотосъемка состояния рельефа дна.

Режим движения воды задавался в виде ступенчатого и треугольного гидрографов с периодическим и непрерывным изменением расхода воды. В каждом случае увеличение расхода вода начиналось с некоторого базисного расхода q = 0,042 м2/с. Максимальный расход воды на пике гидрографа равнялся q = 0,126 м2/с. Пределы изменения расходов воды выбраны такие образом, чтобы обеспечить скорости деижз-ния вода, г.ри которых образуются и могут существовать донные формы.

Было проведено две серии опытов, различающихся состоянием рельефа дна к началу изменения расхода воды. В серии й донные формы находились в равновесном состоянии и по своим среднестатистическим характеристикам соответствовали базисному расходу, при котором скорость потока равнялась начальной сдвигающей скорости для частиц песчаного дна данного гранулометрического состава. В серии Я песчаное дно перед каждым опытом искусственно выравнивалось. Всего было проведено 12 групп опытов, которые включали от 2 до 5 отдельных экспериментов. Основное, различие экспериментов состояло в интенсивности изменения расхода вода и продолжительности прохождения его максимальных значений на шпсе гидрографа. Для различных опытов, на подъеме и спаде модельных гидрографов интенсивность изменения удельного расхода вода составляла 0,26x10"®- И.бУхЮ-5 иР/сг.

Исследования зарождения и стабилизации донных форм в резко нестационарном потоке были проведены для 13 значений удельных расхо-

дов вода. Продолжительность каждого опита определялась интенсивностью процесса стабилизации дошшх форм и колебалась в пределах от 6 до 48 часов.

Анализ точности и ошибок измерений показал, что среднестатистические характеристики отметок рельефа дна и параметров дошшх форм для непрерывных и ступенчатых гидрографов в наших опытах имеют близкие значения. Оптимальная дискретность эхолотирования составляла 5-10 см, при которой относительная ошибка опрвделешш средней глубины потока не превышала 1,455, а высоты донных форм - 12,0%. Средние относительные ошибки для всех видов измерений составляли 0,01-6,33%. Относительные ошибки осреднения измеряемых величин немного выше, однако редко превышают Э,0£. Для обработки данных измерений и выполнения всех расчетов бил разработан пакет прикладных программ на языке ФОРТРАН. Все расчеты выполнялись в Вычислительном Центре Российской Академии Наук на ЭВМ ЕС 1061 и 1066.

В третьей главе дан анализ результатов экспериментов и данных натурных наблюдений. Рассмотрен комплекс вопросов зарождения, развития, трансформации и смыва донных форм в нестационарном потоке. Использованы детерминистические и статистические.подхода, а также информационно-системный анализ.

'. Динамика рельефа дна под воздействием нестационарного потока воды рассмотрена как процесс перемещения сыпучей среды, в результате которого могут возникать донные формы. Следствием такого процесса и его составной частью является транспорт наносов.

В зависимости от соотношения временных масштабов изменения характеристик потока Мп и русла Мр можно выделить: I) резконостацио-нарный поток (Мп >> Мр); 2) плавнонестационарный поток (М^ > м ); 3) стационарный поток (Мп ~ Мр).

Очевидно, что при взаимодействии стащюнаряого потока с рус-

1С

лом имеет место "равновесное состояние", т.е. такое состояние структуры рельефа дна, при котором составляющие его донные формы по своим среднестатистическим характеристикам находятся в соответствии с гидравлическими параметрами штока.

В. результате резкого (ступенчатого) изменения характеристик штока возникает переходшй процесс. Под переходным процессом будем понимать процесс перехода к новому равновесному состоянию чс-темы "поток-русло".

При непрерывном плавном изменении характеристик потока наблюдается некоторое время запаздывания в реакции рельефа дна, расхода нааосов и т.д. на изменение внешних условий. Под термином "время з£паздкЕаькя" будем понимать время, необходимое для достижения параметрами рельефа дна соответствия определенным гидравлическим характеристикам потока.

