автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Экспериментальные исследования побочневого типа руслового процесса

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Католиков Виктор Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОБОЧНЕВОГО ТИПА РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.23.16 "Гидравлика и инженерная гидрология"

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Отделе русловых процессов Государственного гидрологического института

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Б.Ф. Снищенко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.Н. Бутаков

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент А.И. Лаксберг

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, кафедра водных путей

Защита диссертации состоится 30 июня 2000 г. в 11 часов на заседании специализированного совета К.024.03.01 Государственного гидрологического института по адресу: 199053, г.Санкт-Петербург, В.О., 2-ая линия, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института.

Автореферат разослан "ВС " мая 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

Л.М. Козлова

-Г л> /</Р П

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Католиков Виктор Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОБОЧНЕВОГО ТИПА РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.23.16 "Гидравлика и инженерная гидрология"

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Наиболее полное и разумное использование природных ресурсов при обязательном соблюдении основных принципов устойчивого развития человечества является одной из существенных проблем нашего времени. Сказанное в полной мере относится и к многообразным формам использования речной сети. Особенность этой проблемы заключается в том, что являясь объектом неживой природы, река постоянно находится в непрерывном движении, подчиняясь при этом объективным законам руслоформирования. Именно эти законы определяют структуру и динамику морфологического строения речных русел и пойм, т.е. того, что современные гидрологическая и геоморфологическая науки понимают под термином "русловые процессы".

Гидроморфологическая теория руслового процесса постулирует, что внутренним содержанием руслового процесса является транспорт наносов, который при этом происходит в дискретной форме. Сложно организованная иерархическая совокупность дискретных форм транспорта наносов различных структурных уровней и определяет общий морфологический облик русла реки и ее поймы, а динамика этих форм - изменения внешнего облика реки.

Одним из четырех структурных уровнен форм транспорта наносов является структурный уровень мезоформ, одним из видов которых являются побочни.

В силу того, что побочни имеют геометрические размеры, сопоставимые с общими размерами русел рек, влияние этих морфологических элементов на осредненную кинематическую структуру потока, особенно меженного, очень велико. Столь же велико влияние системы побочнсй при побочневом типе руслового процесса на циклические вертикальные деформации русел рек в каждом створе при перемещении всей системы побочней вниз по течению.

Многолетние наблюдения и исследования отечественных и зарубежных инженеров-путейцев и научных работников за динамикой многорукавных русел, в которых формы транспорта наносов одновременно представлены несколькими структурными уровнями, выявили ключевую роль побочнсй в динамике этих русел (В.В. Ромашин). Многие авторы рассматривают появление побочней в руслах рек как первый этап процесса меандрирова-ния рек (М.М.Рч. Jaeggi, N. Sukegawa), ряд авторов.указывают на ключевую роль побочней в процессе формирования русел основных трех типов: меандрирующих, разветвленных и периодически расширяющихся (К.И.Россинскии, И.А. Кузьмин, К.В. Гришанин).

Столь многообразная и существенная роль побочней в естественной сложно организованной системе руслоформирования обусловливает важность и необходимость учета динамики побочней при проектировании и эксплуатации практически всех пассивных и ак-

тивных инженерных сооружений второй категории (Б.Ф. Снищенко), располагаемых в руслах рек.

Не менее значима проблема генезиса и динамики побочней при изучении форм и путей миграции загрязненных донных наносов в руслах рек, а также проблема оценки скорости выноса этих наносов в составе дискретных донных форм на устьевые участки.

Современное активное освоение русел к пойм рек в развитых и активно развивающихся странах требует зачастую значительного преобразования естественного облика русел и пойм рек. Многообразная система способов регулирования судовых ходов, спрямление излучин, обвалование пойменных массивов и русел рек на урбанизированных участках, противопаводковые системы и т.д. - требуют при проектировании обязательной оценки возможности появления мезоформ в руслах рек и расчета их геометрических и динамических параметров. Проектирование оросительных каналов и каналов переброски стока также требует прогноза форм транспорта донных наносов в них и, особенно, мезоформ, которые фактически определяют устойчивость каналов и их пропускную способность, т.е. основные экономические показатели каналов.

Еще одной проблемой, требующей знания генезиса и динамики побочней, является возрастающая проблема восстановления и рекультивации русел рек и воссоздания целых речных систем, а также проблема перестройки речных систем под влиянием климатических изменений водного режима рек.

Таким образом важная роль побочней в процессах руслоформирования рек и каналов обусловливает необходимость глубоких и всесторонних исследований генезиса и динамики побочней для многих аспектов человеческой деятельности в процессе цивилизованного и бережного освоения русел и пойм реки » улучшения среды обитания человека. Цель работы

Основной целью представляемой диссертационной работы является исследование генезиса побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, выявление возможных причин зарождения побочней и установление критериальной зависимости для условий их зарождения.

Кроме того целью проведения указанных исследований является получение детального описания процесса зарождения побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, разработка способов расчета геометрических и динамических параметров побочней, выявление особенностей режима транспорта донных наносов при побочневом типе и экспериментальное установление степени влияния развивающихся и динамически устойчивых побочней на гидравлические характеристики потока. Методика проведения исследований

Настоящее исследование было ориентировано на постановку серии лабораторных экспериментов по воспроизведению побочневого типа руслового процесса на крупных экспериментальных установках, в ходе которых поток должен был сформировать динамически устойчивые побочнн в определенных гидравлических условиях.

При этом для обеспечения достоверности результатов методология и методика проведения указанных экспериментов должна была соответствовать принципам и постулатам гндроморфологнческой теории руслового процесса.

Основные серии экспериментальных исследований проводились в русловой лаборатории отдела русловых процессов Государственного гидрологического института в четырех прямолинейных 90 метровых лотках с жесткими неразмываемыми берегами и подвижным песчаным дном. Кроме того в работе использованы результаты экспериментов, поставленных в Англии в Воллингфордской гидравлической лаборатории (HR Wallingford) на гидравлической установке с переменным уклоном длиной 19 метров, в проведении которых принимал участие автор при финансовой поддержке фондов ЕС (Funds from the Human Capital and Mobility Programme of the European Union). Нпучнпя новизна результатов

1. Впервые в лабораторных условиях при различных гидравлических условиях был получен "классический" динамически устойчивый побочневый тип руслового процесса, характерный для равнинных рек с песчаным дном, при котором транспорт наносов происходит в условиях взаимодействия донных форм двух структурных уровней: микро- и мезоформ.

2. При этом экспериментально было установлено следующее:

• зарождение системы динамически устойчивых побочней в прямолинейном русле происходит в силу внутренних свойств кинематической структуры прямолинейного потока, взаимодействующего с подвижным грядовым дном, без какого-либо внешнего постоянного или кратковременного возмущения (искривления) потока;

• зарождение в прямолинейном русле побочней, расположенных в шахматном порядке, т.е. у противоположных берегов, происходит без каких-либо чередующихся локальных размывов берегов и без какого-либо значимого бокового переноса донных наносов;

• неустановившийся и неравномерный режим движения воды не является обязательным условием зарождения побочней;

• неравномерный режим поступления руслоформирующих наносов на участок реки не является обязательным условием зарождения побочней.

3. Получено детальное описание стадийного процесса зарождения побочней в прямолинейном равномерном потоке с неразмываемыми берегами.

4. Получены фактические экспериментальные данные об осредненной кинематической структуре потока на разных стадиях формирования побочней, в том числе и в первоначальном потоке. Осредненная кинематическая структура первоначального потока, который в последующем сформировал динамически устойчивые побочни, была сопоставлена с кинематической структурой потока при тех же гидравлических условиях (кроме ширины потока), в котором динамически устойчивой формой транспорта наносов были микроформы.

5. На основе фактических экспериментальных данных выдвинута гипотеза об основных причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.

6. Предложена критериальная зависимость для условий зарождения побочнсвого типа руслового процесса.

7. Установлены некоторые характерные черты режима транспорт донных наносов на двух структурных уровнях (уровень микро- и мезоформ) при побочневом типе руслового процесса в активной фазе движения побочней, а также некоторые формы взаимовлияния микро- и мезоформ в процессе формирования побочней (формы саморегулирования системы донных форм).

8. Предложены эмпирические зависимости для расчета геометрических параметров побочней (высоты и крутизны побочней), а также проведена экспериментальная проверка метода расчета скорости движения побочней, предложенного ранее З.Д. Копалиани.

9. Выявлена степень влияния побочней на общие гидравлические сопротивления потоку при их формировании в условиях взаимодействия с микроформами и предложена зависимость, позволяющая оценить долю гидравлических сопротивлений, вкладываемую побочнями в общее гидравлическое сопротивление русла, в котором транспорт наносов осуществляется в виде микро- и мезоформ.

Основные положения, выносимые на защиту

• Экспериментально установленные характерные черты кинематической структуры потока и режима транспорта донных наносов при побочневом типе руслового процесса.

• Экспериментально обоснованная гипотеза о причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.

• Экспериментально установленные условия и критериальная зависимость зарождения побочней в прямолинейных руслах с неразмываемыми берегами.

• Эмпирические расчетные зависимости для расчета высоты и крутизны динамически устойчивых побочней.

• Экспериментально установленные способы саморегулирования системы микро- и мезоформ речного русла в процессе зарождения и формирования побочней и влияние этой системы донных форм на общие гидравлические сопротивления потоку и эмпирическая расчетная зависимость для оценки доли гидравлических сопротивлений, которую вносят побочни в общие гидравлические сопротивления русел рек при транспорте наносов в них в виде системы мезоформ с микроформами на их поверхности.

Практическое использование полученных результатов

Основные результаты исследований были опубликованы в 6 научных работах и были доложены на научных семинарах отдела русловых процессов I I И при рассмотрении результатов работ по бюджетным темам, на научном семинаре Воллингфордской гидравлической лаборатории (1996 г.) и на Итоговой сессии Ученого Совета ГГИ (2000 г.). Кроме того результаты работ докладывались на Всесоюзной научной конференции в МГУ (1983

г.), на Втором Всесоюзном научном совещании в Новосибирске (1987 г.) и на V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежных морей" (ИВП, 1999 г.).

Результаты диссертационной работы были использованы в отделе русловых процессов 11 И при выполнении следующих научно-исследовательских тем:

• тема Ш.23.а.19 плана Росгидромета и 0.85.06.03.02.Д1 плана ГКНТ на 1981-1985 гг. "Разработать рекомендации по учету факторов руслового процесса при оценке устойчивости каналов переброски стока";

• тема 1П.1 плана Росгидромета на 1985-1990 гг. "Разработка методов прогноза и расчета деформаций речных русел и пойм с целью разработки рекомендаций по их учету при проектировании инженерных и защитных сооружений";

• тема 1.1.5.11 плана Росгидромета на 1996-98 гг "Прогнозы, расчет и учет руслового процесса в условиях интенсивного хозяйственного использования речных водосборов, русел и пойм рек."

• тема 1.1.5.6 плана Росгидромета на 1999-2000 гг. "Развитие методов прогноза и расчета руслового процесса для обеспечения экономики, мониторинга и охраны речных систем".

