автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Основы инженерной оценки переформирования берегов, ложа и изменения морфометрических параметров равнинных водохранилищ в период эксплуатации

На правах рукописи

Схй

Соболь Илья Станиславович

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ОЦЕНКИ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ БЕРЕГОВ, ЛОЖА И ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАВНИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.23.07 - Гидротехническое строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 СЕН 2015

Самара-2015

005561891

005561891

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, ФГБОУ

ВПО «Московский государственный университет природообустройства» Румянцев Игорь Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ОАО «Институт

Гидропроект» (г. Москва), заместитель начальника отдела водного хозяйства и охраны окружающей среды Асарин Александр Евгеньевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» (г. Новочеркасск), профессор кафедры гидротехнических сооружений и строительной механики Волосухин Виктор Алексеевич доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт мерзлотоведения» Сибирского отделения РАН (г. Якутск), главный научный сотрудник лаборатории инженерной геокриологии Чжаи Рудольф Владимирович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «29» октября 2015 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.213.02 в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194 и на вебсайте http://www.samgasu.ru/

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент А" А- Михасек

Общая характеристика работы

Актуальность темы. По данным Международной комиссии по большим плотинам в 2000 г. в мире насчитывалось более 45 тыс. водохранилищ. Приблизительно 0,5 - 1 % их полного объема терялось ежегодно из-за накопления донных отложений. Это означает, что в ближайшие 25 — 50 лет четвертая часть запасов воды в водохранилищах может быть потеряна. С учетом такой ситуации на 24 -м конгрессе по большим плотинам (Япония, 2012 г.) была принята Всемирная Декларация «Роль водохранилищ в обеспечении устойчивого развития», содержащая призыв активнее развивать водную инфраструктуру, что необходимо для устойчивого функционирования и быстрого роста экономик всех стран. В России на 1986 г. насчитывалось 2263 водохранилища объемом более 1 млн м3 каждое и их значение в экономике страны трудно переоценить. Подавляющее большинство (96 %) российских водохранилищ относится "к долинному типу, который доминирует и в других странах мира. Наибольшее количество водохранилищ - равнинные: в группе с объемом свыше 10 млн м3 - 88 %, с объемом 1-10 млн м3 - 93 %. При этом из 327 водохранилищ объемом более 10 млн м3 242 расположены на европейской и 85 на азиатской территории, а из 1936 водохранилищ объемом 1 - 10 млн м3 1565 расположены на европейской территории. К 2005 г. число водохранилищ в России возросло до 2290. Объектом диссертационного исследования определены равнинные долинные водохранилища. В виду предстоящего продвижения гидроэнергетического и водохозяйственного строительства на северо-восток страны, значительное внимание уделено водохранилищам в криолитозоне.

Основные морфометрические параметры водохранилищ представляются кривыми объемов и площадей зеркала. Большинство российских водохранилищ эксплуатируются с использованием проектных кривых, теряющих с течением времени относительную первоначальную достоверность вследствие переформирования берегов и трансформации ложа. Проблема инженерной оценки изменения со временем морфометрических параметров действующих и перспективных водохранилищ в связи с прогнозированием изменения их об-

щей емкости, в т.ч. при разработке и реализации стратегии государственной безопасности в направлениях водо - и энергообеспечения, корректированием схем комплексного использования водных объектов, определением необходимости отчуждения или защиты прибрежных территорий от вредного воздействия вод, обеспечением экологической безопасности в регионах, приобретает практически важное значение для экономики России, как и других стран. Эта научно-техническая проблема составила предмет диссертационного исследования.

Связь диссертационного исследования с научными программами. Исследование, результаты которого явились основой диссертации, велось в составе: Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» в 2002 — 2003 гг. по теме 02.04.029 «Разработка и совершенствование технических решений и технологий строительства инженерных сооружений в северной строительно-климатической зоне»; Тематических планов НИР Федерального агентства по образованию в 2002 - 2010 гг. по теме «Изучение, прогнозирование и регулирование процессов взаимодействия гидроузлов и водохранилищ с окружающей средой в сложных природных условиях» (№№ гос. рег.01200203457; 01200503786; 01200703961; 01200902465); АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий» в 2009 - 2011 гт. (№№ гос.рег. 01200902821; 01201152852), «Исследования процессов взаимодействия водохранилищ с основаниями и берегами в сложных природных условиях» в 2011 г. (№ гос.рег. 01201152861); Государственного задания Министерства образования и науки РФ на 2012 — 2013 гг. по теме «Экспериментальные и теоретические исследования поведения водохранилищ и плотин энергетических гидроузлов на эксплуатационной фазе жизненного цикла» (№ гос.рег. 01201256972); ФЦП «Возрождение Волги» и российско-германского проекта «Волга-Рейн»; фанта Прави-

тельства Нижегородской области; договорных НИР практической направленности с АК «Алмазы России-Саха», Верхне-Волжским БВУ Федерального агентства водных ресурсов МПР России, ОАО «Русгидро» и др; программы докторантуры в 2010 - 2013 гг. по специальности 05.23.07 - Гидротехническое строительство.

Цель и задачи диссертационной работы. На современном этапе решения проблемы цель диссертации заключалась в формировании теоретических основ установления количественных закономерностей изменения морфометриче-ских параметров равнинных водохранилищ европейской территории и северо-востока России в эксплуатационный период, включая модификацию существующих и разработку новых методов прогноза переформирований берегов и ложа на базе результатов многолетних натурных инструментальных наблюдений, для развития научных исследований, обоснования инженерных решений проектируемых и обеспечения мониторинга находящихся в эксплуатации объектов.

Для достижения поставленной цели в число основных были включены следующие задачи:

1. на базе анализа фактических и эвристических знаний актуализировать проблему инженерной оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ в период эксплуатации, обосновать ее практическую значимость для экономики страны на предстоящие годы, необходимость проведения научных исследований, систематизировать их направления и предложить методологический подход к решению проблемы;

2. провести визуальные и инструментальные натурные наблюдения за абразионными и термоабразионными берегами водохранилищ в средней полосе и на северо-востоке страны, посредством системного анализа сопряженных в пространстве и времени полученных новых данных и привлеченных материалов прошлых лет выявить и уточнить наблюденные закономерности, сформировать унифицированный ряд инфологических моделей природно-техногенных процессов берегопереформирований;

3. разработать математические модели, развить существующие и теоретически обосновать новые методы расчетов переформирования абразионных берегов водохранилищ средней полосы и термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны для выполнения вариантных и перманентных постворовых и поучастковых прогнозов на этапах проектирования и эксплуатации;

4. провести расчетно-теоретические исследования берегопереформиро-ваний на действующих водохранилищах разработанными методами для их верификации, обоснования технической эффективности и в практических целях;

5. выполнить натурные и теоретические исследования трансформации со временем подводного рельефа, включая системный анализ и обобщение материалов прошлых лет об осадконакоплении в водохранилищах, реализацию технологий съемки дна с воды и со льда, математическое моделирование оттаивания и тепловой осадки ложа (в криолитозоне), уточнение морфометрических параметров водохранилищ на базе создаваемых цифровых моделей рельефа;

6. осуществить формализацию закономерных связей между темпом изменения морфометрии водохранилищ и природными факторами с помощью математических средств, предложить и разработать метод синтеза динамической модели процесса, выявить и теоретически обосновать общие количественные закономерности изменения с возрастом морфометрических параметров водохранилищ средней полосы и криолитозоны России;

7. обеспечить решение поставленных теоретических задач на ЭВМ.

Методология и методы исследования. Проблема оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ в период их эксплуатации рассмотрена в диссертации с позиций гидротехники с использованием представлений системного анализа, инженерной геологии, механики грунтов, гидрологии, гидромеханики, теплофизики, элементов статистики и математического моделирования.

Для решения проблемы избран следующий методологический подход: путем анализа разрешить теоретические вопросы при исследовании основных процессов, приводящих к изменению со временем морфометрических парамет-

ров водохранилищ, а для выявления общих закономерностей динамики последних применить синтез; при этом в базу анализа положить результаты натурных наблюдений и измерений, многофакторное математическое моделирование и прогнозирование трансформации берегов и ложа водохранилищ, в базу синтеза - систематизированные количественные данные об изменении морфометриче-ских параметров водохранилищ средней полосы и криолитозоны России, полученные в результате анализа.

При ограниченной доступности и высокой стоимости экспедиционных работ и стационарных наблюдений на водохранилищах, в качестве эффективного и малозатратного способа оценки и контроля активности рассматриваемых процессов применено прогнозное моделирование. Разовый прогноз признан анахронизмом, а наиболее приемлемыми для современной практики - вариантный прогноз (при проектировании водохранилищ) и перманентный прогноз (при эксплуатации). Основным средством прогноза приняты детерминированные виртуальные модели. Такие модели включают в себя: геометрическую, инженерно-геологическую, гидрологическую, температурную (в криолитозоне) модели расчетной области; инфологическую и имитационную математическую модели процесса; программу для ЭВМ, реализующую математическую модель. Трансформация чаш водохранилищ - процесс многофакторный, при этом часть факторов (волнение, уровень воды, температурные условия и др.) обнаруживает стохастическую природу, что учтено путем создания вероятностных моделей.

Адекватность прогнозных моделей рассматриваемым процессам могла быть оценена только эмпирически. Для этого использованы результаты проведенных исследований на действующих водохранилищах. Сходимость прогнозных величин с фактическими считалась хорошей, когда относительная ошибка не превышала 10-20 %, удовлетворительной - 20-50 %.

Направленность, количественные характеристики исследованных процессов выявлены и продемонстрированы на примерах конкретных водохранилищ в соответствии с их классификацией по размерам и расположением в природно-климатических зонах страны.

Научная новизна работы заключается в полученных результатах, совокупность которых представляет собой актуализацию, первое теоретическое обобщение и решение на уровне современных знаний научно-технической проблемы, имеющей важное значение для гидротехнического строительства и водного хозяйства страны. В частности:

1. посредством восстановленных натурных наблюдений по сохранившимся створам с привлечением материалов прошлых лет впервые получены количественные характеристики переформирований абразионных и термоабразионных берегов больших и малых водохранилищ за весь многолетний период их эксплуатации, также новые данные о размываемости пород береговых склонов;

2. по результатам многолетних натурных наблюдений генерирован ряд инфологических моделей, на базе энергетического подхода разработаны многофакторные детерминированные прогнозные математические модели для анализа переформирования берегов абразионной и термоабразионной генетических групп на водохранилищах средней полосы и криолитозоны;

3. сформулирован и разработан адаптивный (вероятностный) метод экстраполяции многолетних рядов наблюдений и прогнозирования количественных характеристик береговой абразии и термоабразии;

4. в части научно-прикладных основ оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ вследствие осадконакопления разработаны и осуществлены технологии съемок дна с воды и со льда посредством автоматизированных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ с созданием цифровых моделей донного рельефа;

5. в части теоретических основ оценки изменения со временем морфометрических параметров водохранилищ криолитозоны разработаны оригинальные многофакторные детерминированные прогнозные математические модели для анализа температурного режима основания и бортов водохранилищ с учетом тепловой осадки оттаявших пород;

6. для выявления закономерных связей между темпом изменения морфометрических параметров водохранилищ и природными факторами предложен и

разработан метод синтеза динамических моделей процессов по измеренным характеристикам неоднородных объектов, дано теоретическое обоснование с проверкой в натурных условиях необходимости учета фрактальных свойств береговой линии при измерении ее длины и площади зеркала водохранилищ;

7. из результатов аналитического обобщения авторских и привлеченных количественных натурных данных впервые синтезированы общие закономерности изменения объема, площади зеркала и длины береговой линии больших и малых водохранилищ средней полосы и криолитозоны России в период их многолетней эксплуатации.