Образование (зарождение) донных форм на дне нестационарного

резного потока имеет место после смыва гряд при средних скоростях

» • •

воды больше критической скорости стирания деформаций V > Укг , а также на больших грядах, участки которых можно рассматривать как ровное дно, особенно на спаде гидрографа.

При средних скоростях штока больше начальной сдвигающей скорости V > ч' , частицы грунта приходят .в движение, в результате чего происходит сортировка материала и образуются микрошероховатости рольефа дня, пространственное распределение которых в начальный период носит случайный характер. Наличие микрорельефа дна приводит к изменению скоростной структуры потока, активизации макропульсаций и образованию присоединенных вихрей в тыльной части'донных форм. Повышается размывающая способность потока, происходит его самоакти-1;ияпция. Водный вихрь и гребень донной формы взаимодействуют между собой по схсмо обратной связи переменного знака. Процесс значитель-

но усиливается при достижения потеком критической скорости отрыва частиц от поверхности дна для данного типа грунта. На этой стадии гряды приобретают упорядоченную и закономерную форму. Завершается этап образованием двумерных ленточных гряд.

Следующим этапом развития донных форм является преобразование двумерных гряд в трехмерные с вторичной периодичностью. Происходит это при достижении ленточными грядами определенной высоты и крутизны верхового откоса. На первой стадии преобладает случайная составляющая процесса. Искривление линии гребней продолжается до тех пор, пока отдельные донные формы не начнут влиять друг на друга. Далее наступает стадия закономерного развития. Происходит самоорганизация донных форм в пространстве и формируется рельеф дна'с согласованными фазэми модуляции высот соседних рядов. Таким образом, на поверхности сыпучей среды возникает периодическая система с шахматной структурой.

При резком нарушении режима течения воды в системе "поток-русло" имеет место переходный процесс. Установлено, что интенсивность переходного процесса и его продолжительность Тг зависят от диапазона изменения средних скоростей потока по отношению к их характеристическим значениям. С повышением активности взаимодействия потока и сыпучей среда продолжительность переходного процесса форм рельефа значительно уменьшается. При ступенчатом увеличении средней скорости течения вода, Тг в 2-3 раза меньше, чем при ее ступенчатом уменьшении. При этом, реакция высоты донных форм выражена значительно сильнее, чем длины, однако закономерности их динамики идентичны .

Совместный анализ результатов наших исследований и D.M.Gee показал, что переходный процесс для рельефа дна и его интенсивность зависят от величины перепада характеристик потока и в значительной '

мере предопределяются абсолютным значением его конечной скорости. Для случаев резкого увеличения гидравлических характеристик нами были получены зависимости, устанавливающие связь мекду продолжительностью переходного процесса и параметрами донных форм:

1Г- л"

= 1-ехр[- 4- 4-]

I +

о < г < тг

1-ехр

I + А.

•Ш

о < г < тг

(2)

где: 1г, Л, - текущее значение высоты и длины донных форм; I - текущее время; К - параметр перехода, значение которого близко к 0,20; Ьь, Ь^ - параметры высоты и длины донных форм, значения которых изменяются з пределах 0,9-1,0 и 1,0-1,1 соответственно; А^, А^ -- параметры, зависящие от конечного значения средней скорости потока (определяются по графику); индексы е, н, к указывают неравновесное состояние донных форм, их начальлое и конэчное значение.

При резком (ступенчатом) уменьшении гидравлических характеристик потока переходный процесс для рельефа дна может включать зарождение, развитие и трансформацию донных форм с полным переформированием их пространственной структуры. Интенсивность и направленность процесса определяются, в основном, значением конечной скорости и состоянием рельефа дна перед резким ступенчатым уменьшением .параметров потока. Закономерности изменения высоты и длины донных форм в этом случае могут быть описаны зависимостями:

* - 1С

X - XI

.о „е

1 - ехр[- \ -т;] * 1 ' ' (3)

= I - ехр

0<итг; (4)

I - ехр

^ < < V ■ (5)

[.037 у^ - о;о7 , ' V, > , о<г<тг, (6)

где: К,, Кз, Кд - параметры перехода для донных форм, значения которых равны 0,13, 1С,= 0,25» К^ 0,20.