Полученные в ходе выполнения настоящей работы результаты проясняют некоторые аспекты механизма процессов руслоформирования на структурном уровне мезоформ и позволяют с достаточной степенью надежности прогнозировать возможность зарождения по-бочней и оценивать геометрические и динамические параметры побочней при реконструкции существующих или при проектировании новых русел рек и каналов. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (96 наименований) и приложений. Общий объем диссертации 145 стр., в том числе 55 рисунков и 11 таблиц. Содержание работы

Во Введении раскрывается актуальность темы, формулируются основные цели и задачи исследований, а также характеризуется методика проведения исследований.

В Первой глава дается определение мезоформ, приводится характеристика существующих классификаций мезоформ и описание побочневого типа руслового процесса и его измерителей.

В настоящее время существует два ключевых определения мезоформ, которые группируют вокруг себя практически все существующие их классификации вне зависимости от научной школы, которую представляют авторы. При общем согласии в определении относительных размеров мезоформ, определения различаются в формулировке сущности мезоформ.

Первым определением является определение мезоформ, сформулированное в рамках гпдроморфологической теории руслового процесса, которое подчеркивает то, что по своей сути мезоформы являются дискретными формами транспорта наносов.

Вторым определением является определение мезоформ, данное Проблемной группой Комитета по седиментации ASCE, которое определяет мезоформы как русловые формы, имеющие длину соизмеримую с шириной потока или больше, а высоту - соизмеримую с глубиной порождающего их потока. При этом под русловыми формами данная классификация понимает "любое отклонение от плоского дна, образованное потоком, которое легко опознается глазами и превышает по свое' высоте высоту донных частиц". Иными словами данное определение относит к мезоформам любое аккумулятивное образование в русле реки, в том числе конусы выноса из устьев притоков и оврагов, пляжи на выпуклых берегах излучин и т.д., которые имеют совершенно иной генезис, нежели мезоформы - формы транспорта донных наносов.

Вокруг последнего определения мезоформ группируются классификации, которые разработали Проблемная группа Комитета по седиментации ASCE, D.B.Simons, Kellerhals R., Church М.,и Bray D.I., A.H. Бутаков, Н.И. Маккавеев и P.C. Чалов, а также Н. Ikeda. Вокруг определения мезоформ гидроморфологической теории - классификации ГГИ, рабочего Комитета Японского общества гражданских инженеров (JSCE), Н.С. Знаменской и А.Ю. Си-дорчука, а также классификация M.N.R. Jaeggi.

Требование единства генезиса мезоформ, особенно обязательное при исследовании критериальных условий зарождения различных видов мезоформ и границ между областями их существования, вынуждает нас придерживаться в своей работе классификации мезоформ, разработанной в рамках гидроморфологической теории руслового процесса.

Далее в главе дается описание побочневого типа руслового процесса по литературным источникам, а также перечень и характеристика его измерителей, к которым относятся длина, высота, крутизна и скорость движения побочней. При этом указывается, что, ставя перед собой задачу описания с помощью системы стандартных измерителей всей зоны, в пределах которой завершается цикл дискретного движения наносов, мы в своей работе придерживались взглядов В.В. Ромашина, который предложил считать длиной мезоформ продольное расстояние между соответственными элементами двух смежных форм, расположенных последовательно в один ряд, т.е. измерять длину и высоту побочней вдоль одного последовательного ряда, т.е. вдоль одного берега.

В конце главы формулируется, что объектом наших исследований являются побочни, как самостоятельная дискретная грядовая форма транспорта наносов при побочневом типе руслового процесса.

Во Второй главе приводится общее описание выполненных экспериментальных исследований побочневого типа процесса, включающее в себя обзор предыдущих, преимущественно экспериментальных исследований побочней, описание методики постановки экспе-

риментов и описание процесса зарождения и развития побочней на наших экспериментальных установках.

В ходе обзора предыдущих исследований побочневого типа руслового процесса в первую очередь обращается внимание на отсутствие, несмотря на более чем 100-летшою история исследований побочней, в отечественной и зарубежной литературе публикаций, которые содержали бы результаты полноценных натурных исследований побочневого типа. При этом большинство опубликованных результатов исследовании касаются чаще всего динамики отдельных побочней или перекатов, а не системы мезоформ побочневого типа. Только некоторые из доступных нам публикаций ставили своей целыо исследование побочней как систем мезоформ на морфологически однородном участке. К этим публикациям относятся работы В.В. Ромашина и Дж. Левина (7. Ье\ут).

Далее приводится краткая обобщенная характеристика методов математического моделирования побочневого типа. Указывается, что все авторы, работающие в данном направлении, ставят перед собой задачу выявления условий формирования меандрирующих и разветвленных русел, предполагая при этом, что появление на дне потока у берегов двух цепочек русловых форм смещенных относительно друг друга на половину фазы, высота которых соизмерима с глубиной потока, является начальной стадией меандрирования, а появление трех и более цепочек таких форм - начальной стадией формирования многорукавных русел. Подобные модели по существу оказываются математическими моделями формирования мезоформ речного русла: побочней и осередков, - и позволяют, с точки зрения авторов, выявить условия зарождения этих мезоформ.

Поскольку в основе любой из математических моделей всегда лежат определенные предположения и представления автора о механизме взаимодействия турбулентного потока и деформируемого дна, которые, представляют безусловный интерес при проведении экспериментальных исследований, в работе приводится краткое обобщение этих представлений. Выделяются две группы исследователей, взгляды одной из которых базируются на представлении, что причиной зарождения побочней являются вторичные поперечные течения в прямолинейном потоке с соответствующим поперечных переносом донных наносов.' Другая группа исследователей, использующая метод малых длинноволновых возмущений, предполагает, что в потоке всегда в силу случайных причин существуют длинноволновые синусоидальные колебания осредненной кинематической структуры потока, которые вызывают неустойчивость потока и являются причиной формирования мезоформ.

В заключение указывается, что обе гипотезы о механизме взаимодействия турбулентного потока и деформируемого ложа требуют своей экспериментальной проверки и доказательств: в первом случае доказательств наличия значимого поперечного бокового переноса донных наносов на стадии, предшествующей появлению побочней, а во втором случае- наличия в потоке на первой стадии процесса спектра синусоидальных колебаний осредненной структуры потока.

Обзор отечественных экспериментальных исследований процесса формирования по-бочней начат с экспериментов К.И. Россинского и И. А. Кузьмина. Затем приводится краткое описание методики и результатов экспериментов Н.С. .3205U , И.М. Коновалова и В В. Баланина, А.Ф Кудряшова, Л.И. Викуловой и А.Н. Бутакова. Указывается, что общей отличительной чертой описанных экспериментов является их проведение в пионерных канавках с размываемыми берегами. Объясняется это тем, что кроме А.Н. Бутакова, все остальные исследователи ставили перед собой цель исследовать не побочневый тип руслового процесса, а процессы "свободного" руслоформирования. В результате этих экспериментов были получены действительно интересные и важные материалы, характеризующие процессы руслоформирования, однако динамически устойчивого режима транспорта наносов в форме побочней получить в ходе экспериментов им не удалось.

При описании экспериментальных исследований А.Н. Бутакова обращается внимание на особенность его методики проведения экспериментов, выразившуюся в определенном дисбалансе подаваемых и транспортируемых наносов, приведшем к общей аккумуляции наносов в экспериментальном русле, на что автор сам обращает внимание. В результате весь процесс формирования побочневого типа происходил при неравномерном режиме движения воды и наносов без достижения состояния динамического равновесия мезоформ.

Обзор зарубежных экспериментальных исследований охватывает работы, которые выполнили H.A. Einstain и H.W.Shen, Р. Ackers, H.W. Shen и S. Komura. S.A. Shumm и H.R. Khan, H.Y.Chang, D.B. Simons, D.A. Woolhiser, M.N.R Jaeggi, R. Kinosita, N. Sukegava, Y.Fujita, M. Iguchi, F. Yoshino и S. lkeda. В ходе своих экспериментов многие из указанных авторов ставили перед собой цель воспроизвести в лабораторных условиях меандрнрова-ние. В связи с этим побочни они получали в качестве первого этапа меандрирования или в качестве "побочного продукта". В результате, поскольку исследователей часто интересовал только факт появления меандрирования, детальной информации о процессе зарождения донных форм и о сопутствующих изменениях гидравлики потока ими получено не было.

В отличии от первой группы, обширные экспериментальные исследования X. Чанга, Д. Саймонса, Д. Уолхисэра, М. Йагги и всех японских исследователей были направлены на исследование именно побочней. Все эти авторы, стремясь сократить время проведения экспериментов, проводили их в гидравлических лотках при высоких числах Фруда. В результате они получали в лабораторных условиях динамически устойчивый побочневый тип руслового процесса, но в специфических гидравлических условиях, подобных гидравлическим условиям горных потоков. Так, в частности, во всех экспериментах, в которых был получен побочневый тип руслового процесса, транспорт наносов осуществлялся в виде "чистых" побочней, т.е. без наложения на их поверхности каких-либо микроформ.

В заключение обзора указывается, что полученный большой массив экспериментальных данных позволяет с достаточной достоверностью судить о критериальных условиях зарождения побочней, но, к т(Зисожаленшо, в относительно узком диапазоне гидравлически

условий, т.е. при высоких числах Фруда. Этот же вывод мы вынуждены были сделать относительно массива экспериментальных данных о высоте и длине побочней.

Кроме того отмечается, что в связи со скоротечностью экспериментов (от одного часа до нескольких десятков часов) практически ни в одном исследовании не был раскрыт механизм и последовательность зарождения побочней, а также не было получено детальной характеристики кинематической структуры потока до появления побочней, что не позволяет нам с достаточной надежностью судить о причинах зарождения побочней. Даже результаты интересных экспериментов Л И. Викуловой, затронувшей один из ключевых вопросов о первопричинах зарождения побочней, а именно вопрос о поперечном переносе донных наносов на стадии, предшествующей появлению побочней, нельзя интерпретировать в окончательном виде, так как в ее экспериментах не было получено динамически устойчивого побочневого типа.

На основании выполненного обзора предшествующих исследований задача наших экспериментальных исследований была сформулирована следующим образом: провести эксперименты по формированию динамически устойчивого побочневого типа руслового процесса, методика которых вытекала бы из основных положении гидроморфологической теории руслового процесса при гидравлических условиях, соответствующих условиям формирования побочневого типа на равнинных реках и в каналах, т. е., в первую очередь, при относительно низких числах Фруда.

Далее в тексте описывается и обосновывается методика постановки экспериментов, которая должна обеспечить достижение поставленной цели. В частности, кратко описываются черты и критериальные параметры русел побочневого типа (критерий А, предложенный Е.Ф. Снищенко), которые должны быть приданы и лабораторному руслу, обосновывается возможность и необходимость закрепления берегов пионерных русле бетоном, а также описываются способы и приемы достижения равномерного установившегося режима движения воды и наносов в ходе всего процесса руслоформирования в экспериментах. Указывается, что за начальный момент каждого из экспериментов принимался момент, когда все дно пионерного русла было покрыто развитыми микроформами.

После перечня измерявшихся в ходе экспериментов параметров и описания способов их измерения, приводятся материалы экспериментов, доказывающие, что принятая методика постановки экспериментов позволила нам воспроизвести в лабораторных условиях по-бочневый тип руслового процесса при гидравлических режимах, характерных для равнинных рек, получить надежные данные о формах транспорта наносов при заданных значениях величин определяющих факторов и проследить за процессом зарождения и развития побочней и за сопутствующими изменениями гидравлики потока. Для примера на рис.1 представлен общий вид форм транспорта наносов на заключительной стадии эксперимента на модели 1.

