автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Русловые процессы и эрозионные формы

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИЗЫСКАНИЯМ, ИССЛЕДОВАНИЯМ, ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И МЕЛИОРАТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ В СНГ И ЗА РУБЕЖОМ

по ОД

«СОВИНТЕРВОД»

На правах рукописи

УДК 6.31.4 : 551.3

КУДРЯШОВ

Аркадий Федорович

РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЭРОЗИОННЫЕ ФОРМЫ (ДЛЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ)

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

МОСКВА 19 93

Работа выполнена в Российском Государственном Гидрометеорологическом институте

Научный консультант: Доктор географических наук, профессор Барышников Николай Борисович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Дружинин Николай Ильич Доктор технических наук, профессор Коваленко Виктор Васильевич Доктор географических наук, профессор Чалов Роман Сергеевич

Ведущая организация: Союзводпроект

Защита диссертации в форме научного доклада состоится »26« Н0Л&рЛ> 1993 г. в // часов на заседании Специализированного совета Д.099.08.01 при Производственном объединении по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов в СНГ и за рубежом "С0ВИНТЕРВ0Д" по специальности 05.23.07 "Гидротехническое и мелиоративное строительство".

Адрес: 129344, Москва, ул.Енисейская, дом 2.

С диссертацией и работами, положенными в ее основу, можно ознакомиться в библиотеке "ССВИНТЕРВСД".

Научный доклад разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н., с.н.с.

В.С.Заднепрянец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы.

Прямой и косвенный ущерб от неблагоприятного воздействия только руслового процесса на сооружения в СНГ составляет ежегодно миллиарды рублей. Наряду с разрушением почв водная эрозия уносит с полей и ¡йтбиа в 60 раз больше элементов питания растений, чем этих элементов поступает с удобрениями, что приводит к резкому падении продуктивности эродируемых почв. Продукты ускоренной эрозии, вызванной антропогенным воздействием, поступая в водоток, вызывают деградацию рек и ухудшение качества поверхностных вод. По социально-экономическому значению эти задачи являются народнохозяйственной проблемой, которая усугубляется кризисной экологической ситуацией. В настоящее время крупные природоохранные мероприятия осуществляются с учетом единого комплекса, включающего регулирование речных русел, защиту почв от эрозии и другие экологические проблемы. Поэтому выявление закономерностей русловых и эрозионных процессов является исключительно важной для водохозяйственного проектирования проблемой.

Цель работы - на основе нетрадиционных подходов выявить ряд гидрологических закономерностей, необходимых при водохозяйственном проектировании для расчетов руслового и эрозионного процессов; создать единую научную концепцию. В качестве таких подходов необходимо было использовать следующие! I) аналитический метод и физическое моделирование, позволяющие обеспечить решение задач взаимодействия потоков в деформируемых руслах; 2) использование метода аналогий; 3) уточнение механизма взаимодействия потока с водопроницаемыми границами; 4) математическое обоснование решений прикладных задач; 5) организация и проведение комплексных натур-

ных исследований.

Задана и методика исследований. Основной задачей работы является изучение русловых и эрозионных процессов на основе дискретного подхода к исследованию русловых и эрозионных формирований, механизма их развития и влияющих на этот процесс факторов. Методика исследований базируется на единстве гидравлических закономерностей применительно к спонтанно сформированным турбулентным потоком телам и их поверхностям; следствием этого единства является рассмотрение саморегулирующейся системы "водосборный бассейн -речной поток - русло". Анализ роли отдельных параметров, влияющих на функционирование этой системы, позволяет использовать гидравлические метода их оценки: сначала процесс изучается в спонтанном развитии, затем в расчеты вводятся ограничивающие условия. При обобщении и анализе материалов диссертант исходил из представления

о динамической устойчивости руслового и эрозионного процессов с влияния

целью искдюченшГгна них дополнительных факторов; им разработана методика натурных и лабораторных исследований.

Объекты исследования и материалы. Основой работы являются материалы, полученные диссертантом при проведении натурных (стационарных и экспедиционных) и лабораторных исследований, выполнявшихся под руководством или непосредственном участии автора, а также заимствованные из Гидрологических ежегодников и научной литературы.

Натурные исследования: I) стока и механизма перемещения взвешенных и руслоформируюиих наносов на склонах, в ручьях и реках Валдая, Сальских степей, Средней Азии, Казахстана, Кавказа в исследовательских целях и для решения задач гидромелиоративного строительства; 2) почв и водных ресурсов Казахстана с целью учета последних при подготовке водохозяйственных мероприятий;

- з~

3) заиления и занесения водохранилищ и водоемов на реках Кавказа и Средней Азии (Сыр-^рья, Чирчик, Каранкуль, Сох, Ходяа-Бакыр-ган, Мзымта, Белая, Исфана, Исфара и других) в связи с решением проблем орошения, энергетики и водоснабжения; 4) русловых процессов на реках: Вычегда, Большая Северная двина, Малая Северная Двина, Пинега, Вага, Кулой, Унжа, Немда и других для разработки рекомендаций по улучшении судоходных условий и лесосплава; 5) неустановившегося движения воды (волн попусков) на реках Свирь и Вырица для разработки рекомендаций по улучшению условий судоходства, проектирования ГЭС и отработки азрометодов с целью их использования в гидрометрии.

Лабораторные исследования: I) русловых процессов методами аэродинамики для обоснования методики моделирования и в производственных целях; 2) русловых процессов на размываемых моделях для установления закономерностей спонтанных формирований и усовершенствования методики моделирования; 3) водных однонаправленных потоков в гидравлических лотках с размываемым дном для исследования мелкомасштабной турбулентности; 4) гидрометрических приборов и оборудования в натурных условиях с целью испытания и улучшения их конструкции; 5) технических устройств и моделей в лаборатории для испытания их надежности.

Применяемая техника исследований регламентирована стандартами бывшего СЭВ, Наставлениями гидрологическим станциям и постам, Методическими указаниями управлениям Госкомгидроыета. Часть приборов и устройств сконструирована и испытана диссертантом.

Научная новизна работы: I) установлено единство закономерностей для спонтанно сформированных турбулентным однонаправленным потоком тел и их поверхностей; 2) на основе указанных закономерностей обоснован физический смысл числа Лохтина; 3) разработана методика расчетов русловых и эрозионных процессов, базирующаяся на

числе Лохтина и приемах классической механики; 4) предложен метод ихтиолого-русловой гидравлической аналогии (ИРГА).

Предает защиты. На основе иеторр. аналогий, использования законов технической гидромеханики создано новое направление в гидравлике - гидравлика спонтанных формирований, отличавшееся единым классом течений, характерным для многих природных процессов. Установлена аналогия в строении и гидроаэродинамическом сопротивлении донных гряд, чешуи рыб, пера птиц и других формирований.

На базе закономерностей этого направления разработаны принципиально новые методы расчетов русловых деформаций и эрозионных процессов, которые используются при проектировании гидротехнических сооружений, в частности, мелиоративных каналов.

Практическое значение и реализация результатов работы. Разработанный диссертантом метод расчета русловых и эрозионных процессов позволяет обосновать параметры элементов комплекса водохозяйственных мероприятий на этапе проектирования и осуществить прогноз их состояний на этапе эксплуатации. Обобщенный подход к изучению рассматриваемых процессов повышает надежность и точность проектных решений, а также способствует увеличению достоверности прогнозов. Результаты выполненных диссертантом исследований в различных географических зонах доведены до возможности их практического применения и используются для расчетов сопротивлений, расходов руслоформируюиих и взвешенных наносов, характеристик донно-грядовых формирований в аллювиальных руслах, выбора масштабов подобия для размываемых моделей и для аэродинамических методов исследования русловых процессов. Они также применяются при оценке эрозии почв водосборного бассейна и интенсивности заиления и занесения прудов и водохранилищ.

Реализация результатов работы осуиествлена; I) водохозяйственными органами стран-членов бывшего Совета Экономической Вза-

имопомощи в "методике измерения расходов наносов, изучения деформаций речных русел и исследования твердого стока", Будапешт,1972г., выполненной по теме бывшего СЭВ № 7.01.02; 2) управлениями Госком-гидромета в "методических указаниях управлениям Гидрометслужбы № 67 по учету стока наносов"; 3) управлениями Госкомгидромета в "методических рекомендациях к составлению справочника по водным ресурсам СССР № Ю (сток наносов)"; 4) специалистами Польской земледельческой Академии (при расчете водохранилища и сооружений гидроэлектростанции "Дружба народов" на реке Висле - учет стока наносов), Болгарской Академии Наук (при расчетах стока наносов болгарских рек); 5) плановиками, экономистами Облплана г.Архангельска в "методических рекомендациях по капитальному улучшению судоходных условий рек Пинеги и Ваги"; 6) сотрудниками Северного Бассейнового Управления Пути МРФ, научно-исследовательского сектора Ленинградского института водного транспорта при расчетах за-носимости судовых ходов на реках Волге, Большой Северной Двине, Вычегде, Ваге, Пинеге и других; 7) проектировщиками Министерств водного хозяйства Узбекистана и Таджикистана при расчетах интенсивности занесения головных гидроузлов на горных реках, заиления Кайраккумского и Фархадского водохранилищ, при оценке потребности в воде для орошения и водоснабжения; 8) учеными Государственного гидрологического института при составлении "справочника по водным ресурсам Кокчетавской области Казахстана", при использовании аэрометодов в гидрометрии, при расчетах руслбых переформирований и неустановившегося движения воды на реках Вырица и Свирь; 9) проектировщиками и учеными Калининградского технического института рыбной промышленности при расчетах гидротранспорта рыбы в промышленном рыболовстве, учеными АтлантНИРО, института Биологии южных морей Украины, Зоологического института РАН при исследованиях нек-

— С —

тона; 10) внедрены в учебный процесс ряда институтов, академий и университетов по дисциплинам речная гидравлика, русловые процессы, водаая эрозия почв,гидроэнергетические установки, гидравлический транспорт, мелиорация и другим. Диссертантом опубликовано 64 работы по теме диссертации, причем II из них являются учебно-мето-даческими пособиями, используемыми при подготовке студентов и аспирантов в ряде Университетов и ВУЗов. Автором прочитаны спецкурсы студентам гидрологических специальностей Российского Государственного Гидрометеорологического института(1992г.) и студентам Иркутского сельскохозяйственного института (1986г.).

Достовепносгь выводов обеспечивается использованием только инструментально измеренных материалов и подтверждением полученных диссертантом закономерностей другими исследователями и инженерной практикой. Научная состоятельность работы подтверждена; 1)Нацио-нальным Комитетом СНГ по теоретической и прикладной механике в монографии "Механика в СССР за 50 лет", том 2 - механика жидкости и газа (диссертант является участником 1У и УЛ Всесоюзных съездов по теоретической и прикладной механике); 2) советским Национальные Комитетом по международной биологической программе "Нектон"; 3) заявкой на открытие 32-0Т-8355 от 10.04.73г.; 4) информационным изданием ВИНИТИ "Итоги науки и техники", серия гидрология суши, том 8, 1991г.; 5) использованием результатов исследований диссертанта в 39 отечественных и зарубежных монографиях, учебных пособиях, многих научных статьях; 6) включением основных положений в состав научных отчетов по г/б темам, разрабатываемым в

и

соответствии с научно-техническими программки ГКНТ СНГ (с 1969г. по н.в.)(проблема 0.85.01, задания 08 и 09 (Постановление ГКНТ 555 от 30.10.1985 г.).

- ? -

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научных съездах, конференциях, координационных совещаниях и заседаниях ученых советов: на третьем и пятом Всесоюзных гидрологических съездах (Ленинград, 1957, 1986); на межведомственной н-т конференции по физическим основам механики струйного движения жидкостей и газов (Ленинград, 1957); на межведомственной третьей н-т конференции по геофизическим и гидрометеорологическим приборам, посвященной международному геофизическому году (Ленинград, 19о8); на всесоюзной н-т конференции по моделированию атмосферы и гидросферы (Ленинград, 1960); на пятом всесоюзном совещании по изучению селевых потоков (Баку, 19б£); на межвузовских н-т конференциях по проблеме "Движение наносов и гидравлический транспорт" (Москва, 1963, 1968); на всесоюзной н-т конференции ВАСХНИЛ по проблеме "Заиление водохранилищ" (Москва, 1968); на заседании ученого совета Зоологического института АН СССР (Ленинград, 1966); на заседаниях ученого совета Государственного гидрологического института (Ленинград, 1957-1961); на н-т конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского с/х института, Санкт-Петербургского Гос.Аграрного университета (Пушкин-Ленинград, 1970-91); на совместном заседании кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского Государственного Университета (Москва,1976); на всесоюзных межвузовских конференциях "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1976, 81, 87); на н-т конференции профессорско-преподавательского состава Азово-Черноморского института механизации сельского хозяйства (Зерноград, 1984); на всесоюзном симпозиуме "Методологические и системные проблемы охраны окружающей среда" (Ленинград, 1984); на всесоюзной н-практической конференции "Проблемы и перспективы комплексного использования производств" (Ленинград,

- г -

1985); на всесоюзных н-т конференциях "Динамика и термина рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984, 1989); на всесоюзной научной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства" (Москва, 1983); на межведомственной третьей научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (Владивосток, 1988); на межвузовских координационных совещаниях по теме "Исследование русловых процессов на реках и в устьях рек и разработка методов их учета для различных отраслей народного хозяйства" (Томск, 1986; Нижний Новгород, 1988; Луцк, 1989; Ярославль, 1990; Одесса,1991; Ташкент, 1991; Ижевск, 1992); на всесоюзной научной конференции "Эоозиоведение: теория, эксперимент, практика" (Москва, 1991); на межгосударственной научной конференциг "Геоэкологические аспекты хозяйствования .здоровья. СПешь,1993на итоговой н-т конференции профессорско-преподавательского состава Российского Государственного Гидрометеорологического института (С.-Петербург, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 научных работы из их общего количества 86; результаты исследований отражены в 28 отчетах, большинство которых имеют государственную регистрацию. Научный доклад является обобщением части результатов натурных, лабораторных и теоретических исследований, выполненных лично автором и под его руководством.

— 9 —

Основное содержание работы.

Введение. Неоспорима актуальность разработки проблемы комплексного использования водных ресурсов в условиях мелиоративного строительства и других видов антропогенного воздействия, для прогноза эрозионно-русловых процессов. Однако недостаточная теоретическая база рассматриваемых процессов затрудаяет решение задач. Принятый в работе метод исследований отличается от ранее существовавших тем, что сначала русловые и эрозионные формирования изучаются в спонтанном развитии, а затем в полученные закономерности вводятся коррективы, учитывавшие ограничивающие процесс условия, создаваемые как природой так и искусственно. В настоящее время появилась необходимость в изучении больших систем и в выработке для них специального математического аппарата. К таким системам относятся многие природные и биологические процессы, изучение которых представляет большие сложности. В мелиорации наиболее перспективными являются саморегулирующиеся системы. Математика вынуждена создавать количественные модели объяснения таких явлений и доведения результатов до числа. Математические метода расчета, базируясь на предварительном экспериментальном исследовании и законах механики позволяют прогнозировать процесс.

В последаюю четверть века появилось новое научное направление, в основе которого лежит теория самоорганизации термодинамически неравновесных структур, это направление получило название синергетика. Упорядоченные структуры, характерные для таких систем, описываются нелинейными математическими уравнениями, решение которых встречает большие трудности. Одним из свойств нелинейны* систем является возможность возникновения разнообразных структур, появляювихся и в пространстве и во времени. Основной

-ю —

задачей синергетики, по-видимому, будет выявление закономерностей, управляющих поведением нелинейных систем (см.Н.Н.Моисеев, 1987г.).

В природе ряд механических явлений протекает спонтанно. Под воздействием периодических возмущений в текучих средах процессы сопровождаются образованием спонтанных формирований, которые взаимосвязаны со структурой потока. Под спонтанно сформированными турбулентным потоком телами понимаются тела, форма и поверхность которых деформируется синхронно с турбулентными возмущениями обтекающей их вязкой среды. При этом динамически установившиеся формирования на поверхности такого тела остаются при стационарном обтекании неизменными. Этим поверхностям свойственна вибрация и определенная концентрация инородных для потока, ограниченно подвижных частиц, на границе раздела с текучей средой. Эти частицы отделяюта от поверхности тела в поток за счет сил турбулентного перемешивание В качестве спонтанных формирований в текучих средах рассматриваются побочни и гряда всех видов в руслах рек, барханы и даны в пустынях, тела и покровы рыб, корпуса и покровы птиц и многие другие. Наиболее четко спонтанность процессов проявляется при формировании водны»: потоком побочней и донных гряд в руслах рек, тел и покровов рыб, т.к. эти процессы менее других затушеваны влияниями других второстепенных факторов.

К изучению самоорганизующихся гидроаэромеханических природных систем можно подходить с двух точек зрения: во-первых, как к явлению воспроизведения гидроаэродинамическими сопротивлениями аналоги' ных форм в неживой и живой природе; во-вторых, как к отрасли науки-гидроаэромеханике спонтанных формирований. Выявление закономерностей спонтанных формирований связано с изучением процессов, происходящих как в живой, так и в неживой природе, т.е. кроме технических знаний из области речной гидравлики, необходимы знания из области гидробиологии. Для функциональной морфологии рыб и водных животных

характерно не только описание формы тела и конструкции покровов, но и стремление к пониманию причин, вызвавших эту форму и строение покровов. Таким образом, исследование явлений, сопровождающихся возникновением спонтанных формирований, тесно связано с развитием

бионики. Гипотеза о единстве закономерностей, которым подчиняются

(£ЕШМВ

описываемые спонтанные формирования в живои^йрироде, была предложена автором в 1949 году.