На оснований установленных закономерностей разработана модель динамики донных форм при резком (ступенчатом) изменении гйДрйТШ-ческих характеристик потока.. В основу модели положена система дифференциальных уравнений, полученных автором:

(11 ах

а(1-п)

I X

I -

и-и;

.в 1

(7)

X - ХГ

а(1-п) и XI- X

в "г

где: - удолышй расход донных наносов; а - коэффициент формы гряд; п - пористость дотого материала; а и (3 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от характеристических значений скорости воды; 0, при = Ь® и е,- I, при Ь" ф Ь®; ег= 0, при X* X"

и е2= I, при л.® ф д.® .

Путем калибровки модем по результатам экспериментов были оп ределеш коэффициенты о. и 6:

1) при увеличении гидравлических характеристик потока:

а = 0,40; р =-0,11, при У^ < V < У^; а = 0,60; (3 =-0,25, при У^ < V < У^';

• * * О • »

а =-0,75; р = 0,73, при Ук > Укр , У„ < Ч^ ;

2) при уменыдении гидравлических характеристик потока:

а = 0,35; р =-0,52, при Ук < У^' , У„ > У^'; а =-0,70; р = 0,04, при ч'к'г < V < ; а =-0,70; р = 0,02, при У^ < V < У^ /

Модель дает хорошее совпадение с экспериментальными данными.

Более сложный вид реакции системы "поток-русло" на нестационарный режим движения воды наблюдается в результате непрерывного изменения гидравлических характеристик потока. Закономерности переформирования рельефа дна зависят от многих факторов и имеют специфические особенности для периодов подьема, пика (прохождение максимальных расходов воды) и спада гидрографа.

В общем случае на подьеме гидрографа параметры донных форм растут, независимо от того, соответствовали они базисному расходу или нет. РазЕитке форм рельефа выражается в том, что менее развитые дотше формы поглощаются более развитыми, имеющими болшую ско

рость смещения. Мезду параметрами штока и рельефа дна существует довольно тесная связь с коэффициентами парной корреляции г' = 0,7в--0,98.

Лд

Анализ полученных наш связей П = Г^, V, , А. = Гр}, V,

ТГ]' и = Ч4' ТП* = ЧЦ*' ч* Лс1 1 гл ..... ль -г _ йЧ

А- = ХГ_1_ хв I т*'

ч.

V. .-£-]. - «V). = ф. V, = ф. V,

Л<И *

-£-£-1 и других (где: в - крутизна донных форм; Тг - продолжительность периода подьема гидрографа; - время запаздывания в реакции параметров донных форм на изменение режима течения воды) позволил установить, что: I) независимо от направленности и интенсивности изменения характеристик потока и рельефа дна; дошше формы в своем развитии всегда стремятся к статистически равновесному состоянию; 2) крутизна донных форм на всем протяжении гидрографа незначительно отличается от своих равновесных значений; 3) запаздывание параметров донных форм по отношению к их равновесным значениям и интенсивность переформирования рельефа дна с ростом интенсивности изменения гидравлических характеристик потока увеличиваются; 4).интенсивность изменения параметров донных форм с росуом средней скорости потока увеличивается и достигает своих максимальных значений при V > \г'.

Обнаруженные закономерности были обобщены в виде расчетных формул для определения параметров донных форм в период подьема гидрографа:

Ь - £

1=1

/¿Г

у ^г

ехр|- ]/

Дч

~2ПГ

ш

ЛТ

(8)

где: и - гидравлическая крупность донного материала; ДТ - промежуток времени, в течении которого гидравлические характеристики потока изменяются с постоянной интенсивностью; 1 = 1, 2,..., п - количество участков с одинаковой интенсивностью изменения параметров потока; Кь-коэффициент пропорциональности, зависящий от отношения средней скорости движения воды к ее характеристическим значениям:

к^ Л- -4,55. С<у<у;;\ (9)

КР

Формулы, аналогичные (8), (9) были получены и для длины донных форм.