Представленные в тексте условия проведения экспериментов показывают, что все четыре эксперимента, проведенные нами в русловой лаборатории ГГИ, были проведены при различных гидравлических режимах. Неизменными в этих экспериментах оставались величина В/Н, равная 19, первоначальная средняя глубина потока, равная 10 см, и гранулометрический состав наносов (</50= 0.<18 мм).

Два эксперимента, проведенные в Англии в Воллинг-фордской лаборатории, проводились по иной методике, так как представляли собой только часть обширной программы экспериментов по формированию русел, которая была основана на представлениях режимной теории руслоформирования. В связи с этим методика проведения экспериментов не позволила нам получить динамически устойчивые побочни, однако она позволила нам точно зафиксировать условия и факт зарождения побочней. Данные этих экспериментов были использованы нами только для выявления критериальных условий зарождения побочней.

При описании процесса зарождения и развития побочней, наблюденного в ходе всех экспериментов, в первую очередь указывается, что этот процесс имел стадийный характер и первой стадией процесса была стадия транспорта наносов в виде микроформ. Далее приводится качественное описание первой стадии процесса и характера изменений параметров гряд. Кроме того описываются опыты с окрашенным песком, поставленные на модели 2 на первой стадии процесса. Результаты этих опытов показали, что на стадии, предшествующей появлению побочней в прямолинейном русле, транспорт донных наносов в виде гряд происходит прямолинейно (параллельно берегам) без какого-либо значимого поперечного

Рис. 1 Общий вид побочней на модели 1.

бокового переноса наносов. При этом проводится сопоставление этих результатов с аналогичными опытами Л.И. Викуловой, получившей противоположные результаты, и объясняется, что причина этого различия кроется в различной кинематической структуре прибрежных фрагментов потока в размываемом лабораторном русле и в русле с крутыми закрепленными берегами, а также в неустановившемся режиме транспорта наносов в ее экспериментах.

Приведенные в работе материалы измерения кинематической структуры потока свидетельствуют, что во всех створах всех четырех моделей в первоначальный момент времени и на протяжении всей стадии транспорта наносов в виде микроформ в поперечных сечениях потока наблюдаются относительно обособленные две струи. Указанные струи отображаются на поперечном сечении потока более или менее выраженными зонами замкнутых изотах и подтверждаются часто встречающейся двумодальностью эпюр распределения средних на вертикали скоростей потока по ширине. При этом на большинстве эпюр наблюдаемые два максимума средних на вертикали скоростей не являются равнозначными. Указывается, что преобладание правобережного или левобережного максимумов имеет чередующийся характер. Здесь же указывается, что представленные материалы измерений структуры потока совместно с анализом материалов И.Ф. Карасева свидетельствуют, что пороговое значение критерия квазноднородности, предложенного И.Ф. Карасевым, вероятнее всего примерно равно 3.0, а не 4.5 как это указал сам автор.

Далее приводится качественное описание стадии развития побочней и транспорта наносов в форме динамически устойчивых побочней. Во-первых, указывается, что появление и рост побочней на всех четырех моделях оказал существенное влияние на геометрические и динамические параметры гряд. Это влияние на характеристики гряд выразилось в том, что высота и длина гряд с момента появления побочней начали изменяться таким образом, что крутизна гряд по мере развития побочней убывала и стабилизировалась только лишь к моменту достижения побочнями своих динамически устойчивых параметров.

Представленные в работе материалы эхолотировання дна по пяти продольникам с помощью лабораторного профилографа позволяют сделать вывод о том, что максимальный удельный расход донных наносов на стадии сформировавшихся побочней при руслофор-мирующем расходе воды наблюдается в верхней (по течению) половине напорного склона каждого побочня непосредственно в прибрежных частях шириной 0.2 ширины русла. При этом практически нулевые расходы донных наносов наблюдаются в подвальях побочней, в том числе и в подвальях перекатов. При этом указывается, что гораздо позже нас аналогичные результаты были получены в экспериментах Н. М1\уа, А. Оа!с!о. В дополнение к описанной картине движения наносов в виде микроформ по поверхности побочней приводятся результаты наблюдений за движением окрашенного песка. Эти наблюдения, проведенные на стадии сформировавшихся побочней при руслоформнрующем расходе, показали, что наносы, входящие в состав дискретной мезоформы - побочня двигаются по телу побочня практически вдоль русла и не переходят на другие побочни, оставаясь погребенными в

подвальях этим же наползающим побочнем. Это означает, что в ходе своего движения при руслоформирующем расходе воды побочни сохраняют свою самостоятельность и неделимость как единые дискретные образования.

Анализ материалов измерения кинематических характеристик потока, приведенный в работе, показывает, что двуструйность потока на второй стадии процесса сохранилась с сохранением в определенном смысле двух динамических осей потока, при этом направление движения потока стало искривленным. Здесь же обращается внимание на то, что максимальная средняя на вертикали скорость потока во всех случаях наблюдалась не в плесах, как это традиционно считается, а у берегов над напорным склоном побочней. Этот вывод хорошо согласуется с описанным выше распределением удельных расходов наносов по морфологическим элементам побочней. На этом основании можно предположить, что в натурных реках с побочневым типом руслового процесса при руслоформирующих расходах воды, т.е. на стадии активного движения побочней, максимальные деформации берега следует ожидать не в плесах, а вдоль напорных склонов побочней. По крайней мере, эти деформации могут быть сопоставимы с деформациями в нижних (по течению) частях плеса, которые со своей стороны одновременно являются началом напорного склона нижерасположенного побочня.

В заключение главы отмечается, что несмотря на все произошедшие изменения, средняя по сечению скорость потока, осредненная по длине модели, сохранялась на протяжении каждого эксперимента неизменной. Также неизменным оставался в каждом эксперименте и общий уклон свободной поверхности воды.

В Третьей главе рассматриваются причины зарождения побочней в прямолинейных руслах. В приведенном обзоре гипотез о причинах зарождения побочней рассматриваются работы Н.А.Ржаницина, И.М. Коновалова и В.В. Баланина, А.Г. Андерсена, К.И Российского и И.А. Кузьмина, . Л.И. Викуловой, X. Эйнштейна и X. Шена, X. Шена и С. Комуры, АН. Бутакова, К.В. Гришанина, А.Ю. Сидорчука, P.A. Калландера, Г. Паркера, и M.H.K. Иагги. Представленный анализ современного состояния проблемы свидетельствует, что в настоящее время, после того, как целый ряд гипотез о причинах зарождения побочней не нашел своего подтверждения, общим является мнение о том, что крупные русловые образования типа мезоформ являются своеобразным закономерным отображением внутренней кинематической структуры осредненного потока и порождаются этими структурами. Различие между авторами заключается в выборе элементов этих структур потока и причин формирования указанных структур в турбулентном потоке. При этом существует два ключевых взгляда на характер кинематических структур осредненного турбулентного потока, формирующих побочни.

В первом случае причиной зарождения побочней считаются вторичные поперечные течения потока с соответствующим поперечным переносом донных наносов, имеющие волнообразных характер с определенным шагом и порождаемые периодическими возмущениями всех трех компонент скорости потока. Во втором случае причиной зарождения

двух цепочек побочней считаются волновые возмущения продольных составляющих скорости потока в различных частях поперечного сечения, в то время как волновые возмущения поперечной составляющей скорости играют роль механизма согласования возмущений продольной составляющей, В этом случае процесс зарождения побочней происходит без значимых поперечных вторичных течений и без значимого поперечного переноса донных наносов. Указывается, что объективность той либо иной гипотезы может быть проверена, с нашей точки зрения, исключительно экспериментальным путем.

Как уже указывалось ранее, предыдущие экспериментальные исследования в силу особенностей методик проведения экспериментов не позволили убедительно прояснить данную проблему. Отсутствуют полноценные фактические данные о структуре потока и механизме транспорта донных наносов на стадии, предшествующей появлению побочней. В связи с этим полученные нами в ходе экспериментов данные о механизме транспорта наносов и кинематической структуре потока на первой стадии процесса формирования побочней представляют несомненный интерес и позволяют достаточно обоснованно сформулировать следующую гипотезу.

Как уже упоминалось, опыты с окрашенным песком позволили нам установить, что в условиях наших экспериментов значимого поперечного бокового переноса наносов не наблюдалось, что косвенным образом свидетельствует об отсутствии вторичных циркуляционных течений в прямолинейном потоке.

Кроме того, детальные измерения поля осредненных скоростей в различных створах моделей выявили, что на первой стадии процесса в потоке существует две обособленные струн, которые определяют всю осредненную структуру потока в поперечных сечениях и обусловливают двумодальность эпюр распределения скоростей потока по ширине русла. При этом представленные эпюры выявляют чередующийся от берега к берегу характер преобладания максимума скорости то одной, то другой струи. Здесь же указывается, что на возможность такого разделения потока на струи в свое время указывали А.Н. Бутаков, И.Ф. Карасев и Н С. Знаменская.

Далее отмечается, что в экспериментах, поставленных Г.Г.Месерлянсом и Б.Ф. Сни-щенко в 100 метровом гидравлическом лотке при аналогичных гидравлических условиях, но при уменьшенной в 2 раза ширине поток кинематическая структура потока принципиально отличалась от выявленной нами. В их эксперименте двуструнность потока не обнаруживалась. В результате, несмотря на значительную длительность эксперимента, транспорт наносов в лотке все время осуществлялся в виде микроформ без формирования побочней. С нашей точки зрения это различие структур потока является ключевым и определяющим в процессе формирования различных видом мезоформ.

Для проверки наличия длинноволновых колебаний модуля скорости потока и его составляющих на первой стадии процесса на модели 3 нами были измерены пульсационные составляющие скорости потока и проведена подробная нивелировка дна по продольнику. Представленные в работе результаты спектрального анализа составляющих скорости по-

V,CM/Q

Скорости на вертикали: .поверхностная ■средняя 'придонная

100 120 110 160 13ffB, см

Кинематическая структура штока на модели 1 на первой стадии эксперимента в створе 25 м

80 1008. СМ

Осрсдненная кинематическая структура потока на 100-метровом гидравлическом лотке в створе 5¿

Рис. 2.

ка и отметок дна свидетельствуют, что в условиях наших экспериментов на первоначальной стадии развития процесса в прямолинейном потоке существовали длинноволновые колебания модуля скорости с длиной волны 16.8 м, 7.1 м и 5.4 м, а также колебания отметок дна с длиной волны 17.4 м, 7.4 м и 5.8 м. без каких-либо видимых признаков мезоформ на дне потока.

В результате, анализируя всю совокупность представленных фактов, мы приходим к достаточно обоснованной гипотезе о том, что основной причиной зарождения мезоформ на дне прямолинейного потока являются длинноволновые колебания модуля продольной скорости потока. При этом вид мезоформ определяется кинематической структурой осреднен-ного потока. По всей видимости однострунной структуре потока соответствуют ленточные гряды, а двуструйной структуре - побочни. Длинноволновые колебания продольной составляющей скорости потока при двуструйной структуре происходят, по всей видимости, в каждой струе отдельно со сдвижкой по фазе, синхронизируясь посредством высокочастотных пульсаций поперечной составляющей скорости потока. Перекошенные ленточные гряды соответствуют промежуточному состоянию кинематической структуры.

