автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Прогнозирование судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов

На правах рукописи

/

Ахматова Наталья Петровна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СУДОХОДНЫХ УСЛОВИЙ В НИЖНИХ БЬЕФАХ ГИДРОУЗЛОВ (НА ПРИМЕРЕ НОВОСИБИРСКОЙ ГЭС)

Специальность 05 22 17 - «Водные пути сообщения и гидрография»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ 159854

Новосибирск 2007

003159854

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор

Ботвинков Владимир Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Дегтярев Владимир Владимирович (мл )

кандидат технических наук Сусликов Евгений Иванович

Ведущая организация ФГУ «Обское государственное бассейновое

управление водных путей и судоходства»

Защита состоится «26» октября 2007 г в 1422 час. в ауд 227 на заседании диссертационного совета Д 223 008.02 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, НГАВТ (тел /факс: (383) 222-49-76, E-mail: ngavt@ngs ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан « ЛЦ » ¿енлиь&гя 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета fSs* Михайлова Т Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Прогнозирование судоходных условий является традиционной темой в теории и практике путевых работ Строительство ГЭС на судоходных реках приводит к существенному изменению направленности русловых процессов под воздействием изменившихся гидрологических условий

Как показывают работы Алтунина С Т., Великанова М А , Гри-шанина К.В , Дегтярева В В (мл ), Знаменской Н.С , Караушева А В , Лапшенкова В С , Леви И И , Маккавеева Н И, Ржаницына Н А, Ча-лова Р С и др на судоходные условия наибольшее влияние оказывают режим регулирования стока, грунтовые условия и естественные очертания русла и поймы Однако все рекомендации не имеют жесткой привязки по времени после зарегулирования стока, которое оказывает существенное влияние на русловые деформации и судоходные условия Анализ выполненных работ показывает, что прогнозирование судоходных условий во многом определяется местными условиями, оказывающими наибольшее влияние на точность определения прогнозируемых величин

Целью диссертационной работы является разработка методов прогнозирования судоходных условий в нижнем бьефе гидроузла на основе оценки положения проектного уровня в зависимости от относительного времени после окончания строительства ГЭС и изменения типа и параметров донных гряд

Основные задачи исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

- оценить посадку уровней воды и изменение положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе,

- провести анализ изменения параметров макроформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС,

- оценить влияние параметров потока на изменение характеристик донных гряд в нижнем бьефе,

- прогнозировать судоходные условия в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС в зависимости от прошедшего времени после зарегулирования стока

Методы исследований. В ходе выполнения диссертационной работы были использованы современные методы исследований и обработки натурных данных, а также теоретические методы гидрологии и речной гидравлики

Научная новизна работы заключается в следующем- на основе обработки натурных данных выполнен анализ изменения русловых процессов и судоходных условий в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС при длительном воздействии гидроузла (около 50 лет) на речной поток и русло,

- произведена оценка изменения положения проектного уровня и величины расхода воды в зависимости от относительного срока после окончания строительства ГЭС;

- выполнен анализ и получены гидроморфологические зависимости изменения параметров донных гряд при удалении от створа ГЭС и относительно рассматриваемого срока после окончания строительства,

- определены эмпирические связи между относительным годовым смещением гряд и изменением числа Фруда,

- разработана методика прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах в зависимости от прошедшего времени после зарегулирования стока.

На защиту выносится:

- прогноз положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе в зависимости от срока после окончания строительства Новосибирской ГЭС,

- гидроморфологические зависимости изменения параметров донных гряд в зависимости от расстояния от створа ГЭС и времени, прошедшего после окончания строительства,

- расчетные зависимости для определения удельного расхода влекомых наносов при изменении скорости движения и величины размыва гряд;

- методика прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов с учетом времени, прошедшего после строительства ГЭС

Практическая ценность. Результатом работы является усовершенствование методов прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах ГЭС

Внедрение результатов. Рекомендации автора в порядке опытного внедрения использованы Новосибирским районом водных путей и судоходства для оценки и поддержания судоходных условий на участке Новосибирская ГЭС - с Ташара

Адробадия работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей (Новосибирск, НГАВТ, 2005-2007 гг ), на техническом совете ФГУ «Обское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей в открытой печати

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и содержит 156 страниц машинописного текста, в том числе 51 рисунок, 37 таблиц и 11 приложений Библиографический список содержит 87 источников, в том числе 8 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана научная и практическая актуальность работы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе рассмотрены гидрологический режим р Обь, особенности его геологического строения и влияние антропогенных факторов.

