автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов регулирования русловых процессов на меандрирующих реках

* ^

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА МЕАНДРИРУЮЩИХ РЕКАХ

Специальность 05.23.07 —гидротехническое и мелиоративное строительство

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук в виде научного доклада

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Московском государственном университете при-родообустройства

Научный руководитель -Член-корреспондент АВН, кандидат технических наук, профессор

С.Н.Корюкин

Официальные оппоненты:

Действительный член АВН доктор технических наук

профессор Ю. П.Правдивец

Действительный член АВН доктор географических наук

_профессор Р. С. Чалов

Ведущая организация

Инженерный научно-производственный центр по водному хозяйству и экологии "Союзводпроект"

Защита состоится /У^ года вЛ5г~часов на заседании

специализированного Со^та К 120.16. 01 в-МГУП по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова, 19, аудитория 1/201

С научным докладом можно'ознакомиться в библиотеке МГУП

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять .по адресу: МГУП/ ученому секретарю.

Доклад разослан " ^ " ^<«^1^1995

/

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

И. М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Широкое хозяйственное использование рек и пойм, возрастающие требования к сохранению их природного состояния требуют разработки не только методов прогноза динамики руслового процесса, но и проведения конкретных работ по управлению им. Антропогенная деятельность по своим масштабам стала в один ряд с активными факторами руслообразования. Задержка в принятии инженерных мер защиты часто грозит деградацией речной экосистемы. Несмотря на большое количество исследований в области ■ изучения руслового процесса по прежнему актуальным остается анализ совокупности его конкретных проявлений и закономерностей развития. Необходимо значительно полнее изучать реки как сложные изменчивые природные системы. Учитывая невозможность пассивного сохранения естественного состояния рек, целесообразно задать направленность регулирования руслового процесса. Цели регулирования определяются на основе оценки интенсивности хода и развития руслового процесса в соответствии с характером хозяйственного использования водотока.

Рациональное природопользование обусловливает актуальность. • разработки таких принципов и схем регулирования русловых процес-со, которые при минимальном вмешательстве давали бы требуемый регуляционный эффект без нарушения ландшафтов. С этих позиций рассматриваются вопросы регулирования русловых процессов на ме-андрирующих реках при различных инженерных задачах.

Использование пойменных земель встречает ряд трудностей, вызванных неблагоприятным воздействием паводкового потока. Достаточно часты случаи заноса значительных площадей песками, смыва плодородного пахотного слоя, разрушений коммуникаций и сооружений. Поймы меандрирующих рек подвержены постоянной переработке при плановых перемещениях излучин.

Современное состояние многих малых рек требует проведения комплекса природоохранных мероприятий по их гидротехнической рекультивации. Выбор конкретных мероприятий должен быть выполнен на основе принципов управления природной динамической системой, позволяющей учитывать все многообразие действующих факторов.

Одной из актуальных задач является использование русел рек для пропуска увеличенных меженных расходов. При этом требуют решения вопросы обеспечения пропускной способности русла, защиты поймы от подтопления, снижения активности переработки русла.

Использование поймы в качестве, естественного водосброса низконапорных гидроузлов имеет ряд достоинств как .технико-экономического [характера, так и благоприятных в экологическом плане. Однако недостаточно .полный учет особенностей руслового процесса приводит к размывам на пойме и создает опасность плановых смещений русла.

Цель и задачи исследований. Основная цель работы - разработка инженерных мероприятий по регулированию руслового процесса для меандрирущих рек на основе исследования его как объекта управления с целью раскрытия тех функциональных взаимосвязей внутри системы река-долина и ее структурных элементов, которые могут быть нарушены при хозяйственном использовании рек.

Для достижения намеченной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Экспериментально исследовать русловой процесс типа - ограниченное меандрирование и подобрать мероприятия, упорядочивающие его неблагоприятные проявления.

2. Разработать схемы регулирования руслового процесса на меандрирующих -реках.

3. На основании анализа результатов экспериментальных исследований закономерностей развития руслового процесса разработать мероприятия.по его регулированию.в условиях изменяющейся водности,реки. - .... • .

4. Исследовать .возможность использования поймы реки для пропуска половодья в обход гидроузла, разработать мероприятия по предотвращению при этом существенных деформаций поверхности поймы. ■ г;;- ■ ■

Научная новизна выполненных исследований обусловлена тем, что русловой процесс рассматривается в их рамках как объект управления, по реакции на внешнее воздействие.При этом использовались модели, отображающие основные принципы организации и функционирования реальных систем-прототипов. Выполнен анализ строения и функционирования речного макро рельефа, являющегося основой речной экосистемы как природного объекта, так и объекта управления. Проведенные исследования руслового процесса типа ограниченного меандрирования позволили раскрыть динамические характеристики ' этой природной системы, важных как для понимания механизмов функционирования руслового процесса, так и для выработки

правил поддержания, в необходимых случаях.стабильности природной системы. Разработаны гидротехнические мероприятия, направленные на ограничения плановых деформаций излучин. Выполнена оценка действия на русловой процесс ограничивающих факторов. В натурных условиях и на моделях исследованы различные схемы регулирования русловых процессов на пойме. Для р. Сев. Донец сформулированы общие цели регулирования руслового поцесса при искусственном увеличении меженных расходов реки и даны рекомендации по предотвращению нарушений стационарности.