При этом указывается, что сделанные нами выводы о причинах зарождения побочней требуют своей дальнейшей тщательной экспериментальной проверки.

В Четвертой главе работы рассматривается проблема критериальных условий зарождения побочней. При этом сразу же указывается, что целью наших исследований является не установление критериев существования типов руслового процесса и, в том числе, по-бочневого типа, а выявление определяющих факторов или параметров русла и потока, которые обусловливают критериальные условия зарождения и существования побочневого типа руслового процесса в прямолинейных или слабоизвшшстых руслах, в отличие от ус-

ловин зарождения ленточных гряд или осередков. Иными словами весь поиск критериальных условий проводится нами внутри структурного уровня мезоформ.

Далее указывается на обязательную связь критериальных параметров с выявленными нами причинами зарождения побочней, что и определяет направление поиска искомых ■ критериев. В представленном обзоре литературы по данной проблемы анализируются предложения И В Попова, Р. Киношнта, К.И. Россинского и И.А. Кузьмина, Х.Чанга и Д Сапмонса, Г. Паркера, X. Икеды, Дж. Кеннеди и А.Д. Одгаарда, К.В. Гришанина, Г.В. Же-лезнякова, Б.Ф. Снищеико. Выполненный анализ приводит нас к выводу о том, что критериальными параметрами, которые определяют кинематическую структуру осредненного турбулентного потока и характеристики длиноволновых колебаний скорости и, следовательно, условия зарождения побочней должно быть число Фруда и комплекс параметров В

Н

1, который X. Икеда назвал "руслоформирующим индексом".

В связи с этим нами был построен критериальный график с координатами, соответствующими указанным критериальным параметрам (на рпс.З). Представленная на рис. 3 эмпирическая критериальная зависимость, определяющая условия зарождения побочней,

имеет следующее аналитическое выражение:

V 0-61

I к

Рг-.

= 2.82 £/

0)

Fr

0,1

® гряды (Месерлянс, ГГИ)

ленточные гряды (канал Шават)

Как видно из приведенного рис. 3, значения критериальных параметров для условий р. Пине-ги, где экспедицией Северного УГКС исследовался побочневый тип руслового процесса, соответствуют зависимости

(О-

Для сравнения полученной нами критериальной зависимости в работе представлен обзор критериальных зависимостей, определяющих области существования или зарождения побочней, предложенных другими, авторами. В обзоре анализируются критериальные зависимости Н. Сукегавы, X. Икеды, Т. Киши, М. Куроки, Фуджита, М.Тубнно и Г. Семинара, Г. Паркера и Г. Андерсена, Т. Хайаши и С. Озаки, X. Чанга. А Н. Бутакова, А.Ю. Сидорчука и М Н Р. Иагги. Выполненный анализ позволяет разбить практически все рассмотренные предложения на две основные группы, одна из которых включает в себя предложения, рассматривающие в качестве критериальных

+ осередки (Galley, Neill) X по6очни(ГГИ, Wallingford, р. Пинега) Рис. 4.1. Критериальный график области зарождения побочней

параметров число Фруда и комплекс — или —I. Другая группа рассматривает в качестве

Н Н

критериальных параметров комплекс —1 и какой-либо комплекс, характеризующий под-

Н

вижность наносов. Исключение составляют предложения X. Чанга. А.Н. Бутакова, А.Ю., Сидорчука и М.Н.Р. Йагги, предложения которых выпадают из приведенной систематизации критериев, хотя после определенных преобразований критериальные условия А.Н. Бутакова и А.Ю. Сидорчука можно отнести к первой группе.

Выполненное сопоставление результатов наших экспериментов с предложенными другими авторами критериальными зависимостями показало, что условия зарождения по-бочней, созданные нами, не соответствуют области существования побочней, установленной критериальными зависимостями второй группы, а соответствует устанавливаемой ими области существования микроформ. К этому же выводу мы приходим при сопоставлении наших данных с критериальной зависимостью М.Н.Р. Йагги. Напомним, что во всех экспериментах, которые лежат в основе вывода критериальных зависимостей, отнесенных нами ко второй группе, во-первых, транспорт наносов осуществлялся в виде "чистых" побочней, на поверхности которых не было микроформ, и, во-вторых, число Фруда имело значения близкие к 1 или даже существенно ее превышавшие. На основании этого нами был сделан вывод о том, что предложенные всеми этими авторами параметры не в полной мере определяют кинематическую структуру осредненного потока и характеристики длинноволновых колебаний модуля скорости. Кроме того это несоответствие дает основание предположить различную функциональную роль "чистых" побочней и побочней с микроформами в русловом потоке.

Условия наших экспериментов полностью соответствовали критериальным условиям существования побочней, установленным авторами первой группы, которые в качестве

критериальных параметров рассматривали Бг и —I. К этой группе относятся критериальные зависимости Г. Паркера и Г. Андерсена, а также Т. Хайаши и С. Озаки. Отмечая, что указанные критериальные условия также относятся к области существования "чистых" побочней, в работе делается вывод о том, что выявленное соответствие полученной нами критериальной зависимости (1) для области существования побочней при гидравлических условиях и механизме движения побочней, соответствующих равнинным рекам, критериальным условиям Паркера-Андерсена и Хайяши-Озаки свидетельствует об достоверности полученной нами зависимости и верности выбранных нами критериальных параметров. Кроме того это соответствие позволяет сделать вывод об общности причин зарождения "чистых" побочней в условиях, характерных для горных рек, и побочней с микроформами в условиях, характерных для равнинных рек.

В Пятой главе диссертации рассматриваются геометрические и динамические параметры побочней, связь их с кинематическими характеристиками потока и предлагаются некоторые расчетные зависимости.

В первую очередь в главе делается обзор литературы, касающейся высоты побочней и методов ее расчета. В обзоре рассматриваются работы И.В. Попова, А.Ю. Сидорчука, Д. Саймонса, Т. Киши, И.Ф. Карасева, X. Шена и С. Комура, В.В. Ромашина, А.Н. Бутакова, С. Икеды, X. Мнва и А. Дайдо, И. Фуджито, а также М.Н.Р. Иагги.

В результате выполненного анализа делается ряд выводов, характеризующих состояние проблемы, и отмечается, во-первых, что в настоящее время практически нет опубликованных данных о высоте побочней в натурных реках и каналах в таком виде, чтобы ими можно было воспользоваться для вывода расчетных формул, во-вторых, что подавляющее большинство эмпирических расчетных формул выведены на основе экспериментальных данных причем для области высоких чисел Фруда, в которой транспорт наносов происходит только в виде "чистых" побочней без наложения на них микроформ, что не позволяет их безусловно использовать для расчетов в условиях равнинных рек и каналов. При этом в качестве доказательства приводится выявленное значительное несоответствие фактической высоты побочней, наблюденной в наших экспериментах с результатами расчета высоты побочней по упомянутым в обзоре формулам, кроме формулы В.В. Ромашина, дающей высоту побочней, соответствующую результатам экспериментов.

Полученные нами экспериментальные данные о высоте динамически устойчивых побочней, дополненные данными по р. Полометь и Каракумскому каналу, позволили нам вывести эмпирическую зависимость высоты побочней от числа Фруда, хорошо согласующуюся с экспериментальными и натурными данными, в виде:

А (2)

Ггап '

где /■> = '/,-, а НСР - средняя глубина потока на участке, включающем в себя несколь/

ко мезоформ или глубина потока на участке натурного канала или экспериментального русла на стадии грядового транспорта наносов до появления побочней. Сопоставление формулы (2) с экспериментальными данным о высоте побочней, опубликованными другими авторами, представляет определенные трудности, т.к. эти данные относятся к области высоких чисел Фруда (от 0.7 до 2.0). Тем не менее, условная экстраполяция предложенной зависимости (2) в область высоких чисел Фруда показывает, что высота всех побочней, формирующиеся в этой области, значительно превышает высоту, рассчитанную по формуле (2). Этот же вывод относится и к высоте побочней, полученных нами в Воллингфорд-ской лаборатории. Выше уже указывалось, что отличительной особенностью этих побочней, равно как и всех побочней в опытах других авторов, является отсутствие микроформ на их поверхности. Из сказанного следует, что выполняя, по всей видимости, несколько

иную функциональную роль в потоке, "чистые" побочни имеют как правило большую высоту, нежели побочни с микроформами.

Таким образом, полученная нами зависимость (2) может быть использована для расчетов только в гидравлических условия, близких к условиям равнинных рек и каналов, когда транспорт наносов осуществляется в виде побочней с микроформами.

Далее в работе рассматривается вопрос о длине побочней. Указывается, что выявленное в ходе экспериментов соответствие длины волны длинноволновых колебаний модуля скорости (16.8 м) на стадии , предшествующей появлению побочней, с длиной сформировавшихся в последующем побочней (16 м в начале формирования), свидетельствует о тесной взаимосвязи этих явлений. Следовательно, факторы, определяющие длину волны колебаний модуля скорости, определяют и длину побочней. В этой связи в работе делается обзор работ, рассматривающих указанные факторы. В первую очередь обращается внимание на влияние ширины потока (В), которая, в первом приближении должна была определять длину волны колебаний скорости и шаг побочней. Из анализа работ И.В. Попова, Л. Леопольда и М. Вольмана, С. Икеда, М. Тубино, Н. Сукегавы, и Р. Киносита следуег, что совокупный диапазон значений отношения шага побочней к ширине русла очень велик и составляет от 2 до 44. На основании этого в работе делается вывод о том, что величина В не является единственным определяющим параметром.

В этой связи в работе делается дополнительный анализ работ В.В. Ромашина и З.Д. Копалнани, Т. Киши, А.Н. Бутакова, А. Андерсена, X. Чанга, Д. Саймонса и Д. Уолхисэра, И.Ф. Карасева, Т. Хайаши и С. Озаки, а также А.Ю. Сидорчука. Выполненный анализ показывает, что все предложенные методы расчета длины побочней можно разделить на три группы. К первой группе относятся предложения, не учитывающие влияния кинематических характеристик потока на длину побочней, ко второй группе - предложения, устанавливающие прямо пропорциональную зависимость длины побочней от числа Фруда, и к третьей группе - устанавливающие обратно пропорциональную зависимость длины побочней от числа Фруда. Основываясь на данных наших экспериментов отдается предпочтение второй группе предложений, к которой среди прочих относятся предложения В.В. Ромашина и З.Д. Копалиани, А. Андерсена, X. Чанга, Д. Саймонса и Д. Уолхисэра. Выполненное сопоставление результатов расчетов длины побочней для условий наших экспериментов по указанным формулам или 1рафическим зависимостям с фактически наблюденными значениями длины побочней показало, что для практических расчетов длины шага побочней в условиях, близких к условиям равнинных рек, можно использовать формулу В.В.Ромашина

9 19

и З.Д Копалиани в виде Хп = ——

г

,0.4

или Андерсена в виде —5= = 72/т"^,

Я)

где - площадь поперечного сечения потока, а также графическую зависимость X. Чанга, Д. Саймонса и Д. Уолхисэра. Одновременно делается вывод о том, что трех экспериментальных значений длины побочней с микроформами на поверхности, полученных в наших

опытах, к сожалению недостаточно для построения эмпирической зависимости, тем более, что по утверждению многих экспериментаторов в условиях даже одного эксперимента наблюдается значимый разброс значений длины побочней.

