автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Инженерные методы расчета эрозионно-аккумулятивных процессов в малых реках степной зоны Российской Федерации



На правах рукописи

С

г'

ТАРАБАНОВ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В МАЛЫХ РЕКАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Государственном предприятии специализированном научном центре «Госэкомеливод»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор АЛИЕВ Т. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПРАВДИВЕЦ Ю. П.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ФЕДОРОВ В. Г.

Ведущая организация: ИЦ "Союзводпроект"

Защита состоится « 6 » ноября 1998 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 120.41.01 в Государственном предприятии - специализированном научном центре «Госэкомеливод» по адресу: 05, г. Москва, ул. Бауманская, дом 43/1, ГП СНЦ «Госэкомеливод».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП СНЦ «Госэкомеливод».

Автореферат разослан « 5 » октября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. п., с. н. с.

Т. В. КОЛЕСНИКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последние годы все более возрастает нагрузка на малые реки и повышается их значение в народном хозяйстве. Наибольшее влияние на гидрологический режим малых рек оказывают такие основные виды хозяйственной деятельности, как создание водохранилищ, строительство оросительных и осушительных I систем, а также систем каналов переброски для коммунального и промышленного во- ! допотребления. Кроме вышеизложенных на формирование стока реки определенное влияние оказывают современные изменения климата, обусловленные как естественными, так и антропогенными факторами . Поэтому более объективная оценка изменений стока малых рек должна основываться на совместном анализе результатов исследований гидрологов, климатологов, экологов, а также специалистов водного хозяйства, мелиорации, гидроэнергетики и градостроительства.

В данной диссертационной работе рассмотрены вопросы, связанные с русловыми деформациями, на примере малых рек - представителей Северо-Кавказского и Уральского экономических районов Российской Федерации и сделана попытка усовершенствовать методики количественной оценки эрозионных и аккумулятивных процессов и разработать рекомендации по выбору типов природоохранных мероприятий в бассейнах рек.

Вопросы, связанные с водноэрозионной опасностью в самих бассейнах рек и загря з-нением вод, выходят за рамки содержания настоящей диссертации. Они были рассмотрены диссертантом и основные научные результаты по ним включены в моногр афию [1].

Таким образом, нелыо работы является обобщение и анализ существующих работ по проблеме водноэрозионной опасности и аккумулятивных процессов в руслах малых рек и разработка методик количественной оценки этих процессов, а также рекомендаций по выбору типов природоохранных мероприятий в бассейнах малых рек. Поста в-ленная цель включает решение следующих задач:

-обобщение и анализ существующих классификаций оценки состояния малых рек;

- обобщение и анализ закономерностей формирования стока с учетом зональных и азональных факторов и региональной особенности;

- анализ явлений, ухудшающих природные условия в бассейнах малых рек;

- обоснование и выбор объектов исследований;

- обобщение и анализ результатов экспериментов на объектах исследований;

- обоснование, вывод, а также уточнение соответствующих зависимостей для выполнения прогностических расчетов эрозионных и аккумулятивных процессов в руслах малых рек и проверка их с данными экспериментов ;

- разработка рекомендаций по выбору типов природоохранных мероприятий для бассейнов малых рек.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе обобщения и анализа существующих опубликованных работ систем а-тизированы данные в многолетнем разрезе о характере формирования стока малых рек в зависимости от зональных, азональных и хозяйственных факторов ;

- установлено, что одним из наиболее эффектных методов улучшения качества воды и сохранения стока малой реки является в возможных физико-географических условиях пополнение ее дополнительной водой с помощью инженерных систем;

- получены формулы для учета гидравлического сопротивления но длине реки и расчета значений размывающих и допускаемых (неразмывающих) скоростей течения воды в руслах водотоков, сложенных связными грунтами;

- уточнены значения параметра кривой распределения для различных фракций наносов в методике расчета транспортирующей способности потока А. Г. Хачатряна -X. Ш. Шапиро;

- усовершенствованы методики расчета эрозионных и аккумулятивных процессов в руслах малых рек степной зоны России и разработана комплексная программа «DEFORM», которая позволяет рассчитывать одновременно как процессы заиления, так и размыва русла в зависимости от физико-механических свойств грунтов русла.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением расчетных данных по полученным и уточненным формулам с данными экспериментов различных авторов.

Практическая и экономическая значимость. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме «Разработать методику предпроектной оценки водноэрозионной опасности бассейнов малых рек и рекомендации по сохранению и улучшению состояния малых рек - представителей степной зоны СевероКавказского и Уральского экономических районов», согласно заданию бывшего Комитета по водным ресурсам Российской Федерации. Для рек вышеуказанных регионов характерно интенсивное развитие сельского хозяйства и его влияние на состояние малых рек.

Теоретические и экспериментальные исследования легли в основу монографии «Приложения гидравлики и динамики русловых потоков в задачах охраны малых рек степной зоны Российской Федерации» (15,0 пл.), которая рассчитана на научных работников, аспирантов, инженеров, специализирующихся в области гидротехнического и мелиоративного строительства, а также городского строительства и хозяйства.

Разработанные рекомендации предназначены для ведомств и организаций, занимающихся мелиоративным и водохозяйственным строительством в бассейнах рек.