Строительство и эксплуатация Новосибирской ГЭС на р. Обь привели к существенному изменению гидрологического режима и направленности русловых процессов в нижнем бьефе (посадка уровней воды, задержка водохранилищем твердого стока наносов, изменение формы поперечного сечения русла и т д ), что, в свою очередь, сказалось на судоходных условиях плеса Следует отметить и особенности геоморфологического строения русла реки на этом участке, которые заключаются в малой глубине залегания гранитных подстилающих пород Кроме того, на русловые процессы и судоходные условия оказывает влияние антропогенное воздействие К нему относятся разра-

ботка русловых карьеров, землечерпательные работы по трассе судового хода, возведение выправительных и берегоукрепительных сооружений

Во второй главе представлен анализ существующих методов расчета деформаций русловых форм

Теоретические и практические методы для определения параметров донных гряд и твердого стока, прогнозирования русловых деформаций разрабатывались известными учеными, к числу которых можно отнести Алексеевского Н И, Алтунина С.Т., Буссинеска, Вели-канова М А , Гончарова В Н , Гришанина К В , Знаменскую Н С., Ка-раушева А.В , Кнороза В С , Корчоху Ю М , Лапшенкова В С , Леви И И , Маккавеева Н И , Российского К И , Ржаницына Н А , Снищенко Б Ф , Чалова Р С., Шамова Г И и др

Представленные зависимости не учитывают фактор времени, который играет большую роль в процессе трансформации грядовых форм и движении наносов, особенно в условиях регулирования стока Многие из них были получены в лабораторных условиях, а затем проверены на натурных данных, поэтому прогноз по этим зависимостям не может учесть таких факторов, как изменение климатических условий, уменьшение объемов изыскательских и землечерпательных работ Следует отметить тот факт, что зачастую возникают трудности при получении исходных данных для расчета по этим методам, а также их трудоемкость

Расчет трансформации русла нижнего бьефа по любому из методов позволяет учесть только те проявления этого процесса, которые обусловлены осветлением потока и межсезонным перераспределением жидкого стока В условиях нижнего бьефа Новосибирского гидроузла, где землечерпательные работы, производимые с изъятием грунта из русла, являются определяющими и в несколько раз превосходят по объему естественный размыв, любой расчет (даже по самому точному методу) может рассматриваться только как ориентировочный

В третьей главе исследовалось изменение гидрологических характеристик на участке Новосибирская ГЭС - с Ташара и оценивалось их влияние на судоходные условия

Во-первых, исследовалось изменение посадки уровней воды по гидропосту Новосибирск

Изменение уровня воды при проектном расходе 1500 м3/с (с 2003 г ) за период с 1960 г по 2006 г представлено на рис 1 и характеризуется следующей зависимостью

Я, = 0,004534 Хи(г)+ 0,014835 , (1)

а за период 1975-2006 гг. при сокращении карьерных разработок и дноуглубительных работ

Н2 =0,007155 ¿и(:г)+0'012438' (2)

__II _! I

где Я1т = —--1 - относительная посадка уровня, Н, - от-

Я

,/1(2)

метка уровня воды, соответствующая проектному расходу, м Балтийской системы (БС), Ннщ) - начальная отметка уровня воды, которая по данным 1960 г составляет Ян1 = 93,18 м БС, 1975 г - Я„2 = 92,72 м БС,

- Т-Т Т=-

я р ГЭС

- относительное время, Г, - рассматриваемый год,

Тпргэс - год начала работы Новосибирской ГЭС (1957 г), Тнормок -нормативный срок окупаемости (100 лет) Индекс корреляции для зависимости (1) составляет 0,98, для (2) - 0,99

0,014

0,008 н 0,006

0,004 0,002 0,000

—-

/ •

* Л

• /

(1 0 1 0 2 0 3 0 4 0

5 Т

• натурные данные

—зависимость, построенная по формуле (1)

Рис 1 Относительная посадка уровней воды по г/п Новосибирск при расходе 1500 м3/с за период 1960-2006гг

На рис 1 заметно ускорение посадки уровня воды для Новосибирска за период 1973-1988 гг. (Г = 0,16-0,31). Он совпадает со временем интенсивной разработки русловых карьеров в районе Новосибирска и началом занесения отработанных карьеров Затем наступает период сокращения карьерных разработок и дноуглубительных работ

Для прогнозирования изменений проектного уровня воды целесообразнее использовать формулу (2). Согласно расчету на перспективу величина отметок уровня при прохождении проектного расхода 1500 м3/с по г/п Новосибирск будет уменьшаться со временем и составит к 2007 г - 92,03 м БС, к 2010 г - 91,99 м БС, к 2015 г - 91,93 м БС, т е уровень будет продолжать садиться

Во-вторых, рассматривалось изменение расхода воды по гидропосту Новосибирск

Следует отметить, что положение проектного уровня устанавливалось директивно и при этом не учитывалось изменение соответствующего расхода воды, которое весьма значительно Следовательно, можно оценить зависимость изменения расхода при проектном уровне Проектный уровень воды по г/п Новосибирск корректировали несколько раз, поэтому величину расхода воды берем при соответствующем проектном уровне. Характер изменений за 1960-2006 гг представлен на рис 2 и описывается следующим уравнением

0=0,503102 £«(f)+ 0,929327, (3)

начиная с 1983 г при современном проектном уровне +80см

Q2 = 0,251235 Ln(f)+ 0,272001, (4)

TT Q.-Q.K 2)

где Ql(1) =-—— относительное изменение расхода воды, со-

0я1(2)

ответствующее проектному уровню, QHц2) - значение начального расхода, соответствующего проектному уровню 1960 г (+110 см) Q„i = 580 м3/с, 1988 г (+ 80 см) Q,a = 1370 м3/с , Q, - величина расхода воды при проектном уровне с учетом его корректировки, м3/с. Индекс корреляции для зависимости (3) составляет 0,99, для (4) - 0,93