Достоверность научных результатов обеспечена применением передовых технологий и сертифицированного оборудования в натурных исследованиях, правомерностью формализации рассмотренных процессов, многократно подтвержденной хорошей сходимостью данных математического моделирования с натурными данными за периоды многолетней эксплуатации водохранилищ, репрезентативностью статистических выборок при синтезе общих закономерностей, отсутствием противоречий с признанными научными положениями.

Личный вклад автора выразился в постановке проблемы,-формулировании методологических основ ее решения, планировании, организации и осуществлении натурных экспедиционных исследований с обработкой полученных данных, создании методов и алгоритмов расчетов поставленных задач, анализе и обобщении полученных результатов, доведении научных разработок до практического использования. В начала теории автора ввел д.т.н., профессор C.B. Соболь, в экспедициях, обработке результатов, расчетных исследованиях участвовали аспиранты Д.Н. Хохлов, В.М. Красильников, A.C. Крупинов, Е.А. Гнетов, эффективную поддержку в вопросах программирования для ЭВМ оказали к.т.н., доценты E.H. Горохов, В.И. Логинов, стимулирующее внимание к работе проявил научный консультант автора в докторантуре д.т.н., профессор И.С. Румянцев. Всем им автор искренне благодарен.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что выявленные общие закономерности дают объективное представление о дина-

мике процессов переформирования берегов, ложа и изменения морфометриче-ских параметров равнинных российских водохранилищ в эксплуатационный период, а предложенные методы предназначены для выполнения научно обоснованных прогнозов этих процессов при разработке проектных решений по водохранилищам гидроузлов, организации их эффективной эксплуатации и реконструкции, а также могут быть использованы в научно-исследовательской и инженерно-педагогической деятельности.

С использованием разработанных методов и технологий выполнены прогнозы берегопереработки, созданы цифровые модели донного рельефа, уточнены морфометрические параметры Рыбинского, Горьковского, Вилюйского водохранилищ - в целях мониторинга, Чебоксарского - в проекте завершения строительства с повышением уровня до НПУ, Пензенского — при разработке СКИОВО, осуществлен ряд проектов берегоукреплений на больших водохранилищах и проектов малых водохранилищ. Результаты диссертационной работы включены в учебный процесс ННГАСУ и других вузов.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования обсуждались и были одобрены на научном семинаре «Инженерно-геологическое изучение термокарстовых процессов и методы управления ими при строительстве и эксплуатации сооружений». — С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1998; международном симпозиуме «Геологические проблемы строительства на востоке России и севере Китая». - Чита, 1998; проскуряковских чтениях «Проблемы гидрофизики при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов энергетики». — С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2001; международном симпозиуме по строительству на вечной мерзлоте. — Якутск: ИМ СО РАН, 2002; международном семинаре «Волга-Рейн: технологии и окружающая среда». - Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2002; научно-практической конференции по результатам реализации Межотраслевой программы Министерства образования и Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». — Москва: МГСУ, 2003; международной научной конференции «Костяковские

чтения». - Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2005; научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» -Кемерово, 2006; первом международном ноосферном северном форуме «Но-осферизм: арктический взгляд на устойчивое развитие России и человечества в XXI веке». - С.-Петербург, 2007; международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов». - Пермь, 2009; всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск, 2010; IX и X международных симпозиумах «Проблемы инженерного мерлотоведения». - Мирный, 2011 и Харбин, 2014; V российском форуме «Российским инновациям - российский капитал». -Н.Новгород, 2012; международном форуме по проблемам науки, техники и образования. - Москва, 2012; научных конгрессах международного научно-промышленного форума «Великие реки». - Н. Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2012; VII всероссийском гидрологическом съезде. - С. -Петербург, 2013.

Публикации. Материалы диссертации размещены в 65 публикациях, в том числе 28 статьях в научных журналах, рекомендуемых ВАК, текстах одной авторской и четырех коллективных монографий. Получены три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников в 478 наименований, изложена на 467 страницах, включая 187 рисунков, 67 таблиц, 52 страницы приложений.

Положения, выносимые на защиту:

1. результаты проведенных под руководством и при участии автора инструментальных натурных наблюдений переформирования абразионных и термоабразионных берегов эксплуатируемых водохранилищ;

2. разработанные математические модели, методы и результаты прогнозов переформирования абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ;

3. реализованные технологии натурной оценки и разработанные математические модели трансформации донного рельефа водохранилищ вследствие накопления наносов и тепловой осадки ложа (в криолитозоне);

4. результаты аналитических обобщений количественных натурных и расчетных данных и синтезированные общие закономерности изменения объемов, площадей зеркала, длин береговых линий больших и малых водохранилищ средней полосы и криолитозоны России в период многолетней эксплуатации.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, методология исследования, показаны научная новизна, достоверность, практическая значимость полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе показано приоритетное значение водохранилищ для обеспечения водными ресурсами населения и экономики России, в том числе на северо-востоке в области вечной мерзлоты. Обоснована необходимость инженерной оценки изменения в период эксплуатации морфометрических параметров действующих и перспективных равнинных водохранилищ - как решения научной проблемы, приобретающей важное значение в техническом, экономическом, социальном, экологическом аспектах для водного хозяйства России, как и других стран. Количественным анализом значимости выявлено, что определяющими изменение основных морфометрических параметров водохранилищ являются процессы переформирования берегов абразионной (термоабразионной) генетических групп и трансформации ложа вследствие накопления наносов или тепловой осадки (в криолитозоне):

Р(2В, о = р0 (2В) ± ДРБ (гв, о, цгв, с) = ¿0(2В) ± Д£Б(гв, о, (1)

IV(гв,ь) = вдв) - с) + woc (гй,с) (2)

где Г, Ь, IV- площадь зеркала, длина береговой линии и объем чаши, зависящие от уровня водохранилища и времени его эксплуатации Ь ; 10 1\Г0 - то же в момент начала нормальной эксплуатации; ДГе, АЬб - то же, зависящие от пере-

формирования берегов; Wa - объем аккумуляции наносов и продуктов разрушения берегов в водохранилище; - объем тепловой осадки ложа водохранилища (в криолитозоне). Значения A Fe (Zb, t), ALB(ZB,t), Wa (ZB, t), VK0c (ZB, t) определяются в результате натурных наблюдений и прогнозных расчетов. В соответствии с данной формулировкой было решено провести исследование обозначенной проблемы.

Через аналитический обзор публикаций отечественных и иностранных исследователей сформировано представление о научно-техническом состоянии проблемы.

Различные аспекты поведения водохранилищ освещались в трудах А.Б. Авакяна, А.Е. Асарина, Н.И. Алексеевского, Н.В. Арефьева, М.И. Бальзаннико-ва, А.Н. Богомолова, Ю.С. Васильева, СЛ. Вендрова, В.В. Волосухина, В.К. Дебольского, В.В. Дегтярева, Д.В. Козлова, JI.H. Рассказова, К.И. Российского, И .С. Румянцева, A.M. Черняева, К.К. Эделыптейна и др. Изучение береговых процессов на водохранилищах в нашей стране связано с именами: Е.Г. Качугин, Н.Е. Кондратьев, Е.К. Гречищев, Б.А. Пышкин, Л.Б. Иконников, В.Л. Мак-симчук (энергетические методы прогнозов абразии), Г.С. Золотарев Л.Б. Розовский, Д.П. Финаров (сравнительно-геологические методы), В.К. Епишин, В.Н. Экзарьян, Е.В. Коломенский, А.Л. Рагозин (вероятностные методы), Д.Д. Лап-по, А.Ш. Хабидов, И.О. Леонтьев (численно-аналитические методы), C.B. То-мирдиаро, Ю.Л. Шур, В.М. Гуревич, А.И. Ермолаев, Ф.Э. Арэ, Е.С. Гоголев, Р.В. Чжан, C.B. Соболь, A.A. Каган, Н.Ф. Кривоногова (берега водоемов крио-литозоны). Осадконакопление в чашах водохранилищ исследовали И.С. Румянцев, В.П. Курдин, Н.В. Буторин, H.A. Зиминова, В.В. Законное (на р. Волге), Ю.М. Матарзин (на р. Каме), В.А. Клюева (на р. Дону), А.И. Денисова (на р. Днепре), В.М. Широков (на реках Сибири) и др. Работы по расчетам температурного режима в основаниях водоемов криолитозоны публиковали П.А. Богословский, C.B. Соболь, А.К. Битюрин, A.B. Янченко, A.B. Февралев, В.Т. Бало-баев, A.M. Цыбин, Ю.Г. Шасткевич, Г.М. Фельдман, Т.С. Оникиенко, В.Б. Гла-говский, Р.В. Чжан. Большинство названных российских ученых вели исследо-

вания в 1960 - 1980-е гг. В начале 2000 -х гг. были выполнены работы по уточнению морфометричееких параметров нескольких волжских и камских водохранилищ, инициированные ННГАСУ в 1998 г. для Чебоксарского водохранилища в российско-германском проекте « Волга-Рейн». Работы специалистов других стран по береговой динамике касались исключительно морей, а для водохранилищ известны работы по их заилению.

Выполненный обзор позволил резюмировать, что в прежние годы учеными России велись плодотворные исследования переформирования берегов и осадкообразования в водохранилищах. Не подлежит сомнению, что достижения пионеров моделирования развития берегов водохранилищ явились значительными, однако задачу количественного описания береговой динамики нельзя считать ими решенной. Основоположники изучения осадкообразования в водохранилищах подготовили методологическую основу натурных исследований этого процесса, но вопросы трансформации ложа равнинных водохранилищ остались за пределами их научных изысканий. Авторы единичных работ только затронули вопрос о трансформации ложа водохранилищ криолитозоны. При этом в теории прежних лет не обнаружилось методик, способных формализовать нетривиальные связи системы «вода - берега и ложе водоема» с изменением морфометричееких параметров водохранилищ во времени. Комплексная проблема исследования изменения морфометричееких параметров водохранилищ в эксплуатационный период как таковая не ставилась. Ввиду научно-теоретической и практической значимости для гидротехнического строительства и экономики страны, назрела необходимость развития и обобщения исследований по проблеме, ее научного освоения и инженерного решения на современном уровне знаний, что и предпринято в диссертации.