Основные научно-практические положения, выносимые на защиту:

- данные о характере формирования стока малых рек в зависимости от зональных, азональных и хозяйственных факторов;

- данные о характере деформации русла реки при размыве в связных грунтах;

- формула для учета гидравлического сопротивления по длине реки;

зависимость для расчета значений размывающих и допускаемых (неразмывающих) скоростей течения воды в связных грунтах;

- уточненные формулы для расчета транспортирующей способности потока в отношении отдельных фракций взвешенных наносов;

- методики расчета, уточненные в диссертации для количественной оценки водно-эрозионных и аккумулятивных процессов в руслах малых рек,

- рекомендации по выбору типов природоохранных мероприятий для бассейнов малых рек.

Личный вклад автора в решение поставленных в диссертации задач. Диссертация является результатом исследований, проводимых автором самостоятельно в ГП СНЦ «Госэкомелиовод». При выполнении работы привлечены данные экспериментов по рассмотренной проблеме и результаты теоретических исследований других авторов, на которые имеются ссылки в диссертации.

Апробация работы. Результаты выполненных автором исследований, приведенные в диссертации, докладывались, обсуждались и одобрены на заседании ученого совета ПО «Совинтервод» (Москва, 1996); на заседании объединенной секции гидравлики, инженерной гидрологии, гидротехнического и мелиоративного строительства, сельскох о-зяйственной мелиорации НТС ГП СНЦ «Госэкомелиовод» (Москва, 1998); на заседании Государственной Думы Российской Федерации по природным ресурсам и природопол ь-зованию (Москва, 1998).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в четырех печатных работах автора, включая монографию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работ, пяти глав, заключения; в конце работы приводится список использованной литературы, насчитывающий 159 наименований, из них 47 иностранных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 204 страницах машинописного текста, иллюстр и-рована 28 рисунками, содержит 12 таблиц,.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с классификацией руслового процесса в малых реках. В работе к малым рекам отнесены постоянно действующие естественные водотоки длиной от нескольких километров до нескольких десятков километров, площадь их водосбора обычно не превышает 2000 км2 (H.A. Ржаницын, Р. А. Не-жиховекий). Для оценки экологического состояния малой реки в результате сравнительного анализа существующих классификаций, диссертантом принята квалификационная схема, разработанная В. С. Боровковым. Эта классификация сделана применительно к задачам регулирования стока и русел малых рек для улучшения их гидроэкологического состояния.

Показано, что формирование стока малых рек зависит не только от климатических факторов (зональные), но и от азональных факторов (подстилающая поверхность). Приведены данные среднемноголетних модулей стока для различной зоны России (южная тайга, смешанный лес, лесостепь, степь).

Среди хозяйственных факторов наибольшее влияние на водные ресурсы и гидрологический режим оказывают создание водохранилищ, строительство оросительных и осушительных каналов, а также инженерных систем для перераспределения водных ресурсов. Основным видом хозяйственной деятельности, оказываемым влияние на сток рек степной зоны России, является орошение. Это приводит к большим изменениям водного баланса и уменьшению стока реки-водоисточника (Северо-Кавказский регион). Приведена краткая характеристика рек этого региона (Кубань, Терек, Кума, Калаус). Например, в результате изъятий воды по постам р. Кубань интенсивность изменений

среднего годового модуля стока колеблется в пределах от 0,646 лДс-км2) до

0,001 n/ic-KM2} в год, уменьшаясь соответственно от истока к устью. Аналогичная

тенденция наблюдается и для р. Терек. Для бассейнов же рек Кумы и Калауса переброска стока по Большому Ставропольскому каналу (БСК) и Терско-Кумскому каналу (ТКК) привела к увеличению среднего годового модуля стока за период 1981-1985 годов. В работе приведены также данные специалистов ВНИИВО, которые показывают, что в зонах влияния водопроводягцих каналов наиболее эффективным методом улучш е-нкл гидроэкологического состояния малой реки является пополнение ее дополнител ь-ной водой. Это позволяет не только повышать водность реки, но и улучшать качество воды и ее санитарного состояния. В конце первой главы сформулирована постановка задачи исследований по водноэрозионным и аккумуляторным процессам в условиях подачи дополнительных расходов воды в реку для улучшения их санитарного состояния.

Во втором главе изложены характеристики объектов натурных исследований и дано их краткое описание. Объектами натурных исследований выбраны р. Калаус (Северо-Кавказский регион) и р. Карасук (Уральский регион). Для первог о региона характерно интенсивное развитие сельского хозяйства, а для второго региона - высокий уровень промышленного производства.

Река Калаус - небольшая по водности степная река Ставрополья, питающаяся в основном за счет поверхностного стока. Река Калаус берет начало с Султанских высот на высоте 460 м над уровнем моря. Площадь водосбора - 9700 км2, длина -436 км. Годовая сумма осадков 550 мм в верхней и средней частях водосбора в основном за IV...IX месяцы. Сток за зимне-весенний период - 70% годового образуется от выпадения дождей и ливней. По своей величине расходы ливневых паводков соизмеримы с максимал ь-иыми расходами весеннего половодья. Река Калаус является одной из наиболее мутных рек России. Большая часть стока наносов происходит в половодье и паводки, во время

которых мутность воды повышается до значения 45 кг/м3 . Основная масса наносов образуется от смыва почв с водосбора и усиливающейся после подачи в русло кубанской воды русловой и овражной эрозии.

После пуска в 1967 году в р. Калаус кубанской воды расходом 3 м3 /с из БСК-1 на прилегающих к реке землях стало развиваться орошение для удовлетворения различных потребностей, в первую очередь овцеводства. Поэтому были вынуждены подавать из БСК-1 расход до 10 м3[с (в три раза превышающий предусмотренный). Такое увеличение подачи воды, вызвавшее ряд отрицательных последствий, обусловлено было также развитием промышленности, потребностями рыболовства в низовьях реки.