При составлении прогноза отметки проектного уровня предпочтительнее использовать формулу (4), так как она дает результаты, близкие к натурным данным. Для поддержания проектного уровня на отметке +80 см по гидропосту Новосибирск, согласно расчету по зави-

симости (4), необходимо постоянно увеличивать расход воды Установлено, что расход воды составит в 2007 г - 1505 м3/с, в 2010 — 1525 м3/с, а в 2015 - 1555 м3/с

• натурные данные —зависимость, построенная по формуле (3)

Рис. 2 Относительное изменение расхода воды при установленном проектном уровне (с учетом его корректировки во времени) по г/п Новосибирск

С другой стороны, если бы проектный уровень по гидропосту Новосибирск поддерживали на уровне 1960 г (+110 см), то изменение расхода воды можно описать следующим уравнением

й= 0,693156 £и(г)+ 2,442550 , (5)

— О'-О,

где 0, = ———— относительное изменение расхода воды, соот-

Й„

ветствующее проектному уровню +110 см; <2\ - величина расхода воды при проектном уровне +110 см, м3/с Индекс корреляции для зависимости (5) составляет 0,99

Анализ расчета показал, что поддерживать проектный уровень на отметке + 110 см (установленной в 1960 г ) по гидропосту Новосибирск было невозможно из-за необходимости значительного увеличения расхода воды Согласно вычислениям по зависимости (5) проектный расход составил бы в 2007г — 1720 м3/с, в 2010 г - 1740 м3/с.

Затем была проанализирована тенденция изменения количества островов и осередков на участке Новосибирская ГЭС - с Ташара, которую можно описать следующими уравнениями

К =25,964 Т"°307 - количество островов, (6)

Косер =3,692 Т4)626 - количество осередков, (7)

Индекс корреляции для зависимостей (6), (7) составляет 0,93 В четвертой главе было рассмотрено грядовое движение наносов и определен твердый сток на р Обь в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС При этом исследованы многолетние и сезонные изменения макроформ грядового рельефа в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС

Сначала была рассмотрена пространственная структура грядового рельефа за многолетний период наблюдений (1973-2005 гг ) на участке Новосибирская ГЭС - с. Ташара, который характеризуется неустановившимся движением воды, обусловленным прохождением волн суточного регулирования Анализ пространственного расположения и изменения структуры грядового рельефа за этот период был сделан по данным русловых съемок и лоцманских карт по линии наибольших глубин Затем в навигацию 2006 г на приплотинном участке (684-704 км по судовому ходу) были проведены натурные исследования продольного профиля дна в пределах судоходной трассы при различных уровнях воды Изыскания производились в три этапа, на подъеме половодья, на пике половодья и на спаде половодья

Для анализа изменения пространственной структуры гряд была рассмотрена трансформация крутизны гряд по длине участка за период 1973-2005 г и навигацию 2006 г Были построены графики зависимости крутизны гряды от относительного положения ее гребня

= /(Лу), которые аппроксимируются следующими уравнениями

А

%- = а19+В, (8)

+ (9)

где А, В, С, И- расчетные коэффициенты Например, для многолетнего периода коэффициент А определяется по степенной зависимости

А = 0,033107 Г"15-0,000287, а для сезонных изменений (навигация 2006 г ) - по параболической зависимости

А = -0,004265

н

V "Р J

г+ 0,030724

гнЛ

н

пр J

-0,041332,

_ 1-1

кг - высота гряды, м, Ьг - длина гряды, м, 1гр = —-- - отно-

уч

сительное положение гребня гряды; Ьгр - текущее положение гребня, км от слияния Бии и Катуни по судовому ходу, Ьгэс - положение створа Новосибирской ГЭС, км от слияния Бии и Катуни (680 км); Ьуч -длина выбранного участка (120 км), Нпр - проектный уровень воды, м

Следующей задачей исследования являлось отслеживание изменений динамических характеристик движения донных гряд за многолетний период (1973-2005 гг) и сезонные периоды (подъем, спад половодья) навигации 2006 г

В качестве критерия, характеризующего движение донных гряд, было принято число Фруда, которое рассчитывалось по скорости перемещения гряды Сг

РГ7=Т%=, (Ю)

Тг ср - средняя глубина на гребне гряды, м

Зависимость числа Фруда (Бг,7) от относительного смещения гряд (Кг1М1Ьуч) за многолетний период времени представлена на рис. 3 Аналогичный расчет был выполнен для приплотинного участка Новосибирской ГЭС за навигацию 2006 г

Анализ расположения точек показывает, что за рассматриваемые периоды исследования взаимосвязь между смещением гребня гряды и числом Фруда не изменилась. Поэтому ее можно описать уравнением прямой с постоянным коэффициентом

Ъг=к— (11)

1 I

уч

где Я - смещение гребня гряды за 1 год, км - для многолетнего периода наблюдений, за 1 месяц, м - для навигации 2006 г,

¿ = 0,000689 - для многолетнего периода наблюдений, ¿ = 0,005899 для характерных сезонных периодов

Рг,т

' данные за период 1973-1979 • данные за период 1986-2005

■О,-66000+ ■

о данные за период 1979-1986

Рис 3 График зависимости числа Фруда от относительного

смещения гряды Рг,г = /

гк л

£

V У J

за многолетние периоды наблюдений

Для анализа воздействия речного потока на деформацию донных гряд за навигацию 2006 г было рассчитано число Фруда по скорости потока на гребне х>гр