В второй главе рассмотрено переформирование берегов как составная часть общего процесса развития котловин равнинных водохранилищ европейской территории России в направлении изменения площадей зеркала при многолетней нормальной эксплуатации.

В 2007 - 2012 гг. были проведены рекогносцировочные обследования берегов 16 водохранилищ на реках Свири, Сухоне, Шексне, Волге, Суре, Каме, Дону, в результате, с привлечением материалов прошлых лет, конкретизированы постулированные в 1970 -х гг. и выявлены новые качественные закономерности их эволюции, проявившиеся за многолетний период; в частности показано, что протяженные участки берегов водохранилищ, заполненных в 1940 -1970 -х гг., до сих пор подвержены неравномерно -замедленному процессу абразии с признаками стадии динамического равновесия во многих местах; в итоге сформулирована инфологическая модель абразии берегов больших (>100 км2) равнинных водохранилищ , крупноагрегатированная по ее годовым (сезонным) циклам.

Многими исследователями, в их числе автором, была подтверждена пря-мопропорциональная зависимость между энергией воздействующего на берег волнения Е и объемом берегопереработки W в энергетическом методе Е.Г. Ка-чугина. На базе его идеи и основы, воспроизводящей закон сохранения и превращения энергии, в согласии с инфологической моделью нами разработана детерминированная двумерная математическая модель переформирования абразионного берега водохранилища. Посредством авторской программы «Берега» модель поставлена на ЭВМ для выполнения вариантных постворовых прогнозов на заданный срок (tnpea < t) или до затухания абразии после образования волноустойчивой отмели с заданным уклоном. Параметры абразии, при известных коэффициентах размываемости пород берега Кр и аккумуляции продуктов размыва Ка, находятся с помощью итераций, когда циклично повторяются процедуры: построения профиля берега с координатами верхнего и нижнего концов отмели xB(t), zB и xH(t), zH; определения объемов разрушенного Wp(t) и аккумулированного в отмели Wa(t) грунта на 1 пог. м берега как площадей многоугольников

W(t) = \ |Z£=iOk + *fc+1) • (zfc - Zk_jI (3)

с номерами вершин к от 1 до п; оценки времени выработки профиля

t=[Wp(t)/E-K6(t)-Kppj; (4)

проверки условия Ka(t) = Wa(t)/Wp(t) > Ка для остановки расчета. При этом, в отличие от метода Е.Г. Качугина, в нашей модели переменные величины коэффициента учета высоты берега Кб(0 и показателя снижения интенсивности абразии b(t) в (4) не задаются приблизительно, а определяются точно в ходе расчета. В модель также включен разработанный алгоритм расчета энергии волнения Е, воздействующей на берег, и предусмотрена возможность учета колебаний уровня водохранилища.

При значительной продолжительности инструментальных наблюдений за берегом и зафиксированной однонаправленностью берегового процесса возможно вероятностное моделирование абразии. Для этого предложен и разработан адаптивный (вероятностный) метод. В основу метода положена идея учета множества экспертных заключений в виде гипотетических трендов динамики процесса. Структура модели имеет вид у = f(t), где у - вектор характеристик процесса (отступание бровки берега, объем размытой породы, ширина береговой отмели и т.д.), t - время, f - некоторая функция. Из наблюденных величин составляется временной ряд, который равномерно (At=l) табулируется на временном интервале от ti до tn до вида

у(к),у(к + 1),.........У(А + к)..........у (О, (5)

разбивается на 2 части: обучающую и экзаменационную выборки

yCtj),.........,у(т),прит< t„; у(т + 1)...........y(tn), (6)

по данным обучающей выборки строится набор аппроксимирующих трендов

<J>i(0...........<Ы0 (7)

с вычислением нормированных весовых коэффициентов Wj(t) каждого из них, затем выводится средневзвешенное выражение модельного временного ряда

v(0=Zf=i^(t)-o;(t), (В)

после чего оценивается относительная ошибка моделирования. В случае качественного моделирования формируется адаптивный прогноз на срок tp в виде средневзвешенного выражения экстраполированных значений ряда

Г (tn + Z) = ±£f=1 Wi'Y^tn + 0. (9)

Механизм использования весовых коэффициентов ХУ^) и адаптация (самоприспособление) к мнению «экспертов» на интервале экзаменационной выборки (£1 + т) < £ < Сп позволяют достичь наилучшей экстраполяции данных за пределы (^ + т) обучающей выборки. Расчет ведется на ЭВМ по составленной программе. Метод доступен для перманентного прогноза.

В 2009 - 2011 гг. автором были организованы и проведены с аспирантами измерения профилей абразионных берегов на Горьковском (13 створов на 4 участках) и Чебоксарском (44 створа на 25 участках) водохранилищах сопряженно с привлеченными материалами наблюдений соответственно за 1957 -1985 гг. и 1981 - 1986 гг., в результате впервые получены количественные характеристики берегопереформирований за весь многолетний период эксплуатации больших равнинных водохранилищ. Так, на участке №1 левого берега озерной части Горьковского водохранилища (рисунок 1) за 1957 - 2010 гг средняя скорость отступания бровки берегового обрыва составила 1,1 м/год (рисунок 2). Получены, также, новые данные о размываемости пород береговых склонов в диапазоне Кр = (0,665 - 0,009)-10"6 м3/Дж для использования в прогнозах берегопереработки.

Измерения профилей абразионных берегов Горьковского и Чебоксарского водохранилищ были выполнены средствами высокоточной геодезии с координатной привязкой через вИББ, поэтому их результаты достоверны. По натурным данным проведена верификация энергетического метода, показавшая относительную погрешность расчетов по объему размытого грунта в створах берегов за 30 - 53 года эксплуатации водохранилищ 11,8 - 1,7 %, по отступанию бровки берегов 0,3 - 0,7 %. Данные энергетического и адаптивного поучастко-вых прогнозов на Горьковском водохранилище за период от 2010 г. до 2020 г. разошлись по величине отступания бровки берегов на 0,9 %, по средней скорости отступания на 14,0 %. Это вполне приемлемые результаты, гарантирующие относительную достоверность расчетных прогнозов обоими разработанными методами.

а

Расстояние 01 репера, и

Наблюденные параметры абразии на осень 2010 г.: смещение бровки берегового обрыва от первоначального уреза НПУ - 52,8 м; высота берегового обрыва над НПУ - 13,9 м; ширина береговой отмели - 79 м, в т.ч. абразионной / аккумулятивной частей -42/37 м; объем разрушения берега - 422 м5/ пог.м; объем аккумуляции разрушенного грунта - 313 м3/ пог.м; коэффициент аккумуляции - 0,74; средний уклон береговой отмели - 0,02; скорость отступания бровки берега за 2009 / 2010 г. - 0,5 м/год; средняя скорость отступания бровки берега за 1957 - 2010 гг. - 0,99 м/год.

Рисунок 1 — Результаты инструментальных наблюдений абразии левого берега озерной части

Горьковского водохранилища на участке №1 в створе № 6 ГМО: а - схема расположения створов (космический снимок 2007 г.); б - общий вид берега (2009 г.); в - профили берега и параметры абразии в створе № 6 ГМО;

Рисунок 2 - Графики наблюденного отступания бровки абразионного берега Горьковского водохранилища в створах на участке №1, кривая адаптивной экстраполяции данных наблюдений за 1957-2010 гг. и адаптивного прогноза до 2030 г.

Энергетическая и адаптивная модели задействовались нами в мониторинговых исследованиях абразионных берегов по створам и участкам Горьковского и Чебоксарского водохранилищ.

На Горьковском водохранилище при становлении надводных береговых уступов и абразионно-аккумулятивных отмелей начинают преобладать неволновые денудационные и аккумулятивные процессы. Средняя интенсивность линейной берегопереработки за 1957 - 2010 гг. составила от 0,7 до 1,3 м/год, уменьшившись к 2009/2010 гг. до 0,2 - 1,0 м/год с приближением уклонов отмелей (в песках 0,01 - 0,04, в глинах 0,01 - 0,07) к волноустойчивым. Прогноз (см. рисунок 2) показал, что на предстоящее десятилетие можно ожидать переформирование абразионных берегов со средней интенсивностью 0,22 - 0,88 м/год и с риском потери земель в береговой зоне 12,6 - 50,4 га/год, что существенно меньше публикующихся величин (200 га/год).

На Чебоксарском водохранилище за период его эксплуатации с 1981 г. по 2011 г. при ВПУ 63,0 м БС средние наблюденные скорости отступания бровки абразионных берегов равнялись 0,2 - 1,2 м/год. После подъема уровня до НПУ = 68,0 м абразия усилится (рисунок 3). Средние скорости отступания бровки обрыва в пермских породах (на правобережье) могут составить в первые 10 лет

2,5 - 1,4 м/год против 0,7 - 0,79 м/год при уровне 63,0 м. Размыв песчаных берегов (на левобережье) будет иметь более высокие скорости: в первое десятилетие 2,3 - 2,8 м/год при НПУ против 0,45 - 0,78 м/год при ВПУ. а

б

9.7п

-го.ь-

■34.1м-

/Ьаш л Ют Пюгпа ш 25 ля Пхат на 50 лея 07.07.тбг. уртм \ н/гззь&е \

'Р=63.90 14.05.2011г. '

130 120 110 100 90

70 60 50 40 30 20

10 0 10 20 30 40 Расстояние от репера, м

ттюяк, ГЬяез " 10 **. Паж' ж 25 **.------

и/и/пюг Црт%т# \ УР= теп1 \ ир-тл* ---V—^--——:-

¡0 т,0т м БС i!L= 75

70

65

ВО

55

10 0 10 20 30 40 50 Расстотие от репера м_

Рисунок 3 - Общий вид (а), наблюденные и прогнозные профили левого абразионного берега Чебоксарского водохранилища в створе № 9 у с. Юрино при отметках ВПУ = 63,0 м (б) и НПУ = 68,0 м (в)

Риск потери земель за первое десятилетие дальнейшей эксплуатации водохранилища при существующем ВПУ составит 99 — 176 га (0,09 - 0,16 % к площади затопления), а при НПУ 520 - 1120 га (0,24 - 0,52 %). Потери земель в береговой зоне Чебоксарского водохранилища в процентном отношении к площади затопленных земель существенно меньше, чем в среднем по Волжско-Камскому каскаду (1,59 - 2,03 % на середину 1990-х гг.).

В 1999 - 2012 гг. автором проведена фиксация размеров переработки на абразионных участках берегов 18 малых и средних (<100 км2) равнинных водохранилищ европейской части страны (в основном 1930- 1960-хгг. постройки). По полученной выборке из 54 объектов (с учетом привлеченных данных 1960 -1980 -х гг.) синтезирована общая количественная закономерность величины отступания бровки берегов в зависимости от возраста водохранилищ, аналитически подтвердившая предположение об их ускоренном - за 20 - 25 лет - достижении стадии динамического равновесия.