Практическая значимость и реализация работы: Основные положения и выводы, полученные в результате выполненных исследований использованы институтом Укргидропроект при составлении проекта второй очереди канала Днепр - Донбасс, институтом соязгипролес-хоз при разработке планового размещения систем защитных противо-эрозионных лесных насаждений в водоохранных зонах малых рек. институтом Мосгипроводхоз при уточнении местоположения и параметров защитных лесополос в пойме р.Оки, а также были использованы при составлении текстов § 9.10. "Пойменные водосбросы" справочника "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений".-М.: Энергоатомиздат. 1988 и §5.4 "Резервные водосбросы" Справочника "Мелиорация и водное хозяйство". 4. Сооружения: -М.: Агропромизяат. 1ЭВ7.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались, на научно-технических конференциях МГМИ в 1971-81 и 1983-92 г.г., на Московской областной конференции по внедрению результатов научных исследований (1975 г.). на научно-техническом совете Главнечерноземводстроя (Москва, 1976 г.), на XI11 конгрессе Международного комитета по большим плотинам (Нью Дели, Индия. 1979). на У Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград,. 1986), на 111 Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек. водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989). на совместном заседании секции русловых процессов и секции водных ресурсов и водного баланса Научного Совета по проблеме "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" ГКНТ (Ленинград 1988 г.), на Всесоюзном совещании "Экология и гидравлика будущего" (Москва. 1990 г.)."

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел посвящен методике проведения исследований руслового процесса. Решение комплекса взаимосвязанных вопросов отрабатывалось для конкретных объектов на основе использования натурных наблюдений в паводок и послепаводковых обследований, моделирования крупных участков рек и отдельных макроформ на размываемых и жестких гидравлических моделях. Натурные наблюдения и обследования проводились на p.p. Оке. Северском Донце, Москве, Нерской. Сивини, Раново и др. Эти наблюдения включали гидрометрические работы на р.р.Оке, Москве, Нерской. При этом измерялись уровни воды в пределах пойменных расширений, скорости и расходы на характерных участках русла и поймы. На р. Северский Донец наблюдения и измерения проводились совместно с экспедицией института Укргидропроект. Для измерения параметров потока использовалось стандартное гидрометрическое оборудование.

При проведении обследований фиксировались следы половодья, характер размывов, зоны выноса песка на пойму, состояние гидротехнических сооружений.

Экспериментальные исследования проводились, на пяти пространственных моделях русел рек с поймой, в том числе трех размываемых и двух жестких с подачей наносов и устройством на пойме в местах с повышенными скоростями размываемых фрагментов. В опытах измерялись уровни и скорости воды, фиксировались направления течений. характер и размеры деформаций русла и поймы. .

Выполненные оценки точности измерений показали," что: максимальная относительнная ошибка- измерений глубин воды шпитценмасш-табом и электролитическими щупами составляла (0,5...3.5)%., максимальная относительная ошибка при измерении расхода составляла (0,3...о,7)%. а при измерении скоростей потока не превышала 9%. Использование в наших исследованиях размываемых моделей позволило с достаточной точностью определить реакцию реки на вмешательство в ее естественный режим.

При моделировании переформирований русла и поймы на мелкомасштабных размываемых моделях использовались принципы натурального моделирования. Вертикальный и горизонтальный масштабы задавались с учетом автомодельности по числу Re и критерию планового

в

подобия . Продольный уклон формовки модели принимался из

условия сохранения геометрического подобия средних глубин натуре. Правильность воспроизведения проявлений руслового процесса проверялась в процессе морфологической тарировки модели, которая предусматривала формирование на модели устойчивых, достаточно крупных кинематических структурных образований. На мелкомасштабных русловых моделях воспроизводились макроформы руслового рельефа, оьъединяющие мезоформы общего генезиса: Мезоформы разного происхождения моделировались раздельно на размываемых моделях-фрагментах более крупного масштаба.

В качестве раздаваемого материала наряду с мелкозернистым песком (<350 =0,2мм), в основном, использовалась керамзитовая зола Сй5 о =1.2мм). Этот материал во многих опытах показал свои большие преимущества перед песком. При неравномерном распределении скоростей на моделях из песка резко возрастают гидравлические сопротивления за счет образования на дне грядовых форм. Керамзитовая, зола начинает размываться при тех же скоростях, что и мелкий песок, но рифели на дне не образуются. При этом гидравлические сопротивления при глубинах воды 2... 10 см мало зависят от подвижности донных отложений. В процесе описываемых исследований была выполнена-, серия опытов по определению гидравлических сопротивлений,- создаваемых затопленным'кустарником.

Во втором разделе рассматриваются результаты исследований регулирования русловых процессов при ограниченном меандрирова-нии.а также ограничении меандрирования гидротехническими средствами. В качестве основного объекта изучения был выбран русловой процесс типа - ограниченное меандрирование. Последний по известной классификации ГГИ является самостоятельным типом руслового процесса, что свидетельствует о его достаточно широкой распространенности. Он характеризуется сравнительно высокой активностью эрозионной переработки, четкой упорядоченностью рельефа русла и поймы.

Наши исследования показали, что ограниченное меандрирование можно рассматривать в ряде случаев как тип руслового процесса создаваемый искусственно при обваловании русла.

На модели, имевшей рабочую часть с размерами 2,6x11,0 м, заполненной люберецким песком, была воспроизведена речная долина имевшая три излучины (рис.1).

Основными результатами методической части работы является то, что на размываемой модели удалось подобрать такие условия, которые позволили воспроизвести русловой процесс нужного типа. Для схематизированных характерных форм речной долины были получены деформации присущие ограниченному меандрированию.

Важные практические результаты были получены при исследованиях пойм с лесополосами. Так было установлено, что ощутимые изменения объема и характера наиболее активных деформаций поймы могут быть достигнуты путем создания системы лесополос. Применение лесопосадок в качестве средства воздействия на речной поток позволяет создать не отдельную преграду, а достаточно развитую сеть, вписанную в естественные формы речной долины. Система лесополос позволяет снизить неравномерность распределения скоростей. потока по площади поймы и во времени (в различные фазы половодья) способствует равномерной раскладке наносов в ограниченной зоне. Под защитой лесополос становится допустимым более интенсивное сельскохозяйственное использование пойменных земель.

