автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Исследование наносного и гидравлического режима реки при бесплотинном водозаборе

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БАЗАРОВ Дильшод Райшович

ЙССВДОВАНИЕ НАНОСНОГО И ГЩРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЕКИ ПРИ ЕЕШОТИННОМ ВОДОЗАБОРЕ

Специальность 05.23.16 - гвдравлика и инженерная

гццрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в Среднеазиатском научно-исследовательском институте ирригации им, В.Д.Курина (НПО САНИИРИ).

Научный руководитель: член-корреспондент CAO ВАСХНИЯ,

доктор технических наук, профессор A.M. Мухаыедов, Научный консультант;: старший научный сотрудник, кандидат

технических наук А.Н.Кругов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Г. А .Федотов,

кандидат технических наук Г.С.Пичугов

Ведущее предприятие - институт "УЗГ'ШРОВОДЮЗ"

3aqma состоится 1991 г.-б "/Г "'''час,

на заседании специализированного совета К053.30.03 в Московском, ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, проекм направить на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ¿^Vyf/Uf' 1991 г.

Ученый секретарь спецгализированного совета кандидат технических наук, доцент

О.В. Воля

' - - - ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Интенсивное развитие орошения в Средней--Азии за последние 30 лет обусловило увеличение отбора воды из рек, вызвав существенные и необратимые изменения их естественного режима. Особенно резко это проявилось на самой большой реке Средней Азии - Амударье, где в большинстве случаев водоза- ' бор в оросительные каналы осуществляется простейшим бесплотин-нш способом. Широкое распространение такого типа водозабора в условиях Амударьи объясняется низкой стоимостью строительства и эксплуатации водозаборных устройств и особенностями гидрологического режима реки. Однако, как показывает опыт эксплуатации бесплотикных водозаборов Каршкнского магистрального канала и /илу-Бухарского машинного канала, после ввода их в эксплуатацию возникла проблема обеспечения устойчивости речного руст на участке водозабора„

Для решения этой проблемы требуется проведение исследований по выявлению причин неустойчивости русла",- а также для разработки мероприятий по их устранению.

Изучение характера и направленности руслового процесса, эсобенно в зоне действия бесплотинного водозабора, является актуальной задачей.

Однако, зная тип руслового процесса, его направленность, яце нельзя однозначно ответить на вопрос о числовых характеристиках руст, где происходит этот процесс. Такое знание позволило >ы сформулировать условия для решения задачи о деформации конк->етного участка русла. Поэтому, вводу сложности и многофакторности протекания русловых процессов в пространстве и во времени, а 'акже отсутствия строго теоретического освещения проблем речной ■вдравлики и динамики русловых потоков, исследователи прибегают использовании методов физического и татеиатического моделиро-ания путем осреднения гидравлических элементов потока и морфо-етрической характеристики русла реки. Эти оба метода дополняют руг друга, и в результате можно получить более достоверные од~. означные решения поставленной задачи.

Согласно выше изложенному одним из направлений в решении той задачи является создание достаточно точных, экономичных и о возможности более строгих математических моделей и алгоритмов 1С чета процессов, происходящих в районе бесплотинных водозаборов.

В последнее время увеличиваются мощности ЭВМ, создаются новые поколения персональных компьютеров как в нашей стране, так и за рубежом. Постоянно растет их парк и все большее число организаций оснащается ими, у служб эксплуатации растет заинтересованность снижения затрат за счет берегоукрепительных и очистных работ, что становится возможным благодаря численной реализации математических моделей физических явлений.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является изучение руслового процесса в районе бесплотинного водозабора. Основная задача, которую необходимо решить -это разработка математической модели, е достаточной степени точно описывающей русловые процессы б реке, плановые деформации русла, изменение концентрации наносов в потоке и другие явления, происходящие в районе бесплотиннкх Еодозаборов, а также позволяющей определять значения средних скоростей, отметок дна русла и отметок свободной поверхности потока, в условиях, когда основные характеристики потока зависят от количества переносимых потоком наносов. Этому условию отвечает большинство ре* и каналов. На основе разработанного способа расчета проведены численные исследования влияния начальных и граничных условий на динамику и параметры русловых деформаций. Результаты расчетов сопоставлены с имеющимися данными натурных исследований и лабораторных экспериментов Г.В.Поповой и А.Н.Крутова.

Для решения поставленной задачи произведены теоретические исследования способов расчета русловых деформаций с использованием классических уравнений технической гидродинамики.