Третья глава посвящена анализу естественной перестройки донного рельефа за счет отложения наносов и продуктов переработки берегов в процессе развития котловин равнинных водохранилищ европейской территории России в связи с оценкой изменения морфометрических показателей.

По материалам 1955 - 1980 гг. и до 2005 г. об осадкообразовании в волжских, камских, донских, днепровских водохранилищах, в т.ч. работам автора в этом направлении, в диссертации обобщены тенденции осадконакопления, приводящие к трансформации донного рельефа.

Разработаны технологии съемок донного рельефа и изысканий мощностей отложений с воды, также со льда, посредством автоматизированных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ, создания цифровых моделей донного рельефа в составе ГИС «Морфометрия водохранилища», определения на базе ЦМР современных морфометрических параметров, в сравнении с проектными параметрами отражающих произошедшие изменения за период эксплуатации.

Организованными и проведенными экспедиционными изысканиями и созданием ЦМР в 2009 - 2011 гг. охвачены 3 больших водохранилища на р. Волге - Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское. На этих объектах детально отработаны процедуры подготовки картографических материалов и данных дистанционного зондирования Земли, проведения полевого маршрута вдоль береговой линии, промерных работ, обработки результатов промеров, совмещения полученных данных в пространстве и времени, построения ЦМР, определения на их

базе морфометрических параметров водохранилищ (рисунок 4) и описаны в диссертации с рекомендациями по оптимальному осуществлению, а

Характеристики Проектные По ЦМР, 2010 г.

НПУ / УМО, м БС 102,0/97,1 102,0/97,1

Длина по судовому ходу р. Шексны, км 329 285

Площадь зеркала, км2 4550 (100%) 4545,5 (99,9 %)

Наибольшая ширина, км - 72

Наибольшая / средняя глубина, м 23,2/5,58 20,5 / 5,45

Полный объем, млн м3 25420(100 %) 24767 (97,4 %)

Полезный объем, млн м3 16670(100%) 16657(99,9%)

Мертвый объем, млн м3 8750 (100%) 8110(92,6%)

Рисунок 4 - Цифровая модель рельефа (слева - в виде растра высот, справа - в трехмерном представлении), проектные и уточненные морфометрические характеристики Рыбинского

водохранилища

/

По названным водохранилищам выявлена согласованность сторонних данных об объемах осадконакопления и полученных из ЦМР данных об уменьшении полных объемов соответственно за 69, 44 и 25 лет эксплуатации. По Горьковскому водохранилищу выявлена, также, 10 % сходимость в длине береговой линии, вычисленной по нашей ЦМР 2010 г. и определенной ОАО «Кировводпроект» в 2011 - 2013 гг.. Это позволило утверждать, что созданные ЦМР в целом адекватно отразили современный рельеф чаш водохранилищ, хотя моделирование уреза НПУ в условиях зарастающих мелководий оставляет желать лучшего.

На примерах исследованных волжских водохранилищ нашла объективное количественное подтверждение тенденция уменьшения полных объемов за период эксплуатации: от 0,6 % на Чебоксарском за 25 лет до 2,5 % на Рыбинском за 69 лет. Вместе с этим впервые было обнаружено не предполагавшееся Предшественниками уменьшение площадей водного зеркала при НПУ: от 0,1 % на Рыбинском до 5,9 % за 54 года на Горьковском водохранилище.

Известно, что проблема занесения и заиления в России, как и по всему миру, наиболее актуальна для водохранилищ малого объема. За 1995 - 2008 гг. экспедициями кафедры гидротехнических сооружений ННГАСУ при участии, а затем под руководством автора, проведены натурные изыскания количества донных отложений в 37 малых водохранилищах и прудах бассейна р. Волги. За периоды их эксплуатации от 243 (Боткинское) до 27 (Пензенское) лет потери полных объемов составили от 8,25 % (Пензенское) до 36,0 % (Досчатинское за 200 лет). Наименьшая интенсивность процесса (0,043 %/год) была зафиксирована на Ижевском водохранилище, а наибольшая (0,68 %/год) - на водохранилище «Борок» в Нижегородской области в зависимости от условий на водосборах.

Охарактеризованные работы автора составили научно-прикладные основы оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ вследствие осадконакопления.

Четвертой главой в диссертации осуществлен переход к рассмотрению процессов, вызывающих изменение со временем морфометрических параметров водохранилищ криолитозоны, а именно - к анализу переформирования мерзлых берегов.

Предварительно смоделирована типичная картина температурного режима и деградации мерзлоты в береговом массиве большого (Вилюйского) водохранилища, показавшая, что при мощности мерзлоты более 300 м процесс растянется на столетия, берегопереформирование будет происходить на фоне темпе-ратурно-криогенных изменений.

По результатам проведенных в 2005 - 2006 и 2011 гг. рекогносцировочных обследований участков береговых зон водохранилищ Усть-Хантайского, Вилюйского, Светлинского, Иреляхского, Сытыканского, на реках Марха, Ойуур-Юреге, Уэся-Лиендокит и др. гидроузлов, системного анализа опубликованных материалов прошлых лет, автором уточнены известные и выявлены новые качественные закономерности эволюции мерзлых берегов в течение многолетней эксплуатации водохранилищ, генерированы инфологические модели переформирований берегов термоабразионного, термокарстового, термоденудационного типов, агрегатированные по формализованным циклам процессов, которые своей продолжительностью могут отличаться (при термоабразии) или совпадать (при термокарсте, термоденудации) с годовыми (зима — лето) природными циклами.

В основу математического описания термоабразионных берегопереформи-рований поставлено поддерживаемое автором принципиальное положение о том, что процессы деструкции происходят под воздействием тепловой и механической энергии воды, причем размыву мерзлых пород берегов должно предшествовать их оттаивание. Согласно инфологическим моделям, на базе энергетического подхода с учетом теплового влияния воды водохранилищ на мерзлые берега, задаваемого известными уравнениями, разработаны детерминированные математические модели для выполнения с помощью модулей авторской программы «Берега» вариантных постворовых прогнозов переработки берегов

термоабразионного и термокарстового типов на заданные сроки, гипотетическая модель их предельного переформирования для экстремальных оценок, методика аналитической оценки термоденудационного уполаживания берегового уступа после затухания термоабразии.

Так, в энергетической модели переформирования термоабразионного берега на заданный срок реализован алгоритм построения в заданном створе береговых профилей при прохождении циклов термоабразии, включающих:

выработку термоабразионной ниши в подножии мерзлого берегового

уступа

д?ни(0 _ 1 асни УлШ'-

Л- я(0'К~'э»(г))

фГ-

(10)

где - глубина ниши, £ни(0) = А; £ни- время выработки ниши,

£ни > 0; С - время от момента начала переформирования берега; т5н, ^„(0 -начальная температура мерзлого берега, фазовых превращений льда в грунте, воды; Ямг, Атг, лмг - удельное тепло таяния, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности мерзлого (мг) и талого (тг) грунта; Ь - толщина слоя оттаявшего грунта, удерживающегося на поверхности уступа; а (с) -коэффициент теплообмена, осредненный на период цикла термоабразии, являющийся регулятором передачи тепловой энергии от воды к берегу

Т ' V V ' О1)

здесь аволн(£:) -коэффициент теплообмена при волнении; Гволн и Т - продолжительность периода волнения и безледоставного сезона; Я, V, а - коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости, температуропроводности воды в зависимости от температуры; 1(€) - длина омываемой волнами части отмели; V - скорость омывания берега волнами;

- обрушение массива берега, нависшего над нишей в виде карниза объемом И^„и), по условию атах (£,„) > ар, где стмакс и сгр - растягивающее напряжение в заделке карниза и сопротивление мерзлого грунта берега разрыву;

- оттаивание обрушившегося массива грунта водой за время toтт и

размыв оттаявшего грунта Шрк(Ьрк) за время 1рк по уравнению, определяющему роль механической энергии волнения в процессе термоабразии

= О2)

где Кр - коэффициент размываемости как физическая характеристика оттаявшего грунта берега; Е(0 - механическая энергия волнения.

Оттаиванием и размывом обрушившегося массива грунта, являвшегося препятствием для доступа волн к подножию берегового уступа, заканчивается цикл термоабразии, продолжительностью ^ - tl_1 = <:„„ + ^ в наиболее общем случае при ^ « 1рк . Без перерыва на зимы происходит оттаивание основания на глубину <ГЛ(0 с осадкой дна водохранилища

_ 1 Г, ^н-^ф , 1. _ П3)

где I > 0; ^д(О) = 0; з(0) =0; 8 - относительная осадка оттаявшего слоя грунта. С учетом оседания дна согласно балансу объемов размытого и аккумулированного И^; грунта

= (14)

при его льдистости со, пористости п и коэффициенте аккумуляции Ка, строится профиль берега в рассматриваемом створе с отмелью, поверхность которой аппроксимируется прямой линией в пределах размывающего действия волн.

Комплекс вышеназванных моделей в подобной разработке ранее не был представлен в известных автору публикациях ни отечественных, ни зарубежных исследователей берегов водохранилищ криолитозоны.

В 2011г. автором проведены измерения профилей термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища (8 створов на 4 участках), результаты сопряжены с данными наблюдений Вилюйской НИМС за 1972 - 1985 гг., таким образом впервые получены количественные характеристики фактических берего-переформирований за весь многолетний период эксплуатации большого водохранилища в криолитозоне.

Разработанные энергетические и адаптивная модели задействовались нами для прогнозных оценок берегопереформирований на водохранилищах криоли-тозоны - Вилюйском, Амгуэмском, Анадырском, Билибинском и др., показав техническую эффективность и адекватность натурным процессам.

Так на Вилюйском водохранилище наблюденные средние за 1972 - 2011 гг. скорости разрушения термоабразионных берегов в исследованных створах составили 0,35 - 1,41 м/год, а в 2010 - 2030 гг. по прогнозным оценкам уменьшатся до 0,35 - 0,50 м/год. Причем, наименьшим разрушениям в прошлом и будущем подвержены участки берегов, сложенных мелкими песками, а наибольшим - сильновыветрелыми известняками и песчаниками (рисунок 5).

Рисунок 5 - Общий вид, наблюденные и прогнозные профили термоабразионного берега Вилюйского водохранилища на участке № 6 в створе № 2 в Кусаганском расширении

При незначительной протяженности размываемых берегов в 320 км (13% длины береговой линии) берегопереформирование не приведет к ощутимой потере земель в береговой зоне.

Посредством количественного анализа роли основных факторов в деструктивном процессе береговой термоабразии на конкретных объектах выявлено, что скорость отступания надводного обрыва диктуется интенсивностью теплового взаимодействия воды водохранилища с мерзлым берегом, на регулирование которой начальная температура берега влияния почти не оказывает, тогда как существенно влияние температуры воды и продолжительности волнения.