Сброс кубанской воды увеличил эрозионное воздействие потока на русло. При естественном режиме деформации русла проявлялись, в основном, в размыве вогнутых берегов во время половодий и паводков. Глубинная деформация из-за кратковременн ости паводков носила местный и ограниченный характер. Русло в верховьях имело незначительный врез (1,5...2,0 м - что можно наблюдать на участке русла до места сброса). Далее по длине реки, с увеличением глубины залегания водоупора и водности реки, глубина вреза увеличивалась, достигая у с. Сергиевского - 5.„6 м, а у г. Светлограда -10...18 м. Русло, как правило, неширокое (от 5 до 10... 15 м) с обрывистыми берегами. Начиная с 1967 года, в связи с пропуском кубанской воды по Калаусу, режим реки сильно изменился. Годовой сток воды увеличился, по сравнению с естественным режимом в/п (с. Сергиевское) более чем на 300%, а по водопостам г. Светлоград и с. Воздви-женское около 200%.

В низовьях реки Кулаус проходит разгрузка от наносов и интенсивное заиление русла и поймы. Рост бара приустьевых отложений вызывает распростронение подпора вверх по реке. Уровни воды повышаются как в русле реки, так и на пойме. Отложение на пойме глинистых фракций приводит к образованию там плавней. Анализ гидролог и-ческих материалов (кривых связи для имеющихся на реке Канаус гидропостов, материалов съемок характерных поперечников) показал, что в створах г. Светлоград и с. Воз-движенское происходит заиление русла, причем заиление в створе Воздвиженское с 1964 по ¡974 год составило около 0,6 м и 1,5 м за период с 1974 по 1985 год, в створе г. Светлоград заиление составило 0,4 м.

Получены зависимости, связывающие расход взвешенных наносов (среднегодовой) с среднегодовым расходом воды, которые показывают, что характер этих зависимостей (после начала обводнения 1967 г.) в створах с. Сергиевское и с. Воздвиженское существенно изменился. Дана критическая оценка использованного институтом "Севкавгипроводхоз" метода расчета устойчивости русла р. Калаус против размыва для разработки инженерных мероприятий с целью стабилизации русла этой реки в связи с подачей дополнительных расходов воды. В конце этой главы приведены основные результаты натурных обследований на р. Карасук (Уральский район) и разработаны инженерные рекомендации по регулированию русловых процессов и улучшению санитарного состояния этой реки.

В третьей главе приведены результаты исследований по определению количественных характеристик водноэрозионных и аккумулятивных процессов.

Основной проблемой гидравлики при решении задач, связанных с инженерными мероприятиями в бассейнах рек, является оценка гидравлического сопротивления. Этот коэффициент входит в формулу Дарси-Вейсбаха для потерь энергии в водотоке:

J^X■V2/s■g■R ,

где ./, V. g, К - гидравлический уклон, средняя скорость, ускорение свободного падения, гидравлический радиус.

Коэффициент Дарен через выражение

связан с коэффициентом Шези, который входит в формулу средней скорости равномерного движения

где С - коэффициент Шези.

Для определения коэффициента Шези проанализированы шесть групп формул (формулы, учитывающие соответственно гидравлический радиус, коэффициент шерс-

С = #Т8А

(1)

(2)

ховатостн, абсолютную шероховатость, уклон, среднюю скорость потока, число Рей-нольдса, относительную ширину русла). Отмечено, что в инженерных расчетах используются формулы, учитывающие коэффициент шероховатости русла и уклон. Среди современных формул, учитывающих влияние уклона на величину коэффициента Шези, можно отметить имеющую хорошую опытную основу по земляным руслам формулу проф. О. М. Айвазяна. Несмотря на достигнутые успехи в области расчета гидравлич е-ского сопротивления равномерного потока, поиск для нахождения новых выражений по расчету коэффициента Шези продолжается.

Итак, при выводе формулы для расчета коэффициента Шези диссертантом использована комбинированная кинематическая модель (Т. А. Алиев), при помощи которой для определения донной скорости можно получить следующую формулу:

1,25-и.

и&х

1-

н

(3)

•¿23*6-^-

где 2гр - толщина слоя, которая соответствует логарифмическому закону распределения скоростей, в расчетах принимается = (0,15...0,20) Н ; <1 - диаметр частицы грунта, м; и, - осредненная скорость течения воды на вертикали.

Анализ существующих опытных данных (Никурадзе, Окулова, Боровков), касающихся значений пристеночной скорости течения воды, показал, что для условий русло-

вых потоков можно написать:

Из равенства (3) и (4) для определения коэффициента Шези получим:

1 Х+1

С = 2,4-Л-

1-

с!

(4)

(5)

Для проверки формулы (5) использованы данные натурных исследований Э. И. Михневича на малых реках Республики Беларусь. В расчетах приняты: 5Г.,р=0,2#; <1 = (150; Х = 0,2. Сопоставление опытных и расчетных значений коэффициента Шези подтверждает достоверность формулы (5), которая также может быть использована в гидротехнической практике (табл. 1). Несколько завышенное значение

коэффициента Шези обусловлено тем, что в формуле (5) не учтено влияние неравномерности береговой линии русла реки и гряд на гидравлическое сопротивление. В просте й-шем случае, если записывать выражение из условия неразрывности жидкости для прямолинейного и поворотного участков водотока, получим, что

' п и

где С определяется по формуле (5), определяется по зависимости Д2 =-—, причем Уп - скорость течения воды на участке поворота русла; Л - средний радиус кривизны (по оси) реки.