л/£ т-

здесь Тг - глубина на гребне гряды, м

Зависимость числа Фруда (Рг2т) от относительной глубины на Т

гребне гряды (—при проектном уровне за характерные сезонные

периоды представлена на рис 4 и описывается степенной зависимостью вида

Рг2т = 0,036339

V2181

гпр

V У

+0,004664,

(13)

где Г, пр - глубина на гребне гряды при проектном уровне, м, Тгар - гарантированная глубина для плеса Новосибирская ГЭС - устье р ТОМЬ (Тгар = 2,30 М)

Рг7

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Рис 4 График зависимости числа Фруда от относительной глубины

Рг2т=/

Т

\ г"Р У

за навигацию 2006 года

Кроме того, построен график зависимости числа Фруда ( Рг2т) от

относительного положения гребня гряды ( Ь ) за характерные сезонные периоды, который представлен на рис 5.

Хорошо прослеживается наличие двух зон по длине расчетного участка, для каждой из которых было составлено свое уравнение

при 1 = 0,02-0,08 Рг2т =5,012 10"' Г469+ 0,015342 , (14)

при 1 = 0,08-0,20 Рг2т = 16,279263 Г2-4,490499 1 + 0,317324 (15) Следующим этапом исследования было определение твердого стока на участке реки Обь от Новосибирской ГЭС до с Ташара за

многолетний период (1973-2005 гг ), а также на пригаютинном участке за навигацию 2006 г. Расчет сводится к нахождению удельного грядового расхода наносов по следующей зависимости

Чт=С1 ДА, (16)

где Ак = ±(г - Тгр11) - величина намыва (или размыва) гребня гряды, м, Тгр „ - глубина на гребне гряды в начальный период времени, м, Тк - глубина в месте первоначального положения гребня в конечный период времени, м

Рг,т 0,08

0,00

0,02 0,06 0,10 0,14 0,18 0,22 Рис 5 График зависимости числа Фруда от относительного положения гребня гряды Бг2т = /(£) за навигацию 2006 года

На графике зависимости удельного грядового расхода наносов от скорости смещения гряды за период 1973-2005 гг (рис 6) большой разброс точек можно сгруппировать по значению А/г Точки каждой выделенной группы хорошо ложатся на прямую линию, т е получается зависимость вида

Чг=кС„ (17)

где к - эмпирический коэффициент к = 0,975766 Акср - для многолетнего периода наблюдений, ¿ = 1,061155 Акср — для характерных сезонных периодов навигации 2006 г,

Акср — среднее значение интервала А/г, м

Рис 6 График зависимости удельного расхода наносов от скорости движения гряды дт = /(Сг)за многолетний период

В пятой главе представлена методика прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов (на примере Новосибирской ГЭС) По этой методике можно определить отметку проектного уровня и величину проектного расхода воды, значение крутизны и смещения донных гряд, удельный грядовой расход наносов и прира-

щение отметки гребня гряды, а затем прогнозировать глубину по судовому ходу при проектном уровне воды

Шестая глава посвящена итогам внедрения результатов исследований в практику улучшения судоходных условий Приводятся конкретные примеры внедрения на участке нижнего бьефа Новосибирской ГЭС (Мочшценский, Нижний Дрегуновекий перекаты и др )

В заключении сформулированы основные результаты выполненной диссертационной работы

1 На основе обработки натурных и теоретических данных выявлены особенности русловых процессов и судоходных условий в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС

2. Проведен анализ изменения положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС за многолетний период наблюдений На его основе составлен прогноз изменения отметки проектного уровня и величины проектного расхода воды

3 На основе обработки натурных данных получены гидроморфологические зависимости изменения параметров макроформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС

4. Определены эмпирические связи между относительным годовым смещением гряд и изменением числа Фруда

5. Проведен анализ изменения удельного грядового расхода за многолетний период наблюдений в нижнем бьефе Новосибирского гидроузла и получены расчетные зависимости для его определения

6. Разработана методика прогнозирования судоходных условий в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС в зависимости от прошедшего времени после зарегулирования стока

Результаты исследований могут быть использованы проектными организациями и управлениями водных путей и судоходства для оценки и поддержания благоприятных судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1 Ахматова, Н.П Оценка влияния параметров потока на изменения характеристик гряд в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] /

НП Ахматова//Сиб науч вестн - Новосибирск, 2005. - Вып 8 - С 121-124

2 Ахматова, Н П Анализ параметров мезоформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П Ахматова // Сиб науч вестн - Новосибирск, 2005. - Вып 8 - С 129-132.

3 Ахматова, Н П Оценка положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П Ахматова//Сиб науч вестн — Новосибирск, 2005 — Вып 8 —С. 132-136.