Применительно к водохранилищу на р. Ваче площадью 1,7 км2, проектировавшемуся на севере Иркутской области, исследован случай стабилизирующихся термокарстовых берегов. Показано, что они придут к конечной стадии развития после полного протаивания просадочного 20 - метрового слоя мягких грунтов основания через 80- 100 лет, т.е.в обозримой временной перспективе, что впервые достоверно квалифицировано как реальное обстоятельство для малых водохранилищ криолитозоны.

На материалах наблюдений проведена проверка адекватности моделирования берегопереформирований натурным процессам. Например, по термоабразионным берегам Вилюйского водохранилища расхождение результатов расчетов с натурными данными не вышло за пределы 15 % по объемам переработки и 9 % по величинам отступания бровки надводного обрыва за период эксплуатации с 1972 г. по 2011 г., причем вероятностная адаптивная модель поучастко-вых берегопереформирований оказалась более адекватной натурному процессу, чем детерминированная энергетическая, из-за приблизительности исходной информации в последней. По термокарстовому берегу Анадырского водохранилища расчетная величина сдвига уреза НПУ в сторону суши за 1986 - 2008 гг. составила 115,6 % относительно фактической. Это вполне приемлемые результаты, позволяющие утверждать, что представленные в диссертации математические модели переформирований мерзлых берегов могут иметь прогностический выход, гарантируя относительную достоверность инженерных оценок берегопереформирований на действующих и проектируемых водохранилищах криолитозоны при наличии надежной исходной информации.

В пятой главе, с использованием многолетнего опыта кафедры гидротехнических сооружений ННГАСУ по теоретическим температурным исследованиям грунтовых гидротехнических сооружений, автором разработана теоретическая основа для математического анализа температурного режима и предельного состояния основания и бортов долин рек после создания водохранилищ с учетом тепловой осадки оттаявших грунтов в виде комплекса многофакторных детерминированных одно-, двух-, трехмерной математических моделей применительно к различным натурным ситуациям, представленного в диссертации в качестве инструмента прогнозной оценки динамики морфометрических параметров водохранилищ.

Так, двумерная модель отражает рельеф дна и берегов водохранилища в вертикальных сечениях долины, имитирует оседание ложа вместе с подвижками верхней и нижней границ мерзлоты. Процессы теплопроводности в мерзлой,

придонной и подмерзлотной талых зонах грунтов описаны уравнениями д-в а дд. Э...М.

(15)

где ¡3 - температура; t - время; х, г -прямоугольные координаты; X - коэффициент теплопроводности, рс - объемная теплоемкость грунтов, а к границам между зонами применено уравнение теплопроводности в виде

+ Tt' 06)

где p„nL - удельное тепло таяния - замерзания грунта по объему; R - относительная льдистость грунта как отношение масс порового льда и воды. Последний член в уравнении (16) описывает выделение или поглощение тепла при фазовых превращениях поровой влаги в грунте, а входящая в него относительная льдистость R является функцией температуры: при i9 > R = 0; при д = 0< R < 1; при t9 < бф R = 1, то есть значение R изменяется от 0 для полностью оттаявшего до 1 для полностью замершего грунта. Теплообмен задан условием I рода для дна водохранилища и условием III рода для дневной поверхности за его пределами:

tfa(x,z,t) = i?B(t); - Л^ф = S„ , (17)

где $B(t) -температура воды у дна; t - нормаль к дневной поверхности; Sn -теплоприток к ней в сумме радиационного SR и конвективного Sk теплоприто-ков. К решению температурной задачи применен метод конечных разностей на нерегулярной сетке по неявной разностной схеме. Осадка оттаивающего грунта S определяется по схеме линейно деформируемого слоя из составляющих от действия веса воды Sp и грунта Sth

S = Slh + Sp (18)

без возможности бокового расширения последнего.

Трехмерная модель предназначена для применения к малым водохранилищам на плоском рельефе, в основании которых за обозримый срок может наступить предельное температурное состояние, а для его адекватной оценки желательно рассмотрение пространственных условий.

Отличительными особенностями оригинальных авторских математических моделей явились более точный учет природных факторов - рельефа, криогенного строения долины, климатических, гидрологических и др. - и их совместного влияния на процесс деградации вечной мерзлоты с подвижкой ее нижней границы и оседанием ложа водохранилищ, чем они превзошли немногочисленные подобные модели 1980 - 1990 -х гг.

Посредством составленных программ «Термокарст», «Bottom Settlement» и «Талик» обеспечено выполнение модельных расчетов на ЭВМ. Тестированием программ на аналитических решениях выявлены относительные погрешности до 11,5 % в численных расчетах температуры и до 2 % - тепловой осадки, а на реальном объекте - Анадырском водохранилище - расхождения в натурном и модельном рельефах дна за период эксплуатации 1960 - 2008 гг. получились вовсе несущественными.

Путем численных экспериментов с помощью разработанных математических средств автором решены не имевшие прецедента задачи применительно к нескольким водным объектам криолитозоны.

Так, для термокарстового озера Сырдах (природного аналога водохранилища) выявлено, что ему сейчас около 3000 лет, под ним развит сквозной талик, 60 -метровый верхний слой льдистой супеси протаял примерно за 1000 лет, при

этом тепловая осадка составила 17,5 м, что соответствует глубине современной озерной котловины. Подобное отдаленное будущее ожидает малые водохранилища криолитозоны, которые даже после разрушения напорного фронта не перестанут развиваться по типу термокарстовых озер.

На примере Анадырского водохранилища совмещение результатов изысканий донного рельефа, выполненных в 2008 г. ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева, и наших численных расчетов позволило впервые в теории северной гидротехники получить достоверные количественные натурно-теоретические и прогнозные данные о трансформации ложа и динамике морфометрических параметров водохранилища криолитозоны за многолетний (1960 - 1986 - 2008 - 2030 гг.) период. Примерно к 2000 г. завершилось протаивание покровного слоя льдистых четвертичных отложений мощностью до 10 м, талик заглубился в малольдистые морские глины, дальнейшая тепловая осадка ложа водохранилища почти прекратилась. При глазомерном сопоставлении профилей дна водохранилища (рисунок 6) видно, что расчетное его положение на 2008 г. ниже проектного, а по съемке ВНИИГ 2008 г. ниже расчетного за исключением русла, где в небольшом количестве скопились донные отложения, неучтенные расчетом, при этом расхождения расчетных и натурных профилей несущественны. За 1986 -2008 гг. полный объем водохранилища увеличился с 6,19 млн м3 до 7,23 - 7,36 млн м3, т.е. на 16,8 %, а к 2030 г. возрастет до 7,55 млн м3, т.е. на 21,9 % против проектного объема; за те же годы выявлено увеличение длины береговой линии водохранилища на 16,9 % при уменьшении площади его зеркала на 1,34 %.

Таким образом, на представленных в диссертации примерах продемонстрированы приоритетные возможности применения разработанных математических моделей для инженерных оценок трансформации чаш водохрани-лищ криолитозоны при уточнении их морфометрических параметров.

В завершение главы автором предложены новые природоприближен-ные инженерные решения малых водохранилищ в криолитозоне: долинного водохранилища с мерзлой чашей в толще сплошной вечной мерзлоты на ба-зе выявленных закономерных условий существования замкнутого талика с исключени-

ем потерь воды на фильтрацию и водохранилища - копани, со-здаваемого с использованием эффекта наведенного термокарста.

Абс.огш, ы КС

.. по съсыкс ВНИИГ 200В г.

Рисунок 6 - Проектный на 1960 г., натурный на 2008 г., расчетный на 2008 г. и прогнозный на 2030 г. профили дна Анадырского водохранилища (разрез 1 - 1)

В шестой главе в соответствии с заявленным методологическим подходом автором реализовано стремление выявить и теоретически обосновать общие количественные закономерности изменения с возрастом основных морфомет-рических параметров равнинных водохранилищ России - объема, площади водного зеркала, длины береговой линии.

Для этого предложен и разработан метод синтеза динамической модели процесса по измеренным характеристикам неоднородных объектов, в отличие от метода регрессионного анализа позволяющий учитывать неоднородность множества объектов, представленных экспериментальными точками (£;, х¿), I = 1, ...,п, как на рис. 7.

х Возохращлтана Украины О Новосибирское водохранилище

20 30 40 50 Возраст волохраншппи годы

Рисунок 7 - Показатели и общая закономерность уменьшения со временем полного объема больших (>1 км3) равнинных водохранилищ Европейской части России и Украин

Известно, что для пары близких в смысле евклидова расстояния точек

= л/С^-^/^Й^^У (19)

справедлив вывод об однотипности объектов (С;, х{), (С;,хД так как при небольшом временном различии (Сг - С,)2 эти объекты дают малое различие (Х1 ~ х]) в значениях характеристики хг а Х}. Если вычислить суммарный показатель р1 сгущения для каждой из экспериментальных точек

п

1 = 1.....п■ (20)

}=1 4

то большое значение р; укажет на то, что вокруг точки (С£, х{) много близких (однотипных) объектов и она является своеобразным центром их сгущения, а малое значение р; будет свидетельствовать о нетипичности объекта, что позволит отбросить данные хь) в виду их слабого влияния на общую динамику процесса. Затем на каждом временном интервале [Гк , Гк+1] вычисляем усред-

ненные значения по локальным центрам сгущения. В результате получаем выборку временного ряда

.....YK,...Yn, <21>

где YK - члены ряда; WKi - весовой коэффициент учета значения xt в указанной

для Ук сумме:

Гк = ^ ' ; = pi/ Z P> ' (22)

ti£[TK,TK+i] tje[rK,TK+i] Для равномерно табулированного ряда (21) посредством программного обеспечения MS Excel строятся аппроксимирующие временные тренды .......Фi(t). Вычисляя по отклонениям |V(t£) - Ф;(^) | усредненные весовые коэффициенты Vj (J = 1,......Л) качества приближения, получим итоговую аналитическую формулу моделируемой динамики процесса:

' Ф(0 ■ (23)

7=1

В основу оценки уменьшения с возрастом объема водохранилищ ЕТР положено аналитическое обобщение с сопряжением в пространстве и времени авторских и привлеченных количественных натурных данных разных лет о трансформации донного рельефа и накоплении наносов, отразивших динамику изменения объемов 20 больших ( >1 км3) и 43 малых ( < 0,5 км3) водохранилищ, эксплуатируемых на равнинах средней полосы России.

Согласно выведенной по выборке из 45 значений закономерности (см. рисунок 7), уменьшение полного объема больших равнинных российских водохранилищ происходит в среднем на 0,031 % в год с очень слабо затухающей интенсивностью. Это существенно меньше, чем для водохранилищ мира (0,77 -0,12 % в год) и меньше, чем по прогнозам 1970 -х гг. (0,1 - 0,5 % в год).