На модели исследовалось влияние на поток и на характер деформаций основного элемента системы лесопосадок - сквозной стру-енаправляющей лесополосы, которая устанавливалась на прирусловом валу вдоль границы вала с поймой и на пойме.

Результаты воздействия сквозных преград, моделирующих защитные лесополосы, на поток оценивались как по характеру изменения плана течений, так и по следам грядовых деформаций. Между собой сравнивались две масштабные серии опытов и три повторяющихся участка речной долины.

Анализ полученных данных показал, что при расположении сквозной преграды на прирусловом валу (рис.16) повышается подвижность наносов в русле и за счет этого снижается вынос песка на пойму.а также уменьшается подвижность' излучины. Удельные расходы снизились, в два раза по сравнению с естественным режимом. Обтекание сквозной преграды было достаточно плавным. Подмыва склона долины практически не было.

. При расположении сквозной преграды на пойме (рис.1в) наблюдалось неплавное обтекание преграды. Поток был прижат к склону долины. Неплавность обтекания преград вызывала заметное увеличение гидравлического сопротивления. Система мероприятий по воздействию на речной поток при таком варианте расположения сквоз-

ной преграды должна быть дополнена системой вдольбереговых лесополос или дамб для подавления побочного действия сквозной преграды.

Проведенные исследования показали целесообразность использования сквозных направляющих преград в виде лесополос для защиты поймы при ограниченном меандрировании. оценка. регулирующего влияния их на поток может производиться путем расшифровки следов грядовых деформаций.Наши исследования показали, что наиболее удачным следует считать расположение лесополосы на возвышенной части поймы. В этом случае лесополоса является искусственным ограничивающим фактором сокращающим плановую переработку поймы.

С целью изучения стационарности руслового процесса был проведен анализ результатов исследований цикличности речных макроформ. поскольку сходство макроформ является связующей основой для рек с общим типом руслового процесса. Эти исследования были осуществлены на гидравлической установке, имевшей плановые размеры рабочей части 3x18 м; воспроизводимый процесс - ограниченное меандрироваиие. Шероховатость залесенных участков поймы в :этом случае моделировалась с помощью керамзитового гравия, наклеенного на бетон: на модели были воспроизведены переменные размеры русла и рельеф поймы. В проведенных опытах измерялись уров-, ни и скорости, фиксировался план поверхностных течений. Оценка . деформаций русла и поймы выполнялась сравнением подвижности мел. кой керамзитовой крошки, поданной на модель.

Обсуждаемые исследования проводились для трех, вариантов ограниченного меандрирования (Рис.2). Расходы воды и условия подачи наносов выдерживались одинаковыми. В варианте А и Б границы затопления были заданы параллельными, почти прямыми линиями, а в варианте В соответствующие ограниченному меандрированию с вписанными меандрами. Вариант А отличается от Б установкой сквозных . преград на путях движения потока из русла в пойму, моделирующих защитные лесополосы.

Исследования показали, что массообмен между руслом и поймой при разной конфигурации границ затопления существенно различался. В варианте со вписанными меандрами наблюдалось значительно более равномерное распределение скоростей и увеличение подвижности наносов вдоль русла. Значительно меньшей была концентрация расходов воды и размывов на выходах потока из русла в пойму.

Было установлено, что лесополосы заметно снижают неравномерность распределения скоростей при выходе потока из русла в пойму. Они вызывают замедление русловой переработки, подобное варианту с вписанными меандрами. Лесополосы в данной схеме способствуют ограничению местных размывов прирусловой поймы и более упорядоченному переносу наносов. Анализ результатов наших опытов показал, что под влиянием лесополосы раскладка мелкой взвеси становится более равномерной, подвижность наносов в береговой полосе поймы уменьшается, а траектории течения качественно соответствуют траекториям модели со вписанными меандрами. Основное отличие этих вариантов от обычной схемы А (рис.2) заключается в меньшем обмене водой и наносами между руслом и поймой. Представленный на рисунке вариант Б может рассматриваться как вариант искусственного ограничения меандрирования. При вписанных меандрах процесс деформации склонов и русла происходит недостаточно активно, поскольку уменьшается неравномерность распределения расходов воды и наносов вдоль русла, уменьшается обмен русла с поймой.

Подобие совокупности геоморфологических признаков, свойственное ограниченному меандрированию, не обеспечивает однозначности кинематического соответствия потоков и интенсивности руслового процесса. При разработке вопросов регулирования русловых процессов на обвалованных меандрирующих участках рек увеличение транспорта наносов может быть достигнуто за счет установки стру-енаправляющих лесополос или придания дамбам криволинейного в плане очертания.

Анализ литературных источников, а также результатов наших натурных наблюдений и лабораторных исследований показал, что пойменные .лесопосадки оказывают существенное влияние на эрозион-но-аккумулятивные процессы, на форму и баланс обмена наносами между руслом и поймой. Для формирования устойчивого упорядочивающего воздействия на совокупность проявлений руслового процесса, необходимо, чтобы сеть лесополос представляла собой полный комплекс. Система лесополос состоит из участков закрепляющих отдельные характерные формы рельефа, береговых посадок, завес перегораживающих всю пойму и корректирующих общий план течений, струе-направляющих полос воздействующих на кинематику потока.

Наши исследования показали, что система лесополос оказывает сильное и вместе с тем пластичное действие на речной поток и вполне может рассматриваться в качестве эффективного средства управления русловым процессом.

Для обоснования параметров защитных лесополос необходимо выполнить их гидравлическое расчетное обоснование. В настоящее время нет общепринятых методов расчета гидравлических сопротивлений. создаваемых древесной растительностью, а также расчета гидравлики пойменного потока. Сложная кинематическая структура потока вблизи лесополос остается пока еще малоизученной.