4 Ахматова, Н П Методика оценки исследования влияния гидрологических процессов на судоходные условия в нижнем бьефе гидроузла [Текст] / НП Ахматова // Сиб науч вестн - Новосибирск, 2006 -Вып 9.-С 166-170

5 Ахматова, Н П Оценка посадки уровней воды при разных расходах и ее прогноз в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П Ахматова // Сиб науч вестн — Новосибирск, 2006 - Вып 9 - С 230238

6 Ахматова, Н.П Сезонные изменения характеристик донных гряд в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П Ахматова // Сиб науч вестн. - Новосибирск, 2007 -Вып. 10 - С 295-298

7 Ахматова, НП Разработка методики прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов на примере Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П. Ахматова // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей / НГАВТ - Новосибирск, 2007 -ч 1.-С 99-101

8. Ахматова, Н П Характер движения грядовых форм в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [Текст] / Н П. Ахматова // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 2007. - №1 - С. 42-46

9. Ахматова, Н П. Прогнозирование судоходных условий в нижних бьефах на примере Новосибирской ГЭС [Текст] / Н.П. Ахматова, В М Ботвинков // Речной транспорт. - М., 2007.

Подписано в печать 19 09 07 г с оригинал-макета

Бумага офсетная № 1, формат 60x84/16, печать трафаретная - Riso

Уел печ. л 1,0 Тираж 100 экз , заказ № 60

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «НГАВТ») 630099, г Новосибирск, у л Щетинкина, 33

Отпечатано в издательстве ФГОУ ВПО «НГАВТ»

Введение

1 Анализ изменения русловых процессов и их влияние на судоходные условия в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС

1.1 Гидрологический режим реки Обь в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС

1.2 Геоморфологическоероение русла реки Обь на участке Новосибирская ГЭС -Ташара

1.3 Антропогенное воздействие на русло реки Обь на участке Новосибирская ГЭС - Ташара

2 Анализ существующих методов расчета деформаций русловых форм

2.1 Классификация донных гряд

2.2 Определение параметров донных гряд

2.3 Определение расхода влекомых наносов

2.4 Анализ методов прогноза русловых деформаций

3 Исследование влияния изменений гидрологических характеристик на судоходные условия в нижнем бъефе Новосибирской ГЭС

3.1 Оценка посадки уровней воды по гидропосту Новосибирск

3.2 Оценка изменения расхода воды по гидропосту Новосибирск

3.3 Анализ трансформации многорукавности на участке Новосибирская ГЭС - Ташара

4 Движение наносов и оценка твердогоока реки Обь на участке Новосибирская ГЭС - Ташара

4.1 Многолетние изменения макроформ грядового рельефа р. Оби на участке Новосибирская ГЭС - Ташара

4.2 Сезонные изменения макроформ грядового рельефа на приплотин-ном участке Новосибирской ГЭС

Методика прогнозирования судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов (на примере Новосибирской ГЭС) 137 Итоги внедрения результатов исследований в практику улучшения судоходных условий

Прогнозирование судоходных условий является традиционной темой в теории и практике путевых работ. Особенно большое значение такие разработки приобретают в настоящее время, поскольку Министерством Транспорта Российской Федерации .утверждена Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)», в которой рассматривается совершенствование внутренних водных путей.

Строительство ГЭС на судоходных реках приводит к существенному изменению направленности русловых процессов под воздействием изменившихся гидрологических условий.

Как показывают работы Алтунина С.Т., Великанова М.А., Гришанина К.В., Дегтярева В.В.(мл.), Знаменской Н.С., Караушева A.B., Лапшенкова B.C., Леви И.И., Маккавеева Н.И., Ржаницына H.A., Чалова P.C. и др. на судоходные условия наибольшее влияние оказывает режим регулирования стока,.грунтовые условия и естественные очертания русла и поймы. Однако все рекомендации не имеют жесткой привязки по времени после зарегулирования стока, которое оказывает существенное влияние на русловые деформации и судоходные условия. Анализ выполненных работ показывает, что прогнозирование судоходных условий во многом определяется местными условиями, оказывающими наибольшее влияние на точность определения прогнозируемых величин.

Целью диссертационной работы является разработка методов прогнозирования судоходных условий в. нижнем бьефе гидроузла,на основе оценки положения проектного уровня в зависимости от относительного времени после окончания строительства ГЭС и изменения типа и параметров донных гряд.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- оценить посадку уровней воды и изменение положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе;

- провести анализ изменения параметров макроформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС;

- оценить влияние параметров потока на изменение характеристик донных гряд в нижнем бьефе;

- прогнозировать судоходные условия в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС в зависимости от прошедшего времени после зарегулирования стока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении нами отмечается, что основными результатами выполненной диссертационной работы является следующее:

1. На основе обработки натурных и теоретических данных выявлены особенности русловых процессов и судоходных условий в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС.

2. Проведен анализ изменения положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС за многолетний период наблюдений. На его основе составлен прогноз изменения отметки проектного уровня и величины проектного расхода воды.

3. На основе обработки натурных данных получены гидроморфологические зависимости изменения параметров макроформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС. »

4. Определены эмпирические связи между относительным годовым смещением гряд и изменением числа Фруда.

5. Проведен анализ изменения удельного грядового расхода за многолетний период наблюдений в нижнем бьефе Новосибирского гидроузла и получены расчетные зависимости для его определения.

6. Разработана методика прогнозирования судоходных условий в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС в зависимости от прошедшего времени после зарегулирования стока.

Результаты исследований могут быть использованы проектными организациями и управлениями водных путей и судоходства для оценки и поддержания благоприятных судоходных условий в нижних бьефах гидроузлов.

148

1. Алексеевский, Н.И. Движение наносов и русловые процессы / Н.И. Алексеевский, P.C. Чалов. М.: МГУ, 1997. - 166 с.