Вопросу о крутнзне побочней в научной литературе посвящено всего две работы. Это работа В В. Ромашина и Н.С. Знаменской. Предложенная Знаменской Н.С. расчетная зависимость устанавливает прямо пропорциональную зависимость крутизны побочней от числа Фруда. В отличие от этого В.В. Ромашин на основе натурных данных устанавливает обратно пропорциональное соотношение между крутизной мезоформ и расходом воды, т.е. числом Фруда, в условиях, близких к условиям равнинных рек, которое количественно несколько отличается от выявленного в наших экспериментах соотношения, имеющего следующий аналитический вид:

^- = о.ооит-13, (3)

А-п

где Л,, и А„ - соответственно, высота и длина побочней,

Рг - число Фруда при руслоформирующем расходе воды.

Анализ работ, посвященных вопросу о скорости движения побочней, показывает, что из всех немногочисленных предложений Н.С. Знаменской, В В. Ромашина, НИ. Маккавее-ва, К.В. Гришаннна, АН. Бутакова и З.Д. Копалиани только зависимости З.Д. Копалиани основаны на детальных представлениях о механизме перемещения мезоформ в условиях равнинных рек и каналов, и только зависимости А.Н. Бутакова и З.Д. Копалиани проверены на натурных данных. Выполненная нами проверка указанных двух зависимостей на материалах наших экспериментов выявила, что формулы З.Д. Копалиани по расчету скорости движения побочней могут быть использованы как для натурных, так и для лабораторных условии, если транспорт наносов осуществляется в виде побочней с микроформами, а формула АН.Бутакова может быть использована только для натурных условий, т.к. существенно завышает значение скорости для условий лабораторий.

В Шестой главе рассматривается проблема режима гидравлических сопротивлений при формировании побочневого типа руслового процесса. Указывая на фундаментальный характер проблемы гидравлических сопротивлений в теории руслоформировання и отмечая наличие большого количества разнообразных предложений, и рекомендаций по данному вопросу, в работе делается обзор только тех публикаций, которые были непосредственно посвящены проблеме гидравлических сопротивлений, вызываемых русловыми формами.

Анализ работ К. Л. Престергаарда, Т. Хайаши и С. Озаки, Т. Киши, Г. Паркера, X. Ми-во и А. Дайдо, Г. Семинара и М. Тубино, М. Иагги, А.Н. Бутакова, а также З.Д. Копалиани и М.М. Гендельмана показывает, что указанные авторы оценивают вклад мезоформ в общие гидравлические сопротивления движению потока в диапазоне от 0 до 60 %. При этом большая часть авторов отмечает наличие незначительного вклада на уровне 10 %.

Кроме того, выполненный нами краткий обзор публикаций показал, что при наличии некоторых количественных оценок доли сопротивления мезоформ в общем сопротивлении движению потока, в публикациях совершенно отсутствуют сведения о режиме гидравлических сопротивлений в ходе процесса руслоформирования. С нашей точки зрения причиной этого являются особенности методик проведения экспериментов, остающихся до сих пор основным путем исследования проблемы гидравлических сопротивлений. Практически все экспериментальные исследования побочневого типа руслового процесса проводились либо при неравномерном или неустановившемся режиме движения воды и наносов, либо при высоких числах Фруда, когда в ходе экспериментов очень быстро формировались "чистые" побочни. В первом случае методика постановки экспериментов не позволяла говорить об обособленном влияния каких-либо форм на гидравлические сопротивления в силу их постоянного видоизменения и смены, а во втором случае быстрота проведения экспериментов не позволяла зафиксировать режим гидравлических сопротивлений в ходе процесса русло-формирования.

Проведенные нами эксперименты принципиально отличались от всех предшествующих тем, что, во-первых, были проведены при равномерном и установившемся режиме движения воды, а, во-вторых, что в результате при гидравлических режимах с низкими числами Фруда нами был получен динамически устойчивый транспорт наносов в виде по-бочней с микроформами на их поверхности. В таком случае общее гидравлическое сопротивление движению потока определялось и зернистой шероховатостью, и микроформами, и мезоформами и могло изменяться по мере изменения параметров донных форм в ходе процесса руслоформирования.

Учитывая, что все деформации дна и смена доминирующих форм транспорта наносов на модельных установках происходили при практически неизменных уклонах свободной поверхности воды, средних скоростях и средних глубинах потоков, осредненных по всей длине моделец, в работе утверждается, что общее сопротивление движению потока в ходе каждого из экспериментов оставалось практически постоянным в ходе всего процесса руслоформирования. Далее отмечается, что с момента появления первых признаков побочней на всех моделях крутизна микроформ начинает уменьшаться и достигает своего наименьшего и в дальнейшем постоянного значения при достижении побочнями своих окончательных динамических устойчивых параметоров.

Ссылаясь на установленный рядом авторов, в том числе н Б.Ф. Снищенко, факт прямо пропорциональной зависимости гидравлических сопротивлений от крутизны гряд, утверждается, что по мере роста побочней происходило перераспределение долевого участия микроформ и побочней в неизменном общем гидравлическом сопротивлении движению потока. Сопротивление, оказываемое грядами, падало, а сопротивление, оказываемое побочнями, росло.

Выделив долю сопротивлений, оказываемых побочнями, как разницу между общим гидравлическим сопротивлением движению потока и сопротивлением, оказываемым гря-

дамп, которое мы рассчитали по формуле Б.Ф. Снищенко, в работе была количественна оценена доля "побочневых" гидравлических сопротивлений. При этом указывается, что в обратно пропорциональной зависимости от числа Фруда эта доля изменялась от 17 до 42 %. Одновременно предлагается выведенная на основе наших данных эмпирическая зависимость коэффициента гидравлического трения ("побочневого") от крутизны побочней в виде:

Хп = 3.42^- -0.0113, (4)

г

где - коэффициент гидравлического трения, вызываемого побочнями без учета трения, создаваемого микроформами на его поверхности,

Д„ и Ln - соответственно высота и длина побочней.

В заключение главы указывается, что предложенная нами зависимость может быть использована только для ориентировочных расчетов, т.к. она обоснована небольшим количеством данных, и требует своего дальнейшего уточнения на основе дополнительных экспериментальных и натурных материалов. Также указывается, что формула (4) применима только для оценки "побочневой" доли в общих гидравлических сопротивлениях при гидравлических условиях, характерных для равнинных рек и каналов и при условии, что транспорт наносов осуществляется в виде побочней с микроформами на своей поверхности.

В Заключении, подводя итог выполненной работе, указывается следующее:

1. В результате проведения серии экспериментальных исследований побочневого типа руслового процесса с длительностью от 200 до 1414 часов по методике, вытекающей из основных положений гидроморфологической теории руслового процесса, впервые в лабораторных условиях получен динамически устойчивый побочневый тип руслового процесса, характерный для равнинных рек с песчаным дном, при котором транспорт наносов происходит в условиях взаимодействия донных форм двух структурных уровней: микро- и мезоформ.

2. При этом экспериментально было установлено, что зарождение системы динамически устойчивых побочней в прямолинейном русле происходит в силу внутренних свойств кинематической структуры прямолинейного потока, взаимодействующего с подвижным грядовым дном, без какого-либо внешнего постоянного или кратковременного возмущения (искривления) потока, без каких-либо чередующихся локальных размывов берегов и без какого-либо значимого бокового переноса донных наносов. При этом неустановившиеся и неравномерные режимы движения воды и наносов не являются обязательными условиями зарождения побочней.

3. Анализ экспериментальных данных позволил выдвинуть достаточно обоснованную гипотезу о причинах зарождения побочней, которая утверждает, что основной причиной зарождения мезоформ на дне прямолинейного потока являются длинноволновые коле-

бания модуля продольной скорости потока. При этом вид мезоформ определяется кинематической структурой осредненного потока: при одноструйной структуре возникают ленточные гряды, а при двуструйной - побочни.

4. Выполненные исследования причин и условий зарождения побочной позволили не только выявить критериальные параметры, определяющие условия зарождения побоч-ней, но и установить критериальную зависимость, определяющую область зарождения побочней в диапазоне значений гидравлических параметров, характерных для равнинных рек и каналов.

5. Предложены эмпирические зависимости для расчета геометрических параметров побочней (высоты и крутизны побочней), а также проведена экспериментальная проверка метода расчета скорости движения побочней, предложенного ранее З.Д. Копалиани.

6. Выявлена степень влияния побочней на общие гидравлические сопротивления потоку при их формировании в условиях взаимодействия с микроформами и предложена зависимость, позволяющая оценить долю гидравлических сопротивлений, вкладываемую побочнями в общее гидравлическое сопротивление русла, в котором транспорт наносов осуществляется в виде микро- и мезоформ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Католиков В.М., Снищенко Б.Ф. Лабораторные исследования побочневого типа руслового процесса. - В кн.: Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства. - Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции. - М., Изд-во МГУ, 1983 г., с. 100-101.

2. Католиков В.М., Снищенко Б.Ф. Формирование руслового режима каналов с закрепленными берегами. - В кн.: Моделирование и прогнозирование изменений природных условий при перераспределении водных ресурсов. - Тезисы докладов Второго Всесоюзного научного совещания. - Новосибирск, СО АН СССР, 1987 г., с. 109.

3. Католиков В.М., Снищенко Б.Ф. Лабораторные исследования побочневого типа руслового процесса. - Труды ГГИ, вып. 337, 1990 г., с. 124-137.

4. Katolikov V.M. Hydraulic resistance at alternate bars formation during channel process. -Proc. of the Intern. Symposium., St. Petersburg, 1994, vo!.2, pp. 122-129.

5. Католиков B.M., Копалиани З.Д. К проблеме расчета темпов перемещения мезоформ в речных руслах. - Труды V конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей", М., 1999 г., с.302-305.

6. Католиков В.М., Копалиани З.Д. Побочни в руслах рек: условия образования и их динамика. - Водные ресурсы, М., Наука, 2000 г. (в печати).

Подписано к печати Тираж 100 экз. Заказ Издательство "Знак"

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПОБОЧНЕВОГО ТИПА РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА.

1.1 Определения и классификация мезоформ.

1.2 Общая характеристика побочневого типа руслового процесса и его измерителей.

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОБОЧНЕВОГО ТИПА

РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА.

2.1 Краткий обзор предшествующих экспериментальных исследований.

2.2 Методика постановки экспериментов.

2.3 Описание процесса зарождения и развития побочней на экспериментальных установках.

2.3.1 Стадия транспорта наносов в виде микроформ.

2.3.2 Стадия транспорта наносов в форме порочней.

ГЛАВА 3 ПРИЧИНЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОБОЧНЕЙ'В ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ

РУСЛАХ.

ГЛАВА 4 КРИТЕРИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПОБОЧНЕЙ.

ГЛАВА 5 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОБОЧНЕЙ.

5.1 Высота побочней.

5.2 Длина побочней.