Для уточнения зависимости пропускной способности завесы от глубины потока и высоты куста нами была выполнена серия специальных лабораторных исследований, которые были осуществлены в зеркальном лотке с параметрами рабочей части 0,45 х 3.2 м. В последнем были установлены модельные кусты, составленные из веток жимолости. При расходах от 2 до 20 л/с и при различных диапазонах глубин затопления измерялись скорости и другие важные параметры потока. В натурных условиях были проведены измерения скоростей в пределах заросших ивняком участков в пойме р.Оки. Проведенные в рамках этих исследований эксперименты показали, что в основном диапазоне работы лесополосы коэффициенты, лобового сопротивления ветвей мало зависят от их густоты и скорости потока. Эти же исследования выявили необходимость разработки расчетных моделей пойменной растительности.

Специфика гидравлических расчетов пойменного потока во многом определяется сложностью и многообразием форм рельефа. Натурные наблюдения, проведенные нами в среднем течении реки Оки у п.Белоомут на участке свободного меандрирования, характера распределения уровней и скоростей воды по пойменному массиву в половодье показали, что имеется активная зона поймы, в пределах которой устойчиво проявляется взаимная согласованность осредненных характеристик потока.

Графики связи гп (2р 1) между измеренными в общие сроки Ь уровнями воды в русле гр и в разных точках 3 поймы г} имеют три характерные формы. При равных масштабах шкал для первой формы угловой коэффициент ^р3=й23/й2р линии однозначной ... связи равен единице. При второй форме однозначного соответствия угловой коэффициент линии (2р1) отличается от единицы. По измерениям в

низкие половодья 1971 и 1982 гг. в пределах активной зоны Белоо-мутской поймы отмечено закономерное уменьшение с 1,0 в русле до ррз= 0,41.-.0,45 на границе активной зоны с центральной поймой. Это свидетельствует о перераспределении уклонов при перемене уровней. С отдалением пойменных гидрологических постов от русла уменьшается амплитуда изменений уровня воды в 'пойме. Третья форма характеризуется существенным различием линий соответствия для подъема и спада, что говорит о местной аккумуляции воды или об изменении границ затопления и включения в работу спрямляющих трасс.

Выполненный нами в рамках этого исследования анализ взаимного соответствия уровней позволил установить границы применимости различных методов расчета планов течения. При первой форме соответствия уровней на участке правильные результаты должен давать расчет по морфометрическим створам, при котором продольный уклон-водной поверхности принимается постоянным. При второй форме однозначного соответствия уровней выполняются исходные предпосылки расчета-планов течения по условным рукавам. Для третьей формы взаимного соответствия уровней в расчете плана течений по условным рукавам требуется учитывать аккумуляцию воды. При делении плана течений по условным рукавам разделяются и бассейны аккумуляции воды. Для Белоомутского пойменного массива одна и та же схема разделения потока на условные рукава с переменными аппроксимированными характеристиками дала удовлетворительные результаты для диапазона затоплений поймы, соответствующего максимальным уровням половодья обеспеченностью от 92 до 10%. При более высоких уровнях изрезанность границ затопления и ориентированность пойменного рельефа мало влияет на поток и нет специфических сложностей расчета планов течения по уравнениям плановой гидправлики.

Третий раздел работы посвящен рассмотрению вопросов регулирования русловых процессов при изменившейся водности. Основными задачами исследований являлась оценка врезки продольного профиля русла при увеличении водности, выявление направленности русловых переформирований, подбор необходимых выправительных мероприятий. Исследования проводились для двух случаев пропуска повышенных .расходов воды. В первом - в пропуске расчетных расходов наряду с руслом использовалась пойма, во втором расчетные расходы прохо-

дили без выхода потока на пойму. При затопленной пойме исследовался характерный участок реки и речная долина значительной протяженности.

На размываемой модели, имевшей размеры в плане 3.6 х 11,0м,, был воспроизведен схематизированный участок реки,- русло которой представляло- собой систему повторяющихся излучин с значительной извилистостью. В ходе проведения опытов измерялись скорости и направления течений поверхностные, придонные, и средние по глубине.

Результаты опытов показали, что при затопленной пойме повторяющиеся по форме и размерам меандры выполняют различную роль в зависимости от положения в группе. Отмечается постепенное значительное уменьшение русловой части расхода воды, т. к. ' наличие меандрирующего русла с одной стороны увеличивает площади живых сечений речного потока, с другой вызывают дополнительные гидравлические потери. Исследования позволили установить, что основные плановые деформации извилистого русла развиваются при русловых расходах. При затопленной пойме неравномерное скопление наносов в русле и появление проток на пойме создает условие для естественных спрямлений русла.

Размываемая модель речной долины имела длину рабочей части 22 м. ширина изменялась от 1 м до 4 м в зависимости от ширины долины (Рис.3). Для повышения достоверности полученных результатов была проведена масштабная серия опытов, которая показала что при различных условностях воспроизведения натуры основные черты русловой переработки на модели устойчиво сохранялись.

Анализ результатов основной серии опытов показал, что пропуск повышенных, по сравнению с бытовыми, расходов воды приводит к существенной переработке русла. Наблюдаются деформации склонов долины. Аккумуляция продуктов размыва происходит в расширениях речной долины. На модели было проверено влияние на ход переформирования речной долины естественного ограничивающего фактора -растительности; эта оценка выполнялась по двум схемам. Первая допускала, что первичный пропуск воды осуществляется по расчищенной пойме, но в летне-осенний период осохшие скопления наносов закрепляются тростником и кустарником и в дальнейшем эта растительность оказывает влияние на движение вода и наносов. Установка шероховатости на осохших участках приводила к резкому

уменьшению ширины зоны раскладки наносов на участке аккумуляции. Уменьшение ширины зоны раскладки компенсировалось увеличением толщины слоя и длины этой зоны. Этим самым создавались предпосылки для ухода русла за пределы узкой зоны аккумуляции. Обрастание осыхающих участков поймы может значительно повлиять на ход переформирования долины, сделав переходный период формирования в целом менее благоприятным.