На основе полученных уравнений разработаны алгоритмы и составлены программы на ЭВМ,

Ьыполнены систематические расчеты по разработанным программам и собраны данные натурных исследований русловых процессов в районе бесплот шитого водозабора в Наршинский магистральный канал. Произведено сравнение результатов с данными натурных исследований лабораторных экспериментов других исследователей.

Новизну работы составляет разработанный способ расчета русловых деформаций, отличающийся от известных методов более полным учетом действующих факторов, универсальность» и экономичностью.

Разработанный способ дает возможность следить за ходом руслового процесса в районе бесплотинного водозабора И СГО раЭ ВИТV,*9

тием, характеризуя его изменениями осредненных по глубине скоростей, отметок уровней воды, дна и т.п. Способ расчета позволяет учитывать возможные изменения во входном створе области расчета расходов воды и мутности потока, а также отметок дна и уровня воды. Кроме того, использование способа дает возможность получать плановые картины обтекания русловых форм, часто встречающихся в естественных руслах, а также учитывать криволиней-ность участка реки в плане.

Практическая ценность и экономическая эффективность.

Разработанный в процессе исследований численный способ может быть использован для расчета параметров потоков в деформируемых руслах, сложенных из легкоразиываемых несвязных грунтов, при возможных изменениях расходов, мутности воды в реке во входном створе, а также расходов воды, отбираемой из реки в каналы водозаборного уз ля.

Анализ результатов выполненных расчетов позволяет установить ход и направление руслового процесса в районе бесплотинного водозабора с привлечением минимального объема натурных изменений, что существенно упрощает и облегчает выбор оптимального вартанта при технико-экономическом обосновании проектируемых вариштов схем водозабора, и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих его бесперебойную работу. Разработанный способ может быть использован для прогнозных расчетов в процессе эксплуатации построенных бесплотинных водозаборов, результаты которых позволяют правильно организовать руслорегулировочные работы.

Внедрение. Разработанные конечно-разностные схемы, алгоритмы и программы использовались в САНИЙРИ при составлении прогнозов русловых процессов в районе бесплотинного водозабора в Кар-иинский магистральный канал.

Экономический эффект составил 179,4 тыс. руб.

Апробация работы .Мат ер гады диссертации докладывались на секции ученого совета НПО САНИЙРИ (1586-1989 гг.), на межкафед-ральнои семинареТИИШСХ (1589-1990 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и спецшлистов на тему:"Повышение эффективности мелиорируемых земель и водохозяйственного строительства (г. Тбилиси, 1987 г.)',' ."Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях нарастающего де-фщита" (г. Ташкент, 1988 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти г дав, заключения с выводами, списка использованной литературы, включающего 71 наименование (в том числе 9 на иностранных языках) и приложений.

Основное содержание работы изложено на 85 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАЕОТК

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, показана новизна, практическая ценность диссертационной работы и сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе выполнен обзор литературы по рассматриваемому вопросу с анализом основных методов расчета, а также методов экспериментальных исследований русловых деформаций, используемых в процессе проектирования, эксплуатации бьоплотинных водозаборов в оросительные каналы. В начале главы рассмотрены основные факторы, влияющие на ход руслового процесса.

При этом отмечено, что в ввду значительной сложности русловых процессов, определяемых значительным числом влияющих факторов при исследованиях направленности и типов этих процессов, часто ограничиваются изучением только тех факторов, которые имеют наибольшее влияние в каядом конкретном случае.

Наиболее значительные результаты, достигнутые в исследованиях русловых процессов и регулировании рек при водозаборах принадлежат В.М. Лохтину, Н.С. Лелявскому, Н.Е. Жуковскому, М.А, Ве-ликанову, И.И. Леви, М.В. Потапову, В.А. Шаумяну, М.Я. Милсвичу,

A.C. Офщерову, С.Т. Алтунин'у, И.В. Егиазаров^ А.М. Мухамедову,

B.C. Лапшенкору, А.Г. Хачагряну, Ю.А. Йбад-Заде, М.А.Михалеву и ДР.

Большой вклад в разработку численных методов расчета деформаций русел рек сделан О.Ф. Васильевым, А.Ф. Воеводиным, Г.А. Федотовым, В.М. Лятхерым, А.Н. Ми литеевкм, И.В. Шеренковым, М.З. Шапиро, С.Я. Школьниковым, А.Н. Круговым, А.П. Савщким, Ж.Е.Кюн-жым, М. Эбботом и др.