I. Обзор и анализ состояния проблемы

Решение задач рассматриваемой проблемы связано с успехами в развитии таких наук как теоретическая механика, речная гидравлика, геоморфология, прикладная геология, физическая география, гидротехника, мелиорация и ряда других. Эта проблема является составной частью еще более сложной и пока неразрешимой проблемы турбулентности.

Одно из основных положений геоморфологии рассматривает общие закономерности самоорганизующихся состем при формировании рельефа в учении о географическом цикле. Не менее важным является широко известный закон геоморфологии о том, что раз соединившиеся речные долины больше не разъединяются. Об этом свидетельствуют древовидное строение гидрографической сети планеты и то обстоятельство, что поток, возникший при слиянии нескольких потоков, транспортирует наносы при меньшем гидравлическом уклоне, чем уклоны водотоков до слияния. Неравномерность стока воды во времени способствует увеличению транспорта наносов и интенсификации эрозионных процессов. Эрозионно-аккумулятивные процессы в аллювиальных руслах естественных водотоков порождают самопроизвольные формы рельефа. Зна^-ние закономерностей строения, развития этих формирований необходимо как при теоретическом их обосновании, так и в практических целях: гидро-, энерго- и мостостроительство, мелиорация, водные пути и др.

- /г-

Над решением задач рассматриваемой проблемы работает множество отечественных и зарубежных специалистов.

1.1. Способность периодических структур к саморегулированию и физическая модель явления

В качестве периодических структур рассматриваются те формы, которые создаются турбулентными возмущениями, вихрями, флуктуация-ми при квазиустойчивом состоянии движения ньютоновских текучих сре, . Турбулентный лоток, являясь сложной системой автоколебаний, способен к самопроивольному формированию своего строения. Большинство природных процессов, связанных с течением жидкостей и газов, сопровождается перемешиванием частиц текучих сред и примесей в них. Слоистые течения встречаются редко. Пульсации скорости, давления, плотности и температуры в движущейся среде обусловлены турбулентностью. Турбулентный поток насыщен вихрями различных форм и размеров. Эти вихревые неоднородности возникают, перемешиваются и затухают, порождая при этом своеобразную иерархию. Поэтому поле скоростей в турбулентном потоке устанавливается самопроизвольно и не диктуется одаозначно внешними условиями. Развитие учения о турбулентности сопровождается применением теоретических и экспериментальных приемов изучения. Однако до настоящего времени отсутствует методика математического описания турбулентного потока, несмотря на использование законов механики, методов статистики и математического анализа.

детальными измерениями обнаружено, что нелинейное взаимодействие между вихревыми возмущениями турбулентного движения приводит к отклонениям от нормального закона К.Гаусса распределения вероятностей турбулентных пульсаций скорости. При этом статистический комплекс вихрей не является взаимнонезависиыым комплексом, что предусматривается центральной предельной теоремой А.М.Ляпунова.

Моделирование статистических характеристик турбулентных пульсаций полностью неосуществимо, т.к. выбор одной величины строго определяет остальные (при пяти ограничительных связях из девяти величин). Диффузионная и конвективная модели турбулентных пульсаций не позволяют получить удовлетворительного совпадения расчетных и измеренных параметров (см.А.С.Ионин, А.М.Яглом, 1992 г.).Понятие турбулентной вязкости применяется во многих моделях турбулентности, однако в ряде случаев получается его отрицательное значение, что физически можно объяснить изменением внутренней энергии потока. Классификация способов описания турбулентных течений предусматривает использование безразмерных эмпирических зависимостей, деления течений на зоны, численных методов решения уравнений Рейнольдса, моделирования поведения крупных вихрей, решения полных уравнений На-вье-Стокса. Таким образом, математическое описание перемещения отдельных вихревых элементов и частиц примесей в турбулентном потоке пока невозможно.

Используемые в гидроаэромеханике методы теоретической мехяни-хи применяются к равномерно-переменному движению и позволяют определить силу в трех случаях (см.Н.Н.Никитин, 1991 г.): I) сила -функция только времени; 2) сила - функция только скорости; 3) сила-

рун кция только координат. Если же сила зависит от всех перечислен-1ых аргументов, то решение задачи очень затруднено. В механике •урбулентных потоков учитываются почти все механические силы, вли-ющие на движение, однако механизм передачи энергии от потока к гра-;ице и от границы обтекаемого тела в поток до сих пор для некото-ых процессов не установлен. В рассматриваемых процессах неразреши-ая пока проблема турбулентности усугубляется наличием деформаций уела - тела и меняющейся ограниченно подвижной шероховатостью его оверхности.

Анализ гидроаэромеханических процессов с помощью аналитических методов производится по А.Ю.Ишгинскому с использование»! двух видов уравнений: I) универсальных, пригодных для любых жидкостей г газов; 2.) описывающих определенные свойства только конкретных жидкостей. Особенно затруднено аналитическое описание перемещения мне гофазных смесей, из которых простейшей является двухфазная смесь: жидкость - твердые частицы, жидкость - частицы другой жидкости. При исследовании двухфазных потоков используются зависимости двух типов: для псевдооднородной жидкости и для дискретной текучей среды.

В современный период в гидроаэромеханике применяются еледуш! модели жидкости - газа: I) корпускулярная; 2) идеальная; 3) сжимаемая; 4) вязкая; 5) модель плазменного обтекания (высокотемперату| ная среда). Однако ни одну из них нельзя с достаточной точностью использовать для познания рассматриваемых природных процессов. Пр] мером этому являются уравнения Навье - Стокса, которые для строги: описаний турбулентных потоков непригодны, т.к. нарушение устойчивости ламинарных течений приводит к появлению нерегулярных ветвя-

л.

щихся решений. Одним из перспективных напылений является гидроаэ; механика спонтанных формирований. Спонтанность процесса способств; ет сортировке частиц по крупности самим потоком. Однако это напра ление строго регламентировано самопроизвольностью процесса и не позволяет получить приемлемых решений на основе использования зак нокерностей гидроаэромеханики потоков в недеформируемых границах.

С целью повышения надежности и точности расчетов в гидроаэро механике используются методы моделирования и аналогий. Если подоб ные процессы, обусловленные едиными дифференциальными уравнениями одинаковой физической природы, то применяется метод моделирования Однако в большинстве случаев создание моделей, полностью подобных изучаемому процессу в натуре, невозможно. Тогда можно использоват

метод аналогий, т.к. в этом случае допускается создание моделей другой физической природы, но при наличии единства дифференциальных уравнений и одинаковых условий однозначности, описывающих процесс. При этом под условиями однозначности понимаются равенства безразмерных критериев подобия.

В качестве примера рассмотрим ихтиолого-русловую гидравлическую аналогию. Используя закон обращения движения, сравним два процесса неодинаковой физической природы: движение маломутного водотока в аллювиальном русле и плавание чещуйных рыб. Перемещение песчаных гряд в русле естественного потока сходно с механизмом работы чещуйной поверхности рыб, при этом тело рыбы подобно побочню. Расчеты свидетельствуют (Дудряшов к.Ф., 1967), что чешуйные рыбы плавают в условиях бурного состояния обтекающего их потока, т.е. при малоизученных для гряд параметрах. Наблюдается аналогия: I) между формой тел и образований на их поверхности (геометрическое подобие); Е) в обоих процессах механизм обтекания сопровождается переносом частиц с ограниченной подвижностью (наносов и частиц слизи), сходным является и кинематика обтекания тел (кинематическое подобие); 3) частицы слизи начинают выделяться из колбовидных клеток эпидермиса рыбы после создания необходимых скоростей, аналогичных наибольшим допустимым неразмываюшим скоростям .в руслах водотоков; 4) гидравлические сопротивления воды движению рыб, расчитанные по методике русловых процессов, подтверждаются биологической мощностью рыб; о) фазы перемещения руслоформирующих наносов соответствуют аналогичным фазам по видам рыб - бесчещуйные (медленный,чешуйные, бесчешуй-ные (быстроходные) (динамическое подобие). В руслах естественных водотоков частицы наносов сортируются по крупности, у рыб соответствующее явление наблюдается в эволюции. Таким образом, воспроизведение гидравлическими сопротивлениями аналогичных форм в живой и

неживой природе обусловлено сходным механизмом взаимодействия тел с обтекавшим потоком (исключая потоки с большим содержанием взвесей). При этом морфометрические и динамические параметры рассматриваемых формирований подчиняются единым математическим уравнениям и взаимосвязаны с минимумом затрачиваемой энергии.

1.2. Роль симметрии в рассматриваемых природных процессах

формирование природных объектов зависит от влияния среда. Форма рассматривается вторичной по сравнению с содержанием. Качественно однородные тела могут принимать разные геометрические очертания, а качественно различные - одинаковые геометрические формы. Земное тяготение накладывает отпечаток на формирования, относящиеся как к неорганической, так и к органической природе. В установление законов симметрии значительный вклад внесли как отечественные, так и зарубежные ученые. На ряде примеров можно убедиться в том, что несимметричные формы в живой и неживой природе являются исключением. Окатанная водным потоком песчинка имеет форму трехосного эллипсоида, что согласуется с универсальным принципом симметрии П.Кюри. Позвоночные животные киеют одну плоскость симметрии; в неживой природе симметричную форму имеют многие спонтанные формирования (песчаный бархан в плане, гряда в руслах рек), что свидетельствует о симметрии в живых и неживых телах (В.И.Вернадский). Получившие распространение в последнее время полуэмпирические гипотезы, позволяющие найти зависимости между физическими характеристиками процесса, исходят из принципа симметрии (Л.И.Седов, 1973). Из этого же принципа выделяются теории подобий и размерностей. Закон обраиения движения справедлив и для русловых процессов в аллювиальных руслах (опыты С.Ы.Анцыферова, 1969 г.). Закономерно симметричные природные формы позволяют исследователям заимствовать у природа идеи технических решений, математических моделей.

1.3. Особенности законов сохранения в гидроаэромеханике спонтанных формирований

Механика системы материальных точек или тел оперирует уравнениями, основанными на законах сохранения массы, количества движения (импульса), момента количества движения и энергии. Так на законе сохранения массы основывается уравнение неразрывности. Все теоремы динамики твердого тела являются результатом математических преобразований второго закона Ньютона для материальной точки. Для составления уравнений движения используются законы сохранения количества движения и энергии. Механическую систему могут образовывать только связанные между собою различными силами точки или тела. Эти силы разделяются на внешние и внутренние, при этом внутренними являются те, которые взаимодействуют с точками или телами только внутри системы. Для абсолютно твердого тела внутренние силы уравновешены.В отличии от твердого тела в потоке вязкой жидкости некоторая часть работы вязких напряжений вызывает изменение внутренней энергии. Если центр масс системы твердых тел совпадает с положением их центра тяжести, то в условиях речного потока и плавания рыбы он колеблется около одного положения. Из всех законов сохранения внутренние силы учитывает только теорема об изменении кинетической энергии системы материальных точек. Таким образом, главенствующим принципом исследования в данной работе принят энергетический.

При исследовании многих природных процессов закон сохранения энергии используется совместно с законом количества движения. В классической механике закон импульса применяется в теории удара, т.е. при упругом и неупругом столкновении тел. Неупругое столкновение наблюдается тогда, когда после удара внутреннее состояние частиц изменяется. Способности текучих сред оказывать сопротивление движущимся в них телам определяются стокновениями частиц текучей

-12-

среда друг с другом. При этом такие частицы могут не касаясь между собою, отклоняться от прямолинейных путей вследствие силового взаимодействия, неупругого столкновения. Подобный процесс характерен и для потока в спонтанно сформированном русле. Если же удар не является абсолютно неупругим по неподвижному телу, то после столкновения у системы остается кинетическая энергия

Е « т Ео ' • ■ ■ (1)

где масса системы двух тел; £*с- кинетическая энергия сис-

темы до удара.

Рассмотрим, например, в качестве одного тела массой Пц объем потока вода в аллювиальном русле, а в качестве другого тела - захваченные этим турбулентным потоком частицы наносов массой Ш, . Считая "мишенью" поток, рассмотрим систему координат, перемещающуюся вместе с потоком, а в качестве "снаряда" используем частицы нано

—>

сов. Обозначим импульс частиц наносов через • По закону сохране ния импульса при относительной неподвижности "мишени" ^ — р ,т.е. импульсу системы. Кинетическая энергия системы равна £ = ,

где - масса системы. При таком взаимодействии потока

с наносами закон сохранения энергии выразится в виде:

гу^ггЛщ 7Па1 - и >

где р* и р* - соответственно импульсы наносов и потока после неупругого столкновения; Ц~ - изменение внутренней энергии системы, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, основываясь на законе сохранения энергии, можно объяснить уменьшение гидродинамических сопротивлений в наносонесущем потоке на основе учета внутренней энергии потока и кинетической энергии наносов. Следует отметить, что этот результат может быть исполь зован и да разработок экспериментальных исследований.

-/$1.4. Традиционные дифференциальные уравнения движения ньютоновских текучих сред

Анализ системы дифференциальных уравнений позволяет выявить общие свойства процессов или явлений. Получение строгих решений для турбулентного потока затруднено тем, что турбулентный обмен для различных процессов обтекания по направлению нормали к телу различен. По ней изменяются градиенты скоростей и коэффициенты турбулентного обмена, что влияет на форму эпюры скоростей. Первые исследователи движения текучих сред, идеализировав изучаемые процессы и упростив их до примитивных геометрических представлений, создали простые теоретические модели, ставшие основой гидроаэромеханики: от упругости, ползучести, текучести к ламинарному режиму. Однако для турбулентного режима традиционные методы исследования уже более столетия не позволяют получить точных результатов. Поэтому привлечение неклассических методов исследований является актуальной задачей. Полезными для практики примерами нестрогого гидроаэродинаыического подхода являются введенное Л.Прандтлем понятие пограничного слоя и дальнейшие разработки по этой проблеме, выполненные как отечественными так и зарубежными исследователями.

Дифференциальные уравнения Л.Эйлера предусматривают непроницаемость ограничивающих поток стенок, а поведение частиц текучей среды изучается при прохождении ими неподвижных точек пространства. Если в качестве независимых переменных использовать время и координаты частицы жидкости в начальный момент времени, то при некоторых допущениях и преобразованиях можно получить дифференциальные уравнения идеальной жидкости в форме Ж.Лагранжа, которые сложнее уравнений Эйлера. Гипотезу И.Ньютона о внутреннем трении Г.Стокс распространил на нормальные напряжения в движущейся жидкости, что позволило ему получить законченный вывод дифференциальных уравнений для потока

- повязкой жидкости с использованием предложенных ранее уравнений движения невязкой жидкости. При этом в вязкой жидкости учитывается прилипание частиц к поверхности твердого тела, обеспечиваемое влиянием молекулярных сил. Следовательно при движении вязкой жидкости необходимо учитывать обязательное появление вихрей, образующихся самопроизвольно, без участия внешних сил, за счет внутренней энергии потока. Позднее Ж.Буссинеск ввел понятие о средних местных скоростях частиц потока, что дало возможность суммарно учесть действительные изменения по величине и направлению скоростей в точках турбулентного течения. Его работы положили начало статистическому методу определения осредненных скоростей. В настоящее время рассматри ваются два рода вязкости: объемная и тангенциальная. Объемная вязкость, вызывающая объемные деформации, это способность текучей среды реагировать на сжимающие и растягивающие усилия. Тангенциальная вязкость характеризует среду с позиций касательных сил трения. В текущем столетии для оценки движения жидкости при турбулентном режиме бьши предложены следующие гипотезы:

1. Л.Прандтля, которая справедлива для безотрывного обтекания твердого тела;

2. М.А.Лаврентьева, Б.В.Шабата, предусматривающая разделение потока на зоны (с потенциальным течением и имеющую завихренность);

3. Л.И.Седова, базирующаяся на размерностном анализе наиболее влиятельных сил в исследуемом процессе;

4. кинетической теории турбулентности (В.В.Струминский идр.) и др. Учет баланса пульсационной энергии в дифференциальных уравнениях турбулентного движения предложен А.Н.Колмогоровым. Использование зависимостей Колмогорова не только позволяет в ряде случаев замыкать систему дифференциальных уравнений, но и дает возможность получения ряда формул для описания эпюр осредненных продольных ско-

— г\ -

ростей турбулентных потоков: логарифмика, степенная парабола, эллипс и другие. Существуют различные формы представления основных уравнений движения невязкой жидкости: в натуральных и цилиндрических координатах, в форме И.С.Громеко, А.А.Фридмана, А.В.Келлера, Г.Гельыгольца и других. Хотя решений этих уравнений в строгой постановке не существует, однако, используя различного рода упрощения, рядом исследователей предложено около 30 методов их интегриров/ания.

I

- 22-

П. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЯВЕШШНЫХ НАНОСОВ В РЕЧНОМ РУСЛЕ

Продукты эрозии почв, попадая в речную сеть, способствуют деградации рек и ухудшению качества поверхностных вод. Особенную тревогу специалистов эти процессы вызывают в условиях кризисной экологической ситуации. Решение проблемы затрудняется недостаточной изученностью процесса и преобладанием эмпирических методов в зро-зиоведении. Поэтому привлечение нетрадиционных методов исследования приобретает особое значение при разработке физических основ теории эрозии. Кроме указанных затруднений, на познание процесса оказывают влияние факторы географической зональности, общие законы циркуляции атмосферы, геологические структуры, формы рельефа и другие.