Вторая схема предусматривала сохранение и использование естественной растительности, особенно на размываемых участках поймы. Пойменная растительность на участке искривления речной долины и ниже него вдвое сократила общий объем переформирования. Видимо оправданным может оказаться сокращение в первые годы сроков искусственного затопления поймы для сохранения пойменной растительности.

Исследования показали, что как искусственная растительность в виде струенаправлящей лесополосы, так и естественная могут сильно повлиять на ход русловых переформирований, привести к перестроению естественных русловых форм.

Одной из актуальных задач при изменении водности является сохранение природного состояния реки. Объектом исследования этого вопроса был участок р.Северский Донец протяженностью 120 км.. по которому в межень пропускался дополнительный расход воды поступающий в канал Днепр-Донбасс.

Основной целью исследований являлся анализ руслового процесса реки и разработка мероприятий по поддержанию его стационарности. В результате анализа руслового процесса были выделены три характерных участка:. участки с немеандрирующим руслом, прижатым к правому берегу, участки ограниченного меандрирования, участки свободного меандрирования.

Содержание руслового процесса определялось циклической сменой во времени краткосрочных фаз активного взаимодействия русла со склонами долины с затяжными фазами консолидации. В фазы активного взаимодействия русла со склонами долины русло уходило с разработанной трассы, развивались меандры, повышались уровни воды. Фазе консолидации свойственно постепенное углубление русла и переход от свободного к ограниченному меандрированию. Естественный русловой процесс приближался к завершающей фазе периодического приближения русла к правому коренному берегу. В данной фазе

происходило сравнительно слабое взаимодействие русла с коренным берегом и надпойменной террасой. Вертикальные деформации русла не имели заметной систематической составляющей. Горизонтальная переработка участков меандрирования развивалась в установившемся темпе с преобладанием систематических смещений русла над обратимыми. В ходе руслового процесса неизбежны необратимые накопления деформаций, нарушающих его стационарность, приводящих к изменению направленности.и местной активизации русловой переработке.

Внешними причинами срыва стационарности являлись обвальные перегораживания русла при оползании коренного берега, накопление отмостки вблизи крупных источников поступления неразмываемого материала и подмыв песчаной надпойменной террасы. Внутренней причиксй срыва стационарности может явиться естественное нарастание прирусловых валов.

Увеличение водности реки в межень повышает активность естественной переработки русла и усугубляет действие факторов, приводящих к нарушению стационарности системы русло-поток.

На основе анализа направленности руслового процесса были определены цели регулирования:

- упорядочение фоновых геологических процессов, включающее

- предотвращение перегораживания русла оползнями, упорядочение раскладки каменистых грунтов.приносимых из притоков и со склонов; предотвращение прижатий русла к песчаной надпойменной террасе; .

- стимулирование естественных тенденнций в русловом процессе обеспечивающих повышение пропускной способности русла в межень. При этом целесообразно упорядочивать накопление плановых деформаций русла при перестройке его на новый режим расходов, сдерживать процесс естественного расширения русла; -•

- регулирование обмена водой и наносами между руслом и поймой;

- регулируемое удаление русловой отмостки.

Требование минимального вмешательства в природную среду и сохранения естественных ландшафтов определило путь реализации поставленных целей: регулирование в основном за счет развитой системы прирусловых и пойменных лесополос. Применение лесополос для регулирования обмена наносами между руслом и поймой в ка-

честве активного средства управления потоком осуществлялось для конкретных проявлений руслового процесса с учетом ранее выполненных исследований.

Оценка руслоформирующей деятельности потока в русле и прирусловой зоне в естественных условиях и при наличии рекомендуемых лесополос может быть выполнена с помощью предложенного Н.И.Маккавеевым принципа сравнения по комплексной характеристике

М = аО"-р.¡, (1)

где - коэффициент, зависящий от ширины разлива реки, т = 2 для песчаного ложа русла. ; - уклон, р - вероятность расхода в расчетном интервале.

Для конкретной задачи целесообразно ввести упрощение и сопоставлять между собой величины.

где с, = <2-(е„ +С„) - расход русла, о - полный расход реки.

С. и О, - вычисленные расходы правого и левого пойменного массивов.тм- среднемноголетняя продолжительность стояния уровней.

Упрощение выражения было нами достигнуто за счет введения следующих допущений: - при высоком уровне происходят также и деформации свойственные более низким уровням. - могут иметь место и те варианты регулирования, при которых не произойдет большого изменения кривой расходов.что позволяет пользоваться едиными для всех сравниваемых вариантов кривыми общего расхода реки и гм .

Результаты выполненных нами расчетов применительно к регулированию русловых процессов на участке ограниченного меандриро-вания представлены на рис.4. • Из сравнения кривых к„(2) для естественных условий и варианта лесополос следует, что лесополосы, не увеличивая максимальных значений активности переформирований, обеспечивают смещение максимумов аллювиальной переработки. Основной формой переработки при этом диапазоне уровней является формирование прируслового вала. Ускорение роста прируслового вала за счет местных размывов русла приведет и к повышению максимальных русловых расходов.

Изменение водного режима р. Северский Донец и повышенные требования к состоянию тракта подачи воды на водоснабжение крупного региона ставят задачу эксплуатационного управления состоя-

нием реки. Для ее решения необходимо знать механизм функционирования природной саморегулирующей системы.

Для оценки роли режимов половодья в формировании прирусловой поймы разработана имитационная модель руслового процесса. Воспроизводилась одномерная расчетная гидравлическая схема речного потока на всей рассматриваемой части реки протяженностью 120 км. В схеме учтены интегральные характеристики рельефа по участкам с постоянным шагом 1 км. Многообразие форм рельефа, растительность в зоне затопления учтены обобщающими характеристиками. Принятый шаг осреднения позволил нам учесть конфигурацию меандр, профиль бровок русла, т.е. учесть русловой процесс в масштабе макроформ. Структурой потока в этом масштабе определяется формирование облика ландшафта, по которому дается морфологическая типизация руслового процесса. Поддержание ведущих функциональных связей руслозого процесса, определяющих характер и динамику переработки пойменного массива, является одной из важнейших сторон природоохранной гидротехники на пойме.