5.3 Крутизна побочней.

5.4 Скорость перемещения побочней.

ГЛАВА 6 РЕЖИМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ

ПОБОЧНЕВОГО ТИПА РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА.

ГЛАВА 7 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

И ПУТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

Наиболее полное и разумное использование природных ресурсов при обязательном соблюдении основных принципов устойчивого развития человечества является одной из существенных проблем нашего времени. Сказанное в полной мере относится и к многообразным формам использования речной сети. Особенность этой проблемы заключается в том, что являясь объектом неживой природы, река постоянно находится в непрерывном движении, подчиняясь при этом объективным законам руслоформирования. Именно эти законы определяют структуру и динамику морфологического строения речных русел и пойм, т.е. того, что современные гидрологическая и геоморфологическая науки понимают под термином "русловые процессы".

Гидроморфологическая теория руслового процесса постулирует, что внутренним содержанием руслового процесса является транспорт наносов, который при этом происходит в дискретной форме. Сложно организованная иерархическая совокупность дискретных форм транспорта наносов различных структурных уровней и определяет общий морфологический облик русла реки и ее поймы, а динамика этих форм - изменения внешнего облика реки.

Одним из четырех структурных уровней форм транспорта наносов является структурный уровень мезоформ, одним из видов которых являются побочни.

В силу того, что побочни имеют геометрические размеры, сопоставимые с общими размерами русел рек, влияние этих морфологических элементов на осреднен-ную кинематическую структуру потока, особенно меженного, очень велико. Столь же велико влияние системы побочней при побочневом типе руслового процесса на циклические вертикальные деформации русел рек в каждом створе при перемещении всей системы побочней вниз по течению.

Многолетние наблюдения и исследования отечественных и зарубежных инженеров-путейцев и научных работников за динамикой многорукавных русел, в которых формы транспорта наносов одновременно представлены несколькими структурными уровнями, выявили ключевую роль побочней в динамике этих русел /40/. Многие авторы рассматривают появление побочней в руслах рек как первый этап процесса меандрирования рек /69,89/. Ряд авторов указывают на ключевую роль побочней в процессе формирования русел основных трех типов: меандрирующих, разветвленных и периодически расширяющихся /6,43/.

Столь многообразная и существенная роль побочней в естественной сложноор-ганизованной системе руслоформирования обусловливает важность и необходимость учета динамики побочней при проектировании и эксплуатации практически всех пассивных и активных инженерных сооружений второй категории (по классификации Б.Ф. Снищенко), располагаемых в руслах рек.

Не менее значима проблема генезиса и динамики побочней при изучении форм и путей миграции загрязненных донных наносов в руслах рек, а также проблема оценки скорости выноса этих наносов в составе дискретных донных форм на устьевые участки.

Современное активное освоение русел и пойм рек в развитых и активно развивающихся странах требует зачастую значительного преобразования естественного облика русел и пойм рек. Многообразная система способов регулирования судовых ходов, спрямление излучин, обвалование пойменных массивов и русел рек на урбанизированных участках, противопаводковые системы и т.д. - требуют при проектировании обязательной оценки возможности появления мезоформ в руслах рек и расчета их геометрических и динамических параметров. Проектирование оросительных каналов и каналов переброски стока также требует прогноза форм транспорта донных наносов в них и, особенно, мезоформ, которые фактически определяют устойчивость каналов и их пропускную способность, т.е. основные экономические показатели каналов.

Еще одной проблемой, требующей знания генезиса и динамики побочней, является возрастающая проблема восстановления и рекультивации русел рек и воссоздания целых речных систем, а также проблема перестройки речных систем под влиянием климатических изменений водного режима рек.

Таким образом важная роль побочней в процессах руслоформирования рек и каналов обусловливает большое значение глубоких и всесторонних исследований генезиса и динамики побочней для многих аспектов человеческой деятельности в процессе цивилизованного и бережного освоения русел и пойм реки и улучшения среды обитания человека.

Цель работы

Основной целью представляемой диссертационной работы является исследование генезиса побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, выявление возможных причин зарождения побочней и установление критериальной зависимости для условий их зарождения.

Кроме того целью проведения указанных исследований является получение детального описания процесса зарождения побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, разработка способов расчета геометрических и динамических параметров побочней, выявление особенностей режима транспорта донных наносов при побочневом типе и экспериментальное установление степени влияния развивающихся и динамически устойчивых побочней на гидравлические характеристики потока.

Методика проведения исследований

Настоящее исследование было ориентировано на постановку серии лабораторных экспериментов по воспроизведению побочневого типа руслового процесса на крупных экспериментальных установках, в ходе которых поток должен был сформировать динамически устойчивые побочни в определенных гидравлических условиях.

При этом методология и методика проведения указанных экспериментов должна была соответствовать принципам и постулатам гидроморфологической теории руслового процесса, что обеспечивало в своей основе соответствие полученных экспериментальных результатов объективным законам руслоформирования.

Основные серии экспериментальных исследований проводились в русловой лаборатории отдела русловых процессов Государственного гидрологического института в четырех прямолинейных 90 метровых лотках с жесткими неразмываемыми берегами и подвижным песчаным дном. Кроме того в работе использованы результаты экспериментов, поставленных в Англии в Воллингфордской гидравлической лаборатории (HR Wallingford) на гидравлической установке с переменным уклоном длиной 19 метров, в проведении которых принимал участие автор при финансовой поддержке фондов ЕС (Funds from the Human Capital and Mobility Programme of the European Union).

Научная новизна результатов

1. Впервые в лабораторных условиях при различных гидравлических условиях был получен "классический" динамически устойчивый побочневый тип руслового процесса, характерный для равнинных рек с песчаным дном, при котором транспорт наносов происходит в условиях взаимодействия донных форм двух структурных уровней: микро- и мезоформ.

2. При этом экспериментально было установлено следующее:

• зарождение системы динамически устойчивых побочней в прямолинейном русле может происходить в силу внутренних свойств кинематической структуры прямолинейного потока, взаимодействующего с подвижным грядовым дном, без какого-либо внешнего постоянного или кратковременного возмущения потока;

• зарождение в прямолинейном русле побочней, расположенных в шахматном порядке, т.е. у противоположных берегов, может происходить без каких-либо чередующихся локальных размывов берегов и без какого-либо значимого бокового переноса донных наносов;

• неустановившийся и неравномерный режим движения воды не является обязательным условием зарождения побочней;

• неравномерный режим поступления руслоформирующих наносов на участок реки не является обязательным условием зарождения побочней.

3. Получено детальное описание стадийного процесса зарождения побочней в прямолинейном равномерном потоке с неразмываемыми берегами.

4. Получены фактические экспериментальные данные об осредненной кинематической структуре потока на разных стадиях формирования побочней, в том числе и в первоначальном потоке. Осредненная кинематическая структура первоначального потока, который в последующем сформировал динамически устойчивые по-бочни, была сопоставлена с кинематической структурой потока при тех же гидравлических условиях (кроме ширины потока), в котором динамически устойчивой формой транспорта наносов были микроформы.

5. На основе фактических экспериментальных данных выдвинута гипотеза об основных причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.

6. Предложена критериальная зависимость для условий зарождения побочневого типа руслового процесса.

7. Установлены некоторые характерные черты режима транспорт донных наносов на двух структурных уровнях (уровень микро- и мезоформ) при побочневом типе руслового процесса в активной фазе движения побочней, а также некоторые формы взаимовлияния микро- и мезоформ в процессе формирования побочней (формы саморегулирования системы донных форм).

8. Предложены эмпирические зависимости для расчета геометрических параметров побочней, а также проведена экспериментальная проверка метода расчета скорости движения побочней, предложенного 3. Д. Копалиани /26,27/.

9. Выявлена степень влияния побочней на общие гидравлические сопротивления потоку при их формировании в условиях взаимодействия с микроформами и предложена зависимость, позволяющая оценить долю гидравлических сопротивлений, вкладываемую побочнями в общее гидравлическое сопротивление русла, в котором транспорт наносов осуществляется в виде микро- и мезоформ.

Основные положения, выносимые на защиту

• Экспериментально установленные характерные черты кинематической структуры потока и режима транспорта донных наносов при побочневом типе руслового процесса.

• Экспериментально обоснованная гипотеза о причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.

• Экспериментально установленные условия и критериальная зависимость зарождения побочней в прямолинейных руслах с неразмываемыми берегами.

• Эмпирические расчетные зависимости для расчета высоты и крутизны динамически устойчивых побочней.

• Экспериментально установленные способы саморегулирования системы микро-и мезоформ речного русла в процессе зарождения и формирования побочней и влияние этой системы донных форм на общие гидравлические сопротивления потоку.

• Эмпирическая расчетная зависимость для оценки доли гидравлических сопротивлений, которую вносят побочни в общие гидравлические сопротивления русел рек, при транспорте наносов в них в виде системы мезоформ с микроформами на их поверхности.

Практическое использование полученных результатов

Основные результаты исследований были опубликованы в 6 научных публикациях и были доложены на научных семинарах отдела русловых процессов 11И при этом рассматривались результаты работ по бюджетным темам, на научном семинаре Воллингфордской гидравлической лаборатории (1996 г.) и на Итоговой сессии Ученого Совета 11И (2000 г.). Кроме того результаты работ докладывались на Всесоюзной научной конференции в МГУ (1983 г.), на Втором Всесоюзном научном совещании в Новосибирске (1987 г.) и на V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежных морей" (ИВП, 1999 г.).

Результаты диссертационной работы были использованы в отделе русловых процессов 11'И при выполнении следующих научно-исследовательских тем:

• тема Ш.23.а. 19 плана Росгидромета и 0.85.06.03.02.Д1 плана ГКНТ на 1981-1985 гг. "Разработать рекомендации по учету факторов руслового процесса при оценке устойчивости каналов переброски стока";

• тема Ш.1 плана Росгидромета на 1985-1990 гг. "Разработка методов прогноза и расчета деформаций речных русел и пойм с целью разработки рекомендаций по их учету при проектировании инженерных и защитных сооружений";

• тема 1.1.5.11 плана Росгидромета на 1996-98 гг "Прогнозы, расчет и учет руслового процесса в условиях интенсивного хозяйственного использования речных водосборов, русел и пойм рек."

• тема 1.1.5.6 плана Росгидромета на 1999-2000 гг. "Развитие методов прогноза и расчета руслового процесса для обеспечения экономики, мониторинга и охраны речных систем".

Полученные в ходе выполнения настоящей работы результаты проясняют некоторые аспекты механизма процессов руслоформирования на структурном уровне мезоформ и позволяют с достаточной степенью надежности прогнозировать возможность зарождения побочней и оценивать геометрические и динамические параметры побочней при реконструкции старых или при проектировании новых русел рек и каналов.

выводы и предложения по путям дальнейших исследований).

Как уже отмечалось, основной целью представленной диссертационной работы являлось воспроизведение в лабораторных условиях побочневого типа руслового процесса для исследования его генезиса при различных гидравлических условиях, выявления возможных причин зарождения побочней и установления критериальной зависимости для условий их зарождения.

Кроме того целью проведения указанных исследований являлось получение детального описания процесса зарождения побочневого типа руслового процесса, разработка способов расчета геометрических и динамических параметров побочней, выявление особенностей механизма и режима транспорта донных наносов при по-бочневом типе и экспериментальное установление степени влияния развивающихся и динамически устойчивых побочней на гидравлические характеристики потока.