2. Алексеевский, Н.И. Формирование и движение речных наносов / Н.И. Алексеевский. М.: МГУ, 1998. - 202 с.

3. Алексеевский, Н.И. Гряды и их влияние на условия судоходства / Н.И. Алексеевский // Современное состояние водных путей и проблемы русловых процессов. -М.: МГУ, 1999. С. 61-68.

4. Апполов, Б.А. Учение о реках / Б. А. Апполов. М.: МГУ, 1963. - 422 с.

5. Ахматова, Н.П. Оценка влияния параметров потока на изменения характеристик гряд в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2005. - Вып. 8. - С. 121-124.

6. Ахматова, Н.П. Анализ параметров мезоформ в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2005. - Вып. 8.-С. 129-132.

7. Ахматова, Н.П. Оценка положения проектного уровня и расхода воды в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2005. - Вып. 8. - С. 132-136.

8. Ахматова, Н.П. Методика оценки исследования влияния гидрологических процессов на судоходные условия в нижнем бьефе гидроузла / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2006. - Вып. 9. - С. 166-170.'

9. Ахматова, Н.П. Оценка посадки уровней воды при разных расходах и ее прогноз в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2006. - Вып. 9. - С. 230-238.

10. Ахматова, Н.П. Сезонные изменения характеристик донных гряд в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Сиб. науч. вестн. Новосибирск, 2007. - Вып. 10. - С. 295-298.

11. Ахматова, Н. П. Прогнозирование судоходных условий в нижних бьефах на примере Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова, В. М. Ботвинков // Реч. трансп. М., 2007. - № 4. - С. 72-73.

12. Ахматова, Н.П. Характер движения грядовых форм в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / Н.П. Ахматова // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока Новосибирск, 2007. - №1. - С. 42-46.

13. Бейром, С.Г. Изменение природных условий в средней Оби после создания Новосибирской ГЭС / С.Г. Бейром, Н.В. Вострякова, В.М. Широков. -Новосибирск: Наука, 1973. 144 с.

14. Беркович, K.M. Русловые процессы, судоходные условия и регулирование русла реки Оби / K.M. Беркович, С.Н. Рулева, P.C. Чалов, В.М. Ботвинков,

15. B.В. Дегтярев (мл.) // Эрозионные и русловые процессы. М., 1996. - Вып. 2.1. C. 201-210.

16. Беркович, K.M. Развитие речных русел и рациональное соотношение антропогенных нагрузок / K.M. Беркович // Гидрология и русловые, процессы. Труды Академии водохозяйственных наук. М., 1998. - Вып. 5. - С. 216-225.

17. Беркович, K.M. Экологическое русловедение / K.M. Беркович, P.C. Чалов, A.B. Чернов. -М.: Геос, 2000. 331 с.

18. Ботвинков, В.М. Проектирование дноуглубительных и выправительных работ на малых реках: дис. . д-ра техн. наук: 05.22.17 Водные пути сообщения и гидрография / Ботвинков Владимир Михайлович. Новосибирск, 1995. -150 с.

19. Ботвинков, В.М. Гидроэкология на внутренних водных путях: учебник для воднотранспортных вузов / В.М. Ботвинков, В.В. Дегтярев, В.А. Седых. -Новосибирск: Сибирское соглашение, 2002. 356 с.

20. Ботвинков, В.М. Гидроэкологические проблемы русла р. Оби в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / В.М. Ботвинков, С.Н. Рулева, В.А. Седых, P.C. Чалов // Эрозионные и русловые процессы. М., 2005. - Вып. 4. - С. 90-103.

21. Виноградова, H.H. Влияние изменений гидрологического режима и хозяйственной деятельности на состояние русла р. Оби в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / H.H. Виноградова, С.Н. Рулева // Вестник МГУ. Сер. географ. -М., 1982. -№ 1.-С. 38-44.

22. Вострякова, Н.В. Преобразование твердого стока в среднем течении р. Оби / Н.В. Вострякова, В.В. Лысенко, В.М. Широков // Труды СибНИИЭ. -1975.-Вып. 27.-С. 3-20.

23. Галков, В.А. Режим русел в нижних бьефах и прогноз русловых переформирований / В.А. Галков // Труды ЛИВТ. Водные пути и гидротехнические сооружения. Л., 1967. - Вып. 112. - С. 28-41.

24. Гаррисон, Л.М. Влияние гидротехнических мероприятий на крупность донных наносов (на примере р. Оби) / Л.М. Гаррисон // Вестник МГУ. Сер. географ. М., 1979. - №4. - С. 47-50.

25. Гончаров, В.Н. Динамика русловых потоков / В.Н. Гончаров. Л.: Гид-рометеоиздат, 1962.-373 с.

26. Гордеев, О.И. Основы научных исследований: учеб. пособие / О.И. Гордеев. Новосибирск: НИИВТ, 1991. - Ч. 1. - 115 с.

27. Гришанин, К.В. Теория руслового процесса / К.В. Гришанин. М.: Транспорт, 1972. - 216 с.

28. Гришанин, К.В. Динамика русловых потоков / К.В. Гришанин. Л.: Гидрометеоизат, 1979. - 312 с.