Разработанная, нами расчетная модель учитывала изменение мутности вдоль пртока, а также обмен наносами между руслом и поймой. Кроме того-было реализовано допущение о границах раскладки наносов в прибрежной зоне. Сокращение ширины зоны раскладки наносов условно воспроизводило кольматирующее влияние лесопосадок в прирусловой части поймы.

Принятая имитационная модель руслового процесса воспроизводит процессы обмена наносами между руслом и поймой в тех масштабах. которые определяют формирование основных размеров русла, динамику и структуру его врезания.

В четвертом разделе рассмотрены результаты исследований пропуска части расхода паводка по пойме в обход гидроузла.

Использование поймы в качестве естественного водосброса позволяет сократить сроки строительства гидроузла, уменьшить площади и период затопления поймы. Опыт эксплуатации построенных гидроузлов с пропуском части паводкового расхода по пойме свидетельствует о случаях размывов на пойме. Анализ ранее выполненных исследований показал, что недостаточно учитываются особенности руслового процесса при проектировании подобных гидроузлов.

с этой целью на жесткой модели с размываемыми фрагментами был исследован естественный пойменный водосброс. Размеры рабочей

части модели составляли 5,5x18 м, масштабы модели: горизонтальный Мх =1500, вертикальный Мй =200, скорость М„ =4: уклона М1 =0,02. Масштаб шероховатости был подобран тарировкой модели и составил М„ =1.2. Моделирование гидравлических явлений осуществлялось из условия соблюдения Гг=1с1ет. Русловой процесс на исследованном участке развивался по типу ограниченного меандрирова-ния. Несмотря на достаточно широкую пойму происходило постепенное сползание излучин вниз по течению.

Поверхность поймы была выполнена из бетона. Шероховатость залесенных участков поймы создавалась путем наклеивания на поверхность последнего крупного керамзитового гравия. На модели был тщательно воспроизведен рельеф поймы, переменные размеры русла, залесенные участки поймы.

Исследования размыва были выполнены путем сравнения подвижности размываемого материала - керамзитовой золы, насыпаемой тонким слоем на бетон. Таким образом были определены границы зон подвижности пойменных отложений. Для исследования форм размыва на трех участках модели вместо бетона укладывался размываемый материал - керамзитовая зола. Донные наносы перемещались в основном как влекомые без образования гряд, при этом хорошо прослеживались особенности раскладки наносов и формирования отмост-ки. Значения коэффициентов шероховатости для размываемого материала составили п=0,014... 0.016 и для бетона п=0.012.. .0.014 л оказались достаточно близки между собой. Это и позволило исследовать деформации поймы на фрагментах. В процессе проведения обсуждаемых исследований на модели воспроизводились условия пропуска расходов, соответствующих в натуре максимальным расходам половодья с обеспеченностью их превышения соответственно 0,01; 1,0; 40 и 75%. Опыты проводились при трех стеснениях русла 0,7; 0.5; 0,3; ( под стеснением понималось отношение площади водосливных пролетов плотины к площади поперечного сечения русла в бровках). В ходе проведения опытов измерялись скорости и уровни водной поверхности как на пойме, так и в русле, направления течений. В опытах с размывами Фиксировались площади деформации, направление перемещения наносов. При пропуске расходов меньших и близких к среднемноголетнему значению максимального паводкового расхода при стеснении русла происходит увеличение скоростей пойменного потока ниже створа стеснения, при этом становится более

неравномерным распределение скоростей, что приводит к сосредоточению участков размыва поймы.

Расходы редкой повторяемости (обеспеченностью 1%) проходили при полностью затопленной пойме. Между русловым и пойменным потоком происходил интенсивный массообмен, приводящий к снижению скоростей руслового потока. Снижение скоростей в меандрирующем русле наблюдалось при увеличении глубин затопления поймы независимо от общего расхода и от степени стеснения русла.

Пропуск катастрофического расхода (0,01%) осуществлялся при больших глубинах.При этом было установлено, что общий уровень подвижности наносов заметно увеличивается по сравнению с меньшими расходами. Зоны размыва оказались отнесены достаточно далеко от створа гидроузла. Анализ характера деформаций на пойме показывал, что по мере их накопления уменьшается сопротивление поймы размывам. Стеснение русла плотиной ускорило накопление деформаций и привело к обходу паводковыми расходами подпорных сооружений гидроузла. Для подавления тенденции к смене русла оказалось необходимым устроить продольные незатапливаемые дамбы, а также создать систему защитных лесополос. Защитные лесополосы как сквозные преграды создают подпор в местах опасных размывов, перераспределяют расходы в створе плотины, снижают продольные скорости у дамб '(рис.5). Местоположение продольных ограждающих дамб подбиралось исходя из рельефа поймы, плана течений таким образом, чтобы обтекание дамб было близким к безотрывному, без образования застойных и водоворотных зон.

Опыты были проведены для двух различных створов стеснения. Перемещение створа гидроузла в вершину смежной излучины изменило положение зон размыва, вследствие различного перераспределения расходов между руслом и поймой. Соответственно изменились и плановое положение, и длина защитных дамб. Помимо отмеченного проведенные исследования, отличавшиеся широким диапазоном изменения паводковых расходов и различными значениями относительных стес-нениий русла, позволили выявить уровенный режим в бьефах гидроузла. необходимый для дальнейшего определения требуемой пропускной способности пойменного водосброса (рис.6).