При этом методология и методика экспериментальных исследований должна была соответствовать процессам, наблюдаемым в натурных условиях и вытекать из основных положений и постулатов гидроморфологической теории руслового процесса.

С нашей точки зрения, представленные в работе результаты со всей очевидностью свидетельствуют, что основные цели в основном были достигнуты.

Полученные результаты можно кратко сформулировать следующим образом:

1. В результате проведения серии экспериментальных исследований побочневого типа руслового процесса с длительностью экспериментов от 200 до 1414 часов впервые в лабораторных условиях был получен динамически устойчивый побоч-невый тип руслового процесса, характерный для равнинных рек с песчаным дном, при котором транспорт наносов происходит в условиях взаимодействия донных форм двух структурных уровней - микро- и мезоформ.

2. Выполненное сопоставление полученных в ходе наших экспериментов динамически устойчивых форм транспорта наносов с формами, полученными в ходе экспериментов другими авторами, выявили принципиальную функциональную и параметрическую разницу между "чистыми" побочнями (без микроформ), характерными для условий горных потоков, и побочнями с микроформами на своей поверхности, характерными для равнинных рек и каналов, которые были получены в наших экспериментах. Подобные динамически устойчивые побочни с микроформами были воспроизведены в лабораторных условиях впервые.

Л2Ъ

3. Разработана методология и методика лабораторного воспроизведения динамически устойчивого типа и режима транспорта наносов в виде мезоформ, соответствующих естественным равнинным рекам и каналам.

4. В ходе проведения исследований экспериментально было установлено, что зарождение системы динамически устойчивых побочней в прямолинейном русле происходит в силу внутренних свойств кинематической структуры прямолинейного потока, взаимодействующего с подвижным грядовым дном, без какого-либо внешнего постоянного или кратковременного возмущения (искривления) потока, без каких-либо чередующихся локальных размывов берегов и без какого-либо значимого бокового переноса донных наносов. При этом неустановившиеся и неравномерные режимы движения воды и наносов не являются обязательными условиями зарождения побочней.

5. Анализ экспериментальных данных позволил выдвинуть достаточно обоснованную гипотезу о причинах зарождения побочней, которая утверждает, что основной причиной зарождения мезоформ на дне прямолинейного потока являются длинноволновые колебания продольной составляющей скорости потока. При этом вид мезоформ определяется кинематической структурой осредненного потока: при одноструйной структуре возникают ленточные гряды, а при двуструй-ной - побочни.

6. Выполненные исследования причин и условий зарождения побочней позволили не только выявить критериальные параметры, определяющие условия зарождения побочней, но и установить критериальную зависимость, определяющую область зарождения побочней в диапазоне значений гидравлических параметров, характерных для равнинных рек и каналов.

7. Разработанная методология и методика постановки экспериментальных исследований мезоформ речного русла, обеспечившая воспроизведение динамически устойчивого побочневого типа руслового процесса, позволила выявить и предложить обоснованные экспериментальными данными эмпирические зависимости для расчета геометрических параметров побочней (высоты и крутизны побочней), а также оценить связь длины побочней с кинематическими характеристиками потока.

8. Выявленный в ходе экспериментов механизм и режим транспорта наносов при полностью развитом побочневом типе процесса позволил оценить достоверность гипотез о механизме перемещения побочней, положенных другими авторами в основу вывода формул для расчета скорости движения побочней, и оценить точность расчетов скорости движения побочней по представленным в работе формулам для лабораторных условий. В результате были рекомендованы для практических расчетов две формулы: формула А.Н. Бутакова для натурных условий с высокой подвижностью наносов (для рек типа Амударьи) и формула З.Д. Копалиани для натурных и лабораторных условий, если транспорт наносов происходит в форме побочней с микроформами на их поверхности.

9. В ходе проведения экспериментов была выявлена степень влияния побочней на общие гидравлические сопротивления потоку при формировании побочней в условиях взаимодействия с микроформами и предложена зависимость, позволяющая оценить долю гидравлических сопротивлений, вкладываемую побочнями, в общем гидравлическом сопротивлении русла, в котором транспорт наносов осуществляется в виде микро- и мезоформ. Кроме того, был выявлен механизм саморегулирования русла реки в процессе руслоформирования, заключающийся в согласованном изменении геометрических параметров микро- и мезоформ по мере развития побочневого типа руслового процесса, при доказанном в ходе экспериментов факте, что общие гидравлические сопротивления потоку в ходе процесса развития побочней остаются неизменными.

Выполненный в ходе работ обширный аналитический обзор современного состояния изученности побочневого типа руслового процесса в совокупности с полученными нами результатами исследований позволили нам установить следующее:

• В настоящее время практически отсутствует основанное на натурных данных детальное и подробное описание побочневого типа руслового процесса с достоверной характеристикой гидрологического режима рек с побочневым типом процесса.

• Предложенные нами критериальные условия зарождения побочней в условиях равнинных рек и каналов требуют дополнительного теоретического обоснования и, безусловно, уточнения, в том числе, на основе натурных данных.

• Выявленный в ходе наших экспериментов механизм транспорта наносов в форме гряд на ранних стадиях развития побочней и при полностью сформировавшихся побочнях, суть которого заключается в отсутствии значимого поперечного бокового переноса донных наносов на всех стадиях развития побочней, требует дальнейшего исследования, т.к. является ключевым при разработке как математических моделей побочневого типа процесса, так и методов расчета его геометрических и динамических параметров.

• В современной научной литературе практически отсутствуют опубликованные достоверные натурные данные о геометрических и динамических параметрах побочней, сопровождаемые натурными данными о функционально значимых гидравлических характеристиках потока, что не позволяет надежно проводить аппробацию предлагаемых методов расчета на натурных данных.

• В настоящее время практически отсутствуют надежные методы расчета геометрических параметров побочней для условий, характерных для равнинных рек и каналов, а предложенные нами методы расчета требуют дополнительной проверки как на экспериментальных, так и на натурных материалах.

• В современной научной литературе практически отсутствуют достоверные сведения о соотношении между собой геометрических и динамических параметров мезоформ внутри одного структурного уровня: ленточных гряд, перекошенных ленточных гряд, побочней и осередков, - что не позволяет выработать надежные опознавательные признаки каждой из форм, столь необходимые при проведении лабораторных исследований. Одновременно отсутствие этих сравнительных достоверных данных не позволяет в настоящее время ставить вопрос о соотношении параметром побочней при побочневом типе процесса с параметрами побочней, встречающихся на фоне развитых макроформ речного русла.

На фоне полученных в работе новых научных результатов указанные недостатки современной системы достоверных знаний о генезисе и динамике побочневого типа процесса, необходимо рассматривать как пути дальнейших исследований проблемы, для следования которыми в настоящее время существуют все технологические и методологические возможности.

В заключение я благодарю весь коллектив отдела русловых процессов Государственного гидрологического института, оказывавшего мне на протяжении всего длительного периода работы над данной темой огромную моральную, методическую, теоретическую и практическую помощь в этих исследованиях, научного руководителя работ проф. Б.Ф. Снищенко за большую и неоценимую "учительскую" помощь и руководство Воллингфордской гидравлической лаборатории в лице доктора Роджера Беттосса, создавшего условия для участия в экспериментах и для моей работы в библиотеке Воллингфордской лаборатории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алабян А.М. (1992) Типы русел равнинных рек и факторы их формирования. Геоморфология, N 2, апрель-июнь, с. 37-41.

2. Бутаков А.Н. (1976) Воспроизведение побочневого процесса на лабораторной микрореке. Тр. IV Всес. гидрол. съезда, том 10, Русловые процессы, Л.:Гидрометеоиздат, с. 99-110.

3. Бутаков А.Н. (1987) Закономерности развития русловых мезоформ и устьевых баров Диссер. на соискание уч. ст. дтн, Архив ГГИ, № 8615, 400 стр.

4. Бутаков А.Н. (1999) Гидравлика развития мезоформ речного русла. М.: Изд. РУДН, 1999, - 215 с.

5. Викулова Л.И., Шишова О.Н., Селиванова Е.А. (1981) Лабораторное исследование деформаций песчаных каналов. Водные ресурсы, N4, с.91-102.

6. Гришанин К.В. (1952) Речной поток. -М.,Л.: Изд-во Минречфлота СССР, 1952, 138 с.

7. Гришанин К.В. (1969) Динамика русловых потоков. J1.: Гидрометеоиздат, 428 с.

8. Гришанин К.В. (1974) Устойчивость русел рек и каналов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 144 с.

9. Гришанин К.В. (1979) Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, 311 с.

10. Железняков Г.В. (1950) Гидравлическое обоснование методов речной гидрометрии. М.:Изд-во АН СССР,-164 с.

11. Зайцев Н.И. (1983) Экспериментальные исследования структуры крупномасштабной турбулентности руслового потока. -Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, -160 с.

12. Замышляев В.И. (1978) О причинах меандрирования (обзор работ зарубежных авторов). "Вопросы гидрологии суши", Л.:Гидрометеоиздат, с. 133-141.

13. Знаменская Н.С. (1962) Расчет размеров и скорости перемещения русловых образований. -"Метеорология и гидрология", № 7, с. 19-25.

14. Знаменская Н.С. (1964) Гипотеза образования перекатов и их устойчивость. "Метеорология и гидрология", № 7, с.И -15.

15. Знаменская Н.С. (1968) Грядовое движение наносов. Л.: Гидрометеоиздат, -188с.

16. Знаменская Н.С. (1976) Донные наносы и русловые процессы. Л.: Гидрометеоиздат, -191 с.

17. Иванов П.В. (1955) Генетическая классификация перекатов равнинных рек на основе протекающих в них русловых процессов. - Вопросы гидрологии, Уч. Записки ЛГУ № 199, 1955, Серия географических наук, вып. 10, с. 123-136.

18. Кадастр крупных земляных каналов СССР. Союзгипроводхоз, Москва, 1986.

19. Карасев И.Ф. (1968) Форма продольного профиля и пропускная способность размываемого речного русла. Тр. ГГИ, 1968, вып. 150, с.83-102.

20. Карасев И.Ф. (1973) Распределение продольных скоростей течения в поймах и руслах рек. Тр. ГГИ, 1973, вып.202, с.3-37.

21. Карасев И.Ф. (1975).Русловые процессы при переброске стока. Я.- Гидрометеоиздат, -288 с.

22. Католиков В.М., Копалиани З.Д. (2000) Побочни в руслах рек: условия образования и их динамика. Водные ресурсы, (в печати).

23. Кондратьев Н.Е. (2000) Русловые процессы рек и деформации берегов водохранилищ. С.Петербург, ГГИ, 2000, -258с.

24. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. (1982) Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л.:Гидрометеоиздат,- 264 с.

25. Коновалов И.М., Баланин В.В. (1960) О теории формирования речных русел Тр. III всероссийского гидрологического съезда, т. V, Л.: Гидрометеоиздат, i960, с.64-73.

26. Копалиани З.Д. (1980) Расчеты характеристик руслового рельефа и обратимых русловых деформаций на реках трассы БАМ Тр. ГГИ, 1980,вып.275, с.91-104.