29. Грушевский, М.С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах / М.С. Грушевский. Л.: Гидрометеоизат, 1982. - 288 с.

30. Дегтярев, В.В. Охрана окружающей среды / В.В. Дегтярев. М., 1989. -208 с.

31. Дегтярев, В.В. Улучшение судоходных условий сибирских рек / В.В. Дегтярев. М.: Транспорт, 1987. - 176 с.

32. Дегтярев, В.В. (мл.) Исследование кинематики волны попуска и ее влияние на русловые деформации: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.22.17 Водные пути сообщения и гидрография / Дегтярев Владимир Владимирович (мл.).-Л., 1977.-23 с.

33. Егизаров, И.В. Сопоставление методов расчета расхода наносов с измерениями в натуре / И.В. Егизаров // Методы измерения и использование водных ресурсов. М., 1964. - С. 5-23.

34. Знаменская, Н.С. Грядовое движение наносов / Н.С. Знаменская. JI.: Гидрометеоиздат, 1968. - 190 с.

35. Знаменская, Н.С. Классификация и усовершенствование методики расчета донных гряд / Н.С. Знаменская // Труды ГГИ. Режим, теория, методы расчета и измерения наносов и сточных вод. Л., 1974 - Вып. 210. - С. 113-130.

36. Знаменская, Н.С. Донные наносы и русловые процессы / Н.С. Знаменская. Д.: Гидрометеоиздат, 1976. - 192 с.

37. Знаменская, Н.С. Единые закономерности формирования речных русел / Н.С. Знаменская. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2002. - 61 с.

38. Капитонов, Н.М. Изучение движения наносов в нижних бьефах ГЭС / Н.М. Капитонов, A.B. Караушев, К.В. Разумихина // Труды ГТИ. Режим, теория, методы расчета и измерения наносов и сточных вод. JI., 1974. - Вып. 210. -С. 98-113.

39. Карасев, И.Ф. Русловые процессы при переброске стока / И.Ф. Карасев. JL: Гидрометеоиздат, 1970. - 268 с.

40. Караушев, A.B. Речная гидравлика: курс общей и специальной гидравлики для гидрологов / A.B. Караушев. JI: Гидрометеоиздат, 1969. — 416 с.

41. Караушев, A.B. Теория и методы расчета речных наносов / A.B. Караушев. JL: Гидрометеоиздат, 1977. -272 с.

42. Кнороз, B.C. О деформациях дна и о влиянии их на гидравлический режим потока / B.C. Кнороз // Труды 3 Всесоюзного гидрологического съезда. -Д., 1960. -Т.5. С. 166-176.

43. Кондратьев, Н.Е. Русловой процесс / Н.Е. Кондратьев, А.Н. Ляпин, И.В. Попов, С.И. Пиньяковский, H.H. Федоров, И.И. Якунин. Л.: Гидрометеоиздат, 1959.-372 с.

44. Копалиани, З.Д. Лабораторные исследования грядового движения крупных наносов / З.Д. Копалиани // Труды ГГИ. Л., 1972. - Вып. 204. - С. 6175.

45. Корчоха, Ю.М. Исследование грядового движения наносов на р. Поло-мети / Ю.М. Корчоха // Труды ГГИ. Л., 1968. - Вып. 161. - С. 98-121.

46. Лапшенков, B.C. Прогнозирование русловых деформаций в бьефах речных гидроузлов / B.C. Лапшенков. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 240 с.

47. Леви, И.И. Движение речных потоков в нижних бьефах гидротехнических сооружений / И.И. Леви. Л.: Госэнергоиздат, 1955. - 256 с.

48. Лысенко, В.В. Предварительные соображения о ходе руслЬвого процесса р. Оби в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС / В.В. Лысенко, И.С. Серге-енков // Труды ЗапСибРНГМИ. Вопросы гидрологии Сибири. Л., 1972. - Вып. 8.-С. 105-112.

49. Маккавеев, Н.И. Русловые процессы и путевые работы в нижних бьефах гидроузлов / Н.И. Маккавеев // Труды ЦНИИЭВТ. Вопросы волнового и руслового режимов на зарегулированных реках и водохранилищах. М., 1957. -Вып. 12.-С. 5-87.

50. Маккавеев, Н.И. О морфологических признаках современной аккумуляции в речной долине / Н.И. Маккавеев, P.C. Чалов // Изв. АН СССР. Сер. географ.- 1963.-№3.-С. 84-89.

51. Маккавеев, Н.И. Русловые процессы / Н.И. Маккавеев, P.C. Чалов М. -М.: МГУ, 1986.-264 с.

52. Маккавеев, Н.И. Эрозионно-аккумулятивные процессы и рельеф русла реки / Н.И. Маккавеев. М.: МГУ, - 1998. - 285 с.

53. Мальцев, B.C. Использование водных ресурсов Новосибирского водохранилища / B.C. Мальцев, С.П. Бавский // Водное хозяйство России (проблемы, технологии, управление). 2000. - Т.2. - №4. - С. 347-356.

54. Михайлова, H.A. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды / H.A. Михайлова. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 234 с.

55. Павленко, В.Г. Математические методы обработки экспериментальных данных: пособие для инженеров, аспирантов и научных работников / В.Г. Павленко, О.И. Гордеев. Новосибирск: НИИВТ, 1972. - 137 с.