. Большинство современных исследователей в качестве исходной системы для математического описания руслового процесса принима-

ют систему уравнений Сен-Венана, дополняемую уравнениями сохранения твердой фазы или дисперсоида. При этом для замыкания получаемой системы уравнений используются некоторые дополнительные зависимости, получаемые эмпиричесним путем.

Вторая глава посвящена нраткому описанию результатов натурных исследований, проводившихся в районе бесплотинного водозабора в Каршинский магистральный канал (КМК) отделом русел НПО САНИИРИ в период с 1981г. по 1906 г., имевших основной целью изучение хода интенсивности и направленности руслового процесса в реке на участке длиной 5 км. Исследования включали визуальные и инструментальные наблюдения за характером протекания потока, образованием свальных течений к берегам, за интенсивностью размыва берегов.

За пять лет наблюдений русловых процессов были получены следующие результаты. На участке реки, прилегающем к точке бес- ■ плотинного водозабора в КЫК, периодически наблюдались свалы потока к левому берегу и размыв берега этим течением. При этом интенсивность смыва прибрежной полосы в среднем колебалась от 0,9 до 4,0 м/сутки в зависимости от высоты береговой кромки. Так, при высоте.берега не более 2,0 м над уровнем воды в реке средняя интенсивность смыва береговой полосы составляла 3 м/сутки. При высоте же берега 3,5 м и более интенсивность смыва достигла до ЦЗ м/сутки.

Глубина и скорость течения воды в зоне свала в среднем составляла соответственно 2,2 и 0,72 м/с при средней мутности воды 2,62 кг/мэ.

Максимальная поверхностная скорость за период наблюдения доходила до 2,04 м/с, а минимальная - до 0,42 м/с. Характер изменения максимальной и минишльной мутности воды в реке в районе водозабора в КМК за прошедшие годы приведен в таблице I.

Таблща I

Характер изменения мутности

1 Мутность, кг/м3 -Я I " 1'оды наблюдений

1 1 1 I 1 П Ш 1У У

Годовая максимальная 8,85 8,74 8,91 8,16 8,12

Годовая минимальная 0,48 0,57 0,50 0,56 0,50

Средняя годовая 4,20 4,10 4,16 3,52 4,12

о

При анализе данных натурных исследований установлены следующие эмпирические связи между основными гвдравлическими параметрами реки Амударьи:

а) / = 110Д-

(I)

где - транспортирующая способность потока, V* - динами-

ческая скорость потока, V - средняя скорость потока;

б) / = 0,ЯЯ8\/Е[ • " (2) '

где 0. - расход воды

I I П0'26

в) Н - 0,г23 Ц • (3) где Н - средняя глубина,

г). В = 0,219 0°'21 1 (4)

где ^ - средняя вирина русла реки,

Уточнен эмпирический коэффициент в формуле для определения транспортирующей способности потока

кт . ' ' <м

где Кт - коэффициент пропорциональности (рис. I),

V - средняя скорость потока .

Третья глава посвящена разработке математической модели деформации русла реки на учистке бесплотинного водозабора. Сложность задачи составления такой математической модели обусловлена тем, что она должна рассматривать движение жидкости и наносов при наиболее общем случае движения потока, учитывающем неустановившееся и неравномерное движение жвдкосги в легко деформируемом русле. При этом неустановившийся характер дзгстснта определяется многотиповой формой гццрографа жццксго стока в пери-

Нт £

аъ

аг

а <

10 3.0

Рис. I. График гависшости

од прохождения паводков.

Матеьагическое моделирование деформируемых речных русел требует правильного выбора исходных уравнений движения лсвдкостн и наносов, которые додало наиболее полно соответствовать условиям протекания руслового потока. Поэтому, в качество таких уравнении ¡вши были приюты системы-уравнений в ввде:

0 0 Ы иМ и ди ■ ¿У "02' Г -У--1. - А у> дх*

а и ж > 1 ку J у'"1 ду ;

! 1 (!Т дт. ,,, дну л,,. 0£ Р - 7- X 1 кг Л р* .де4 ог -^га, (6)

V (11, V --0 ,

где V , и , НУ - еосташшкщио вектора скорости по осям де-ыфгосой системе ко орд га и. т, ^ - коэффициент кинематической илокссги, [¿х , ¡ку , 1кг - составляющие силы Кориолпса, отнесенные к единице кассы жццкости, X , У , ^ - составляющие

иоктсуй грагишцшшшх сил, Р* - плотность жидкости,

Р-

дашч-нкй е точках, 1 - врскя.