На пике гидрографа система "поток-русло" находится в переходном состоянии, завершенность которого зависит от продолжительности прохождения максимальных расходов воды. Интенсивность переходного процесса определяется: I) величиной несоответствия между параметрами донных форм и характеристиками потока к концу периода подъема гидрографа; 2) величиной средней скорости движения вода по отношению к ее характеристическим значениям. Поэтому, в начале спада гидрографа донные формы могут отсутствовать (при V > ч'к'г') или иметь максимальные размеры (при У^ < V < У^').

■ Б зависимости от соотношения продолжительности прохоздения максимальных расходов продолжительности переходного процесса для донных форм Тг и средней скорости движения вода У на пике гидрографа, возможны четыре варианта развития-рельефа дна в период спада гидрографа. При У > У^', \ > Тг происходит зарождение форм рельефа. В случае достаточно высокой интенсивности изменения характеристик потока, донные формы увеличиваются в размерах на протяжэ-

1ши всего спада гидрографа. С уменьшением интенсивности гидрографа, высота и длина форм рельефа сначала увеличиваются и, достигнув в некоторый момент времени соответствия с характеристиками потока, начинают уменьшаться, стремясь к своим равновесным значениям. При < 7 < > тг > тг переформирование структуры рельефа дна на спаде гидрографа, независимо от интенсивности изменения гидравлических характеристик потока, сопровождается уменьшением высоты и" длины его форм. Для определения параметров донных форм, в рассмотренных случаях могут быть использованы формулы (8), (9) с учетом переменного знака перед суммой. Более сложный процесс происходит При т^ < Т., 7 < ч'^' и V > , когда донные формы находятся в неравновесном состоянии и их размеры, в зависимости от предшествующей "структуры и интенсивности спада гидрографа, могут увеличиваться или уменьшаться. _ • •

Впервые на обширном экспериментальном материале нами исследованы закономерности изменения статистических характеристик донных форм и их связь с гидравлическими параметрами нестационарных потоков. В качестве величин для статического анализа были взяты параметры донных форм как физических объектов: высота, длина, длина верхового откоса, крутизна, крутизна верхового откоса, а также отметки рельефа дна. Для 320 массивов данных вычислены и обобщены стандарт о и дисперсия о2, коэффициенты вариации и асимметрии Ся, эксцесс Е, построены гистограммы распределений, определены модальные ординаты и выполнена проверка согласия эмпирически функций распределения с теоретическими законами.

Результаты обработки данных показывают, что о и о2 прямо пропорциональны математическому ожиданию и зависят от фазы гидрографа и его интенсивности. На подьеме гидрографа стандарты высот и длин донных 'форм растут и зависят от удельного расхода воды (г = 0,70-

-0,89). При малой интенсивности уменьшения гидравлических характеристик потока, после смыва донных форм, связь а = 1^) прямая, однако постепенно пеиеходит в обратную при повышении интенсивности спада гидрографа. Как на подьемэ, так и на спаде гидрографа, дисперсия параметров донных форм уменьшается с увеличением интенсивности изменения расхода воды. Наибольшую дисперсию имеют параметры донных форм в стационарных потоках. Для нестационарных потоков 0й на 10-8055 меньше. Б абсолютном болыиенстве случаев, стандарты отметок рельефа дна оу больше чем стандарты высот донных форм оь. Методом наименьших квадратов нами были получены зависимости:

оь = 0.,880у - 0,03; (10)

11е = ^.ЗхКГ^е f 0,8з|-оу , г = 0,80; (II)

1гв = 1,17о.у'-ехр[ю"31^ , г = 0,82, (12)

где: Ре = — число Рейнольдса; V - средняя скорость потока; И. -глубина потока; V - кинематическая вязкость.