2.1. Методика и техника исследований

В качестве взвешенных наносов рассматриваются частицы, перемешаемые на большие расстояния во взвешенном состоянии. Эти наносы при их измерениях улавливаются специальными батометрами или оцениваются оптическими и акустическими способами. С изменением гидравлических элементов потока часть взвешенных наносов может переходить в донные и наоборот. Некоторые исследователи выделяют наносы придонного слоя, как промежуточную категорию между взвешенными и донными. Однако при установившемся процессе перемещения частиц эта категория наносов не наблюдается ни в натурных, ни в лабораторных условиях. Методика и техника наблюдений за механизмом формирования и перемещения взвешенных наносов регламентирована нормативными документами. Вопросы, связанные с перемещением взвешенных и донных наносов, рассматриваются отдельно, т.к. механизм их движения различен.

- 232.2. Физический смысл числа Лохтина

Число Лохтина характеризует устойчивость русел водотоков при условии, что водный поток может спонтанно формировать свое русло, сложенное аллювиальными отложениями, а так же находящееся в состоянии длительного динамического равновесия с потоком. Учитывая то обстоятельство, что основным регулятором саморегулирующейся системы "водосборный бассейн-речной поток - русло" является гидравлическое сопротивление, при обосновании физического смысла числа Лохтина будем исходить из гидродинамических представлений.

В пульсирующем турбулентном течении сравнительно крупная (^0,01 мм) частица взвешенных наносов находится под воздействием сил тяжести и инерционных. В большинстве потоков (см.формулы (2о) и (27)) сила сопротивления этой частицы пропорциональна второй степени скорости (см.В.Б.Гуссак, 1948). Так как формирование стока взвешенных накосов в естественных потоках зависит от многих природных факторов, то следует использовать осредненные параметры. Теоретическая мощность потока РС— 2ГО.дН < где О. -средний за многолетие годовой объемный расход воды в рассматриваемом гидрометрическом створе; дН - высота падения гидродинамического напора на длине Ь участка русла (от истока до гидроствора); Г - удельный вес воды. Полезная мощность потока, расходуемая на турбулентное перемешивание, взвешивание наносов, их перемещение и сортировку по крупности, равна Жпол = '¡МТ* Ь . где ~ коэффициент полезного действия потока, характеризующий интенсивность утилизации водной энергии при перемещении наносов;

- средаий за многолетие годовой весовой расход взвешенных

Од

наносов в гидростворе. При этом —~ среднегодовая за многолетие мутность в гидростворе (г/м3). Естественно, что указанный кпд потока тесно связан с коэффициентом гидравлического трения по

длине X . Для струи потока диаметром с1<!.н. по формуле Г.Ддрси -

Вейсбаха потери напора равны

, ' • " <3)

где с«.н. - средний диаметр частиц взвешенных наносов (мм), установленный по среднегодовым за многолетие материалам наблюдений в гидростворе; - характерная скорость струй вихревых возмущений в потоке; д. - ускорение силы тяжести. Принимая средний ук. .и

лон потока от истока до гидроствора Зер— в промилях (о/оо, м/км), получим Л= . Таким образом кпд

. - 1 ^ пл у . (4)

где (Я* - коэффициент пропорциональности, характеризующий гидродинамические условия перемещения наносов; /1 - показатель степени. По натурным измерениям для рек, ручьев различных географических зон _____ о ч

где \Уа?* ~ размерный коэффициент. Из полученного выражения (5) становится ясным физический смысл числа Лохтина как критерия, обуславливающего весовую концентрацию взвешенных наносов, т.е. эрозию почв водосборного бассейна. При этом уклон определяет транспортирующую способность потоков, а средняя за многолетие крупность взвешенных наносов с1б.н. характеризует по Г.В.Лопатину (1952г.) совокупность водаоэрозионных процессов на водосборах в различных природных, в том числе геологических, условиях.

- ZS-

2.3. Дифференциальные уравнения взвесенесущих потоков

Так как во взвесенесущих потоках сдвиговые деформации воздействуют на нормальные напряжения, то целесообразно для анализа использовать дифференциальные уравнения в форме Даламбера - Лагран-жа. Принимая условие, что приращение функции при бесконечно малом перемещении аргумента можно заменить ее дифференциалом, а также заимствуя из теоретической механики принцип Ддламбера и принцип возможных перемещений применительно к движущейся системе, получим дифференциалы составляющих работы по осям, т.е. в проекции на ось ЭС :

¿А*«/>(£- . • • (6)

где J3 - плотность потока воды с наносами; ЭС - проекция полного ускорения массовых сил на ось X. ; cLTT*=dxdydz ; Г* -продольная скорость слоя жидкости; cib - интервал времени. Однако dAx^fiA-ci'lxn) cLx , где cLix и dTxn. - полные дифференциалы соответственно проекций сил давления и сопротивления на ОСЬ JC . При ЭТОМ р» ^ (Рхх + Руу + Ргг) 6х«/ =E«fX ; = £zx. j Тогда

Полное касательное напряжение при турбулентном режиме для различных точек по вертикали равно

сг ег

где Ол и с-т - касательные напряжения для условий ламинарного и турбулентного режимов течения; ТГх - продольная скорость слоя жидкости; ^ - ордината по вертикали от дна; Л - постоянный по вертикали коэффициент турбулентного обмена. После подстановки выражения (7) и преобразований уравнения движения взвесене-сущего потока будут иметь вид:

, ... те-Л* жгР^^+у/г+ъР'Г .(8)

Обозначая символом V = ^^ Ч~ ^^ получим сокращенное выражение уравнений: '

% #)+/■ , • ■ «»

где последовательно ¿ = . для ламинарного режима, когда

= 0 , дифференциальные уравнения (9) превращаются в уравнения Навье - Стокса. При малой мутности плотность водного потока можно приближенно принять постоянной = , что позволяет

составить четвертое уравнение - неразрывности:

чк+Щ'+Щ-о «лг*-<>■ •■<»»

Если же при транспортировании наносов происходят значительные изменения плотности потока с наносами, то в качестве уравнения неразрывности используется выражение:

При аналитических решениях для реального процесса привлекаются другие ограничения. Характеристиками турбулентности, которым посвящены работы Л.Прандтля, Т.Кармана, К.Тэйлора и др., являются

компоненты пульсационных напряжений в уравнениях (9), в частности,

(—

касательное пульсационное напряжение бтху, . При этом коэффици-

- г?-

ент турбулентного обмена является мерой переносной способности процесса перемешивания (количество движения, тепло, вихри, наносы и др.).

2.4. Роль взвешенных наносов в переносе загрязняющих веществ

При проектировании водоохранных мероприятий необходимо знать пути миграции и изменение количества загрязняющих веществ (ЗВ) в водаой среде. Взвешенные наносы, переносимые потоками, сорбируют на своей поверхности ЗВ и в результате турбулентного перемешивания распространяют их на весь водный объем. Однако в естественных водных объектах наблюдаются сложные гидродинамические, биохимические и физические процессы, приводящие к самоочищению водаых масс. В настоящее время принято все лимитирующие показатели вредности (ЛПВ) делить на три категории: I) токсикологические вещества, влияющие на организм человека и животных (эти вещества не самоочищаются, а только заражают другие частицы); обозначим количество взвешенных частиц, зараженных этими веществами и поступающих из первого потока с наносами в момент времени ~Ь через 5 ("Ь) ; 2) вещества, изменяющие скорость протекания процессов самоочищения и влияющие на санитарное состояние потока; обозначим количество взвешенных частиц, зараженных этими веществами и поступающих из второго потока с наносами в момент времени ~Ь через У^Ь) » 3) вещества, изменяющие органолептические свойства воды (вкус, запах, цвет); обозначим количество взвешенных частиц, зараженных этими веществами и поступающих из третьего потока с наносами в момент времени ~Ь через Очевидно, что после слияния таких потоков в

общий поток при условии постоянства числа взвешенных частиц для

момента времени ~Ь получим общее количество этих частиц

.......

-¿I-

Учитывая те реальные соображения, что концентрация загрязненных взвешенных наносов зависит от ряда, факторов, в том числе от времени, от температуры воды, от размера частиц взвеси, а также то обстоятельство, что самозаражение и самоочищение частиц взвеси в природных водах достигается разбавлением, в результате биохимической деструкции, сорбции, десорбции, взаимодействия с другими компонентами, содержащимися в воде, введем ряд доцущений. Во-первых, в обием потоке принимаем число частиц взвешенных наносов Ж постоянным, при этом донные наносы ввиду незначительности их количества не учитываем. Доцускаем, что когда число взвешенных частиц 3 , поступающих из второго потока, превосходит фиксированную величину У* , то скорость изменения числа частиц 5 , поступающих из первого потока, пропорциональна числу этих частиц 5 .Скорость изменения числа 3 частиц, поступающих из второго потока, принимаем пропорциональной числу С/ этих частиц. Эти допущения и упрощения оправдываются в ряде случаев наблюдениями и теориями. Следовательно в том случае, когда , то 5 увеличи-

вается, т.е. до некоторого момента времени турбулентное перемешивание и другие факторы не обеспечивают смешения частиц У и 5 . С учетом этих доцушений подучим уравнение

.если

0 , если ' ' ' '

где об - коэффициент самозаражения (пропорциональности).

Скорость изменения числа 3 частиц, поступающих из второго потока в обдий поток будет равна разности за единицу времени между вновь зараженными частицами и теми, которые самоочистились, т.е.

•если т ... (ш ль 1 »есл*

где - коэффициент самоочищения (пропорциональности). Скорость

лг

f

5ft)

Рис.1

— 30-

изыенения числа саыоочистившихся частиц равна -S^L — р J .Во-вторых, зададим начальные условия и предположим, что Л = fi .В качестве начальных условий принимаем, что в момент времени t«= О число 3 частиц из второго потока равно , а также при "t= О

R (о) = 0. На основании принятых допущений рассмотрим два варианта.

Вариант I. Число .С течением времени в общем

потоке число загрязненных частиц не будет увеличиваться, т.к.

» л

-gg: = 0 и соответственно уравнению (II) и условию R(o) = 0 получим

S(t) = $(0)~jr-J(0) .... (И)

Этот вариант свидетельствует о недостаточном турбулентном перемеши-

, «i

ваши в общем потоке. С учетом уравнения (13) будем иметь Отсюда = , тогда

r (-t)=jf- s Ci) - J (t)=^ (о) [i - e" ^ ] • • • -do)

Изменение во времени числа загрязненных частиц для всех трех категорий ядовитых веществ общего потока применительно к первому варианту схематически представлено на рис.1.

Вариант Z. Число . Так как функция непрерыв-

на, то должен существовать интервал времени ^ Т , в пре-

делах которого справедливо неравенство J (~t) > jf* . Следовательно, для всех значений времени ~t от 0 до Т количество частиц S , поступающих в общий поток из первого потока,будет увеличиваться за счет самозаражения частиц 3 , поступающих из второго потока, т.е. для пределов 0 <Т S (-fc) = S(o) . Подставим значение

S ¿fc)

в уравнение (13) получим

4i+^=-oCs(o)e"c't ■ • • ■ а«

Умножая обе части уравнения (16) на величину в будем иметь

ctt

Отсюда

, где С - постоянная интегрирования. Следовательно уравнение (16) имеет множество решений, которое может быть задано соотношением

где при = О С = С) (о) и тогда (17) будет

Зф-Ш+^Ж!^ • • • (ш

для пределов

Установим значения Т и "Ьтлх , при этом ¿л»<гх - момент времени, для которого количество частиц <У будет наибольшим. Момент времени Т характерен тем, что для него изменение числа частиц 5 прекращается в связи с принятыми выше допущениями и условиями. Если в уравнении (18) принять Ь = Т , то с учетом условий второго варианта получим

лмад+^тЗе"^ . . . (ш

Однако 5

является числом частиц, которое с увеличением времени ~Ь> Т остается неизменным и для которого справедливы равенства

5(Т)=$(<*>) = .

Отсюда находим _ } п ^^

Т(Р) * • • • (20)

т.е. момент времени X » когда число частиц 5 не изменяется. Подставим Т из (20) в (19) получим

ИЛИ 5^) ~ Т(р) Тро) • Преобразуя будем иметь

.... (21)

В правой части уравнения (21) все члены известны, следовательно определим £ (сх>) .

Для определения момента времени "Ьщаж используем уравнение (18), т.е.

Отсюда для наибольшего количества частиц У время

■ ■ •<га

Подставим (22) в (18) получим

п Ш-1

Следовательно в момент времени "Ьплх количество частиц, зараженные.токсикологическими веществами, равно количеству частиц, влияющих на санитарное состояние потока. При ~Ь>Т

Щ^е^^.....(24)

На рис. 2 схематически представлено изменение по времени числа загрязненных частиц для всех трех категорий ядовитых веществ в общем потоке, соответствующее условиям второго варианта.

Представленные в п.2.2 доклада соображения позволяют по числу Лохтина рс. считать среднегодовую мутность потоков, а по данным п.2.4 определить количество переносимых загрязняющих веществ, доведенные до уровня практических расчетов оба варианта взаимодействия загрязняющих веществ с частицами взвешенных наносов могут быть использовали при прогнозировании водоохранных мероприятий (Кудряшов, 1993 г.).

- 33-

Ш. НАНОСОНЕСУЩИЙ РУСЛОВОЙ ПОТОК С МАЛОЙ МУТНОСТЬЮ

3.1. Пульсации скорости

Экспериментальные исследования и теоретический анализ свидетельствуют о главной роли низкочастотных колебаний в формировании структур турбулентного потока. При ламинарном же режиме наблюдаются близкие к периодическим колебания большой амплитуды. Наличие вихревого потока в пограничном слое при ламинарном режиме объясняется перемещением связанных групп молекул. Это взаимодействие начинает проявляться в самом начале движения, когда скорость потока в пограничном слое становится больше нуля, за счет переноса количества движения этими группами молекул текучей среды. Возникающие при этом высокочастотные пульсации скорости воздушного потока, характеризуются выражением ^ = Л^у/Т* л ... (25) где ^ - частота высокочастотных пульсаций скорости (периодов в секунду) на расстоянии 0,17 * 0,28 мм от стенки трубы и частота микровихрей в следе за тонким цилиндром; 1Г - средняя скорость воздушного потока /ем/сек/. Из выражения (25) следует, что при переходе ламинарного режима в турбулентный в пограничном слое потока не наблюдается скачка и что определяющим фактором процесса является средняя скорость потока в диапазоне от 16 до 1600 см/сек. По-видимому, при спонтанном формировании вихрей в пограничном слое силы инерции уравновешиваются силами вязкого трения, т.е.

где ^И и у - соответственно динамический коэффициент вязкости и плотность воздуха; Ц, -скорость перемещения вихревых образований; 2) - линейный размер тела, диаметр; ^ - ускорение силы тяжести; - функция. Эта формула (2э) в общем виде также выведена автором из теории малых колебаний.

Низкочастотные пульсации давления и скорости проявляются в частоте срыва макровихрей при обтекании двумерных симметричных тел потоком воздуха. Зависимость числа В.Струхаля от числа

О.Рейнольдса /ее для круглых цилиндров прослеживается от верхней границы режима ползущего движения до закризисного режима обтекания. дальнейшее увеличение числа Рейнольдса приводит к нарушению спонтанности процесса обтекания и к несоблюдению этой зависимости. Низкочастотные пульсации скоростей в открытом водаом потоке подчиняются зависимости

^-¡¿т > ■ ■ ш

где Ч- - частота (периодов в секунду); ?Г- средняя скорость турбулентного потока в диапазоне

14 300 см/сек;¿=ЗИО (1/см)-коэффициент пропорциональности, выводимый из работы элементарной струйки при неустановившемся движении и равный отношению энергии одного колебания к скорости распространения волн. Зависимость (27) свидетельствует об определяющем процесс факторе - средней скорости.

Низкочастотные пульсации пограничных продольных скоростей в обтекающем тело потоке рассмотрены на основе методов потенциального течения. Для класса течений с потенциалом скоростей используется общий интеграл уравнений Навье-Стокса со скоростями на границе потока, неравными нулю. Это условие соблюдается тогда, когда обтекаемая поверхность не имеет четкой границы, т.е. текучая среда может просачиваться через поверхность, состоящую из инородных для потока частиц. В результате решения из этого метода получена эллиптическая кривая для траектории частиц жидкости, пульсирующих в продольном направлении пограничного слоя. На основе закономерностей циклоидального маятника может быть предложена в качестве такой кривой эволюта циклоиды.

Затухание продольной осредленной по времени фильтрационной

скорости по мере углубления в толиу донных отложений рассмотрено при условии, что переменная сила, действующая на частицу жидкости, зависит только от положения точки. В результате интегрирования составленного дифференциального уравнения получен закон процесса

и. = ъРе~пг , (2в)

где Ц. - продольная фильтрационная скорость в толше донных отложений по нормали X к дну; Цпр- придонная, осредненная во времени, продольная скорость руслового потока; 1Ь - коэффициент пропорциональности, характеризующий отношение коэффициента фильтрации к кинематическому коэффициенту вязкости и зависящий не только от формы и крупности несвязных частиц песка, но и от температуры фильтрующейся жидкости; - основание натуральных логарифмов. Следагет учитывать случаи, когда знак скорости М. в толще отложений может изменяться на обратный.