В таблице 1 некоторое завышенное значение коэффициента Шези (в большинстве случаев не более 10%) обусловлено тем, что в формуле (5) не учтено влияние крутизны поворота русла реки, неравномерности береговой линии, а также гряд на значение гидравлического сопротивления. Оценка местного сопротивления от крутизны поворота русла реки может быть выполнена на основе рассмотрения уравнения сохранения энергии жидкости или неразрывности потока. Если записывать выражение для прямолине й-ного и поворотного участков русла реки из условия неразрывности жидкости, получим:

где С - коэффициент Шези, определяемый по формуле; А2 - перепад воды па повороте (разница между отметками горизонта у выпуклого и вогнутого берегов): V2 В

Л2 = —. (8)

Подход по определению значений скорости течения воды на участке поворота русла рассмотрен в [1].

(6)

VI-В

(7)

Таблица 1

Данные натурных исследований на малых реках республики Беларусь и сопоставление расчетных значений коэффициента Шези по формуле диссертанта с натурными значениями скоростного множителя

Наименование зодотока Физико-механические характеристики грунтов русла Средняя глубина Ширина по урезу воды Средняя скорость течения Гидравлический уклон Опытное значение Расчетное значение коэффициента с.-с. л с = ^./яг;

Коэффициент внутреннего трения вгруте d50-103,M потока h, ч В, м воды V, м/с ] коэффициента Шези С„ Шези по (5) С,

р. Оресса 0,675 0,056 2,01 23,7 0,315 0,00012 36,41 39,51 +8,5

0,485 0,29 1,22 37,80 0,471 0,00015 40,75 37,72 -7,4

0,15 0,20 1,66 36,30 0,450 0,00012 35,39 40,40 + 14

0.88 0,195 1,69 38,0 0,562 0,00019 38,16 41,2 +7,9

0,480 0.29 1,55 27,80 0,487 0.00011 36.4! 38.97 +7,0

р. Орссса 0,5 0,25 1,762 17,04 0,417 0,0000963 36,985 40,5 +9,5

0,5 0.25 2,48 21,00 0,579 0,0001332 39,281 41,07 +4,5

0,5 0,25 1,3 V 15,72 0,354 0,00011 33,497 35,6 +6,3

0,5 0.25 1,047 26,96 0,436 0,00014 37,35 37,73 + 1

р. Поня 0.48 0,30 0,45 3,68 0,328 0,000314 31,62 33,75 +6,7

0,48 0,30 0,907 12,02 0,141 0.000024 35,08 35,45 +1,05

0,48 0,30 0,482 10,08 0,38 0,00034 32,94 34,0 +3,2

0,48 0,30 1.05 9,88 0,308 0,000099 34,38 36.97 +7,5

р. Бобрик 0,5 0,270 0,42 13,70 0,467 0,000434 35,52 33,89 -4,5

0,5 0,30 0,572 10,28 0,324 0,000179 35,14 34,59 -1,56

0,5 0,33 0,847 17,54 0,355 0,000464 35,74 35,82 +0,2

0,5 0,255 0,825 16,28 0,153 0,0000637 33,50 36,79 +9,8

0,5 0,270 2,07 13,38 0,507 0,00012 38,10 40.18 +5,3

0,5 0,300 2,55 20,23 0,369 0,000056 38,15 40,44 +6,0

0,5 0,25 1,30 12,53 0,221 0,000033 33,80 31,13 -7,9

В диссертации дан анализ существующих методов для прогнозирования русловых деформаций, разработанных отечественными и зарубежными авторами (А. В. Карау-шев, С. Т. Алтунин, В. С. Алтунин, В. С. Лапшинков, Шильдс, М. Н. Вернадский, М. А. Великанов, И. И. Лсви, К. И. Россинский, И. А. Кузьмин, Н. А. Ржаницын, Е. К. Рабко-ва, И. И. Леви, В. К. Дебольский, Камурос, Симоне Д. Б., Тинней Е. П., Педро, Кюнж Ж. А., А. В. Гаген, Т. Г. Войнич-Сяноженцкий, В. М. Лятхер и многие другие).

Несмотря на сложность процесса деформации, во всех перечисленных работах, нес о-мненно имеется огромный вклад в познание, развитие и усовершенствование методов ра счета этих явлений. Однако, в расчете расхода наносов не достаточно внимания уделено возможности учета фракционного состава взвешенных наносов, а также формулы многих авторов не учитывают основные характеристики физико-механических свойств грунтов русла. Поэтому дальнейшее исследование диссертанта посвящено этим вопр осам.

Сопротивляемость размыву связного грунта обеспечивается, если выдерживается условие:

где п' - коэффициент, учитывающий влияние вертикальной пульсационной скорости потока на критическое состояние (срыв и сдвиг), (результаты исследований показывают, что п' =-■ 1,54); К<1, Кс -коэффициенты, учитывающие неоднородность трения (/), частиц грунта (наносов) (<1) и силы сцепления грунта (с);

\х, Х2 - коэффициенты лобового и подъемного усилий (по данным М. А. Дементьева при неравномерном поле скоростей у дна Хх = 0,40...0,45 и ¡'кх -0,25 ), С'7 - усталостная прочность на разрыв связанного грунта (поданным Ц. Е. Мирцхула-вы Су =0,035С11, С"- нормативное удельное сцепление грунта); (/-диаметр отрывающихся агрегатов грунта.