Основой для подобных прогностических расчетов может служить кривая расходов 0(г) для всей реки, отдельно для русла Ор(г) и сжатых сечений поймы (¡„(г) (рис.7). Расчетное положение уровня

воды в нижнем бъефе принимается по той же кривой общего расхода реки Q(z). что и для естественных условий. Расчетное положение уровня воды в верхнем бъефе - одно для русла и поймы. Оно определяется отметкой 2.при которой расстояние между верхней огибающей кривых пойменных расходов и кривой расходов основного бетонного водосброса, соответствующей известной высоте подтопления, оказывается равной расчетному расходу Qx. ■ Влияние уменьшения уровней воды в пойме ниже створа на пропускную способность поймы компенсируется увеличением общего гидравлического сопротивления;' вызванного ..перераспределением удельных расходов. Разница между кривыми, построенными для опытов с продольными дамбами и без них, объясняется.различием в стеснении потока. Расход вода, движущийся в зоне активного массообмена сопоставим с русловым. Пе- ■'■ рекрытие этой части потока продольными дамбами влияет на уровни в верхнем бъефе и на распределение расходов между сооружением и поймой.

Допустимая величина ограничения руслового расхода определяется местонахождением створа и компоновкой гидроузла, эффективностью системы защитных мероприятий.

Сравнение объемов деформаций поймы (полученныхрасчетом) в естественных условиях и при различных стеснениях русла показывает. что следует ожидать существенную местную' активизацию переработки поймы ниже створа стеснения и в, особенности, тех элементов рельефа поймы, которые формируются в паводок среднейтвысоты. При разработке защитных мероприятий и оценке деформаций поймы один из основных расчетных случаев-должен соответствовать пропуску расходов среднего половодья. : - /

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе представлены обобщенные результаты экспериментальных и натурных исследований, выполненных автором с целью разработки научнообоснованных инженерных мероприятий по регулированию аллювиальных процессов для условий меандрируюших рек. рассматривающих русловой процесс как объект управления.

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, кратко могут быть сформулированы следующим образом:

1. Экспериментальные модельные исследования руслового про-;

цесса типа - ограниченное меандрирование, осуществленные на различных размываемых моделях, позволили подобрать на них такие условия. которые точно воспроизводили нужный тип руслового процесса. а также возникающие при этом характерные формы деформаций дна речной долины.

Установлено, что система лесополос на пойме является эффективным средством управления русловым процессом, позволяющим обеспечить требуемую равномерность распределения скоростей на пойме, способствующего равномерной раскладке наносов по площади последней.

2. Обнаружено, что подобие совокупности морфологических признаков, свойственных ограниченному кеандркрованиа, не обеспечивает однозначной кинематической адекватности потоков и интенсивности руслового процесса. Показано, что более полный учет со- ~ держания руслового процесса может быть осуществлен путем выделения подтипов ограниченного меандрированйя.

3. В рамках проведенного исследования осуществлена оценка : роли и веса факторов, ограничивающих развитие рассматриваемого типа руслового процесса. Показано как и в каких случаях действие этих факторов может быть изменено в требуемом направлении.

4. Осуществленные исследования позволили оценить степень целесообразности использования системы лесополос в качестве эффективного средства воздействия на поток. Установлено, что устойчивое упорядоченное их воздействие на последний достигается в тех случаях, когда сеть лесополос представляет полный комплекс -с ее помощью закрепляются характерные формы рельефа поймы и береговые посадки, в сеть входят: завесы, перегораживающие пойму и корректирующие план течений, - струенаправляющие полосы, воздействующие на кинематику потока.

Вместе с тем показано, что предложенные лесополосы оказывают на поток сильное, но вместе с тем пластичное воздействие.

5. В работе разработана методика гидравлического расчетного обоснования специфики движения пойменного потока в случае регулирования последнего с помощью системы лесополос, предложены графики, позволяющие осуществлять подобные расчеты.

6. Показано, что для сохранения ландшафтов регулируемых участков рек и предотвращение возникновения отрицательных последствий предлагаемые выправительные сооружения (лесополосы)

должны обеспечивать стационарность (динамическое равновесие) течения в рамках сложившегося типа руслового процесса, исключать подавление активных проявлений последнего.

7. Учитывая индивидуальные особенности конкретных участков рек одного морфологического типа, цели и состав русловыправи-тельных мероприятий, необходимо корректировать последние с учетом местной активности руслового процесса. Разработку схем регулирования целесообразно проводить для морфологически однородного участка или отдельных макроформ.

8. Выполненный анализ руслового процесса и экспериментальная проверка на модели позволили наметить ряд русловыправитель-ных мероприятий при использовании русел рек для пропуска повышенных меженных расходов и использовании поймы в качестве естественного водосброса.

9. Предложен новый метод оценки пропускной способности всех водопропускных сооружений гидроузла, имеющего резервные, пойменные водосбросы. В рамках этого метода кривая пропускной способности гидроузла строится с учетом снижения руслового расхода при взаимодействии пойменного потока с потоком в криволинейном русле.

10. Показано, что переформирования поверхности поймы в случае пропуска части паводковых расходов в обход гидроузла по резервному пойменному водосбросу будут протекать с местной активизацией переработки поймы ниже створа стеснения потока и,в частности, тех элементов рельефа поймы, которые формируются в период прохождения паводка средней высоты. В этой связи рекомендовано при разработке проекта защитных мероприятий осуществлять расчеты пропуска расходов средних половодий.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ •

1. Вопросы гидравлического расчета лесопосадок на пойме. //Гидравлика, использование водной энергии. М.:МГМИ, 1975, т.42, - С. 39-44 (соавт. ¡0. М. Натальчук).

2. Выявление характерных мгновенных режимов неустановившегося движения на пойме.//Гидротехнические сооружения, строительная механика. М. :МГМИ, . 1975, т.43, с.99-105. (соавт. С.Н.Корю-кин, Ю. М. Натальчук).

3. Регулирование русловых процессов на пойме при ограниченном меандрировании .//Гидравлика, использование водной энергии. М. : МГМИ. 1977. т. 52.-с. 9-13. (соавт. С.Н.Корюкин. Ю. М. Наталь-чук).