27. Копалиани З.Д. (1983) Приближенный метода расчета перемещения мезоформ речного русла. Тр. ГГИ, 1983, вып.288, с.9-15.

28. Копалиани З.Д., Гендельман М.М. (1989) Русловой процесс и гидравлические сопротивления. В сб. "Проблемы современной гидрологии", Л.:Гидрометеоиздат, с. 288-304.

29. Копалиани З.Д., Ромашин В.В. (1970) Проблемы русловой динамики горных рек. Тр. ГГИ, 1970, вып. 183, с.81-98.

30. Кудряшов А.Ф. (1959). Воспроизведение русла побочневого типа в лабораторных условиях. Тр. ГГИ, вып. 69, стр. 102-130.

31. Лохтин В.М. (1948) О механизме речного русла. В сб. "Вопросы гидротехники свободных рек", М.:Изд-во Минречфлота СССР, с. 23-59.

32. Маккавеев Н.И. (1955) Русло реки и эрозия в ее бассейне. М. : Изд-во АН СССР, -346 с.

33. Маккавеев Н И., Чалов P.C. (1986) Русловые процессы. Изд. МГУ, 1986, с.264.

34. Попов И.В. (1961) Методические основы исследований руслового процесса. Л: Гидрометеоиздат, 1961 г., 205 с.

35. Попов И.В. (1964) Количественные показатели руслового процесса различного типа. Тр. ГГИ, вып. 116, с. 32-82

36. Попов И.В. (1969) Деформации речных русел и гидротехническое строительство. -Л.:Гидрометеоиздат, 364 с.

37. Попов И.В. (1983) О соотношении ширины и глубины речного русла при разных типах руслового процесса. Тр. ГГИ, 1983, вып.288, с.3-9.

38. Ржаницын H.A. (1956) Русловой процесс. Тр. ЦНИИЭВТ.вып. 8, с. 58-71.

39. Ромашин В.В. (968) Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами. Тр. ГГИ, вып. 155, с. 56-63.

40. Ю. Ромашин В.В. (1975) Свойства руслового блуждания. Тр. ГГИ, вып.225, с.5-15.

41. Ромашин В.В. {1969) О структурном подходе к русловой морфометрии. Тр. ГГИ, вып. 169, с. 18-33.

42. Российский К.И., Кузьмин И.А. (1947) Некоторые вопросы прикладной теории формирования речных русел В кн.: Проблемы регулирования речного сток., вып.1, Изд-во АН СССР, 1947, с. 88-130.

43. Россинский К.И., Кузьмин И.А. (1950) Речное русло В кн.: Крицтй С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы речной гидротехники -M.-J1.: Изд. АН СССР, 1950, с.52-97.

44. Русловой процесс (под ред. Н.Е. Кондратьева) Л: Гидрометеоиздат, 1959, 371 с.

45. Сидорчук А.Ю. (1992) Структура рельефа речного русла. СПб, Гидрометеоиздат, -126 с.б. Снищеико Б.Ф. (1964) Скоростной режим потока в судоходной прорези на реке. Тр. ЛИВТа, вып. 61, с. 52-63.

46. Снищеико Б.Ф. (1979) Прогноз русловых деформаций в крупных каналах. В сб.: Проблемы современной гидрологии, Л.:Гидрометеоиздат, с. 129-147.

47. Снищеико Б.Ф. (1979) Связь типов русел с формами речных долин. Геоморфология, N1, с. 18-25.

48. Снищеико Б.Ф. (1983) Парные связи параметров гряд и характеристик потока и русла. Тр. ГГИ, вып. 288, с. 15-25.

49. Снищеико Б.Ф., Мссерляис Г.Г. (1984) Кинематика потока и режим наносов в малом карьере. Тр. ГГИ, вып. 318, с. 29-54.

50. U. Чалов P.C., Алабян А.М., Иванов В.В., Лодина Р.В., Панин A.B. (1998) Морфодинамика русел равнинных рек. -М., ГЕОС, 1998, 288 с.

51. Шарашкина Н.С. (1960) Исследование развития речных русел на малых экспериментальных площадках. Тр. IIIВсес. гидрол. съезда, том V, Л.:Гидрометеоиздат, с. 283-290.

52. Ackers P. (1964) Experiments on small streams in Alluvium. Jorn. of the Hydraulics Division, Proc.

53. JSCE, July, 1964, HY4, pp. 1-37. >4. Anderson A.G. (1967) On the development of stream meanders. Proc. 12-th Congr.IAHR, Fort Collins, 1967, vol.1, p. 370-378.

54. Callander RA. (1969) Instability and river channels. Jorn. FluidMech. vol. 36, part 3, pp.465-480. )6. Chang H.H. (1985) Formation of alternate bars. - Journ. of Hyd.Eng., Proc. ASCE, Vol.111, No. 11, Nov., 1985, pp. 1412-1420.

55. Chang H.H. (1992) Fluvial processes in river engineering. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1992, 432 p.i8. Chang H.Y., Simons D.B., Woolhiser D.A. (1971) Flume experiments on alternate bar formation. Proc.

56. ASCE, Vol.97, No.WWl, Feb., 1971, pp.155-165. >9. Diplas P., Kennedy J.F., Odgaard A.J. (1988) Stability of initially straight rivers. -Int.Conf. on River

57. Regime, 18-20 May, Wallingford, England. >0. Einstein H.A., Shen H.W. (1964) A study on meandering in alluvial channels. Journ. of Geophysical

58. Research, Vol. 69, No.24, Dec. 1964, pp.5239-5247. ?/. Fujita Y. (1989) Bar and channel formation in braided streams. in «River Meandering» (S.Ikeda, G.

59. Parker, ed.), 1989, pp. 417-462. >2. Fukuoka S. (1989) Finite amplitude development of alternate bars. in «River Meandering» (S.Ikeda, G.

60. Parker, ed.), 1989, pp. 237-265. >3. Gaiay V.J., Neill C.R (1967) Nomenclature for Bed Forms in Alluvial Channels, Discus. J.Hydr.Div.,

61. Jaeggi M.N.R. (1984) Formation and effects of alternate bars. -Journ. ofHydr. Eng., Proc. ASCE, Vol.110, No.2, Feb., 1984, pp. 142-156.

62. Jaggi M.N.R. (1983) Alternierende Kiesbanke Abhandlung zur Erlangung des Titels eines Doctors der Technischen Wissenschaften.

63. Kellerhals R., Church M., Bray D.L (1976) Classification and analysis of river processes. Journ. of Hydr. Div., Proc. ASCE, Vol. 102, No. HY7, July, 1976, p. 813-829.

64. Kinosita R (1957) Formation of «Dunes» on river bed. An observation on the condition of river meandering, Transactions of JSCE, Feb. 1957, No. 42, p. 1-21.

65. Kishi T. (1980) Bed forms and hydraulic relations for alluvial streams, Chapt.5. in «Application of stochastic processes in sediment transport», (Ed. by Shen H. W. and Kikkawa H.), Littleton, Colorado, 1980, p.5.1-5.25.

66. Komura S., Shen H.W. (1970) Alternate scours in straight alluvial channels. Transactions of JSCE, vol. 2, part 2, pp. 321-324.

67. Leopold L.D., Wolman M.G. (1957) River channel patterns: braided, meandering and straight» US Geological Survey Prof. Papers, 1957, no. 282-B, 46p.

68. Lewin J.(1976) «Initiation of Bed Forms and Meanders in coarse-grained Sediment», -Geol.Soc.of America Bull., Vol.87 (2),Feb. 1976,p. 281-285.

69. Miwa H., Daido A. (1995) Fluctuation in bed-load transport rate in channel with alternate bars. Proc. 6-th Int. Symp. River Sedim., 1995, New Delhi, India, p.507-516.

70. Ozaki S., Hayashi T. (1983) On the formation of alternate bars and braids and the dominant meander length. Transactions of JSCE, Vol. 15, 1983, pp. 256-260.

71. Parker G. (1976) On the cause and characteristic scale of meandering and braid in rivers. J. Fluid Mech., (1976), vol. 76, pari 3, p.457-480.

72. Parker G. (1978) Self-formed straight rivers with equilibrium banks and mobile bed Part 1. The sand-silt rivers. -J. Fluid Mech. (1978) vol.89, part 1, pp.109-125. Part 2. The gravel rivers. J. Fluid Mech. (1978) vol.89, part 1, pp. 127-146.

73. Parker G. (1980) Bar resistance of gravel-bed streams. J. Hydr.Div., Proc.ASCE, vol.106, No. HY 10, October, 1980, p.1559-1575.

74. Parker G., Anderson G. (1975) Modeling of meandering and braiding in rivers. Proc. 2-ndSymp.of WW, ASCE, San Francisco, 1975, vol.1, p.575-591.

75. Prestergaard K.L. (1983) Bar resistance in gravel streams at bankfiill stage. Water Resour. Res., 1983, vol.19, No.2, p.472-476.

76. Schumm S.A., Khan H.R. (1972) Experimental Study of Channel Patterns. Bulletin of Geological Soc. Of America, v.83, pp. 1755-1770, June 1972.

77. Seminara G., Tubino M. (1989) Alternate Bars and Meandering: Free, Forced and Mixed Interactions. in «River Meandering» (S.Ikeda, G. Parker, ed.), 1989, pp. 267-319.

78. Shen H.W., Komura S. (1968) Meandering tendencies in straight alluvial channels. Journ. of Hyd. Div., Proc. ASCE, Vol. 94, No. HY4, July, 1968, pp. 997-1015.

79. Shen H.W., Komura S. (1970) Alternate scours in straight alluvial channels. Transactions of JSCE, Vol. 2, Part 2, 1970, pp.321-324.

80. Shimizu Y., Itakura T. (1989) Calculation of bed variation in alluvial channels Journ. of Hydr. Eng., Proc. ASCE, Vol. 115, No.3, March, 1989, pp. 367-384.

81. Simons D.B. (1971) River and canal morphology, chapt. 20 in «River Mechanics», (Ed. and publ. by H. W. Shen), vol.II, Fort Collins, 1971.

82. Sukegawa N. (1970) On the formation of alternate bars in straight alluvial channels. Transactions of JSCE, vol.2, Part 2,, p.257-261.

83. Sukegawa N. (1972) Criterion for alternate bar formation in experimental flumes. Transactions of JSCE, vol.4, p. 126-127.

84. Sutesaburo Sugio (1972) Variations in bed-form and mean velocity in alluvial channels and streams. Bull, of Faculty of Engineering Tokushima University, vol. 9, N 1,2.

85. Task Force on Bed Forms in Alluvial Channels of the Committee on Sedimentation. «Nomenclature for Bed Forms in Alluvial Channels», -J. Hydr.Div., ProcASCE, vol.92, No. HY3, May 1966, p.51-64.

86. Tubino M. (1991) Growth of Alternate Bars in Unsteady Flow. Water Resources Research, vol. 27,(1991), No.l, p. 37-52.

87. Yalin M.S. (1972) Mechanics of sediment transport. Pergamon Press, - 290p.0200 400 600 800 Т, час1. А, см 12108 64200 400 600 800 1000 1200 Т, час1. Д, см 86.41. МЗ 1983100200зоо Т часл, см 8642 01. М4 1984N100200 Т, час1. X, м 201612