Значения коэффициентов а/, а2, зависят от формы, плотности размещения частиц и условий обтекания и, согласно экспериментальным исследованиям В. Н. Гончарова и Ц. Е. Мирцхулавы принимаются а] =0,5, а2 =0,785, а¡=0,9.

Значение К^ в связаиых и несвязаных грунтах обычно выражается по формуле

(9)

= *>•/• ^ (рг-Рв) е-ка-<13 + ^ а3-Ка-(12-Кс-С

,н

У

где птр - относительная пористость грунта.

Коэффициент Кс характеризует вероятность отклонения показателя сцепления от его среднего значения, в приближенных расчетах принимается Кг=0,5. Коэффициент Кл также выражает вероятность отклонения размеров частиц грунта от их средних значений, для однородного состава грунта (наносов) К^ = 7.

Подставив численные значения параметров л х ).., а1 а2, а з в равенство (7) и

используя для расчета распределения продольных скоростей течения воды выражение (3), получим следующую формулу для расчета размывающих скоростей в связных гру нтах:

1-

и

Х+1

Т-!8\ 23,86'

Ы

(Ю)

х -- Г(р _ р ).г.,,+и5.к .с»] .

р Р„-(0.21 +0,08 1 -

Принимая по В. Н. Гончарову между размывающим и неразмывающим скоростями в грунтах условное равенство (У р = 1,411 н дт , можно получить следующие формулы:

г 7 ¿'гп I

г,

и,

н.доп

1-

-И )

Ы 23,86 ■

(И)

2-К, ■/

9,2 ■ р„ ■ [0,21 + 0,08 •*,•/) -[(Рг - Р .)■ 8-^+1

35 -К.- С

и4

= 1,25 ■

2-К{•/

9,2 • рв ■ (0,21 + 0,08.Ку/)- [(рг - Рв) ■ е ■ с! + 1.35 ■ Кс ■ С1' ]

(12)

В выведенных формулах учитываются основные характеристики физико-механических свойств грунтов русла. Например, в известных формулах Ц. Е. Мирцхулава не учтены такие характеристики грунтов русла как пористость и угод внутреннего трения грунта.

Результаты исследований на р. Калаус показали, что на участке реки со связными

грунтами интенсивность размыва дна во времени

\7.

Ы

превалирует над интенсивно-

стью расширения русла во времени. Поэтому в уравнении баланса наносов принимаем,

что = О, и тогда для интенсивности размыва дна во времени получим следующее

выражение для условия стационарною течения воды:

дг

(13)

Ы В-р„-АХ

На элементарном участке реки длиной АХ значение рх можно определять по выражению:

I Ч ( ВЕС -ДлЛ

рг^РЧ^РЧ-РО-"^--о~\ (14)

Ес = 0,00085 -схр{~0,141 ■ ■ е• • (VАХ-V

где - допускаемая донная скорость течения воды на высоте выступа шерохова-

тости и определяется по формуле (12); иАХ - фактическая донная скорость течения воды на высоте выступа шероховатости и определяется по формуле (3), Ср - расчетное удельное сцепление грунта; р- транспортирующая способность в отношении отдельных фракций взвешенных наносов; рч - речная мутность.

Расчет аккумулятивных процессов в водоеме выполнен на основе уравнения баланса наносов, и при этом скорость поднятия дна во времени (интенсив-заиления) выражено в виде (Т. Г. Войнич-Сяноженцкий):

<12 ^ф- Р?

Л Рн

(15)

где \У3ф - эффективная скорость осаждения наносов; р? - концентрация наносов у дна р„ - объемный вес наносов.

В первом приближении принято, что Рг,

"(16) Подставляя выражение (14) в (13), получим: ск -Рт;-)

л Р*

(17)

где Е' = И7, - иг; 1/2 р - отношение придонного значения концен-

трации (р); | к концентрации взвешенных наносов (рЛ).

При условии dQ/dX = 0, для изменения мутности потока с учетом отношения А' = 0, Л - h0 и при начальном условии р^ (0) = р0|., получим:

I ) Г E'-t-ih-K,)]

где h = hu + (hn - h0)x¡(; h0 - глубина в начале водохранилища; hn - глубина у плотины; I - расстояние между этими г лубинами.

Подставляя последнее выражение в уравнение (17), получим ~.~ = g(h). Следов а-

oí

тельно 7.{t) = g{h)l.

Для вероятности безотказной работы водохранилища (вероятность не превышения толщины заиления, его допустимого значения ДZ¿on) можно написать:

Вер(&г<&гЛо„)>Р , (19)

где Р заданная вероятность в течение заданного срока эксплуатации водохранилища.

Так как колебания мутности поступающей в водохранилище воды обусловлены большим количеством случайных факторов, то эти колебания могут быть описаны нормальным законом распределения:

/(д z) = ---ехр

v2IÍ -а..

(AZ-A Z)2 2-oiz

(20)

где №. - математическое ожидание толщины заиления, определяемое по (15) и (16); аА2 - среднеквадратичное отклонение.

Требование обеспечения работоспособности (вероятность безотказной работы) водохранилища для интервала А(у предопределяет выбор такой допустимой толщины

заиления А2ГЙ„Я, превышения которой будут редкими событиями. Поэтому случайный процесс наступления неравенства ДZ > Ь2д(1„ можно считать пуассоновским с интенсивностью V за время Г:

(21)

где Р„ - вероятность тою, что за время Т произойдет п выбросов случайной функции Д2(г) за уровень А2до11; V - средняя частота выбросов А2(г) за уровень &'£доп ; п - вероятность появления события простейшего потока.