Низкочастотные пульсации приграничных нормальных к обтекаемой поверхности скоростей способствуют отрыву инородных для потока частиц от деформируемой поверхности. Эти пульсации обусловлены перепадами гидродинамического давления при обтекании выступов рельефа поверхности тела и касательными напряжениями, передающимися от потока в толщу пористого тела, ,цля вывода использована теорема об изменении кинетической энергии применительно к жидкому цилиндру, расположенному по нормали к границе потока; при ряде допущений имеем

и. / и , л Мл

где - высота капиллярного поднятия воды в песке; ^ - величина заглубления жидкого цилиндра в отложения дна; 1С - скорость фильтрации воды в отложениях; щ. - пористость отложений; ^ - коэффициент фильтрации; Н - глубина руслового потока; ~Ь - время; ^ - ускорение силы тяжести. Полученное дифференциальное уравне-

-36-

ние не проинтегрировано, однако процесс проанализирован для двух условий; когда глубина руслового потока Н неизменна и когда толщина подрусловой части ^ фильтрационного потока постоянна. Структура выведенных для этих условий уравнений свидетельствует о том, что глубина проникновения в несвязный песок вертикальных пульсаций скорости зависит от их амплитуды и частоты, а интенсивность просачивания вода в песок является функцией времени.

З.Е. Неразмывающие скорости

Средние допустимые неразмывающие и нераздувавшие скорости потока рассмотрены с использованием трех гидродинамических подходов применительно к двум условиям: до и после начала трогания несвязных частиц. На основе принципа возможных перемещений из динамики несвободной системы материальных точек получено выражение для средней допустимой неразмываюией скорости (см/с), при которой еще не происходит смещение несвязных частиц в прямолинейном потоке:

ТГдоп.неразм. " 116 , • • • (30)

где 116 - обобщенный размерный коэффициент для малой мутности потока; ¿¿ср (см) - средняя крупность частиц на границе потока. В процессе формирования аллювиальных и эоловых песков несвязные частицы окатываются. Например, в речных песках содержится около 23% окатанных частиц. Из сравнения формулы (30) с формой частиц, выраженной в процентах, установлено, что для окатанных частиц крупностью один миллиметр допустимая неразмывающая скорость возрастает, что объяснимо с позиций наименьшего гидравлического сопротивления. При этом частицы менее 0,05 мм совсем не окатываются, что по-видимому связано с наименьшей величиной суммарного сопротивления эрозии (например, лессы). При дефляции почв существенное значение приобретает влажность песка, однако полученная формула аналогична (30).

Начальная скорость перемещения несвязных частиц, характеризующая начало сдвига отдельных частиц, зависит в основном от их формы и крупности. Допускаем, что на частицу воздействует подъемная сила и гидродинамический момент, независящие от вязкости, обтекание частицы идеальной жидкостью рассмотрено с потенциалом скоростей, параллельных плоскости разреза частицы. Проанализированы случаи полушара, полуэллиптического и полукругового цилиндров с ис -пользованием аналитической функции комплексного переменного. В результате выводов установлено, что наиболее близкие к измеренным значения получаются для эллиптических цилиндров с соотношением полуосей СС = 2 б , т.к. для этого случая сила тяжести частицы превышает подъемную силу.

3.3. Процесс отрыва донных наносов от дна

Отрыв инородных для потока частиц от обтекаемой поверхности сопровождается воздействием на них двух главных сил: движущей и сопротивления. Однако направления движущей силы и силы сопротивления в большинстве случаев не совпадают, что способствует возникновению пар сил, образованию водоворотов, волн, пульсаций и других возмущений в потоке. Этот процесс рассматривается автором на примере механизма взвешивания частиц донных наносов турбулентным потоком малой мутности. Вращательное движение жидкости разделяется на свободное и вынужденное. Свободное или безвихревое движение наблюдается в виде источника или стока в покоящейся жидкости. Вынужденное движение, характерное для вихрей двияущегося турбулентного потока, является вихревым и возникает под воздействием вязких касательных напряжений. ,цля анализа вынужденного равномерного вращательного движения жидкости выделена в потоке элементарная струйка. Динамический реактивный момент действия струйки на окружающий поток относительно оси вращения равен изменению секундного момента

- И—

количества движения струйки, для рассматриваемого процесса использован принцип действия насоса, когда момент действия направлен против вращения струйки. Один из выводов выполнен для динамического равновесия частицы воды, захваченной придонным вихрем, вращающемся вокруг оси, наклоненной под разными углами к горизонту. Второй вывод предложен для частицы донных наносов, захваченной вертикальным вихрем, при этом определена угловая скорость вращения для двух условий: динамического равновесия гидросмеси с частицами и продолжающегося подъема гидросмеси с частицами (по принципу насоса). Во втором выводе учтено следующее условие. Так как плотность частицы наносов больше плотности воды, то при одинаковом перепаде давления ускорение этой частицы меньше ускорения воды. Поэтому в сужающейся струйке воды частица наносов отстает от жидкости и тогда сила трения направлена по направлению движения наносов, т.е. в направлении силы, возникающей от градиента давления. Рассмотренное аналитическое решение свидетельствует, что основную роль при отрыве инородных для потока частиц от спонтанно сформированной поверхности после подъемной силы играют мелкомасштабные "торнадо".

3.4. Работа потока при перемещении донных наносов

Рассмотрены две формы транспорта донных наносов: сальтацией и качением. При сальтации частица песка попеременно то поднимается, то опускается на высоту над дном. С позиций механики обосновано и рядом опытов подтверждено, что работа, совершаемая песчинкой при опускании, составляет 1/3 часть работы, затрачиваемой на ее подъем. Работа А сил сопротивления при транспортировании песчинки состоит из работы А, по перемещению ее центра тяжести, работы Ал сил трения и работы Аз вращательного движения, при этом все три работы отрицательны, т.е.

где Gti- вес песчинки в воде; И - полное количество циклов подъем - опускание на длине L даа потока; ^-г - коэффициент трения частицы песка о дао; <£дн. - средняя крупность частиц донных наносов; СО, - угловая скорость вращения песчинки вокруг оси, нормальной к продольной вертикальной плоскости (по опытам ¿0,«: 1*2 оборота на длине L , тогда 0). Отсюда

A^-tn&hsb+frL) • • • (32)

При качении частицы песка по наклонному дну рассмотрены три случая перемещения: равноускоренное, равнозамедлинное и равномерное. Полная работа потока А при равномерном перемещении песчинки состоит из работы сил тяжести Gn , тяги Т , трения качения, при этом работа реакции дна равна нулю, т.е.

A=jTMSjb±&n$L^~f«(GnMsX-TsUij3)] , . .(зз)

где - коэффициент трения качения; Jb - угол наклона силы тяги к наклонной плоскости; сС - угол наклона дна к горизонту. При опускании песчинки работа силы тяжести положительна, при подъеме -отрицательна. При равномерном подъеме песчинки к.п.д. равен

..... (34)

При равноускоренном перемещении песчинки вверх по наклонной плоскости сила тяги ".w движущая сила потока, действующая на песчинку, будет

rp ^r $Lti*C rx Cos Л ,

при равнозамедленном перемещении вверх по наклонной плоскости дна

rV<dC CcSa^

1

- ко-

Предложенный метод расчета позволяет рассмотреть и другие варианты перемещения частиц.

З.о. Коэффициент турбулентного обмена

Исходя из принципов Даламбера V возможных перемещений применительно к движущейся системе, получим дифференциалы составляющих работы по координатным осям. Эти составляющие равны произведению полных дифференциалов сумм проекций сил давления и сопротивления на элементы длин осей. Принимая р яг X (рхх+Рэд+Ргг) • выражая силы давления и сопротивления через нормальные и касательные напряжения, получим после преобразований дифференциальные уравнения (9) движения маломутного потока в форме ддламбера-Лагранжа. Заменим касательное пульсационное напряжение при турбулентном режиме через

^-¿/■пуе^» • ■ • (зо)

где числовой коэффициент; у> - плотность потока; 1Гугг - вторая составляющая вектора скорости пульсации; € - длина пути пере-сПГх

мешивания; -. и - градиент составлявшей скорости по нормали к 7

дну. Выражение (Зо) выведено Л.Прандтлем и Т.Карманом из закона турбулентного переноса количества движения. Аналогичными (Зо) характеристиками турбулентности являются другте компоненты пульсаци-

онных напряжений относительно осей. Применительно к вертикали по-с

тока^донными наносами на аллювиальном дне для большинства равнинных и предгорных рек мокни использовать закон .Зри:

Ц.н, у (36>

где средня крупность частиц донных наносов. При установив-

шемся движении после преобразований в левой част" уравнений движения (9) получим отношение гидродинамического напора к длине "ли гидравлический уклон, а в правой части - касательные напряжения.

- ki-

Выведенная таким образом формула имеет вид:

■ ■ ■ (3"

где Clyy - продольный гидравлический уклон на участке потока;

JA - динамический коэффициент вязкости потока; CL = I, соизмеримый с oLg.H. коэффициент с линейной размерностью, пропорциональный удельной кинетической энергии ) донных пульса-ционных скоростей в потоке, мя обоснования CL воспользуемся закономерностями вынужденного вращательного движения жидкости. Принимая V30H в качестве окружной (линейной) скорости получим If^oH— ¿i) Zg > где СО - угловая скорость вращения вихря вокруг вертикальной оси; Zg - текущий радиус вихря. Из уравнений Навье-Стокса получим

+ . ■ ■ ■ -ш

где р — р0 - разность давлений; JT - удельный вес жидкости; jt и ho - отметка и уровень. Из этого выражения видно, что

с изменением ¿0 и Z& пульсирует. Таким образом, глубина Н потока и крупность c¿|.h. формируются самопроизвольно за счет изменения внутренних сил изменяемой системы.

Для вычисления касательного напряжения в поперечном к продольному потоку направлении используется поперечный гидравлический уклон. При ламинарном режиме донные наносы отсутствуют, т.е.

cLq.H. —поэтому второе слагаемое в (37) равно нулю. При

í~ dVx

развитом турбулентном режиме -у О ; касательное на-

пряжение для турбулентного режима

г _ м JSSJláL , (39)

ÜT f \fcL ciH* di

где cL£ - элемент векторной длины; J^yy ~ ^f* - гидравлический уклон на участке, учитывающий потер" полной удельной энергии

между слоями потока. Предложенный в формуле (37) коэффициент турбулентного обмена является средним по вертикали, что неприемлемо для твердых стенок, но применимо для проницаемых границ потока (см.А.С.Ыонин, А.М.Нглом, 1952 г. стр.320) в аллювиальном русле. Ъ этот коэффициент входит динамический коэффициент вязкости воды.

Выведенный для условий спонтанных формирований коэффициент турбулентного обмена (37) может быть использован при определении величины заглубления в проницаемую поверхность, при котором фильтрационная скорость равна нулю. Базируясь на динамических представлениях и на условии, что природная вода насыщена пузырьками воздуха, используем понятие о внешнем трении. Касательное напряжение непосредственно на аллювиальном дне равно

Ео-УГпр—, . . . (40) где "У - коэффициент внешнего трения, зависящий от состояния поверхности, природа соприкасающихся сред, температуры жидкости. ,цля идеальной жидкости У* =0, при прилипании жидкости )¥—оо Здесь ТГпр - скорость жидкости на поверхности частиц песка, слагающих русло; у- кинематический коэффициент вязкости; 6 - коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость - частица песка. В непосредственной близости от дна касательное напряжение в маломутном потоке, передвигающем донные наносы, равно (37)

где - градиент скорости по нормали к дну; сС/.у. ~ cpe^J^^яя

крупность частиц донных наносов в месте измерений, допуская, что принятая закономерность (37а) изменения касательного напряжения распространяется в толщу донных отложений и приравнивая = , получим величину заглубления в донные отложения по нормали к дну, при котором скорость фильтрационного течения 1С = 0;

где ^ - плотность жидкости. При этом принято, что, равномерное поступательное движение жидкости внутри донных отложений происходит по зависимости

+ и .... (42,

Проведенная по натурным и лабораторным измерениям проверка выражения (41) для условий перемещения маломутным потоком донных наносов позволила получить вполне реальные результаты.

3.6. Вывод дифференциальных уравнений движения наносонесущих потоков и критериев подобия

При выводе уравнений наносонесущих потоков широко используется понятие непрерывной дискретной концепции; уравнения 0>.И.йран-кля, 19эЗ г., К.Г.Асатур, Г.И.Баренблатта, ы.А.Великанова, м.А./Дементьева, А.К./.рнина, А.портье, С.И.Криля, Я.Н.Колмогорова,19о4г. и других.

На основе уравнений неразрывности и динамики турбулентного двухкомпонентного потока с малой мутностью составлены дифференциальные уравнения дня струи такого потока при условии перемещения донных наносов. 11осле преобразований эти уравнения имеют вид (в проекции на ось СС ):

+ ' ■ «а

где "о0- касательное напряжение, соответствующее предельной нераз-кыьаюшей средней пи живому сечению струи скорости; Л - безразмерный коэффициент гидравлического трения по длине струн потока

при перемещении донных наносов; ^ - коэффициент трения (скольжение, качение, сальтация) частиц этих наносов о дао (по закону Кулона); Б - объемная концентрация донных наносов; ^ и плотность вода и частиц этих наносов; 10- площадь живого сеченая струи потока; ~Ь - время; Л, - продольная координата; V, у Уз. -осредненные по живому сечению струи скорости водного потока и потока донных наносов; - гидравлический уклон; р - гидродинамическое давление; X - смоченный периметр струи потока; 1Г - средаяя по живому сечению струи скорость; у - плотность двухкомпонентного потока. Несмотря на то, что эти уравнения не доведены до численного решения,он" позволяют установить соотношение сил в рассмотренном турбулентном потоке.

Из принципов неисчерпаемости материи и всеобщего универсального взаимодействия установлены представления о дискретности пространства, о спонтанной флуктуации физического пространства, о существовании материальных явлений, относящихся к определенному структурному уровню организации материи. Отсюда следует, что в физическом пространстве возможно выделение одних направлений по сравнению с другими. Идея избранности направлений подтверждается принципом неопределенности. Избранность направлений тесно связана с проблемой размерности.

для механико-математического описания изучаемых процессов используются как векторные, так и скалярные величины. Направление рассматривается как характеристика, независящая от остальных величин. Применение векторных единиц длины с использованием анализа размерностей позволяет решать уравнения движения с большим числом переменных, а также различать физические величины с одинаковыми размерностями. Ь технической гидромеханике полная удельная энергия у гидродинамический напор рассматриваются в качестве скалярных величин. Однако учет направления этих величин иногда бывает необхо-

дим, особенно в условиях развитого турбулентного режима. Б гидравлике для увеличения точности расчетов при истечении жидкости из отверстий и через водосливы удельная кинетическая энергия добавляется к удельной потенциальной (например, напору над отверстием). Естественно допустить, что каждый слой текущей жидкости испытывает влияние градиента скорости не только по нормали к направлению потока, т.е. скорости соседних слоев разделяются не только удельной потенциальной энергией, а полной удельной энергией. Это допущение приобретает особое значение для развитого турбулентного режима, когда, удельная кинетическая энергия начинает вносить в изучаемый процесс существенный вклад. С увеличением динамической характеристики потока длина пути частицы ньютоновской текучей среди возрастает по сравнению с линейными размерами потока. Характеризовать длину траектории частицы затруднительно, размеры и масса частицы уменьшаются, т.к. происходит дробление турбулентных неоднородностей.

Предложено изменение координаты частицы жидкости (Кудряшов, 1991 г.) выражать через изменение полней удельной энергии, отнесенной к единице силы тяжести:

где ¿у ~ удельная кинетическая энергия; Л - коэффициент кинетической энергии; Т- скорость слоя потока; £ - ускорение силы тяжести; + ^ - удельная потенциальная энергия; р- гидродинамическое давление; <)*"- удельный все жидкости; - геодезическая отметка; V- удельная внутренняя энергия, учитывающая инерционность потока, влияние поверхностного натяжения, температуры, вязкости, электромагнитных, химических, акустических факторов. Выражение Н = свидетельствует, что

о

распределение давления р должно быть гидростатическим в любом

направлении, по которому отсутствует ускорение. Подходя строго, разделять (4с0 на составляющие нельзя, т.к. движение наносонесу-шего руслового потока с малой мутностью постоянно сопровождается превращением кинетической энергии в потенциальную и наоборот, а сдвиговые деформации влияют на нормальные напряжения.