Приняв допущения о »¡аюетн вертикальной составлявшей сред-

ней скорости течения жадности ( 10" ) по сравнению с ее продольной и поперечной составляющей ( ) и ( ТА ), несжимаемости жидкости, гвдростаткческом распределении давления по вертикали, отсутствии влияния твердой фазы на основные параметры потока, получим систему уравнений:

к

дп . пдП а дгп ¿.лгцкГ

кх »

<

¿1.VI)-= 0.

Произведя осреднение по глубине и пренебрегая неравномерностью скорости по вертикали с некоторыми дополнительными обозначениями систему уравнений ыожно представить в вцде:

<

ди. ,пЭй . пЗдц.лГЗ^ ^и! '..с .

где К( - поправочный коэффициент, ^ , 11 - продольная и поперечная составляющие средней скорости, потока та. вертикали.

Скорость изменения координат отметок дна и ширину русла можно определять с помощью следующей системы уравнений:

$$ ьЪушНу = щ^-рт)^ ;

ЧГг =0, если. 1г ; ^

VI еии у/мА.Ку.УЬс г

где об - пористость донных отложений, 1Г - естественный коэффщиент устойчивости грунта, , рт - фактическое содержание наносов и транспортдующая способность потока,

Кг - коэффициент, учитшащиЯ влияние скорости оса?хдения и взмучивал до наносов, М - кооффщиен? пропорциональности, % - интенсивность смыва берега.

Уравнение сохранения баланса накосов имеет ззд:

Таким образом^общая система уравнений,описывающая деформацию русла реки и движение потока, получает следующее выражение:

Эй ,г,3ц , я дй _ . .л[дгй ^ дги] кл"! .с .

= 0 ; (П)

- 0, сели уилА ^ ^ I г

Для полученной сизтемы уравнений принимаем граничные условия: _

а) граница "вода-вода" ¡Ц ^ ~

б) гратца "вода-вода" - выход принимаем граничное условие :

II?-ад.

где П - единичный нормальный вектор в зоне оттока ,

в) граница "вода-грунт" - берег, где £ - единичный вектор к берегу:

V, й = 0 М,0. Ш)

¥¿(1) - известные функции;

При помощи сформулированной модели могут быть решены следующие задачи:

деформации русел во время паводков ; деформации русел ниже притоков ;

прогноз изменения режима течения и транспорта наносов вследствие строительства плотин.

Четвертая глава посвящена выбору численного метода решения. Рассмотренные в третьей главе математические модели для описания процессов деформации дна представляют собой систему дифференциальных уравнений в пространстве трех измерений, причем время также является одной из координат. Несмотря на сложность описываемых моделями процессов, исследованиями Е.М. Лятхера иА.Н. Мил-литеева показано, что они поддаются численной реализации. Анализируя, современные методы приближенных решений дифференциальных уравнений, был сделан вывод о целесообразности использования в наших решениях метода конечных разностей, заключающегося в замене производных ди{ференци».льного уравнения разностью значений искомых функций на узлах некоторой сетки.

При представлении производной по времени били использованы явные и неявные схемы расчета.

Для аппроксимации конвективных членов использовались сле-

V 7-0 ; (15) # < 0 ; (16) V- >0 ; (17)

V < 0 . (18)

Проведенные численные исследования позволяют выявить конеч» но-разностную схему, которую без особых ограничений можно использовать при расчетах резконестационарных течений. , _

Пятая глава посвящена изложению результатов расчетов и их сравнению с данными натурных исследований, проведенных в районе бесплотинного водозабора в КМК. Следуя рекомендациям А.Н. Мил-литеева, проведены численные расчеты задач о внезапном расшире-

дующие конечно-разностные схемы:

г Л -А-* ^ ■ дх при

■»Ж- ■ ох ^ ДХ при

дх при

V Эх лХ при

нии русла и обтекания острова.

На рис. 2 показаны результаты расчетов внезапного расширения при отношении шуфины подходящего и отводящего русел 0,2. Сравнение размеров водоворотных зон, полученных расчетом и измеренных в экспериментальном лотке, дали удовлетворительное совпадение . ■

На рис. 3 приведены результаты расчета обтекания острова. Поперечные составляющие скорости эа островом и перед ним сравним с продольными. Перед островом наблюдается увеличение средней скорости потока, что может привести п.появлению размыва на данном участке. Средняя скорость на участке деления и в рукавах увеличивается на 30-40% по сравнении со значениями во входном створе.