Вероятность отсутствия указанных выбросов за время 7, то есть функция надежности будет равна

Р = ехр(- \>Т).

(22)

Из формулы для случайного числа выбросов нормального случайного процесса ДZ(/) за уровень А2()ш,

В результате совместного решения последних уравнений для допускаемой толщины заиления получается выражение

где г|„ - характеристика надежности, определяемая формулой

В приведенных формулах наиболее ответственным является определение транспортирующей способности потока в отношении отдельных фракций наносов. Вопрос а-ми транспортирующей способности потока занималось не одно поколение исследоват елей, в том числе С. X. Лбальянц, М. А. Великанов, Г. Г. Войнич-Сяноженцкий, В. Н. Гончаров, Д. В, Дебольский, А. В. Караушев, И. И. Леви, В. И. Маккавеев, Л. И. Российский, А. Г. Хачатрян, X. Ш. Шапиро и другие ученые. Транспорт наносов с одной стороны является необходимым условием руслового процесса, с другой стороны содержание наносов в потоке определяет качество воды.

Транспортирующей способностью потока называется максимальное количество взвешенных наносов, которое может устойчиво транспортироваться во взвешенном состоянии в одном куб. м воды при данных гидравлических элементах потока [и,, с) и свойствах наносов, характеризуемых их гидравлической крупностью.

Почти все подходы к решению задачи о транспортирующей способности потока можно свести к двум:

1. За основной исходный критерий для характеристики транспортирующей способности потока принимается мощность потока, точнее, та часть мощности, которую поток может затратить на работу "взвешивания". При таком подходе транспортиру тощая способность потока пропорциональна его скорости в третьей степени (Великанов, Гостунский, Абальянц, Россинский);

2. Второй подход к задаче характеризуется тем, что оценка взвешивающей способности потока дается по параметрам, определяющим его турбулентность, в том числе интенсивность образования вихрей у дна и движение их в толще поток, по касательному напряжению среза у дна и величине вертикальной составляющей скорости, по интен-

(23)

(24)

сивности турбулентного обмена и диффузии. В этом случае транспортирующая способ- ■ ность потока пропорциональна примерно квадрату скорости (Маккавеев, Хачатрян, | Шапиро).

Большинство исследователей считает, что транспортирующая способность потока пропорциональна скорости потока, гидравлическому уклону, шероховатости русла и обратно пропорциональна гидравлической крупности наносов и глубине потока.

А. Г. Хачатрян и X. Ш. Шапиро, опираясь на данные большого количества натурных и лабораторных экспериментов, показали, что средняя гидравлическая крупность W не может являться полной и объективной характеристикой механического состава наносов. Ими были получены полуэмпирические зависимости для транспортирующей способности потока п отношении отдельных фракций. Таким образом был сделан определенный шаг вперед по сравнению с представлениями, положенными в основу зависимостей, приведенных выше.

Выражение для определения постоянной кривой распределения наносов фракции i по крупности Су. X. Ш. Шапиро было подобрано из условия ее прямой пропорциональности величине наибольшей взвешивающей способности потока, а транспортирующей способности потока - квадрату его средней скорости. Исходя из этого, было получено

ст. =к, -V07-иZ,

кг-с'7

где K¡ - коэффициент, имеющий размерность [.К,-] —-j—. Для фракции

м ' i

d > 0,10 К, = 12; d = 0,10...0,05 мм. К2 = 59; d = 0,05...0,01. Л', = 94; d <0.01 мм, К4-=85. I

Диссертантом сделана попытка из понятия размерности и с использованием данных экспериментов определять значения постоянной кривой распределения для различных фракций взвешенных наносов в пределах \V¡ и ¡. Аналогичная попытка была сделана также Т. А. Алиевым, однако полученные результаты оказались дискуссионн ыми, поэтому они не были доведены до практического применения.

Экспериментальные данные по предельной мутности в отношении отдельных фракций взвешенных наносов аппроксимированы с помощью выражения

Ст' = Кг"^'Ш 'Ыщг) (25)

Для установления оптимального варианта нормирования значений мутности потока был применен метод множественной линейной корреляции с поиском значений постоянных Кг, а, р при аргументах. В некоторых вариантах были приняты ц = 0 и а = 1/3. Лучшие варианты нормирования значений мутности потока устанавливались при а = 1\3. Результаты расчетов, полученные по этому варианту, оказались близкими к данным экспериментов различных авторов.

Таким образом, формулы для расчета транспортирующей способности потока в отношении отдельных фракций взвешенных наносов имеют следующий вид:

Дт ¿ = 0,10...0,25 лш

рг, = м~4 .^--(ЧГ -Н^-Г ■ (26)

Для ¿ = 0,05...0,10 мм

о ]п.4 рв2 (я)«3 Г 2-и. У'0 ( »'< 1Г4-1У3)

Для d = 0,05...0,01 mt

Для d = 0,01..0,005 мм

, W, W,-W2\

Ы""^'- (28)

m-* Р' ( * f ( 2'и' Т" i;

Согласно уточненным зависимостям закон куба скорости в отношении транспортирующей способности потока подтверждается для наносов с d>0,l лш.

Формулы (И), (2б)-(29) использованы при усовершенствовании разработанных ранее программ "RAZMIV" и "ZAIL" на ЭВМ. Вместо этих программ создана единая программа "DEFORM", которая позволяет рассчитать одновременно размыв (связные и несвязные грунты) и заиление в руслах водотоков при условии стационарного течения воды.