дня представления уравнений Навье-Стокса в безразмерном виде в выражения для текущих координат введем безразмерные коэффициенты:-^^* ¡Ь-ЪТ • в качестве безразмерных коэффициентов также принимаем буквы с чертой наверху:1Г=2ГУ; р = рр0\У1=Щ^- 2^ ' здесь ноликами отмечены эталоны давлений, плотностей. Рассматривая первое уравнение системы, в котором - кинематический коэффициент турбулентной скости (турбулентного обмена), б" - коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе с песком, сСуц. - средняя крупность частиц донных наносов, будем иметь

/о'Нхр п 1 ' ' '

■ • 6- З^Г^Ж+тЖ+тг^^Т

жгп +Т*п гп1? ' ' ('10)

здесь ^ 0 , т.к. объемная вязкость

не учитывается вследствие несжимаемости воды и виз^ха при используемых скоростях. Уравнение (¿ю) однородно относительно множителей, содержащих масштабы, ддя получения безразмерного вида первого уравнения системы определим отношения множителей, разделив (4о) почлен-

но на (yVH*)

40 на (Y / H*;

Ро. i -dp , Г ЫЩ , рЩ , -дгШ1 ,

, д . ,. , ^/оУН*^*"*" -dz* t^J

_ ____ (¿iV)

Если для потоков будут равны между собою соответственные множители, содержащее масштабы, то уравнения будут одинаковыми, для динамически подобных потоков необходимо V достаточно условие: (ууг)

эквивалентно кр-^ер-ю Струхаля; (тЦрь) - ^руда; ~ Зйле-

ра; (чк) - Рейнадь^ (z9j>0H«d9.») ~ N

- ¿axa, где Q.- скорость звука в газе, при этом о.=*{ÏL-

г

при этом о. —Щ-й где 5= ■ - отношение теплоемкостей газа при постояном давлен"" и постоянном объеме. При равенстве Н*=Н - глубине потока, так же линейному поперечному размеру тела, что соответствует малым скоростям течения - обтекания, получим в уравнении (47; Критер"" Струхаля, ¿руда, Уйлера, Рейнольдса, Ьебера, иаха, поменяв числитель на знаненатель. Критерии, входящие в уравнение (47), проверены в диапазоне скоростей и давлений от ползущего течения до предкавнтационного режима. АналоГ"Чный для многих пр"родных ги^роаэродинам"ческих процессов единый класс дв"жения ньютоновских текучих сред можно характеризовать следующим следствием: "спонтанно деформ"руемая поверхность тела под преобладающим воздействием на нее возмущений турбулентной текучей сре/Ф1 приобретает форму волнистых образований, размеры и характеристики которых зависят от

- чя-

критериев «руда, Ьаха и Рейнольдса для потока" (Кудряшов, 1991 г.). Таким образом, установление общей закономерности для всего явления способствует более углубленному пониманию механизма единого класса течений и позволяет не только оценить рассматриваемые процессы в большом диапазоне параметров потока и тела, но и использовать зависимости одной отрасли знаний для исследования другой.

ХУ. РУСЛОВЫЕ аОРШ. ВЛИЯНИЕ ¡.¡УТКОЛИ ПОТОКА

Учение о русловом процессе используется при планировании рационального природопользования, при прогнозировании неблагоприятных последствий во многих отраслях народного хозяйства. В последние десятилетия решены некоторые задачи русловых процессов. Однако в настоящее время ни в СНГ, ни за рубежом не выявлен механизм руслового процесса, не завершен структурный анализ руслового рельефа, отсутствует единая теория происхождения типов руслового рельефа, нет теоретической основы для прогноза русловых деформаций на урбанизированных территориях, сохраняется разрыв между изучением руслового процесса в естественных водотоках и эрозионных процессов на водосборном бассейне, не решены задачи, относящиеся к расходам донных и взвешенных наносов, гидравлическим сопротивлениям в аллювиальных руслах. Методы расчета русловых форм, несмотря на их многообразие, не обеспечивают решения практических задач с достаточной полнотой и надежностью. Поэтому предлагаемые метода расчета, установленные на основе теоретического и морфологического подходов, моделирования и использования аналогий, являются актуальными и определяющими новую специализацию гидравлики, позволяющую решать задачи, поставленные гидротехникой и мелиорацией.

4.1. шетодика исследований

Надежные количественные расчеты гарантируются инструментальными измерениями, выполненными на основе комплексного подхода, и подтверждением полученных зависимостей другими исследователями. Деловой процесс определяется транспортирующей способностью потока и перемещением русловых форм: знаков ряби, рифелей, песчаных гряд, заструг, кос, шалыг, шбочней, осередков, излучин, островов и других. В настоящее время наиболее полными морфодинамическими класси-

фикациями руслового рельефа являются классификации Н.И.лаккавеева, Р.и.Чалова и А.&.Сидорчука, объединяющие терминологию общей и специальной лоции рек, Гос.гидрологического института, американского общества гражданских инженеров. Например, классификация Р.С.Чало-ва базируется на различной степени кинетичности потока (числе ¿руда) и формах транспорта донных наносов и поэтому отличается от других классификаций по характеру русловых переформирований и их морфологическим проявлениям. Эта классификация соответствует принятому в данной работе энергетическому принципу исследования. Величина числа агруда позволяет делить реки на равнинные, полугорные и горные. Существует несколько физических толкований числа Фруда: отношение удельной кинетической энергии к удельной потенциальной, отношение работы сил инерции потока к работе сил тяжести, отношение поступательной скорости к волновой. В эту классификацию вписывается разделение подводных песчаных гряд на три вида: гряды правильной формы, гряды с шахматным расположением в плане и поперечные цепи гряд. Гряда, занимающие промежуточное положение между этими видами, образуются при нарушении устойчивости донно-грядо-вой фазы перемещения донных наносов. В качестве донных наносов рассматриваются только те перемещающиеся частицы, которые формируют рельеф дна на данном участке русла в данный момент времени. Эти наносы передвигаются сальтацией, скольжением и качением.

методика натурных и лабораторных исследований обосновывается теоретическими исследованиями. Главной задачей методики является выбор параметров, определяющих исследуемый процесс. К таким параметрам применительно к русловым процессам относятся пространственно-временные (характерный линейный размер, например глубина потока) , кинематические (продольная скорость потока), физические (концентрация донных наносов). ь качестве определяющих основных параметров приняты те, размерность которых не зависит от размерности других параметров, аля этого путем анализа уравнений движения

Навье-Стокса, дэламбера-Лагранжа, Рейнольдса, Сен-Венана, теории размерностей, Пи-теоремы выделены числа: Лохтина для донных наносов, Рейнольдса, Фруда, Струхаля, Вебера и закон 5ри. Полученные на этой основе соотношения использованы для выявления закономерностей руслового процесса, установления комплекса зависимостей между гидравлическими элементами потока и характеристиками донно-грядовых формирований, определения гидравлических сопротивлений, транспортирующей способности потока, при оценке интенсивности заиления и занесения водохранилищ, прудов, прогнозе водной эрозии почв на водосборе. Условия, связанные с перемещением донных и взвешенных наносов, рассмотрены отдельно. При анализе результатов измерений выделялись зависимости, соответствующие каждой фазе перемещения донных наносов. Гидравлические сопротивления и русловые формы исследовались в динамически установившихся потоках отдельно для малой и повышенной мутности. Так же при анализе материалов измерений учитывались условия промерзания толщи аллювия, наличие перелетков.

4.2. Характеристики донно-грядовых формирований

йгарма поперечного сечения и гидродинамическая структура потока определяют виды гряд.

¿■орма поперечного сечения аллювиального русла зависит от многих гидрологических, географических и геологических признаков. В большинстве случаев очертание поперечного сечения не может быть выражено одной кривой, а требует по автору использования двух и более формул.

Характеристики донно-грядовых формирований обоснованы автором исходя из принципа размерности, физического толкования чисел яфуд!, Рейнольдса и предназначены для вышеуказанных условий при спокойном и бурном состояниях течения для всех видов гряд:

кинематические, как отношение кинетической энергии к работе сил трения

СгсСд.н. Сгкг (4с3)

V- ' Г ' V-

где С г - скорость перемещения гряда (Сг "> 0); Г1г > С— соответственно наибольшие высота и длина гряда; - средняя крупность частиц донных наносов; V" - кинематический коэффициент вязкости вода, ¿динамические, как отношение кинетической энергии к работе сил тяжести

. . (49)

где ^ - ускорение силы тяжести. Линейные, как отношение энергии

волнистых турбулентных образований к энергии турбулентных вихревых

образований в потоке, т.е.

кп. , .¿И 7 , • (50)

р сСд.н. сС$.Н. сС}.ц

где Ьг - наибольшая ширина гряда. При этом учтено, что энергия

волнистых образований, формирующихся с участием турбулентной диссипации, зависит от пульсационных возмущений в толще потока, а

энергия вихревых образований порождает прямую диссипацию у дна. /гг

Отношение является уклоном верхового ската гряд или

углом наклона & верхового ската гряд к вертикали. Автором получена экспериментальная зависимость коэффициента гидравлического трения по длине от числа Рейнольдса для потока при различных уклонах верхового ската гряд (см.Знаменская Н.С.,19о6г.,Кудряшов Л.ш., 1^60 г.). Теоретически часть этой задачи решается с учетом положений, приведенных в п.3.3 доклада. В текущем произвольном положении динамического равновесия частица донных наносов вращается вокруг вертикальной оси 2 с постоянной угловой скоростью сд . На эту частицу действуют силы: тяжести (в воде), центробежная, трения £тр . На основе принципа даламбера при переносном движении вихря получим семейство парабол. Рассматривая частицу в качестве

материальной точки, из теореш изменения кинетической энергии будем иметь

шу ——=г

л

(61)

где ри. - масса частицы; ^ - плотность материала частицы;

- площадь наибольшего поперечного сечения частицы; "со^У ~ путь в напРавлении силы трения £тр окружная скорость частицы; $ - угол между вертикалью и направлением силы трения; в 2. входит размер присоединенной массы; -средняя крупность частиц донных наносов; - текущий радиус вихря. Из этого выражения (¿1) следует

Сила сопротивления шара при турбулентном режиме обтекания равна

, ■ ■ (оа,

где у - плотность вода; Сх - коэффициент сопротивления шара-частицы наносов; Уоо - скорость потока, обтекающего частицу, ш расчетам и опытам автора динамическое равновесие мелкой частицы донных наносов в турбулентном питоке устанавливается почти мгновенно; для кварцевых частиц со средним диаметром ¡¿^.н. и гидравлической крупностью ИГ при температуре воды У 1<°и скорость 1Гц падения частицы в воде равна: для &у.н.= 0,2.7 ш, ТГп = 0,99 через 0,0079 сек; для = 1 ш> = 0,94 3(Г через

0,01оо сек. Поэтому скорости Ток и ТГео становятся близкими к Ип в пульсирующем турбулентном потоке практически мгновенно.¿то обстоятельство позволяет заключить, что при Уп ~ Уо^—ТГо* и динамическом равновесии £тр~£ш или

Угол if наклона верхового ската песчаных гряд к вертикали по данным измерений изменяется от 78° до 66°. Коэффициент сопротивления шара Сх зависит от числа Рейнольдса Re. = ,

где V- кинематический коэффициент вязкости воды. Б численном выражении Сх, изменяется от 0,34 до 0,67. Эти значения С* соответствуют числам Рейнольдса при турбулентном обтекании шара £,3 "10° и 3"10^. Таким образом, кризис обтекания шара наступает при 0,34 и d-^M-Js"** 2,3*10°, т.е. при угле У =

76°,

что соответствует самой пологой гряде и после чего наступает вторая безгрядовая фаза перемещения донных наносов. Следовательно равенство (о4) свидетельствует о том, что главную роль при спонтанном формировании верхового ската гряд играют гидродинамические сопротивления и мелкомасштабные "торнадо". Объемная характеристика -коэффициент формы гряды оСг < как отношение фактического объема гряда к объему параллелепипеда с размерами сторон, равными наибольшим размерам гряды { аСг I). Приведенными выражениями (4Ь, 4У, аО) не исчерпываются все возможные вариации характеристик гряд.

Так замена кинематического коэффициента вязкости вода на кинемати-

д

ческий коэффициент турбулентного обмена (37; —— позволяет получить новые соотношения для характеристик гряд, например

Характеристики наносных донно-грядовых формирований зависят от чисел Фруда и Рейнольдса для потока при всех фазах перемещения донных наносов. Объемная характеристика гряд с увеличением числа

Я1rz

= "уН ~ и'э' затеы медленно возрастает до £\ = 3; с увеличением числа Рейнольдса 2СУ она увеличивается тем интенсивнее, чем меньше элементарный весовой расход ( R^cir^iCrkr ) Донных наносов. Здесь Ун - объемный все этих наносов в воздушно-сухом состоянии. Линейные характерис-

тики гряд с увеличением числа Фруда уменьшаются до минимума при Рг. = 0,о, затем медленно возрастают до /г = 3. С увеличением числа Рейнольдса эти характеристики увеличиваются тем интенсивнее, чем меньше крупность донных наносов. Кинематические характеристики гряд с увеличением числа фруда возрастают, а с возрастанием числа Рейнольдса увеличиваются тем интенсивнее, чем больше глубина Н потока на вертикали, динамические характеристики гряд увеличиваются с возрастанием числа Фру да.. Приведенные характеристики позволяют рассчитывать размеры и скорости перемещения гряд в зависимости от гидравлических элементов потока и крупности донных наносов, а также определять расход и концентрацию этих наносов.

4.3. Расход и концентрация донных наносов

Расчет стока донных наносов необходим для прогноза русловых переформирований, оценки интенсивности заиления и занесения водохранилищ, прудов и других актуальных задач. Одним из наиболее надежных способов проверенных автором на ряде рек, является балансовый метод учета стока донных наносов. Однако этот метод применим только при наличии на потоке водоема, созданного подпорным сооружением. По балансу масс определяется сток донных наносов на входном гидрометрическом створе, расположенном выше водоема, за период между наблюдениями: % &

Ц /?з.ч.= ±Яотл + /?&н. -&.Н. > • .(об) о оЫХ

где г\£.ц. , К&н. ~ сток взвешенных наносов на входном и выходном створах; Яотл - изменение количества отложившихся в водоеме наносов.

Вычисление расхода донных наносов по параметрам песчаных гряд позволило получить надежные результаты. Однако с позиций гидрометрии оказалось целесообразнее выражать множители в формуле

элементарного весового расхода К.э = <*СгХнСгкг через осред-ненные гидравлические элементы потока и среднюю крупность частиц донных наносов. Полученные таким образом выражения автора для расчета расхода этих наносов неоднократно использовались в проектных организациях и производственной практике. Ь этих выражениях расход донных наносов пропорционален пятой степени средней скорости V" на вертикали и зависит от температуры воды.

для условий гладкой, донно-грядовой и антидюнной фаз перемещения донных наносов при спокойном и бурном состояниях установившегося потока установлена зависимость между элементарными расходами воды 0.э= и руслоформирутаих наносов /?э=в• Эта зависимость, полученная исходя из объемной и кинематических характеристик гряд и проверенная на многочисленных материалах натурных и лабораторных исследований (см.например Н.И.Алексеевский, К.М.Беркович, 1992 г.), свидетельствует о том, с увеличением элементарного весового расхода вода <2.э расход /?э возрастает интенсивнее для глубоких участков русел, чем для мелких. Это обстоятельство объясняется тем, что в период половодья на реках с малой мутностью наблюдается размыв плесовых лощин и намыв перекатов. Из этой зависимости следует, что средняя глубина на вертикали и средняя крупность донных наносов устанавливаются спонтанно в соответствии с гидравлическими сопротивлениями за счет внутренней энергии потока.

Рассматривая установившийся плавно измешющийся поток в аллювиальном русле, применим к этому потоку уравнение .ц.Бернулли, все члены которого отнесены к единице длины и единице силы тяжести:

ку, , ■ .(07)

и ¿У3-

где 1Ълг~5 ~ П0ТеРи энергии, отнесенные к единице си-

лы тяжести; $ - коэффициент сопротивления; Н ~- глубина потока на вертикали; 1Г- средняя скорость на вертикали; <£ -коэффициент кинетической энергии; £ - геодезическая отметка. Из этого выражения (¿7) следует, что глубина зависит от гидравлических сопротивлений и поэтому малейшее изменение скорости (пульсация) и коэффициента сопротивления вызывают изменение глубины потока. В тоже время гидравлические сопротивления связаны с крупностью частиц донных наносов. Следовательно глубина потока саморегулируется, а отсюда, как следствие, - появление рифелей, гряд, побочней и других форм руслового рельефа.

Б качестве весовой концентрации донных наносов,

осЭ

являющейся важным индикатором русловых деформаций, предложено отношение элементарных весовых расходов этих наносов и воды. Зависимость этой концентрации от числа Фруда для потока, установленная на основе анализа объемной и кинематической характеристик гряд, выражается формулой

Эта формула свидетельствует о том, что каждому численному отношению удельной кинетической энергии к удельной потенциальной (числу ¿руда) в потоке соответствует только одна весовая концентрация донных наносов, которую поток способен создавать, сортировать по крупности и перемещать. В этой формуле элементарный весовой расход донных наносов пропорционален пятой степени средней скорости на вертикали. Также установлено, что эта весовая концентрация с увеличением температуры вода возрастает тем интенсивнее, чем больше элементарный весовой расход воды.

Весовая концентрация донных наносов тесно связана с числом Лохтина У&^и./Лч для этих же наносов. Здесь Лу - гид-

- 5%-

равлический уклон на участке русла. По закону Эри вес переметаемых потоком частиц пропорционален шестой степени донной, а также

б 3

средней скорости, т.е. Щон ^d-ун. , а весовой расход донных наносов пропорционален пятой степени средней скорости

^М- , ■ • ■ (09)

где J>n - плотность частиц наносов; "t - время. Из условия динамического равновесия действующих на частицу наносов сил (тяжести, трения, Архимеда, сопротивления) получено выражение

rSon~\lsf<jd3M. , . • (60)

где il - обобщенный коэффициент дая турбулентного режима обтекания частицы.