Между тем потери Волжско-Камского каскада (рисунок 8) по 10 водохранилищам (за исключением Нижнекамского из-за отсутствия данных) за период эксплуатации с 1937 г. по 2011 г. составили 5,285 км3 или 3,15 % их суммарного полного объема (167,31 км3), что больше полных объемов таких водохранилищ, как Иваньковское (1,2 км3), Угличское (1,245 км3), Нижнекамское (2,8 км3 при ВПУ), Чебоксарское (4,6 км3 при ВПУ). К 2030 г. прогнозируемая потеря пол-

ного объема водохранилищ каскада достигнет 5,80 км3. Потеря полезного объема водохранилищ в целом по каскаду к настоящему времени составила примерно 5 % - не менее 3,0 км3, что равносильно исключению из каскада такого водохранилища как Горьковское (\УПОлезн=2,58 км3). С учетом же не используемых полезных объемов Чебоксарского (5,4 км3) и Нижнекамского (4,4 км3) водохранилищ Волжско- Камский каскад в настоящее время недосчитывает 12,8 км3 проектного полезного объема.

В соответствии с синтезированной общей закономерностью группа малых водохранилищ ЕТР федерального подчинения полным объемом до 0,5 км3 каждое общей проектной емкостью примерно 16 км3 за 25 лет эксплуатации лишается 16 % этой емкости, т.е. 2,56 км3 полного объема.

Рисунок 8 - Хронологические графики частных потерь и синтезированная кривая общей потери полного объема водохранилищ Волжско-Камского каскада

В отсутствие достаточных натурных данных предпринято аналитическое обобщение авторских и привлеченных результатов приблизительных расчетных оценок деградации мерзлоты и оседания ложа 6 больших и 15 малых водо-

Камско*

-д Куйбышевское

Воткинское □ Рыбинское

Волого градское

Саратовское

Иваньковское Чебоксарское ~~> ¡в —9 х Угличское

■ Суммарные потери

■ Иваньковское

■ Угличское

■ Рьгбинское Горьковское Чебоксарское Куйбышевское Саратовское Волгоградское Камское Воткинское

I орьковское

1960

1970 1980 1990 2000 Годы эксплуатации

2010

2020

хранилищ криолитозоны. Синтезированы общие закономерности приращения объема в зависимости от возраста, показавшие, что большие водохранилища криолитозоны за 20 - 40 лет эксплуатации могут естественным образом увеличить свой полный объем в среднем на 6 - 8 % с последующей стабилизацией ситуации (рисунок 9), а средний предел увеличения емкости чаш малых водохранилищ составляет 20 % от полного объема.

Установленные нами общие закономерности объективно отразили особенности и темпы изменения объема равнинных водохранилищ в различных природно-климатических зонах России за прошедший многолетний период эксплуатации и на перспективу. С течением времени и появлением дополнительной информации они могут корректироваться, но по сути останутся неизменными.

Рисунок 9 - Показатели и общая закономерность возможного увеличения полного объема больших водохранилищ в области вечной мерзлоты: 1 - Усть -Хантайское; 2 - Курейское;

3 - Колымское; 4 - Вилюйское; 5 - Эвенкийское; 6 - Амгуэмское

Предваряя общую оценку изменения с возрастом длины береговой линии и площади водного зеркала водохранилищ, теоретически обоснована и на примере Горьковского водохранилища практически подтверждена необходимость учета фрактальных свойств береговой линии при ее измерении.

Статистически обобщены сопоставимые данные современных изысканий ННГАСУ и других организаций, позволившие отразить изменения длины береговой линии и площади зеркала больших (> 100 км2) равнинных водохранилищ

за многолетний период эксплуатации, в т.ч. в криолитозоне. Оказалось, что из 14 водохранилищ, независимо охваченных нашими и сторонними исследованиями, 10 имеют длину береговой линии больше проектной, 2 - меньше, на 2 изменения за малостью не определены; также из 12 исследованных водохранилищ 9 имеют площадь водного зеркала меньше проектной, 3 - больше, на 1 водохранилище изменение за малостью не прослежено.

На основании обобщенных данных построены динамические модели, вычленившие общую тенденцию увеличения длины береговой линии водохранилищ L(t) после периода начальной эксплуатации до возраста 40 - 60 лет с интенсивностью 0,25 % в год:

L(t) = 0,198 F,(t) +0,183 Fi(t) + 0,188 F,(t) +0,197 F4(t) + 0.233 F5(t) +min - 0.001, (24) где F,(t) = 0,002511 + 0,13834' F2(t) = 0,00011531? + 0,110399t + 0,0316817\

F3(t) = 0,06437ln(t) + 0,01659; F4(t) = 0,11236e"0'326'; Fs(t) = 0,05046t"3*74''-, min =-0.16, также общую тенденцию уменьшения площади их зеркала на 5 - 7 % от проектной к 50 - 70 годам эксплуатации (рисунок 10).

Рисунок 10 - Показатели и общий тренд изменения длины береговой линии больших

равнинных водохранилищ за многолетний период эксплуатации: 1 - Иваньковское; 2 - Угличское; 3 - Рыбинское; 4 - Горьковское; 5 - Чебоксарское; 6 - Камское; 7 - Боткинское; 8 - Куйбышевское; 9 - Волгоградское; 10 - Цимлянское; 11 - Пензенское; 12 - Новосибирское; 13 - Усть-Хантайское; 14 - Вилюйское

Проявившиеся за многолетний период эксплуатации общие тенденции в поведении длины береговой линии и площади зеркала больших равнинных водохранилищ не полностью соответствуют представлениям 1970 -х гг. и до сих пор в научных публикациях не отмечались, они обращают на себя внимание и располагают к продолжению исследований за пределами охваченных нашей работой возраста и количества водохранилищ.

В завершение главы сформулирован общий принцип инженерной оценки динамики потери земель за счет абразии в береговой зоне водохранилищ.

Приложения содержат цифровой и графический материал, сопровождающий диссертационное исследование, а также сведения о практическом использовании его результатов.

Заключение

1. В период эксплуатации водохранилищ происходит изменение их мор-фометрических параметров. Проблема инженерной оценки изменения основных морфометрических параметров - объемов, площадей зеркала, длин береговой линии - впервые актуализирована для равнинных водохранилищ России с обоснованием ее теоретической и практической значимости и поставлена как предмет комплексного количественного исследования в диссертации. Согласно принятому автором методологическому подходу, исследование переформирования чаш водохранилищ базировано на результатах многолетних натурных наблюдений и многофакторного математического анализа превалирующих при этом процессов переработки берегов и трансформации ложа с последующим синтезом общих закономерностей.

2. Наибольшему разрушению на водохранилищах подвержены берега абразионной и термоабразионной генетических групп. Автором организованы и проведены инструментальные измерения профилей абразионных берегов на Горьковском, Чебоксарском и термоабразионных берегов на Вилюйском водохранилищах, результаты сопряжены с привлеченными данными измерений прошлых лет, в итоге впервые в научной практике получены репрезентативные количественные характеристики берегопереформирований за весь многолетний

период эксплуатации больших равнинных водохранилищ в зоне умеренного климата и криолитозоне. Получены, также, новые натурные данные о размыва-емости пород береговых склонов для использования в прогнозном моделировании эволюции берегов.

3. Из совокупности данных инструментальных измерений, проведенных обследований береговых участков 16 больших водохранилищ в европейской части и 3 на северо-востоке страны, системного анализа опубликованных материалов наблюдений прошлых лет, конкретизированы постулированные в 1970-х гг. и выявлены новые качественные закономерности эволюции берегов, проявившиеся при многолетней эксплуатации, генерирован ряд инфологических моделей берегопереформирований.

4. На базе энергетического подхода, реализующего зависимость между суммарной (тепловой и механической) энергией воздействующего на берег волнения и объемом его переработки, разработан комплекс многофакторных детерминированных математических моделей для выполнения долгосрочных вариантных постворовых прогнозов переформирований берегов абразионной и термоабразионной генетических групп, крупноагрегатированных пб формализованным циклам процессов, которые своей продолжительностью могут отличаться или совпадать с годовыми (зима - лето) природными циклами, построены гипотетические модели предельных берегопереформирований. Простота и гибкость алгоритма при моделировании двумерных ситуаций, позволившие составить общую универсальную программу для ЭВМ, сделали энергетический метод эффективным средством анализа и прогноза абразионных и термоабразионных берегопереформирований на действующих и проектируемых водохранилищах.

5. Предложен и разработан также адаптивный (вероятностный) метод экстраполяции рядов данных наблюдений и прогнозирования количественных характеристик абразии (термоабразии) по створам и участкам берегов эксплуатируемых водохранилищ.

6. Главная задача, которую ставят наука и практика в отношении количественной оценки переформирований берегов больших водохранилищ - определение скорости отступания надводного берегового обрыва и величины отступания на заданный срок. В диссертации эта задача впервые решена совокупностью натурных наблюдений, расчетно-теоретического анализа и прогноза энергетическим и адаптивным методами для берегов Горьковского, Чебоксарского, Вилюйского и др. водохранилищ. Для берегов малых водохранилищ впервые аналитически обосновано положение об их ускоренном (за 20 - 25 лет) достижении стадии динамического равновесия.

7. Разработаны научно-прикладные основы оценки изменения морфомет-рических параметров эксплуатируемых водохранилищ вследствие осадкона-копления: технологии съемок донного рельефа посредством автоматизированных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ с воды, также со льда, создания цифровых моделей рельефа, определения на их базе современных морфо-метрических параметров в сравнении с проектными.

Натурными съемками донного рельефа и последующим расчетным анализом с созданием ЦМР охвачены 3 водохранилища на р. Волге - Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское. В результате нашла объективное количественное подтверждение тенденция уменьшения с возрастом полного объема больших равнинных водохранилищ. То же по 37 исследованным малым водохранилищам волжского бассейна.

8. Разработаны теоретические основы для математического анализа температурного режима основания и бортов водохранилищ в криолитозоне с учетом тепловой осадки оттаявших грунтов в виде оригинальных многофакторных детерминированных одно-, двух- и трехмерной математических моделей, обеспеченных реализацией на ЭВМ, опробованных на натурных объектах и представленных в диссертации как приоритетный инструмент для инженерных оценок трансформации чаш водохранилищ при исследовании динамики их морфомет-рических параметров.

С применением созданных моделей решен ряд задач, не имевших прецедента в северной гидротехнике. В частности, совмещение результатов изысканий донного рельефа Анадырского водохранилища, выполненных в 2008 г. ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева, и наших численных экспериментов позволило для первого из водохранилищ криолигозоны получить достоверные количественные натурно-теоретические и прогнозные данные о динамике морфомет-рических параметров. Согласно этим данным полный объем водохранилища за 1986 - 2008 гг. эксплуатации увеличился на 16,8 %, а к 2030 г. возрастет на 21,9 %.

9. Для выявления и теоретического обоснования общих количественных закономерностей изменения с возрастом морфометрических параметров водохранилищ (объема, длины береговой линии и площади зеркала) предложен и разработан метод синтеза динамических моделей процессов по измеренным характеристикам неоднородных объектов.