В главе 4 дано сопоставление результатов расчетов с данными натурных исследований на р. Калаус и малых реках Республики Беларусь. Расчеты были выполнены с помощью модифицированной программы "DEFORM.

Расчет размыва выполнен для р. Калаус на участке с. Сергиевское для расходов воды Q = 4,4 м3/с (сброс из БСК-1 - Q = 3,0 м3 /с плюс среднегодовой расход

Q = l,4 м3/с) и Q = 9,4 м3/с (сброс из БСК плюс естественный сток). Основные характеристики водотока при Q = 4,4 м3/с\ ширина по верху 8=9,5 м, средняя глубина Л = 0,316 м, средняя скорость V = ¡,47 м/с2 . мутность при расходе Q~4,4 м3/с согласно графику, приведенному в диссертации (рис. 4.1), связывающему многолетние значения расходов твердого и жидкого стока ра=6,2 кг/м3; при <2 = 9,4 м3[с: ширина по верху В = 12,0 м, средняя глубина h = 0,417 м, средняя скорость F = /,#78 м/с2 , мутность потока р0 =8,0 кг/м3 . В результате расчетов получилось, что при Q^4,4 м3/с среднее понижение дна за двое суток составляет АZ = 0,/S9 м, а при Q = 9,4 м3/с - hZ=0,244 м. Размыв и в первом и во втором случае остановится довольно быстро - через двое суток, величина размыва при расходе Q = 4,4 м3/с является довольно значительной и сопоставима с размывом при расходе Q=9,4 м3/с.

Расчет заиления выполнен для двух поперечников (№ 3 и № 5). В поперечнике № 3 при прохождении расхода Q = ll м3/с сумма поступающих к этому створу естественного стока и расходов от большого Ставропольского канала (только 1 -й или 2-й и 4-й очереди после завершения строительства водосброса в районе хутора Просянский) нет выхода воды на пойму (согласно поперечникам 1977 года). Параметры сечения следующие: ширина по верху В = 18,0 м, средняя глубина А = 1,4 м, средняя скорость

У = 0,436 м/с , уклон 1 = 0,00012, средний диаметр взвешенных наносов d = 0,026 дм. Принято два варианта начатьной мутности р0 =6,0 кг/м3 и р„ =3,0 кг/м3 . Предполагается, что расход Q= II м3/с происходит в течение месяца и что участок русла длиной 50 м можно принять имеющим постоянное поперечное сечение. Согласно расчетам по программе "DEFORM" получено, что приращение глубины составляет за месяц в средней 0,10...0,.276 м. Для поперечника № 5 расчет велся на

два расхода: Q/= 140 м3/с и Q2=ll м3/с, мутности соответственно рд = 12,0 кг/м3 и р„ =6,0 кг/м3 .

При обоих расходах наблюдается выход воды на пойму. Принято, что расход Qi =140 м3/с проходит 1 сутки. Параметры сечения при расходе Qj =140 м3/с следующие: В = 672,0 м (с поймой), средняя глубина h = l,4 м, средняя скорость

V = 0,149 м/с , уклон 1 = 0,00012, средний диаметр взвешенных наносов (1 = 0,078 мм. Согласно расчетам в зависимости от начальной мутности высота слоя заиления составит 0,682 м при ра = 12,0 кг/м3 и 0,361 м при рв =6,0 кг/м3 .

При расходе <22 = 11 м3 /с,В =656,0 м (выход на пойму), средняя глубина /1 = 0,4 м, средняя скорость V = 0,042 м/с , уклон 1 = 0,00012, средний диаметр взвешенных наносов ё = 0,026 мм, р„ = 6,0 кг/м3 и р(< =3,0 кг/м3 . В результате расчетов получено, что при р„=6,0 кг/м3 высота слоя заиления 0,131 м, а при

р0 =3,0 кг/м3 -0,064 м.

Согласно натурным данным заиление в створе гидропоста Воздвиженское за 197485 годы составило около 1,5 м, а по результатам расчетов около 1,3 м, что свидетельствует о хорошем совпадении.

Приведены рекомендуемые инженерные мероприятия для регулирования русловых процессов в р. Калаус с целью предотвращения отрицательного влияния подачи дополнительных расходов воды.

Для проверки достоверности научных результатов (формул для расчета транспо р-тирующей способности потока, методики расчета заиления русла водотока) диссертантом использованы также данные натурных исследований Э И. Михневича (БелНИИВХиМ) на каналах Л-1, Л-1-2, а также на реках и канализированных реках Волк, Морочь и Ухлясть. Анализ результатов натурных исследований показывает, что с увеличением среднего многолетнего расхода воды возрастает величина заиления. Аналогичная зависимость установлена от площади водосбора.

В пятой главе приведены рекомендации по выбору типов природоохранных мероприятий для бассейнов малых рек степной зоны Российской Федерации. При разработке рекомендаций учтены результаты исследований отечественных и зарубежных авторов, рекомендуемых ими для улучшения экологического состояния природных комплексов не только малой реки, но и бассейна.

Рекомендации включают:

- общие положения;

- выбор типов и характеристик природоохранных мероприятий;

- противоэрозионные мероприятия на склонах;

- мероприятия по сохранению качества воды в малых реках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований, изложенные в диссертации, а также в опубликованных работах автора, позволяют прийти к ряду выводов, которые связаны с малыми реками степной зоны Российской Федерации.