Закономерности изменения Су различных параметров донных форм существенно отличаются. На лодьеме гидрографа С^ слабо зависит от изменения удольного расхода воды и колеблется в пределах С^- = 0,33-0,64. Значение С^ имеет общую тенденцию роста с увеличением q (г = = 0,69-0,92). Для отметок рельефа дна характерны минимальные'значения коэффициентов вариг ли сЗ = 0,06-0,26. Большинство зависимое- .' тей = Г (ч) имеют точку перегиба при V = На спаде гидрографа, после смыва донных форм, связь с интенсивностью удельного расхода вода аналогична изменению стандартов параметров донных форм.

В большинство случаев для распределения параметров донных форм характерна положительная асимметрия. На подъеме гидрографа находится в пределах -0,68 ¡-1,28 и однозначно не зависит от q. На спаде гидрографа имоет мосто слабая тенденция уменьшения с уменьшением q (С* = 0,05Я,38). Асимметрия распределений длин донных форм имеет тенденцию к уменьшению с увеличением qI т.е. число гряд с большими длинами возрастает. Обратный процесс происходит на спаде гидрографа. Пределы изменения С^ = -0,705-2,10. Отметки релье фа дна, в отличие от других параметров донных форм имеют небольшую отрицательную асимметрию (с'= 0,10т'-0,97).

Определение моментов более высоких порядков при ограниченном числе данных сопряжено с большими ошибками. Здесь лишь отметим.пределы изменения эксцесса распределений параметров донных форм в нестационарных потоках =-1,52*1,63, 64М: 74, КУ= 2,361-4,21.

Проверка согласия теоретических и эмпирических кривых распределений покасала, что в 87% случаев для аппроксимации распределений параметров донных ферм в нестационарных потоках может быть использована кривая Гаусса. В тех случаях, когда значения-коэффициента асимметрии и эксцесса не позволяют использовать аппроксимацию по нормальному закону, удобной оказывается более общая кривая Лап-ласа-Шарлье.

Для исследования .вклада организующих и броунизирующих факторов в развитие рельефа дна нами использована энтропийная мера по Шеннону. На способность системы "поток-русло" к саморегулгрованию ранее указывалось в работах А.Д.Арманда, А.В.Караушева, Н.И.Макка-веева, Н.Е.Кондратьева, И.В.Попова, Б.Ф.Снищвнко.

В качестве реперных распределений для анализа энтропии реальной совокупности использованы: регулярное распределение, когда энтропия равна 'нулю, равномерное распределение с максимальной энтро-

гаей и распределение Пуассона, как модель случайного размещения невзаимодействующих мезду собой объектов. Количественной характеристикой относительно? упорядоченности реальной совокупности послужил показатель условной избыточности А.Д.Арманда.

Наибольшая упорядоченность в системе донных форм наблюдается во время-их зарождения, когда взаимодействие мзвду элементами системы происходит по схеме обратной сеязи переменного знака. Вклад регулярной составляющей может достигать 33,6%. По-видимому, обратная связь переменного знака способствует повышению регулярности структур. Большой вклад регулярной составляощей имеет место также после смыва донных форм на спаде гидрографа и в его конце. При плавном увеличении и уменьшении, гидравлических характеристик взаимодействие потока с деформируемым дном, как правило, имеет -положительную обратную связь. В этом случае регулярная составляющая почти отсутствует, наблюдается тенденция к кластеризации, образованию иерархических структур, что выражается в одновременном существовании на дне потока донных форм разных порядков. С увеличением средней скорости движения воды расслоение системы увеличивается.

Послэдний седьмой параграф главы посвящен анализу закономерностей транспорта наносов в нестационарных потоках. Показано, что расход нзносов зависит от соотношения параметров рельефа дна, абсолютных значений' гидравлических характеристик потока и интенсивности их изменения.