Полезная мощность потока, используемая на турбулентное перемешивание, отрыв частиц донных наносов от дна, их перемещение и сортировку по крупности, равна

JfnoA=ZJf=RgL > • • • <6ij

где JV*=Q.g^H -теоретическая мощность потока; <2.g - весовой расход воды; дН - высота падения гидродинамического напора потока на длине h участка русла; ^ - коэффициент полезного действия потока, характеризующий интенсивность утилизации водной энергии при перемещении донных наносов. Этот к.п.д. выражен формулой:

<- uf «W 7

гДе бцч ~ продольный гидравлический уклон на участке потока, равный 4 H /L

и являющийся -той частью удельной кинети-

ческой придонной части потока; 1Гуц - характерная скорость придонных вихревых возмущений,^за счет энергии которых перемещаются донные наносы; £•» — _ число щруда, как отношение удель

ной кинетической энергии придонного слоя потока к удельной силе тя-

= , ■ ■ ■ (63)

жести; <2* ~ коэффициент, характеризующий гидродинамические условия перемещения наносов; Щ ■ I - показатель степени. Приравнивая , получим зависимость весовой концентрации руслсформирующих наносов от числа Лохтина:

аэ

где - постоянный для принятых условий коэффициент с линей-

ной размерностью. Из приведенной зависимости (63) становится ясным физический смысл числа Лохтина для донных наносов, как критерия, обусловливающего весовую концентрацию этих наносов, а отсюда размываемость русел естественных потоков. При этом средняя крупность частиц характеризует русловой процесс на участке русла, уклон определяет транспортирующую способность потока.

На основе анализа содержания п. 2.2 и 4.3, рассмотрены два варианта взаимодействия русловых и эрозионных процессов в различных природных условиях с учетом антропогенных воздействий. Вариант I. Распаханность поверхности водосбора приводит к увеличению концентрации и уменьшению крупности донных и взвешенных наносов (Дудря-шов, 196о г.). Облесение поверхности водосбора способствует уменьшению концентрации и увеличению крупности тех и других наносов. Гидравлические уклоны в обоих случаях неизменны. Исследования мор-фометрических характеристик водосборов (Прыткова Й.Н., 1962 г.) свидетельствуют, что уклон водосборов пропорционален лесистости и обратно пропорционален распаханности площади водосбора (Н.И.Алек-сеевский, 1992 г.).

Анализ результатов контрольных оценок, выполненных на независимой информации, показал, что полученные зависимости (о, о8, 63) позволяют проводить расчеты с приемлемой для практики точностью. Вариант 2. Обводнение местности (водосбора) с помощью запруд,

- 60-

плотин и др.мероприятий вызывает уменьшение гидравлических уклонов и уменьшение концентрации донных и взвешенных наносов (Нуд-

ряшов, 136*: г.). Понижение поверхности водосбора (размыв, тектоника и др.) обуславливает изменение уклонов и крупности тех и других наносов и их концентрации, для этих случаев установленные зависимости (о, об, 63) также правомерны (Нудряшов, г.).Следовательно при установившемся динамическом равновесии потока, русла и водосбора соотношение весовых концентраций донных и взвешенных наносов сохраняется в строго определенных долях. Универсальность числа Лохтина для рассмотренных вариантов объясняется его энергетическим смыслом, установленным в п.¡¿.2 и 4.3 доклада и спонтанностью водноэрозионных процессов на водосборе и в русле.

4.4. Гидравлические сопротивления

Вычисление потерь энергии является важнейшей задачей многих гидромелиоративных расчетов. Во избежании грубых ошибок автором использовано несколько разных подходов для расчета гидравлических сопротивлений в аллювиальных руслах. В формулах (6&) и (63), установленных независимо одна от другой, два критерия (число Фруда и число Лохтина) связаны с одним и тем же параметром - концентрацией донных наносов. Следовательно между критериями Фруда и Лохтина должна существовать зависимость, которая характеризует фазы перемещения донных наносов, форму образований при их переносе, сортировку этих наносов по крупности. Из этой зависимости путем ее преобразований получена формула Шези:

г-к-^у/Щг^ь7. • • («,

где скоростной множитель

не содержит глубины, т.к. она регулируется потоком. Здесь т. -

поверхностная пористость песка и гравия в рыхлом состоянии; б" -коэффициент поверхностного натяжения воды на границе вода - двуокись кремния (песок); ул, - динамический коэффициент вязкости воды; 1Г и Н - средние на вертикали скорость и глубина; ctj.it. -средний диаметр частиц донных наносов в месте измерений 1Ги Н В выражение для коэффициента С формулы (65) Шези входит параметр с размерностью длины. Этот параметр определяется (см.дж.Бэтчелор, 1973 г.) из уравнения равновесия давлений, создающихся на поверхности раздела сред:

где - плотность жидкости; 6 - коэффициент поверхностного натяжения воды на границе сред; и - радиусы кривизны кривых при пересечении поверхности двумя ортогональными плоскостями, ориентированными относительно вертикальной оси X . для 1 1

двумерной задачи = 0, а является функцией уравнения поверхности; в уравнении (66) Согсл^ = 0, т.к. при удалении от твердого тела поверхность раздела становится плоской. Из уравнения (об) после его преобразований и интегрирования установлена высота Ь-о капиллярного поднятия жидкости по вертикальному твердому телу: ____

= > ' • • (67)

где & - краевой угол (угол контакта сред). Принимаем частицы донных наносов и отложений шаровидными, где с^ер =22; здесь

2, - радиус кривизны шара. Тогда можно рассчитать избыток давления, создаваемого на поверхности шара силами поверхностного натяжения вода, т.е. Лр = . Отсюда высота капиллярного поднятия воды среди шаровидных песчаных частиц будет равна

, ... (68)

9 Я.ср О

где ¡Г- удельный вес воды. На основе измерений наибольшей высоты Ко капилярного поднятия воды в мономинеральных аллювиальных песках со средней крупностью частиц с1ср от 0,075 до 3, а мм автор по формуле (68) получил значения 6 в пределах от 0,01967 до 0,030о кг/м.

Исходя из теории размерностей, анализа объемной и линейной характеристик гряд, морфологии рельефа дна предложена формула для вычисления коэффициента Шези, но только для донно-грядовой фазы перемещения донных наносов:

где сСг - коэффициент формы гряды; €г ~ наибольшая длина гряды.

Отсюда для указанных условий касательное напряжение на дне вертикали пропорционально квадрату средней скорости и корню квадратному из среднего диаметра частиц донных наносов и обратно пропорционально температуре воды, т.е.

' ' ' <та>

где , - удельный вес и плотность воды; В - ширина русла водотока (для широких русел величина в скобках стремится к единице) .

Для исследования гидравлических сопротивлений при принятых условиях использованы уравнения Навье-Стокса с заменой в них кинематического коэффициента вязкости вода отношением -ф , т.е. отношением коэффициента турбулентного обмена к плотности вода (37). Рассмотрим плоский поток при ряде указанных выше допущений. Относя силы к единице массы, получим

- сз-

•ггУх лИрг . . №)

где аН/Ь — -Ззу - продольный гидравлический уклон; - местная продольная скорость; у - ордината точки на вертикали. После интегрирования и ^лены наибольшей и местной скоростей через среднюю на вертикали будем иметь

Щ^Ш - О.0МЗ , . . (73) хгчсЦ.н.

где 0,0243 - к.п.д. потока при перемещении и отсортировке по крупности руслоформируюиих наносов, этот коэффициент выведен М.А.Великановым (19о8 г.) другим способом; а = I - коэффициент, соизмеримый с оЬ^н. и пропорциональный удельной кинетической энергии донных пульсационных скоростей в потоке;

у - плотность воды; ; Вг. = ; Т и Н и

средние скорость и глубина на вертикали. Здесь коэффициент гидравлического трения по длине Д. = ; _ ЧиСло

£ г Л у >/57

Лохтина. Полученное выражение проверено на материалах натурных и

лабораторных измерений для (¿¡.и. = 0.01 * 0,25 см.

4.5. Диссипация энергии потока

Исследования отечественных и зарубежных ученых свидетельствуют, что точного учета диссипации энергии в турбулентном потоке, перемещающем только донные наносы, пока не существует. Опираясь на второй закон Ньютона, учитывай внешние и внутренние силы, получим баланс удельной кинетической энергии. Из выражения этого баланса с введением ряда вышеуказанных допущений выводится дисси-пативная функция, характеризующая кинетическую энергию потока (отнесенную к единице времени и единице объема), переходящую в тепловую энергию, диссипация энергии плоского установившегося потока при введении среднего по вертикали коэффициента турбулентного обмена для элементарного объема дисперсонда равна

лг_ .... (74)

дня аналогичных условий по многочисленным измерениям в широких аллювиальных руслах

■ ■ ■ ■

Из сравнения выражений (74) и (75) следует, что ^ < УК7 Этот результат можно объяснить недостаточным учетом прямой и турбулентной диссипации, а также подавлением турбулентности в процессе перемещения донных наносов.

Экспериментальными исследованиями (Кудряшов, 1988 г.) установлено, что турбулентный поток в спонтанно сформированном им русле с подводными перемещающимися формированиями встречает меньшие гидравлические сопротивления, чем в русле с закрепленной шероховатостью (при прочих равных условиях). В натуре при резком переходе течения на участке дна с деформируемой поверхностью к неразмываемой (печина, скала и др.) эпюра скоростей на вертикалях меняет свою форму от пологой на более крутую. Этот эффект свидетельствует о том, что методы расчета гидравлических сопротивлений в руслах с недеформируемыми границами непригодны для аналогичных расчетов в аллювиальных руслах.

На гидравлические сопротивления потоку оказывает значительное влияние форма русла в плане. Движение турбулентного потока с донными наносами на повороте русла при малых гидравлических уклонах рассмотрено автором при следующих допущениях: гидросмесь воды и донных наносов несжимаема и ее плотность постоянна, движение гидросмеси установившееся, действие массовых сил ничтожно мало. Эти допущения соответствуют водотокам с малой мутностью и незначительными гидравлическими уклонами при транспортировании мелких донных наносов. Для вывода используются дифференциальные уравне-

ния движения в цилиндрических координатах. После преобразований и интегрирования этих уравнений получены выражения для элементарного расхода гидросмеси в трех вариантах: для криьолинейного в плане русла (четверть окружности), для прямолинейного и для составного в плане русла (криволинейное с примыкающими прямолинейными участками). Коэффициент турбулентного обмена принят средним по живому сечению потока.

4.6. Влияние мутности потока на русловой рельеф и расход донных наносов

%тность как и все другие элементы руслового потока является пульсирующей величиной. Влияние мутности потока на русловой рельеф, гидравлические сопротивления и расход донных наносов не учитывалось до самого последнего времени даже нормативными инструкциями. Как показывают исследования отечественных (В.К.Дэбольский, М.С.Грушевский, Е.К.Рабкова, В.С.Алтунин, А.Ф.Кудряшов, ГГИ и др.) и зарубежных (Е.Иден, А.Томас и др.) авторов мутность воды оказывает существенное и неоднозначное воздействие на параметры руслового потока и процессы формирования рельефа даа.

В классической механике механизм процесса объясняется следующим образом (см.Б.Б./черягин, 1963 г.; А.А.Каминер, 1987 г. и др.). Взвешенные наносы способствуют сужению расстояния между слоями потока, тем самым увеличивают средний градиент скорости по нормали. При этом искривление траекторий частиц взвешенных наносов обеспечивает усиление обмена количеством движения между слоями потока. Таким образом, при перемещении потоком взвешенных наносов должны увеличиваться гидравлические сопротивления и турбулентная вязкость по сравнению с потоком чистой воды. При этом также должны изменяться структура потока и силы поверхностного натяжения при взаимодействии фаз. При составлении системы уравнений для взвесенесущих по-

токов исследователи(В.М.Маккавеев, А.11.1ифин, 1964 г.;М.А.Великанов; Р.Ьусройд, 197о г.; автор,С.В.Яковлев и др.) отдельно рассматривают движение твердой и жидкой фаз.

Редкие случаи незначительного уменьшения гидравлических сопротивлений при транспортировании взвешенных частиц тяжелее воды по сравнению с потоком чистой воды рассматривались А.П.Юфиным, Н.Н.Гришиным, К.В.Гришаниным, Ю.К.Витошкиным, М.Б.Печенкиным, И.В.Крагельским, А.Ф.Тюлиным, С.И.Крилем и другими. Существенное значение в снижении этих гидравлических сопротивлений вносят мелкие частицы взвеси диаметром 0,00001 м, обволакиваемые гидратными оболочками физически связанной воды. Эти мелкие частицы ослабляют зацепление между более крупными частицами и играют роль смазки рельефа русла, что приводит к "глинизации" поверхности. Поверхность этих мелких частиц покрыта коллоидами, поэтому не исключена возможность их химического взаимодействия (см.Б.М.Г'уменский, 196ог..

Однозначного мнения о влиянии взвешенных частиц на турбулентные пульсации скорости в настоящее время не существует. Одни исследователи считают, что наличие взвешенных частиц приводит к уменьшению энергии пульсаций и к дроблению крупных турбулентных неодно-родностей. Другие же придерживаются мнения, что взвесь в потоке способствует увеличению энергии пульсаций вследствие создания дополнительных возмущений, возникающих при обтекании частиц потоком. Первая точка зрения характерна для уменьшения низкочастотных пульсаций скорости, а вторая - для увеличения высокочастотных пульсаций. Поэтому в зависимости от характера процесса переноса и содержания взвеси может изменяться спектр турбулентности в толще потока, а так же различаться прямая и турбулентная дисспация энергии. Базируясь на таком подходе к обоснованию механизма переноса и учитывая главное свойство процесса - многофункциональность, можно еде-

лать вывод, что попытки найти зависимость размеров подводных песчаных гряд только от мутности потока бесперспективны. От мутности потока зависит целый комплекс русловых элементов, из которых главными параметрами являются расход донных наносов, гидравлические сопротивления, русловой рельеф и турбулентная вязкость.

динамическая вязкость неструктурной гидросмеси воды и взвешенных наносов может быть вычислена по формуле А.Эйнштейна:

+ > • ' • •

где С - объемная концентрация взвешенных наносов в водном потоке; - динамический коэффициент вязкости воды; ^ - безразмерный коэффициент, зависящий от формы частиц взвешенных наносов (для шаровидных твердых частиц Й = 2,5). При вытянутой форме частиц

увеличивается. Как показывают опыты, динамическая вязкость неструктурной гидросмеси незначительно зависит от ее температуры. Плотность взвесенесущего руслового потока определяется по формуле

ЛяЛ+0>т-/.)С , • (77)

где - плотность воды; - плотность взвешенных частиц. Объемная концентрация С , выражаемая отношением объема взвешенных частиц в плотном теле к объему гидросмеси, равна

С=0• . • (7В) При очень большой мутности неструктурная гидросмесь превращается в структурную, тогда для расчета последней используются другие закономерности, рассматриваемые в реологии (см.А.Е.Смолдырев, Ю.К.Сазонов, 1^сЗУ г.; .!!.С.л\ивотовск"й, 1Ув4 г.; А.*>.Кудряшов и др.). Переход неструктурной гидросмеси в структурную зависит от степени гидрофильности частиц, т.е. от активности их поверхности образовывать в воде структурные связи. Например для тонкодисперсных глин с концентрацией 0,0э по объему такой переход вполне возможен.

- 6Я-

Отечественные исследования ГГИ, Е.К.Рабковой, К.С.Холматова, А.Т.Алиева, М.А.Мосткова, А.а.Кудряшова и др. свидетельствуют, что незначительные мутность (оО п/м3) и объемная концентрация С взвешенных наносов не оказывают существенного влияния на параметры руслового потока и рельефа, при этом значения уИг и ^рг почти не отличаются от таковых для чистой воды. Однако наибольшая мутность рек достигает 17ои кг/м3 (р.Хуанхэ) и учет вязкости и плотности гидросмеси необходим.

Анализ уравнения д.Бернулли для элементарной струйки, насыщенной взвешенными наносами был выполнен (по Л.С.Животовскому) со следующими допущениями: I) установившееся движение гидросмеси вода и взвешенных наносов; 2) элементарная трубка тока неподвижна; 3) скорости частиц жидкости и твердых частиц являются касатель ными к воображаемым стенкам трубки тока; 4) размер твердых частиц ничтожно мал по сравнению с размером струйки, поэтому перепад гидродинамического давления вдоль диаметра твердой частицы изменяется по линейному закону, т.е. ^Я- , где "¡3 - элемент

"V 5

траектории твердой частицы. Обозначим: дБ проекцию длины частицы на касательную к ее траектории; с0о - площадь миделевого сечения частицы; объем твердой частицы "V" — СОо А 5 . Отсюда проекция силы давления, действующей на поверхность частицы, равна

Для любых живых сечений струйки принимаем постоянными расход твердых частиц 0.т и расход жидкости 0.0 , считая, что вдоль струйки движутся одни и те же твердые частицы и жидкость. Рассматривая два удаленных друг от друга живых сечения и исхода из закона сохранения энергии, получим уравнение д.&рнулли для элементарной струйки, насыщенной взвешенными наносами:

— ьэ —

-й-щ+кф+ь+^+ь-' ■

где — Рт, - массовая концентрация взвешенных наносов; О.Г JPГ

Qr - расход гидросмеси; Jfr - плотность гидросмеси; и

координаты центров сечений струйки относительно плоскости

сравнения; р, и p¿ - гидродинамические давления в сечениях;

рт- плотность твердой частицы; lío и ТГт - скорости частиц

l т-то

жидкости и твердых частиц; Hw— -х п С, - удельная работа

в.«\М

вязких сил, где работа сил вязкого трения I тр превратилась в теплоту Т , т.е. TrF = -jr-= CyÜrj>rf(-tt-±,) . Здесь

£ - механический эквивалент теплоты, Cv - теплоемкость гидросмеси; ("tz — ít) - разность температур гидросмеси, даже самая приближенная количественная оценка выражения (79), как нами установлено, свидетельствует о том, что при мутностях до 2 кг/мэ потери на трение в чистом и рассмотренном мутном потоках почти не имеют отличий.