1. На основании сравнительного анализа существующих классификаций по типам руслового процесса, а также гидроэкологических характеристик малых рек, в работе для оценки их состояния принята классификационная схема, разработанная В. С. Бо-ровковым (Московский государственный строительный университет), так как она больше подходит к задачам регулирования русел и стока малых рек для хозяйственного использования с учетом водоохранных мероприятий на прилегающих территориях природного комплекса.

2. Формирование стока малых рек зависит не только от климатических факторов (зональные), но и от азональных факторов (подстилающая поверхность - геологическое строение, почвенный покров, лесная растительность, рельеф).

3. В степных зонах существенное влияние на режим стока малых рек оказывает орошение, которое приводит к изменениям водного баланса и внутригодового распр е-деления и, следовательно к уменьшению стока реки-водоисточника (Кубань, Терек). Наряду с этим встречаются реки с положительными трендами, где искусственная переброска части стока с помощью гидротехнических сооружений обуславливает увеличение среднего годового стока (Кума, Калаус).

4. Одним из наиболее эффективных методов сохранения стока и улучшения качества воды реки, расположенной в зоне влияния канала, является создание наливных водохранилищ в речном бассейне, устраиваемых, преимущественно, в верховьях рек, так как в невегетациопные периоды водохранилища можно пополнять водой примерно 2025% среднего расхода воды в канале без ущерба для плановых пользователей, а в поел е-дующем сезоне подавать дополнительную воду в реку.

5. Для изучения влияния подачи воды (попусков стока) на состояние русла реки объектом натурных исследований выбрана р. Калаус. В частности, анализ данных натурных обследований показал, что после сброса Кубанской воды в р. Калаус произошли интенсивные русловые переформирования, на участке реки в связных отложениях, врезание русла достигло до 18,0 м, этот тип деформации сопровождался оползневыми процессами из-за потери устойчивости береговых откосов, в низовьях реки преобладали аккумулятивные процессы, толщина заиления достигла до 1,5 м.

6. В диссертации показана ошибочность использованного метода расчета институтом "Севкавгипроводхоз" для определения длины размываемого участка реки с целью

разработки инженерных мероприятий по предотвращению нежелательных деформаций в результате подачи расходов кубанской воды в р. Кадаус.

7. Обобщение и анализ результатов исследований ранее выполненных работ по задачам прогноза деформаций русла в различных грунтовых условиях позволили:

- получить формулу для учета гидравлического сопротивления по длине русла реки и выполнить ее экспериментальную проверку на основании данных натурных исследований на реках Республики Беларусь;

- получить формулу для расчета значений размывающих и допускаемых (неразмывающих) скоростей течения воды в руслах водотоков, сложенных связными грунтами, где в отличие от методики Ц. Е. Мирцхулавы в новой формуле учтены коэффициент кулонова трения и пористость грунта;

- уточнить значение параметра постоянной кривой распределения для различных фракций наносов в методике расчета транспортирующей способности потока А. Г. Ха-чатряна-Х. Ш. Шапиро;

- усовершенствовать методику расчета заиления русла реки и водохранилищ на основе использования методов теории надежности.

8. Результаты выполненных исследований по рассмотренным задачам позволили разработать методики расчета эрозионных и аккумулятивных процессов в руслах малых рек и разработать комплексную программу "DEFORM", которая одновременно позволяет рассчитать как заиление, так и размыв русла в связных и несвязных грунтах при условии стационарного течения воды.

9. Для проверки рекомендуемых расчетных формул диссертантом использованы данные натурных исследований на р.Калаус, а также привлечены данные натурных исследований на малых реках Республики Беларусь. Сопоставление рассчитанных по программе "DEFORM" значений размыва и заиления с опытными данными показало, чго отклонения между этими величинами находятся в пределах 8-10%.

10. Результаты исследований позволили разработать рекомендации для регулирования русловых процессов с целью предотвращения отрицательного влияния подачи дополнительных расходов воды в р. Калаус, а также рекомендации по выбору типов природоохранных мероприятий для бассейнов малых рек степной зоны Российской Федерации.

11. Дальнейшие исследования диссертанта будут направлены на углубление полученных научных результатов на базе использования методов смежных дисциплин и создание методов и средств ведения мониторинга с учетом характера функционирования бассейновых управлений малых рек при взаимодействии с правоохранительными органами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Алиев Т.А., Тарабанов И.В. Приложения гидравлики и динамики русловых потоков в задачах охраны малых рек степной зоны Российской Федерации. М., Академия водохозяйственных наук, 1997. 228 с.

Тарабанов И. В. Защита окружающих территорий от паводковых вод малых рек /Государственное предприятие - специалиализированный научный центр "Госэкомелиовод" . М, 1998. 18 с. Библиогр. 2 назв., Рус. Деп. в ВИНИТИ, № 828-В 98. Ук.№5,1998. б/о 187.

Тарабанов И. В. Некоторые методические подходы оценки состояния малых рек / Г о-сударственное предприятие - специализированный научный центр " Госэкомелиовод". М., 1998. 27 с. Библиогр. 4 назв., Рус. Деп. в ВИНИТИ, № 829-В 98. Ук. № 5,1998. б/о 196.

Тарабанов И. В. Оценка состояния малых рек с помощью вероятностных методов /Государственное предприятие - специализированный научный центр "Госэкомелиовод". М., 1998. 5 с. Библиогр. 1 назв., Рус. Деп, в ВИНИТИ, № 2745-В 98.