56. Попов, И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство (гидролого-морфологическая теория руслового процесса и ее применение) / И.В. Попов. JL: Гидрометеоиздат, 1965. - 328 с.

57. Пушкарев, В.Ф. Движение влекомых наносов / В.Ф. Пушкарев // Труды ГГИ. Л., 1948. - Вып. 8 (62). - С. 93-110.

58. Ржаницын, H.A. Морфометрический метод расчета понижения уровней в нижнем бьефе гидроузла / H.A. Ржаницын, Е.К. Рабкова // Труды ЦНИИЭВТ. Прогноз режима русла и условия пропуска судов при эксплуатации гидросооружений. М., 1961.-Вып. 18.-С. 5-41.

59. Ржаницын, H.A. Руслоформирующие процессы рек / H.A. Ржаницын. -JL: Гидрометеоиздат, 1985. 264 с.

60. Россинский, К.И. Балансовый метод расчета деформаций дна потока / К.И. Россинский, И.А. Кузьмин // Труды Гидропроекта. JL, 1964. - Сб. 12. - С. 265-271.

61. Россинский, К.И. Движение донных наносов / К.И. Россинский // Труды ГГИ.-Л., 1968.-Вып. 160.-С. 102-139.

62. Русловые процессы и водные пути на реках Обского бассейна. Новосибирск: РИПЭЛ плюс, 2001. - 300 с.

63. Савкин, В.М. Эколого-географические изменения в бассейнах рек Западной Сибири: (при крупномасштабных мероприятиях) / В.М. Савкин Новосибирск: Наука, 2000. - 152 с.

64. Седых, В.А. Путевые работы на судоходных реках / В.А. Седых, Ф.М. Чернышов, A.B. Кабанов М.: Транспорт, 1978. - 328 с.

65. Серебряков, A.B. Русловые процессы на судоходных реках с зарегулированным стоком / A.B. Серебряков-М.: Транспорт, 1970. 128 с.

66. Фролов, Р.Д. Русловой режим нижних бьефов ГЭС / Р.Д. Фролов // Современное состояние водных путей и проблемы русловых процессов. М., 1999.-С. 56-60.

67. Черномордик, Б. Особенности судоходства на Оби ниже Новосибирской ГЭС / Б. Черномордик // Реч. трансп. М., 1961. - № 1. - С. 35-37.

68. Чернышов, Ф.М. Определение расхода влекомых наносов через параллельные песчаные гряды / Ф М. Чернышев, Ю.Г. Борщевский // Труды НИИВТ. Вопросы гидротехники. Новосибирск, 1968. - Вып. 38. - С. 3-12.

69. Чернышов, Ф.М. Сопоставление формул для расчета расхода влекомых наносов / Ф.М. Чернышов, Ю.Ф. Моисеев // Труды НИИВТ. Вопросы гидротехники. Новосибирск, 1968. - Вып. 38. - С. 12-27.

70. Чернышов, Ф.М. Повышение эффективности путевых работ на многорукавных участках судоходных рек / Ф.М. Чернышов. Новосибирск, 1973 -327 с.

71. Чугаев, P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости) / P.P. Чуга-ев. JL: Энергоизат, 1982. - 672 с.

72. Шамов, Г.И. Речные наносы. Режим, расчеты и методы измерений / Г.И. Шамов- JL: Гидрометеоиздат, 1954. -348 с.

73. Шуляк, Б.А. Физика волн на поверхности сыпучей среды и жидкости / Б.А. Шуляк-М.: Наука, 1971.-400 с.

74. Шумкова, М.Н. К вопросу оценки гидравлических сопротивлений естественных русел / М.Н. Шумкова // Труды НГАСУ. Новосибирск, 2005. - Т.8, №3(33).-С. 15-19.

75. Allen, G.R. On geometry and current ripples in relation to stability of fluid flow / G.R. Allen // Georafiska Annaler. 1969. - No. 1-2. - P. 61-68.

76. Gill, M.A. Height of sand dunes in open channel flows / M. A. Gill // J. of the Hydraul. Div. Proc. of the ASCE 1971. - vol. 97, HYZ 12.

77. Hayashi, T. Formation of dunes and antidunes in open channels / T. Hayashi // Proc. ASCE. Jour. Hydraul. Div. 1970. - vol. 96, NHY 2. - P. 357-366.

78. Kennedy, J.F. The formation of sediment ripples, dunes and antidunes / J.F. Kennedy // Annual review of fluid mechanics. Palo alto Calif., 1969. - vol. 1. - P. 147-168.

79. Mercer, A.G. Ripple profiles modeled mathematically / A.G. Mercer, M.J. Haque // J.of the Hydraul. Div. Proc. of ASCE. 1973. - vol. 99, NHY 3 - P. 441460.

80. Tanaka, J. Study on the flow over sand waves / Tanaka J. // Rep. DPRJ. -1968.-No. 1113.-P. 281-289.

81. Tsuchiya, A. The mechanics of dune formation in erodible bed channels / A. Tsuchiya, K. Ishizaki // Proc. XII Congr. of IAHR. Colorado, USA, 1967. - vol. 1.

82. Yalin, S. Mechanics of Sediment Transport / S. Yalin // Pergamon Pres. -Oxford, New York, Toronto, Sydney, Braunschweig, 1972. 290 p.