Кинематический коэффициент вязкости )t~r неструктурной гидросмеси воды и взвешенных наносов определяется отношением J^ry(pr и вычисляется по формулам (76) и (77). Размерность его

Уг (м^с).

В результате анализа формул автором установлено, что плотность (77), объемная.массовая концентрация взвешенных наносов (79),(78) и вязкость гидросмеси (76) не оказывают заметного влияния на параметры руслового потока в пределах изменения мутности от 0,26 до 2 кг/м3. Верхний предел мутности выбран в связи с тем, что для рек России (И.Ф.Карасев, 1992 г.,1965 г.)он является наиболее характерным пределом (см.А.П.дедков, В.И.Мозжерин, 1984 г.; Г.И.Ша-мов, 19э6 г.; Г.В.Лопатин, 1932 г. и др.). Из приведенного сравнения формул (77), (78), (76) с данными измерений можно заключить что влияние такой незначительной мутности на геометрию и кинемати-

ку песчаных гряд осуществляется через другие параметры потока: порозность руслоформирующих наносов, коэффициент турбулентного обмена, коэффициент поверхностного натяжения на границе вода, -песок (окись кремния) и другие.

.данные нат^^ных измерений на реках СНГ свидетельствуют о

том, что отношение высоты гряд к среднему диаметру руслоформирую-

щих наносов )ХГ.~ при указанном изменении мутности больше ана-сЦн.

логичного отношения для потока чистой воды в И,о г 9 раз и колеблется неоднозначно. При этих же пределах изменения мутности кинематическая характеристика гряд СгО^н/т уменьшается, т.е. Сг~ скорость перемещения песчаных гряд меньше аналогичной скорости для потока чистой вода в I т о,о раза и также изменяется неодао-значно; при повышенной мутности в указанных пределах уменьшается крутизна гряд (уклон верхового ската гряд) и как следствие уменьшается гидравлический коэффициент трения по длине (см.А.-и.Кудря-шов, 1960 г.), так же уменьшается коэффициент формы гряды. Указанные характеристики гряд выбраны для данного анализа неслучайно, - они входят в формулу элементарного весового расхода донных наносов.

Шияние мутности потока на элементарный весовой расход /?э донных наносов можно рассмотреть на примере анализа формулы

Сг кг (см.п.4.доклада). При повышенной мутности сСг незначительно увеличивается, Сг уменьшается, ¡2г -увеличивается, Ун - остается почти без изменений. Таким образом, увеличение мутности потока (в пределах 0,26 * £ кг/м3) вызывает неоднозначное увеличение весового расхода донных наносов в I и раза.

Полученные результаты позволяют предложить формулы для приближенного расчета геометрических размеров, скорости перемещения гряд и весового расхода донных наносов в условиях потока с чистой

водой и с повышенной мутностью дня спокойного и бурного состояния течения:

1) коэффициент формы гряда

+ , . . (80)

2) высота гряд

flr= [¿5,9 - fgfe + <®

3) длина гряд

L - dp Къ & ^ " Ръ+о%£ + {rzlf,oziy\ ' • •(ш)

4) ширина гряд

fJ > "<83)

о) скорость перемещения гряд

л п£

Lr-ÇJ-7-1 . • (84)

fi. 5 ctg-H-

6) весовая концентрация донных наносов

ffi, К&ХгУнСгкг ^¿¿нЛ TS г* . (Во)

&э гтн ~ /ooooV ^бГг »

где }Г- удельный вес вода с мутностью; ¡f» - объемный вес донных наносов в воздушно-сухом состоянии; = ; ТГ и H -средние скорость и глубина на вертикали мутного потока; сСд.н. -средний диаметр частиц донных наносов в месте измерений V и H ; V" - кинематический коэффициент вязкости воды мутного потока;

- безразмерные коэффициенты учета мутности потока,

равные:

мутность у г/м3 260 420 770 2000

к, I 1,04 1,0а 1,06 1

Кг I 3,о 2,7 У,0 а

Кз I 3,о 2,7 9,0 0

Кч I 3,о 2,7 9,0 а

к5 I 1,0 1,2 2,3 а,а

К6 I 3,64 2,36 4,1а 0,9

Предлокенные формулы позволяют установить период времени в течение которого частица донных наносов может быть погребена в толше отложений при перемещении этих наносов в форме гряд. Это обстоятельство особенно важно для определения интенсивности распространения частиц, зараженных вредаыми веществами. Измерения в реках и на размываемых моделях свидетельствуют, что этот период времени £-г/С г изменяется в пределах от 1,4 сек до 117 суток.

Учитывая то обстоятельство, что равномерное течение неустойчиво, автор на основе теории колебании рассмотрел процесс резонанса центра масс выделенного объема потока, оказывающего основное влияние на формирование гряд. В результате анализа решения получена формула, предназначенная для спонтанно сформированного в условиях малой и повышенной мутности руслового рельефа:

где — высота гряда; С<— длина гряды; У - средняя скорость потока на вертикали. Проверка этой формулы на независимом материале измерений подтвердила ее достаточную для практических расчетов точность.

У. ЭРОЗИЯ ПОЧВ ВОДОСБОРА И ЗАИЛЕНИЕ ПРУД® И ВОДОХРАНИЛИЩ

о.1. Водная эрозия почв

Основными факторами, влияющими на водную эрозию почв, являются климат, рельеф местности, свойства почвообразующих пород, растительный покров и социально-экономические условия. Противоэро-зионная устойчивость почвы зависит главным образом от ее гранулометрического состава и особенностей рельефа. От особенностей строения последнего зависит скорость поверхностного стока воды. Интенсивность эрозии почв выражается в мм/год или в тонно-массе на гектар, т.е. потерями массы почвы т. с единицы площади 5 водосбора в единицу времени "Ь или тЛЪЪ) • Наибольшей интенсивностью отличается антропогенная эрозия. Ряд исследователей эрозии почв Ы.Н.Заславский, 1966 г.; Г.И.и1вебс, 1У74 г.; Ц.Е.Шрцхула-ва, 1ШБ г.; Г.А.Ларионов, 1969 г.; ГГИ; исследователи Индийской службы охраны почв, 1981 г. и др.) при определении средней величины смыва исходят из уклона и экспозиции склона рельефа и длины склона, так же учитывают влияние других факторов на смыв почвы. Однако до сих пор не существует надежной методики расчета.

для оценки эрозии почв водосбора автор (Кудряшов, 1962,19бо, гг.) исходил из энергетического объяснения процесса (п.*-.<- и 4.3) и использовал два главных фактора: средний диаметр частиц взвешенных наносов сЦ.н. (мм)» установленный по среднегодовым за многолетие материалам наблюдений в рассматриваемом гидрометрическом створе потока, и средний уклон Эср потока от истока до этого гидроствора в промилях (м/км, Я^оо ). Гидравлическое обоснование среднегодовой за многолетие мутности 5 =• -Щ-гсшга^ в ГИдростворе и весовой концентрации донных нано-

сов представлено в п.2.2 и 4.3 доклада формулами (о) и (58, 63).

Соотношение величин среднегодового стока донных наносов к взвешенным по Б.Б.Полякову, 1946 г., и Г.И.Шамову, 1954 г..составляет от 10 до 100%; при этом Г.В.Лопатин, 1962. г., считал, что для равнинных рек это соотношение меньше, чем для горных; он так же утверждал, что с уменьшением мутности количество переносимых донных наносов увеличивается. По данным исследований (А.В.Караушев, К.Н.Лисицына, А.Ф.Кудряшов, 1961г.,1962г.,1963г., 1965г. и др.) величина указанного соотношения увеличивается от устья к истоку независимо от того, горная река или равнинная. Так по Г.Н.Хмаладзе, 1976 г., для горных рек СНГ это соотношение изменяется в пределах от 3,3 до 'вд%. Некоторые исследователи (Г.Н.Хмаладзе, 1971г; З.д.Копалиани, 1984 г. и др.) предложили формулы для вычисления рассматриваемого соотношения.Для горных рек Кавказа отношение среднегодового расхода Огб донных наносов к среднегодовому расходу 1?б взвешенных наносов выражается формулой Г.Н.Лыаладзе

С* - С 3 1 0,9

где Зср! - средний уклон реки от истока до гидроствора в м/м;

о,2 - безразмерный коэффициент, формула приведена для С)со1 =

= 0,00о * 0,16 и и /?в в Гкг-сила"1. На основе вывода

и сек J

к п.4.3 установлено, что при установившемся динамическом равновесии потока, русла и водосбора соотношение весовых концентраций донных и взвешенных наносов сохраняется в строго определенных долях, и что формула (86) для Оббудет справедлива и для равнинных рек. Исходя из этих соображений оценим интенсивность эрозии почв водосбора, ограниченного заданным гидроствором.

Зная приведенные выше средний диаметр частиц взвешенных наносов <¿£.4. (мм) и средний уклон потока от истока до гидроствора, а также среднегодовой за многолетие сток воды & (м3/с)

в этом створе, вычислим по формуле (о) среднегодовой за многолетие расход I?6 1_Гсек'18''] взвешенных наносов. Затем по формуле (86) при

известных и Уср определим среднегодовой расход донных наносов в данном створе (г сила/сен). Сложив величины /?£ и и умножив их сумму на число секунд в году, получим общий сток наносов с водосбора за год в (г сила). Разделив сумму О^в + С-в) на площадь водосбора Б (км*"), ограниченную гидроствором, и на средний объемный вес взвешенных наносов, равный по Г.И.Шамову получим среднее значение слоя смыва почвы (мм/год). Следовательно число Лохтина является критерием, позволяющим оценить интенсивность водной эрозии почв водосборного бассейна, ограниченного заданным гидрометрическим створом.

¿.2. Заиление прудов и водохранилищ

К настоящему времени в руслах рек СНГ создано более 4000 средних и крупных водохранилищ, примерно 1о0 тысяч прудов; объем землечерпания на реках достиг ЗоО миллионов кубометров аллювия в год (для строительства и судоходства). Поэтому определение интенсивности заиления, занесения аккумулирующих емкостей является актуальной задачей. Существующие рекомендации и результаты измерений (Указания по расчету заиления водохранилищ, Гидрометеоиздат, 1973 г., исследования ГГИ, материалы наблюдений на водаобалансовых станциях и др.) свидетельствуют о том, что за счет оценки мутности зональных рек по карте погрешность составляет от 2о до 300% (К.Н.Лисицына, 1977 г.). Средаяя плотность отложений в водохранилищах принята после анализа измерений равной 0,8 тонносила/м3 при переходе от объемных измерений к массе. Эти погрешности связаны со слабо разработанной методикой заиления водохранилищ и прудов. Преимущество методики автора в том, что она базируется на энергетическом подходе к объяснению процесса и проверенном измерениями автора подходе

— Ч€ —

(Караушев A.B., ^дряшов A.b., Лисицына К.Н., 1963 г. и др.).Сначала приведем первый вариант расчета накопления отложений. Рассмотрим водоем объемом 1Г (м3), в котором от переработки берегов и отмирания растительности процесс сопровождается равномерным накоплением отложений в количестве i (м3/год). Обмен воды в водохранилище в течение одного года составляет Я (м3/гОД), при этом приточная вода содержит взвешенные и донные наносы в концентрации JH (Гсила/м3). Определим концентрацию i (т сила/м3) отложений в водохранилище'через ~Ь лет после начального отсчета, если начальное значение этой концентрации 20 (это остаток отложений, концентрации к началу отсчета).

üa короткий промежуток времени ebb концентрация £ увеличив ся на . Общее количество отложений составит IZcLi . Это

количество отложений состоит из части отложений, принесенной проточной водой (впадающей в водохранилище) в количестве jhMcU: и части отложений за счет внутренних процессов в водохранилище (переработка берегов и отмирание растительности) i ebb за вычетом количества наносов, вынесенных потоком воды из водохранилища за время cL~b . Вычитаемое количество наносов принимаем равным ¿М ebb • ПРИ этом пренебрегаем изменением концентрации наносов Z за бесконечно малый промежуток времени.

Исходя из вышеизложенного, составим основное уравнение заиления и занесения водохранилища

Ydz =Mßcü-tZcLt-M£cbt ■ . . т

Преобразуем уравнение (87)

-Ы*_= cbl

Н/1+31-Л2

Проинтегрируем последнее уравнение, получим

или

Откуда общее решение будет

Начальные условия: при "Ь = О, £ — Тогда С +

Подставляя постоянную интегрирования С в уравнение (88) получим концентрацию отложений наносов в зависимости от времени

г'С'+Щ-е'^+г.Ь**- • - ш

Однако использовать полученное теоретически выражение (8У) для практических расчетов в полном объеме затруднительно из-за неустановившегося режима поступления наносов в аккумулирующую емкость в течение года, ряда лет, также выноса наносов, отстутствия данных измерений за стоком донных наносов, изменения плотности отложений и многих других причин. Так например в прудах и водохранилищах осаждается от 3 до 95% естественного стока наносов.

Поэтому для практической оценки интенсивности заиления и занесения прудов и водохранилищ рассмотрим второй вариант расчета, для чего воспользуемся установленной в п.2.2 зависимостью (о) числа Лохтина от весовой концентрации взвешенных наносов. Весовая концентрация донных и взвешенных наносов является основным фактором, влияющим на интенсивность заиления водохранилищ и прудов (п.2.2 и 4.3) при разных значениях коэффициентов емкости, т.е. при различной зарегулированности ими стока вода , где

"У/о - начальный объем водохранилища и пруда, выраженный в тоннах силы; Об - средний за многолетие годовой сток вода - в тон-

ЛАТ

нах силы. Отсюда для однозначных на основе обработки

результатов натуршх измерений получим (Кудряшов А. д., 196К г.)

Ж = • • • ■ «о»

где (?0 - средний годовой вес отложений взвешенных и донных наносов в аккумулирующей емкости, в тоннах силы; К2 - средний за многолетие годовой сток взвешенных наносов в тоннах силы,

Ао - коэффициент, зависящий от степени зарегулированности стока воды этой емкостью, например, для = I Ао= Зависимость (90) получена по материалам измерений в водохранилищах СНГ, США, Германии, Швейцарии, Италии, Алжира, прудах УССР, для прудов других регионов СНГ (исследования Г.И.Шамова, Г.В.Лопатина, М.Я.Прытковой, А.В.Караушева, И.В.Боголюбовой, А.Ф.Кудряшо-ва, Н.И.дрозда, А.Г.лачатряна, Ж.М.Бруне, СЛ'.Алтунина, В.М.Широкова, А.В.Авякяна, С.Л.Бендрова и др.). Из этой зависимости (90) следует, что интенсивность заиления емкостей -Дг- пропорциональна весовой концентрации взвешенных наносов в потоке

для емкостей с однозначной зарегулированностью ими стока воды МД

-тг— и обратно пропорциональна для емкостей с ОДНОЗНаЧ-

^^в ТдГ

,„» УУО .. Г1-,Г\\

пгш1 иипаоахслсш пл. ослушлсмоих и —— • хлиусыпстт \ ^ / п

кв

позволяют утверждать, что если два независимых параметра связаны _8£

с третьим , то между этими параметрами должна существовать

зависимость, т.е. в рассматриваемом случае

' ' ' • 1911

где 3 - постоянный для однозначных размерный коэффици-

ент, например, для = 0,01 % = 0,0033 мм°'° при ус-

ловии, что средний диаметр частиц взвешенных наносов вы-

ражен в мм и установлен по среднегодовым за многолетие материалам наблюдений в рассматриваемом гидрометрическом .тьоре водотока. Здесь т. = - - показатель степени; (2 4 , -

выражены в тоннах силы; Зср- в промилях, м/км, о/о о.

Проверка зависимости (91) производилась на независимом материале измерений в тархадском, Кайракумском, Краснополянском и других водохранилищах, в Бориенском (Курская область), в прудах Ставропольского края (ы.Я.Прыткова, 19ЬЬг.); были использованы материалы многолетних исследований А.^.Кудряшова. На основе вышепредло-женных обоснований и анализа натурных материалов можно утверждать, что по числу Лохтина для взвешенных наносов оценивается с достаточной практической точностью интенсивность заиления и занесения как крупных водохранилищ, так и мелких водоемов с различной заре-гулированностью ими стока вода и наносов. Дредложенный способ использован в "методике" аналогичных расчетов бывшего Совета ¿¡кономи-ческой Взаимопомощи (Методы измерения расходов наносов..., Будапешт, 1972 г.).