10. На базе аналитического обобщения с сопряжением в пространстве и времени авторских и привлеченных количественных натурных данных разных лет, отразивших динамику изменения объемов 20 больших ( >1 км3) водохранилищ, эксплуатируемых на равнинах ЕТР, синтезирована общая закономерность, показавшая уменьшение полного объема больших равнинных российских водохранилищ в среднем на 0,031 % в год с очень слабо затухающей интенсивностью, что существенно меньше, чем для водохранилищ мира (0,77 - 0,12 % в год) и меньше, чем по прогнозам 1970 -х гг. (0,1 - 0,5 % в год). При этом потери Волжско-Камского каскада по 10 водохранилищам (с исключением Нижнекамского из-за отсутствия данных) за период эксплуатации с 1937 г. по 2011 г. определены равными 5,285 км3 или 3,15 % их суммарного полного объема (167,31 км3), а к 2030 г. возрастут до 5,80 км3. Потери полезного объема составили не менее 3,0 км3, с учетом же неиспользуемых полезных объемов Чебоксарского (5,4 км3) и Нижнекамского (4,4 км3) водохранилищ Волжско - Камский каскад сегодня недосчитывает 12,8 км3 проектного полезного объема.

Синтезированная по данным о 43 малых (<0,5 км3) водохранилищах ЕТР общая закономерность предупреждает о том, что группа таких водохранилищ федерального подчинения общей проектной емкостью примерно 16 км3 за 25 лет эксплуатации лишается 16 % этой емкости, т.е. 2,56 км3 полного объема.

11. Посредством синтезированных общих закономерностей установлено, что большие водохранилища криолитозоны за 20 - 40 лет эксплуатации могут естественным образом увеличить свой полный объем в среднем на 6 - 8 % с последующей стабилизацией ситуации, а средний предел увеличения емкости чаш малых водохранилищ криолитозоны составляет 20 % от полного объема.

12. Впервые полученные общие количественные закономерности объективно отразили положение о том, что процесс изменения с возрастом объема водохранилищ в двух, принципиально различающихся природно-климатическими условиями, зонах страны носит разнонаправленный характер: на равнинах вне криолитозоны объем водохранилищ уменьшается вследствие накопления наносов; в криолитозоне - увеличивается вследствие тепловой осадки ложа. С появлением новой информации они могут корректироваться, но по сути останутся неизменными.

13. Теоретически обоснована и практически подтверждена необходимость учета фрактальных свойств береговой линии при измерении ее длины и площади водного зеркала водохранилищ. Статистически обобщенные сопоставимые данные современных изысканий ННГАСУ и других организаций позволили выявить изменения, произошедшие с длиной береговой линии и площадью зеркала 14 больших (> 100 км2) водохранилищ, в т.ч. в криолитозоне. Синтезированные из совокупности этих данных динамические модели отразили общую тенденцию увеличения длины береговой линии водохранилищ после периода начальной эксплуатации до возраста 40 - 60 лет с интенсивностью 0,25 % / год, также уменьшения площади их зеркала к 50 - 70 годам на 5 - 7 % от проектной. Эти, проявившиеся за многолетний период эксплуатации общие тенденции (закономерности) в поведении длины береговой линии и площади зеркала больших равнинных водохранилищ, до сих пор в научных публикациях не отмеча-

лись, обращают на себя внимание и располагают к продолжению исследований за пределами охваченного нами количества и возраста водохранилищ.

14. Осуществленный в диссертации методологический подход обеспечил решению рассмотренной проблемы завершенность в виде научно обоснованного прогноза, предназначенного к использованию при выработке практических решений по техническим вопросам для действующих и проектируемых водохранилищ.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Публикации в рецензируемых научных изданиях

1. Исследования для обоснования проектов малых водохранилищ в криолитозоне / С. В. Соболь, Е. Н". Горохов, И. С. Соболь, А.Н. Ежков // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2005. - № 9. - С. 29-32.

2. Реконструкция гидроузлов на территории города Сарова / С. В. Соболь, Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, А.Н. Ежков [и др.] // Экология урбанизированных территорий -2006. -№ 1,- С. 57-61. • '

3. Соболь, И. С. Развитие аналитического описания переформирования мерзлых берегов водохранилищ в криолитозоне / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. - 2010. -№ 1. - С. 72-80. (+2 с. цв. вклейки).

4. Соболь, И. С. Современные методы съемки подводного рельефа водохранилищ / И. С. Соболь, В. М. Красильников, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал -2010. - № 2. - С. 34-40. (+4 с. цв. вклейки).

5. Возобновление долгосрочных инструментальных наблюдений за переформированием абразионных берегов Горьковского водохранилища / С. В. Соболь, Л. Б. Иконников, И. С. Соболь, Д.Н. Хохлов // Приволжский научный журнал - 2010 - »2 -С. 40-47. " '

6. Анализ переформирования абразионных берегов Горьковского водохранилища за период эксплуатации 1957-2010 гг. с прогнозом на следующее десятилетие / С. В. Соболь, И. С. Соболь, Л. Б. Иконников, Д.Н. Хохлов // Гидротехническое строительство.-2011,-№ 12.-С. 23-30.

7. Соболь, И. С. Аналитическое описание термодснудации берегов арктических водоемов / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. - 2012. - № 1. -С. 46-49. (+2с. цв. вклейки)

8. Динамика абразионных берегов Чебоксарского водохранилища / А. М. Коломиец, Л. П. Зайцева, С. В. Соболь, И.С. Соболь [и др.] // Гидротехническое строительство -2012.-№ 12.-С. 29-33.

9. Соболь, И. С. Модификация метода Е. Г. Качугина для вариантного компьютерного прогноза переформирования абразионных берегов эксплуатируемых равнинных водохранилищ / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Вестник МГСУ. - 2012 - № 10 -С. 281-288. " '

10. Соболь, И.С. Уточнение морфометрических параметров водохранилищ на базе цифровых моделей рельефа / В. М. Красильников, И. С. Соболь // Вестник МГСУ - 2012 -№ 10.-С. 272-280.

11. Соболь, И.С. Синтез динамической модели процесса по измеренным характеристикам неоднородных объектов (в задачах гидротехнического строительства) / Ю. А. Громов, И. С. Соболь // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. «Технические науки». - 2012. - № 4 - С. 120-126.

12. Соболь, И.С. Экспедиционные исследования переформирования берегов Вилюйского водохранилища в криолитозоне / С. А. Великин, И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. - 2012. -№ 4. - С. 9-15. (+2 с. цв. вклейки).

13. Соболь, И. С. Закономерности эволюции абразионных берегов равнинных водохранилищ / И. С. Соболь // Приволжский научный журнал. - 2012. - № 4. - С. 149-154. (+4 с. цв. вклейки).

14. Соболь, И. С. Закономерности эволюции термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны / И. С. Соболь // Приволжский научный журнал. -2013. - № 1 . -С. 123—130.(+4 с. цв. вклейки).

15. Соболь, И.С. Адаптивный метод экстраполяции данных наблюдений и прогнозирования характеристик абразии берегов эксплуатируемых водохранилищ / Ю. А. Громов, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Водное хозяйство России: проблемы технологии, управление,-2013.-№ 1,-С. 78-90.

16. Соболь, И. С. Особенности долголетней динамики берегов малых равнинных водохранилищ на европейской территории России / И. С. Соболь // Приволжский научный журнал. - 2013. -№ 2.-С. 65-67. (+4 цв. вклейки).

17. Результаты инструментальных наблюдений и адаптивного прогноза термоабразии берегов Вилюйского водохранилища / С. А. Великин, И. С. Соболь, С. В. Соболь, Д.Н. Хохлов // Гидротехническое строительство. - 2013. - № 6. - С. 2-8.

18. Соболь, И. С. Прогнозирование динамики переформирования термоабразионных берегов водохранилищ криолитозоны в стационарных климатических условиях / И. С. Румянцев, И. С. Соболь // Природообустройство. - 2013. -№ 1. - С. 42-47.

19. Соболь, И. С. Результаты физического моделирования обрушения термоабразионных берегов арктических водоемов / И. С. Соболь // Вестник МГСУ. - 2013. - № 6. -С. 197-201.

20. Соболь, И.С. Прогнозирование абразионной и оползневой опасности побережий волжских водохранилищ / Е. В. Колосов, И. С. Соболь, А. Н. Ежков // Вестник МГСУ.-2013. -№ 6.-С. 170-176.

21. Виртуальная модель температурно-криогенного режима основания и оседания ложа водохранилища в криолитозоне / Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, В. И. Логинов, Е.А. Гнетов // Приволжский научный журнал. -2013. - № 4. - С. 37-47.

22. Трансформация чаши водохранилища в вечномерзлых грунтах за долголетний период эксплуатации по изысканиям и прогнозу/Е.А.Гнетов, Е.Н.Горохов, Н. Ф. Кривоно-гова, И.С. Соболь [и др.] // Приволжский научный журнал. - 2013. - № 4. - С. 91-99.

23. Разработка схемы комплексного использования и охраны водных объектов бассейна р. Суры / С. В. Соболь, А. В. Февралев, И.С. Соболь, Н. П. Сидоров [и др.] // Приволжский научный журнал. - 2013. - № 4. - С. 124-129.

24. Соболь, И. С. Изменение объема равнинных водохранилищ на эксплуатационной фазе жизненного цикла / И. С. Румянцев, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Гидротехническое строительство. - 2014. - №3. - С. 2 - 9.

25. Соболь, И. С. Об измерении длины береговой линии водохранилищ / И. С. Соболь, С. В. Соболь, А. С. Крупинов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2014.-№6. - С.30-43.

26. Соболь, И.С. Актуализация и решение научно-технической проблемы по оценке и прогнозу изменения морфометрических параметров равнинных водохранилищ России в период эксплуатации / И.С. Румянцев, И.С. Соболь // Приволжский научный журнал. - 2014. - №2. - С.75 - 83.

27. Results of instrument observations and adaptive prediction of thermabrasion of banks of the Vilyui reservoir / S.A.Velikin, I.S.Sobol, S.V. Sobol, D.N.Khokhlov // Power Technology and Engineering. - 2013. - Vol.47, №4 - P. 249 - 254.

28. Sobol I.S. Assessment and forecast of changes of reservoir volumes due to thermal settling in permafrost areas of Russia / I.S. Sobol, S.V. Sobol // Sciences in Cold and Arid Regions. -2014,-Vol.6, Issue 5. - P.428 - 431.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и базы данных

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013612345 : программа для инженерных прогнозов переформирований берегов водохранилищ «Берега» / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов ; Нижегор. гос. архитектур.-строит ун-т -Нижний Новгород, 2013.

30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611920-«Bottom Seulement v. 2.0» (BS v. 2.0) / E. H. Горохов, В. И. Логинов, И. С. Соболь,

• Гнетов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород, 2014.

31. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2014620960: Цифровые модели рельефа ложа и берегов водохранилищ Верхней Волги / В.М. Красильни-ков, И.С. Соболь; Нижегор. гос. архитектур.-строит ун-т. - Нижний Новгород, 2014.

Публикации в других научных изданиях

32. Соболь, И.С. Исследование на физической модели фильтрации в сквозном талике под водохранилищем / С. В. Соболь, И. С. Соболь // Труды аспирантов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета / Нижегор. гос архитек-тур.-строит. ун-т. -Нижний Новгород, 1998. -С. 102-107.

33. Соболь, И.С. Прогноз термокарста в ложе водохранилища / А. К. Битюрин, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Инженерно-геологическое изучение термокарстовых процессов и методы управления ими при строительстве и эксплуатации сооружений -материалы IV науч.-метод. семинара / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники им Б Е. Веденеева. - Санкт-Петербург, 1998. - С. 76-80.

34. Sobol, I.S. Earth reservions used for public watcr supply in pcnnafrost régions / S. V. Sobol A. K. Bityrin, I. S. Sobol // Geocryological problcms of construction in eastern Russia and Northern Chma : proceedings of international simposium (Chita, 23-25 Scntember 1998). - Yakutsk, 1998. - Vol. 2. - P. 164-167.

35. Соболь, И. С. Предельное температурное состояние основания водохранилища -копани на р. Ханмей у г. Лабытнанги / И. С. Соболь // Гидротехническое строительство, водное хозяйство и мелиорация земель на современном этапе : сб. материалов Междунар науч.-практ. конф. / Междунар. акад. наук экологии, безопасности человека и природы,- Пенза, 1999. - С. 18-20.

36. Соболь, И. С. Программа расчета и графической интерпретации пространственных стационарных температурных полей в основании водоемов криолитозоны / И. С. Соболь // Проблемы гидрофизики при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов энергетики : сб. материалов Проскуряков, чтений / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники им. Б. Е. Веденеева. - Санкт-Петербург, 2001. - С. 53-55

37. Sobol, I. S. Propositions of Axing of Soil Slopes in Permanent Frozen Soils / I.S. Sobol,

A. N. Yezhkov // Proceedings of the 5-th International symposium on permafrost engineering, 2^1 September 2002. - Yakutsk (Russia), 2002. - Vol. 2. - P. 181-184.

38. Соболь, И. С. Инженерная модель предельного переформирования берегов малых водохранилищ в криолитозоне / И. С. Соболь // Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т - Нижний Новгород, 2002. - С. 84-87.

39. Практическое применение гидродинамической модели реки, разработанной в проекте «Волга-Рейн» / В. В. Найденко, С. В. Соболь, Е.Н. Горохов, И. С. Соболь [и др.] // Сборник трудов кафедры ЮНЕСКО Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т - Нижний Новгород, 2005. - Вып. 5. - С. 25-37.

40. Соболь, И. С. Обоснование проектных решений малых водохранилищ на северо-востоке России / И. С. Соболь // Великие реки-2005 : междунар. науч.-пром. форум • тез. докл. - Нижний Новгород, 2005. - Т. 2. - С. 221-222.

41. Соболь И.С. Малое водохранилище с мерзлой чашей для водоснабжения в криолито-

зоне / Ю. И. Вдовин, И. С. Соболь // Наукоемкие технологии в мелиорации : сб. материалов междунар. науч. конф. / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники и мелиора-цииим. А.Н. Костякова - Москва, 2005. - С. 224-226.

42. Прогноз зон затопления в долине р. Волги половодьями различной вероятности превышения по материалам проекта «Волга-Рейн» / С. В. Соболь, Н. П. Сидоров, Е. Н. Горохов, И.С. Соболь // Великие реки - 2006 : тр. Междунар. конгр. - Нижний Новгород, 2006. - С. 69-73.

43. Соболь, И. С. Водоснабжение из перемерзающей реки на севере / И. С. Соболь, Ю. И. Вдовин // Водоснабжение и водоотведение - качество и эффективность : Экспо-Сибирь^. IX науч.-практ. конф. - Кемерово, 2006. - С. 52-53.

44. Соболь, И. С. Предельное состояние основания и берегов малых водохранилищ в криолитозоне : монография/И.С.Соболь.-Нижний Новгород: ННГАСУ, 2006. - 214 с.

45. Соболь, С. В. Водохранилища в области вечной мерзлоты: монография/С.В.Соболь. -Нижний Новгород:ННГАСУ,2007.^32с.(Разделы 3.3,4.5,5.2,5.3, 5.4, 6.3, 6.12. - 50 с.)

46. Соболь И.С. Развитие гидроэлектроэнергетики Севера для будущей России / Б. М. Ерахтин, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Ноосферизм. Арктический взгляд на устойчивое развитие России и человечества в XXI веке : материалы Первого Междунар. ноосфер, север, форума в форме коллект. моногр., (Санкт-Петербург, 20-24 окт. 2007 г.). - Санкт-Петербург ; Кострома. - 2007. - Кн. 2. - С. 278-294.

47. Соболь, И. С. Гидрографические исследования водохранилищ города Сарова / И. С. Соболь, А. Н. Ежков // Великие реки-2007 : тр. конгр. Междунар. науч.-пром. форума. - Нижний Новгород, 2007. - С. 63-64.

48. Использование гидроэнергетического потенциала северных рек для гидроэлектрификации страны / Б. М. Ерахтин, И. С. Соболь, С. В. Соболь, A.B. Февралев // Приволжский научный журнал. - 2007. - № 3. - С. 13-34.

49. Прогнозное математическое моделирование фунтовых гидротехнических сооружений акционерной компании «Алмазы России - Саха» / С. Н. Долгих, С. В. Соболь, Е. Н. Горохов, И.С. Соболь [и др.] // Приволжский научный журнал. -2007. - № 3. -С. 35-42. (+8с. цв. вклейки)

50. Оценка загрязненности донных отложений реки Волги на участке Горьковское -Чебоксарское водохранилища / Г. Мюллер, А. Яхья, О.В. Кащенко, И. С Соболь [и др.] // Приволжский научный журнал. - 2008. - № 2. - С. 112-126.

51. Соболь, И.С. Натурные исследования занесения и заиления малых водохранилищ в бассейне Верхней Волги / С. В. Соболь, И. С. Соболь, П. В. Потемин // Приволжский научный журнал. - 2008. - № 4. - С. 62-79. (+ 4с. цв. вклейки)

52. Соболь, И.С. Обследование гидротехнических сооружений с целью определения их фактического состояния / Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, А. Н. Ежков // Промышленная безопасность : сб. ст. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород, 2009.-С. 208-216.

53. Расчетный прогноз устойчивости береговых склонов нагорной части города Нижнего Новгорода при разных уровнях Чебоксарского водохранилища / И. Н. Гришина, А. Н. Ежков, И. С. Соболь, М.С. Суслов [и др.] // Исследование актуальных геологических проблем Приволжья : сб. науч. тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. -Нижний Новгород, 2009. - С. 304-352.

54. Соболь, И.С. Формирование чаш малых водохранилищ в бассейне Верхней Волги / С. В. Соболь, И. С. Соболь, П. В. Потемин // Исследование актуальных геоэкологических проблем Приволжья : сб. науч. тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. -Нижний Новгород, 2009. - С. 216-274.

55. Соболь, И.С. Моделирование изменения гидродинамических условий рек Оки и Волги на участках антропогенного вмешательства / Н.П. Сидоров, И.С. Соболь, E.H. Горохов // Исследование актуальных геоэкологических проблем Приволжья: сб. науч. тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород, 2009. - С. 275-287.

56. Прогнозное моделирование экологической опасности водных объектов на урбанизированных территориях / С. В. Соболь, И. С. Соболь, Н. П. Сидоров, Д.Н. Хохлов [и др.] // Приволжский научный журнал. -2009. - № 4. - С. 158-162. (+6 с. цв. вклейки).

57. Соболь, И.С. Моделирование гидродинамики участков рек и водохранилищ при антропогенном вмешательстве / Н. П. Сидоров, И. С. Соболь, Е. Н. Горохов // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов : тр. Междунар. науч.-практ. конф., 26-28 мая 2009 г. / Перм. гос. ун-т. - Пермь, 2009. - Т. I. - С. 131-136.

58. Определение размеров эксплуатируемых водохранилищ для оценки объемов воды и площадей затопления / О. А. Коновалова, В. К. Парамонов, П. В. Потемин, И. С. Соболь // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов : тр. Междунар. науч.-практ. конф., 26-28 мая 2009 г. / Пермский гос. ун-т. - Пермь 2009 - Т 1 -С. 58-62.

59. Соболь, И. С. Автоматизация инженерных расчетов берегоформирований на водохранилищах криолитозоны / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Проблемы инженерного мерзлотоведения : материалы Междунар. симп., (г. Мирный, 3-7 сент. 2011 г.) / Ин-т мерзлотоведения Сиб. отд-ниярос. акад. наук. - Якутск, 2011. - С. 115-120.

60. Соболь, И.С. Значение водохранилищ для обеспечения водными ресурсами экономики России / Е. В. Колосов, И. С. Соболь // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук / Нижегор. гос. архитек-тур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород, 2012. - Вып. 15. - С. 89-98.

61. Гелашвили, Д. Б. Экология Нижнего Новгорода : монография / Д. Б. Гелашвили, Е. В. Колосов, Л. А. Лаптев ; Нижегор. гос. ун-т им. Н.И.Лобачевского, Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т, Ком. охраны окруж. среды и природ, ресурсов г. Н.Новгорода ; под общ. ред. Д. Б. Гелашвили. - Нижний Новгород : ННГАСУ 2012. - 522 с. (Разд. 4.5. - 13 е.).

62. Соболь, И. С. Инженерный метод прогнозирования изменения размеров равнинных водохранилищ, предназначенный для оценки потерь прибрежных земель / И. С. Соболь // Российским инновациям - российский капитал : кат. V Рос. форума. -Нижний Новгород, 2012.-С.165-167.

63. Соболь, И. С. Изменение объема водохранилищ России в процессе эксплуатации / И. С. Соболь // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования (Москва, 4-7 дек. 2012 г.) / Отд-ние наук о Земле Рос. акад. наук. - Москва 2012.-С. 104-105.

64. Соболь, И. С. Потеря объема водохранилищ Европейской территории России за период эксплуатации / И. С. Соболь // Великие рски-2012 : тр. конгр. Междунар. науч,-пром. форума- Нижний Новгород, 2013. - Т. 1. - С. 139-142.

65. Методология обеспечения защиты урбанизированных территорий от природных и техногенных негативных воздействий: монография / под ред. Е. В. Копосова. - Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. - 596 с. (главы 4,6,7, - 117 е.).

Подписано к печати 03.08.2015. Формат 60x84/16. Усл.-печ. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ № 955

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО ННГАСУ: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65