За островом возникают обратные течения, значения средних скоростей которых составляли Iü—Iот средней скорости потока во входном створе. Учет'переменности уровня свободной поверхности позволил рассчитать водоворотные зоны за обтекаемым островом. Шличие таких зон подчеркивает способность модели описывать сложные поперечные течения в руслах рек с неустойчивой формой русла (острова, протоки и т.д.)

По составленной модели производились расчеты деформации русла в районе бесплотинного водозабора в КМК. Сравнение результатов расчетов, натурных исследований показано на рис. 4.

Некоторые расхождения между результатами расчетов и таблю-Д'аемши отметками дна, по-видшому, можно объяснить влиянием отрывных течений, возникающих за островом ниже точки водозабора. Отметки свободной поверхности воды практически совпали во все периоды расчета.

Изменение поперечного профиля реки в районе бесплотинного водозабора по результатам расчета и натурных измерений представлено на рис. 5.

Как ввдно из рисунка, результаты . расчетов достаточно -хорошо совпадают с данными натурных исследований.

Сопоставление результатов расчетов, проведенных другими методами, показало лучшую сходимость предлагаемого способа с данными натурных исследований.

вывода

I. В процессе исследований разработана математическая мо~

Г2

В

Bsc 2 Пала средних сковостеи (гто глубин») потока при возков сасиир8нии(§/3=С.2) '

—о.

I

^ /

—

1-дс. 3 * Пола срадиих скоростей (по потока

о

ггр.т сЗтекаша оотрэв:нтг*0.1)

/

к*

гчч

¿vi

¿kD

Огиэтки уровня вод»

отметки дяа

15.05.1984г.

17.07. Т5В4г. исходное дно через 32 сут.

03

£Н\

Ú

/во ¿оо Л ар >/0<г -30а rao 800

Рлз. 4 ; 'Лэиэнакие атлегок дна и уровней воды реки Амударья в районе "Зесплотинного водозабора в КМХ

¿.о

3.0

я*

• » » • • •

отаетта дка 20,05.1984г.

отигпга дна -21.06.1984р.

отпетки дна в начала расчета

отиеткл дна чэсез 30 су т.

* б ; Формирование поперечного гэчаиая ¡уела ргки Амударю в районе беашютанного водозабора в 1СГК

дель, описывающая в двухмерной постановке деформации русел и каналов, сложенных несвязными грунтами, и учитывающая различие транспортирующей способности и фактического содержания наносов в потоке в процессе нестационарного размыва. Модель включает рассчитываемые функции: среднюю скорость, отметки свободной(поверх-ности, отметки дна, мутность воды и коэффициент, характеризующий скорость насыщения потока наносами.

2. Установлена функциональная связь между мутностью и средней скоростью потока.

3. Установлена функциональная связь между основными морфологическими параметрами потока для конкретного участка реки Амударьи.

4. Разработана конечно-разностная схема, возволяющая с достаточной точностью рассчитывать ход русловых процессов с учетом работы бесплотинного водозабора.

5. Подробное исследование на тестовых задачах различных неявных конечно-разностных схем позвйлило выявить особенности их поведения и области применения. Для решения задач, связанных

с определением параметров реэконестационарных потоков, выбрана наиболее эффективная схема.

6. Сравнение имеющихся результатов наблюдений на реальных объектах с численными расчетами по предлагаемому способу подтверждает возможность использования предлагаемой модели для определения параметров плановых и глубинных деформаций русел рек и каналов, сложенных несвязными грунтами, показывает эффективность и достаточную точность предлагаемого способа расчета.

?. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании бесплотинных водозаборов для решения задач прогноза плановых и глубинных деформаций, качественных изменениях в кинематической характеристике потока в связи с водозабором.

8. Благодаря проведенным исследованиям удалось предложить рациональную схему размещения земснарядов, обеспечивающих бесперебойную работу бесплотинного водозабора в КМК.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

I. Некоторые результаты исследований наносного и гидравлического режима работы бесплотинного водозабора // Повгаьениэ эф-

фективности мелиорируемых земель в водохозяйственном строи -тельстве. Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. Тбилиси. 1987. с. 209. Соавтор Хамдамов Ш.Р.

2. Поверхностно-неодносвязное движение водного потока применительно к расчету обтекания острова // Пути повышения эффективности использования водных ресурсов в условиях использования нарастающего дефицита. Всесоюзная конференция молодых ученых. Ташкент. 1987. с. 33. Соавтор Савицкий А.Г.

3. Анализ численных решений, полученных на неравномерных сетках// Груды ГШШСХ. 1991. с. 12-16.