—30—

ЬоЬи^Д: 1). на основе метода аналогий, использования законов технической гидромеханики создана новая специализация гидравлики -гидравлика спонтанных формирований; 2) указанная специализация отличается единым классом течений, характерным для многих природных процессов; 3) исходя из закономерностей этой специализации, характеризующих поток в диапазоне от ползущего до предкавитационного течений разработаны методы гидравлических расчетов русловых деформаций и эрозионных процессов; 4) спонтанные формирования являются следствием структурных образований потока, поэтому возможно использование двух путей исследования ньютоновских текучих сред: как сплошной среды и как потока, состоящего из отдельных структур (вихрей, вторичных течений, флуктуаций и др.); о) все дифференциаль-ше уравнения движения ньютоновских текучих сред составлены на основе ряда допущений и гипотез, в том числе и для ламинарного режима, и строго математически не выводятся. Поэтому привлечение неклассических, но полезных для практики, методов исследования является актуальной задачей; Ь) в макро- и микромире учеными установлен физический смысл многих универсальных постоянных, одаако эти постоянные не выводятся из теории (учет вязкости в дифференциальных уравнениях производится на основе физических принципов); 7) правомерно использование предложения А.Эйнштейна о применении безразмерных постоянных, особенно для сложных условий турбулентного режима; 8) игнорирование внутренней энергии турбулентного потока значительно снижает достоверность расчетов характеристик спонтанных формирований; 9) неустойчивость равномерного прямолинейного движения ньютоновских текучих сред порождает ускорения частиц жидкости и следовательно появление сил инерции, что способствует возникновению неустановившихся течений, пульсаций скорости и гидродинамического давления; 10) турбулентный поток в любой момент времени в каждой его точке является сложной динамической системой;

-Sill) динамическое взаимодействие между турбулентными неоднороднос-тями обеспечивает самопроизвольное формирование поля скоростей потока; 12) основную роль в динамическом формировании структур турбулентного потока играют низкочастотные колебания частиц жидкости; 13) процессы пульсации скоростей и гидродинамических давлений характеризуются только нелинейными дифференциальными уравнениями, т.к. линейные дифференциальные уравнения не могут отвечать требованию фиксированной амплитуды и получению незатухающих колебаний при отсутствии периодической силы; 14) установлены единые для русловых и эрозионных процессов закономерности, базирующиеся на принципе саморегулирования системы "водосборный бассейн - речной поток - русло"; Id) на основе этого принципа выявлен физический смысл числа Лохтина, как критерия, характеризующего весовую концентрацию взвешенных и донных наносов, возникающую под воздействием как естественных так и антропогенных факторов; 1о) предложены раздельные уравнения движения водотоков, несущих донные и взвешенные наносы; 17) выяснена роль взвешенных наносов в переносе загрязняющих веществ и рассмотрены два наиболее реальных варианта взаимодействия загрязняющих веществ с частицами взвешенных наносов, что позволяет по числу Лохтина прогнозировать интенсивность распространения загрязняющих веществ с различными категориями вредности; 18) обоснован метод расчета интенсивности водной эрозии почв и разработаны два способа оценки заиления водохранилищ и прудов; 19) на основе предложенного механизма отрыва донных наносов от дна получена выражение для расчета средней допустимой неразмывающей скорости; 20) с позиций механики обоснованы три способа перемещения потоком донных наносов: сальтацией, качением и скольжением; 21) из уравнений даламбера - Лагранжа с учетом ряда допущений выведен коэффициент турбулентного обмена применительно к потоку, транспортирующему донные наносы; 22} предложен способ оценки диссипации энер-

гии и разработаны два метода расчета гидравлических сопротивлений для потоков, транспортирующих донные наносы; 23) на основе предложенной автором методики обоснован комплекс безразмерных характеристик донно-грядовых формирований в русле водотока и получены зависимости этих характеристик от чисел Шруда и Рейнольдса для потока; 24) между всеми главными параметрами турбулентного потока в спонтанно сформированном им русле установлены закономерности, что позволяет по минимальному числу измерений получить максимальный объем информации; 26) предложен метод расчета расхода и концентрации донных наносов для потоков с малой мутностью; 26) выявлено влияние сил поверхностного натяжения, температуры и мутности потока на характеристики донно-грядовых формирований, гидравлические сопротивления и расход донных наносов; 27) выполнен анализ большого количества данных натурных и лабораторных измерений, относящихся к русловым и эрозионным процессам; 28) все отмеченные в выводах разработки проверены на независимом материале исследований.

п

)

I

— 83 —

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ ТЕМЕ

1. Струйное движение и структурные образования в русловом потоке // Межведомств, конференция по физическим основам механики струйного движения жидкостей и газов. Машгиз, Л., 1957, с.14-18.

2. Результаты некоторых опытов по изучению русловых потоков на размываемых моделях // Третий Всес.гидрологический съезд. Гидрометеоиздат, Л., 1957, с.65-68.

3. Исследование руслоьых процессов на воздушных моделях. // Некоторые новые гидрометеорологические и геофизические методы измерений и приборы. Гидрометеоиздат, Л., 1957, внп.1, с.139-180.

4. Опыт исследования закономерностей русловых процессов на размываемых моделях // Третья межведомств, н.-т.конф. по геофизическим и гидрометеорологическим приборам. Изд. Ленингр. Отделения н.-т. Общ-ва приборостроительной промышленности. Л., 1958, с.17-18.

5. Воспроизведение русла побочневого типа в лабораторных условиях // Труды Гос.гидрологического ин-та. Гидрометеоиздат, Л., 1959, вып.69, с.102-130.

6. О перемещении влекомых наносов // Труды Гос.гидрологического ин-та. Гидрометеоиздат, Л., 1960, вып.86, с.43-52.

7. Результаты некоторых опытов по изучению русловых потоков на размываемых моделях // Труды третьего Всес.гидрологического съезда. Гидрометеоиздат, Л., 1960, том 5, с.229-236,

8. Методические рекомендации к составлению справочника по водным ресурсам СССР // Сток наносов. Гидрометеоиздат, Л., 1961, вып.10, с.1-45 (соавторы - А.В.Караушев, К.Н.Лисицына).

9. Методика исследования наносных образований в русловом

потоке // Метеорология и гидрология, 1961, № 7, с.28-32.

10. Опыт применения объемного метода учета наносов // Материалы пятого Всес.совещ. по изучению селевых потоков. Изд-во

АН Азерб.ССР, Баку, 1962, с.187-195.

11. Характеристики наносных донногрядовых образований в русловом потоке // Межвузовская конференция - движение наносов и гидравлический транспорт. Изд. Моск.инж.-строительного ин-та, М., 1963, с.34-38.

12. Методические указания управлениям Гидрометслужбы.

// Сток наносов. Гидрометеоиздат, Л., 1963, .ю 67, с.1-110 (соавторы - А.В.Караулев, К.Н.Лисицына).

13. К вопросу методики учета стока наносов горных рек.

// Межвузовская конференция - движение наносов и гидравлический транспорт. Изд. Моск.инж.-строительного ин-та, М., 1963, с.39-43 (соавтор - И.В.Боголюбова).

14. Методика учета стока влекомых наносов суммарным способом по отложениям в отстойных сооружениях // Труды Гос.гидрологического ин-та. Гидрометеоиздат, Л., 1964, вып.III, с.143-154-(соавтор - И.В.Боголюбова).

.УЧЕТА,

15. О балансовом методёУсТока наносов и оценка интенсивности заиления водохранилищ // Водный баланс и заиление малых водохранилищ черноземного центра РСФСР. Наука, М.-Л., 1965, с.224-242.

16. Сходство неровностей чешуйного покоова с неровностями на поверхностях, сформированных потоком в руслах рек // Зоологический журнал, том 46. Наука, М., 1967, вып.З, с.393-403;вып.4, с.556-566 (соавтор В.В.Барсуков).

17. О маневренности водных животных // Вопросы ихтиологии, том 8, Наука, М., 1968, вып.6 (53), с.1057-1062 (соавтор Г.В.Зуев).

- ¿¡> —

18. О сопротивлении плоского стационарного потока с малой мутностью в аллювиальном русле // Движение наносов и гвдравличе-ский транспорт. Изд. Моск.инж.-строительного ин-та, М., 1968,

с.74-75.

19. О сопротивлении воды движению рыб // Биология моря. Наукова думка, Киев, 1968, вып.16, с.21-38.

20. О механизме плавания рыб и дельфинов // Ььология моря. Наукова думка, Киев, 1968, вып.16, с.59-69.

21. О балансовом методе учета стока наносов и оценка интенсивности заиления водохранилищ // Заиление водохранилищ. Изд. ВАСХНИЛ, М., 1968, с.41-43.

22. Приборы, оборудование и способы наблюдений при русловых исследованиях на размываемых моделях // Записки Ленингр. с/х ин-та, том 149, изд. ЛСХИ, Л., 1970, вып.1, с.109-113 (соавтор - Э.А.Шакирова).

23. О технике русловых исследований на размываемых моделях // Записки Ленингр. с/х ин-та, том 149, изд. ЛСХИ, Л., 1970, вып.2, с.110-113 (соавтор - Э.А.Шакирова).

24. О некоторых закономерностях образования вторичной водо-воротной зоны при внезапном расширении потока // Записки Ленингр. с/х ин-та, том 174, чЛ. Изд. ЛСХИ, Л., 1971, вып.2, с.137-139 (соавтор - Э.А.Шакирова).

25. Об аэродинамической роли перьевого покрова корпуса птиц // Зоологический журнал, том 50. Наука, М., 1971, вып.6, с.864-874 (соавтор - К.А.%ин).

26. Воспроизведение гидравлическими сопротивлениями аналогичных форм в живой и неживой природе // Заявка на открытие СССР № 32-0Т-8355 от 10 апреля 1973 г., с.22 (соавтор В.В.Барсуков) .

27. Авторское сввдетельство СССР на изобретение ff1 446696. Бюл.изобр. II июня 1973 г., с.4 (соавтор - В.К.Чугунов).

28. Проектирование малого водохранилища // Методические указания к выполнению курсового проекта. Изд. Ленингр. с/х ин-та, Л., 1975, с.1-22 (соавтор - Э.А.Шакирова).

29. Гидравлика, водоснабжение и гидротранспорт // Программы курсов для инж. специальностей 1515, 1516, 15Э9, 1510. Изд. МСХ, М., 1975, с.1-22 (соавторы - А.П.Исаев, М.В.Лаврентьев,

А.А.Поляк, Э.В.Костюченко).

30. Исследование механизма формирования грядового рельефа речного русла на размываемой модели // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов... Изд. Мое.Гос.Ун-та, М., 1976, с.306-307.

31. О гидравлических сопротивлениях плоского стационарного потока в аллювиальном русле // Динамика потоков и русловые процессы. Изд. Ленингр. Политехи.ин-та, Л., 1977, вып.63, с.50-57.

32. Гидротранспорт в с/х производстве. Изд-во Белор.с/х Академии, Мн, 1980, с.1-35 (соавторы - Э.В.Костюченко, В.И.Лаптев) .

33. Технические средства автоматики // Учебное пособие. Изд. с/х ин-та, Л., 1978, с.1-42 (соавторы - В.С.Зарицкий, B.C. Бернер).

34. Основы гидравлического транспорта в сельском хозяйстве // Методические указания. Изд. Бел.ин-та механ. с/х-ва, Мн, 1979, с.1-24 (соавторы - Э.В.Костюченко, В.И.Лаптев).

35. Гидравлика, водоснабжение, гидротранспорт, раздел гидротранспорт. Изд. Укр. с/х Академии, Киев, 1980, с.1-41 (соавторы -А.В.Мищенко, А.Т.Карпусь).

36. Ихтиолого-русловая гидравлическая аналогия // Законо-

мерности проявления эрозионных и русловых процессов..., Изд-во Мое.Гос.Ун-та, М., 198I, с.338-339 (соавтор - В.Б.Барсуков).

37. О гидравлических сопротивлениях в аллювиальных руслах. // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов..., изд-во Мое.Гос.Ун-та, М., 1981, с.357-358.

38. О взвешивании несвязных частиц наносов потоком жидкости // Динамика русловых потоков. Изд. Ленингр.Политехи, ин-та, Л., 1983, вып.83, с.79-85.

39. Особенности гидравлики потока в аллювиальном русле. // Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства. Изд-во Мое.Гос.Ун-та, М., 1983, с.25-26.

40. Расход руслоформирующих наносов при стремительном состоянии потока с малой мутностью // Исследование русловых процессов для практики народного хоз-ва. Изд-во Мос.Гос.Ун-та, М., 1983, с.38-40 (соавтор - Ю.Л.Сорокин).

41. Расчет подъмной силы при определении неразмывающей скорости для несвязных грунтов // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. Высшая школа, Ми, 1984, вып.13, с.69-72 (соавтор - В.Д.Баркалова). ^/Динамика и термика рек,водохранилищ)

42. Число Лохтина и заиление водохранилищУи эстуариев, том 2. Изд-во ин-та водных проблем АН СССР, М., 1984, с.101-102.

43. Лабораторные исследования процессов меандрирования.

// Совершенствование... мелиоративных работ. Деп. ВНТИнф.Центр, Гос.per. № 81030236, инв. №0286.0067891, 1985, с.1-80.

44. Гидротранспорт. Задания на расч.-графич.работу. Изд. Марийского Политехи, ин-та, Йошкар-Ола, 1985, с.1-16.

45. Особенности гидравлики речного потока в аллювиальном русле при антропогенных воздействиях // Пятый Всес.гидрологический съезд, секция русловых процессов и наносов. Гидрометеоиздат,

1986, с.83-84.

46. Процесс размыва борозды на поверхности связного грунта. // Динамика русловых потоков. Изд. Ленингр.Политехи.ин-та, Л.,

1987, вып.98, с.88-93.

47. Грядовый рельеф аллювиального русла и расход руслофор-мирующих наносов. // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов... Изд-во Мое.Гос.Ун-та, М., 1987, с.334-335 (соавтор - Г.П.Ефимцева).

48. Гидравлика и гидромеханизация с/х процессов, раздел гидропневмотранспорт. Методич. разработка. Изд. Новгородского с/х ин-та, Новгород, 1988, с.1-21 (соавтор -В.М.Тё).

49. О диссипации энергии потока при перемещении руслоформи-рующих наносов. Деп. ВИНИТИ, № 7040-В 88, 1988, с.30-36.

50. Гидроаэромеханика спонтанных формирований и русловые процессы. // Третья научн.конф. по проблемам водных ресурсов Дальневосточн.экономич.р-на и Забайкалья, секция 2. Изд. Дальне-восточн.региональн. н.-и.гидрометеорологического ин-та, Владивосток, 1988, с.16-18.

51. Особенности гидравлики речного потока в аллювиальном русле при антропогенных воздействиях. // Груды пятого Всес.гидрологического съезда, том 10, кн. I. Гидрометеоиздат, Л., 1988, с.380-389.

52. О затухании скорости руслового потока в мелкозернистых аллювиальных отложениях дна. // Четвертое координ.совещ. по проблеме "Исследование русловых процессов на реках...", изд. Луцкого Педагог.ин-та М.П.УССР, Луцк, 1989, с.28-29.

53. Формирование гряд в плане на дне аллювиального русла.

// Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей, том I. Изд-во ин-та водных проблем АН СССР и советск.нац.комитета МАГИ,

54. Движение турбулентного потока с руслоформирующими наносами на повороте русла при малых гидравлических уклонах. // Динамика русловых потоков и охрана природных вод. Изд. Ленинградск. гидрометеорологического института, Л., 1990, вып.107, с.43-47.

55. Исследование подруслового потока в аллювиальных донных отложениях. // Конференция молодых ученых и студентов Ленингр. с/х ин-та. Изд. Ленингр. с/х ин-та, Л., 1990, с.57 (соавтор -Б.В.Зиновьев).

56. Тепло- и водоснабжение сельского хозяйства. // Программы специальных дисциплин для подготовки инженеров по специальности 31.14. Изд. Учебно-методического объединения вузов по инженерным специальностям. М., 1990, с.99-116 (в соавторстве).

57. Система "бассейн-речной поток-русло" и роль сопротивлений в механизме ее саморегулирования. // Эрозионные и русловые процессы. Изд. Мое.Гос.Ун-та и Луцкого Педагогического ин-та, Луцк, 1991, с.150-159 (соавтор - Н.Б.Барышников).

58. Методика и техника исследований русловых потоков в натурных и лабораторных условиях. // Шестое межвузовское коорд. совещ. по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Изд. Ташк. Гос.Ун-та, Ташкент, 1991, с.48-51.

59. Оценка эрозии почв водосбора по числу Лохтина. //Эро-зиоведение: теория, эксперимент, практика. Изд-во Мое.Гос.Ун-та, М., 1991, с.96-97.

60. Гидроаэромеханика спонтанных формирований и русловые процессы. // Материалы научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья. Гидрометеоиздат, С.-П., 1991, с.108-115.

61. О затухании скорости руслового потока в мелкозернистых аллювиальных отложениях дна. Межвузовский сб. "Моделирование и

прогнозы гидрологических процессов", вып. ИЗ. Издание Рос.Гид-рометеорологич.ин-та, С.-П., 1992, с.66-71.

62. О проблеме турбулентности. Ыежвузовск.сб. "Проблемы эрозионных, русловых и устьевых процессов". Изд-во Удмуртского Ун-та, Ижевск, 1992, с.53-54.

63. Наносный режим равнинных водотоков // Гидротехническое строительство, № 6, 1992, с.39-41.

64. Роль взвешенных наносов в переносе загрязняющих веществ. // Итоговая сессия Ученого совета. Изд. Рос.Гос.Гидрометеорологического ин-та, 1993, С.-П., с.28-30.

65. Оценка водной эрозии почв водосборного бассейна по числу Лохтина. Ж-л "География и природные ресурсы", № 3, 1993, с.144-147.

66. Опыт исследования стока взвешенных наносов и переноса загрязнякиих веществ в ручьях. 1!ежгосударств.сб.'Теоэкологкчес-кие аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха", ч.1. Изд-во Пермского Гос.Университета, г.Пермь, 1993г., с.161-162.

Подписано в печать 14.07.93. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Объем 5.75 п.л. Тир. 100. Заказ 621.