При плавном и разком изменении расхода вода закономерности транспорта взвешенных и донных наносов существенно отличаются. Продолжительность переходного процесса для донных наносов в 3-6 раз превышает аналогичное время для мутности воды. При етом, наибольшая интенсивность процесса характерна для первых 0,1Тг. Идентичность переходного процесса для твердой фазы при резком увеличении

и уменьшении расхода воды позволяет, с точностью до эмпирических коэффициентов, использовать зависимость (I).

На подьемё гидрографа, с ростом средней скорости вода в диапазоне У^, < V < , количество взвешенных наносов увеличивается об ратно пропорционально интенсивности изменения удельного расхода во-

-5 2 2

да и при = 1,17x10 м*Ус может в 3,6 раза превышать его рав-новосное значеше. С дальнейшим уменьшением интенсивности подьема гидрографа величина несоответствия расхода взвешенных неносов его равновесному значению уменьшается. То же самое происходит при V > Укр. Совсом иная реакция на увеличение расхода вода донных наносов. В диапазоне скоростей движения воды У^ < V < У^* их количество тем меньше, чем больше интенсивность гидрографа. Дальнейшее повышение абсолютной скорости потока до V у У^ и изменение интенсивности его взаимодействия с сыпучей средой способствует увеличению расхода донных наносов и уменьшению величины несоответствия равновесным значениям.

На спаде гидрографа, в зависимости от предистории процесса и состояния рельефа дна, расход наносов может существенно-варьировать. Так, при V ~ У^; общий расход наносов составляет 30-65% ово-его равновесного значения. Однако, к концу гидрографа общий расход наносов в нестационарном потоке в 26-43 раза больше чем в стацио-, нарном. При этом, ст. 50 до 90$ наносов находятся во взвешенном состоянии. Более высокое процентное содержание взвешенных частиц характерно, в целом, для нестационарных потоков.

В заключении сформулированы основные результаты исследования.

1. Разработана методика проведения исследова1Шй и получены экспериментальные данные динамики рельефа дна и транспорта наносов гфи нестационарном режиме движения пстока воды..

2. Разработаны алгоритм л программы обработки данных измере-

ний, в том числе для графического представления результатов.

3. Изучен механизм развития и трансформации донных форм в условиях плавного изменения гидравлических характеристик потока.

4. Выявлены закономерности динамики донных форм для нестационарных потоков различной интенсивности.

Б. Получены зависимости для определения параметров донных форм при различных интенсивностях и диапазонах изменения скоростей потока по отношении к их характеристическим значениям.

6. Разработана модель динамики донных форм для случая резкого изменения гидравлических характеристик потока.

7. Установлены закономерности изменения статистических характеристик параметров донных форм и отметок рельефа дна при нестационарном режиме движения воды.

8. Для анализа динамики донных форм в нестационарном потоке использован информационно-системный подход, что позволило количественно оценить вклад детерминистических и стохастических составляющих процесса.

9. Выявлены закономерности транспорта наносов и его составляющих в нестационарных потоках различной интенсивности. Установлены

I

связи между параметрами донных форм и транспорта наносов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Вопросы математического моделирования переноса консервативной примеси нестационар- ¡м речным потоком//Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования: Тез. докл.-Ростов-на-Дону, 1989.- С.178.

2. Идентификация параметров при моделировании переноса консер-

ваттганой примеси нестационарным речным потоком/Д!етоды математичес кого моделирования в задачах охранн окружающей среды и экологии: Тез. докл.- Новосибирск, 199Г.- С.121-122.

3. 00 использовании энтропийной моры упорядоченности для она лиза структуры рельефа дна//Перспективше методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов: Тез. докл.- Петрозаводск, 1991.- С.132-133.

4. Некоторые закономерности процесса релаксации твердой фазы

в открытом нестационарном потоке//Математические проблемы экологии: Тез. докл.- Душанбе, 1991.- С.88-89.