4. Problems of Designing the Hydraulic Regime In Natural Flood Plains Used as Spillways for By-Passing High Water Discharges Around the Hydraulic Projets. International Commission on Large Dams. XIII Congress, Mew Delhi India, 1979, pp.75-120. (соавт. Д.В.Штеренлихт, С.Н.Корюкин. И.С.Румянцев и др; ).

5. Исследование пропуска половодья по пойме в обход русловой плотины. //Гидротехнические сооружения и фундаменты, инженерные конструкции. М. : МГМИ, 1981. т. 69. - с. .53-59 (соавт. И. С. Румянцев. Т. А. Васильева, Ю. М. Натальчук).

6. Уче^ рельефа поймы в гидравлических расчетах. //Гидравлика пойм, мелиоративных каналов и сооружений. М. :МГМИ, 1986. -с.20...28. (соавт.С.Н.Корюкин, Ю. М. Натальчук. А.З.Брунин).

7. Исследования пойменных процессов. Тезисы докладов V Всесоюзного гидрологического съезда. Секция русловых процессов и наносов. Л. :Гидрометеоиздат. 1986. -с. 126-... 128 (соавт.С.Н.Корюкин. Ю.М.Натальчук, А.З.Брунин).

. 8. Искусственный аналог ограниченного меандрирования. //Натурные и лабораторные исследования гидротехнических сооружений. М. :МГМИ. 1987. с. 116. ..120.

9. Исследования пойменных процессов. Труды Всесоюзного гидрологического съезда. Том 10. Книга 2. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. с. 181-188. (соавт. С.Н.Корюкин, Ю.М.Натальчук. А.З.Брунин).

10.Регулирование руслового процесса при изменившейся водности. //Гидравлика русл и пойм, мелиоративных каналов, напорных трубопроводов и сооружений. М. :МГМИ. 1988. с. 62. ..70. (соавт. С. Н. Корюкин, Ю. М. Натальчук. А. 3. Брунин).

11.Принципы регулирования пойменного процесса. Тезисы докладов третьей всесоюзной конференции "Динамика и термика рек. водохранилищ и окраинных морей. Том 1. М.: 1989. с.246...248 (соавт. С.Н.Корюкин, А.З.Брунин, Ю.М.Натальчук).

12. Регулирование пойменного процесса при мелиоративном использовании малых рек. //Современное состояние малых рек СССР, пути их использования и сохранения. Доклады секции русловых про-

цессов и секции водных ресурсов и водного баланса Научного совета "Комплексное, использование и охрана водных ресурсов ГКНТ. Вып.2. Л.:Гидрометеоиздат. 1990. с. 196-203. (соавт. С.Н.Корюкин. А. 3.Ерункн).

13. Ландщафтное регулирование аллювиального процесса при мелиоративном освоении пойм. Материалы совещания "Экология и гидравлика будущего" Часть 1. М. 1990. с.45-53. (соавт. С.Н.Корюкин. А. З.Брунин, Ю. М.Натальчук).

14.Концепция ландшафтного регулирования динамики аллювиального процесса на пойме. Тезисы докладов научно-технической конференции МГМИ. М. 1991. с.58. (соавт. С.Н.Корюкин, А.З.Брунин).

15. Регулирование русловых процессов малых рек. Тезисы докладов нкучно-технической конференции МГМИ. М. 1991. с.59.

16.-Исследование выноса русловых отложений в пойму на одномерной численной модели. Труды ВНИИГиМ. Т.82, вып. Гидравлика, методы расчета и средства автоматизации в гидротехническом строительстве. М. ,1991, с.74-80. (соавт. Т.П.Кевлишвили. Ю.М.Наталь-чук).

17.Особенности проектирования и строительства гидротехнических сооружений в условиях жаркого климата. -М.:Колос, 1993. с.242-268 под ред. Н.П.Розанова (соавт. Н.П.Розанов. И.С.Румянцев. С. Н. Корюкин и др.).

----1--2 -—3 — 4

Рес. I. Планы погсдаостак теченпД пря 0=П,7 л/с в уклоне формогкя I = 0.0015: а - модель без соорунениа, б - сквозная преграда на пркруслогоы еялу, в - сквозные преграда на поПнс.

I - берега русла; 2 - транша прзруслового ьала; 3 -лесополоса; 4 - лгашв токов, ограничившие расхода, кратнне 0,14 .

^Х \ 2 -3 -О i Ai 5 & 6 ==* 7

Pao. 2. Плави яойыенннх тсзевгй ва нераздаваемой'модели ирг трех схемах воспроизведення ограниченного неандарованкя: А - модель с прятоли-тейиш склонами речной долптш; Б - то пе н с струенап-равлящамн лесополосами; В - коделв долины с вшсаннши »щапдрамя.

X - граница затопления; 2 - единые для серки опытов пробел* поперечного сеченая потока; 3 - траектория поверхностных поплавков; 4 - застойная зона; 5 - зона' скопления и грядового перемещения наносов; 6 - зона осаждения наносов; 7 - струенаправлямцие сквозные преграда, имитирующие защяткне-лесополосы.

Fee. 3. Руслбше деформации реки при увеличении водностк. а - ирг естественном ренине, <5 - то же при установке шероховатости, в - график взменення площади деформаций поперечных сечений по душе подели:

I - направление даихегая наносов, 2 - скопление отложений и трейекь гряда, 3 - отлохения наносов, 4 - раемыв, 5 - по&-ишхоревного берета, 6 - шероховатость.

<;сугДОД ffl

Рис. 4. Оценка регушпйоявото аффекта ври различных вариантах ограничения пойменного расхода на участке р .Ce^spcKzSL Донец.

I...3 - крине расхода; 1,2,6 - в естественна yc-ioisix, s т.ч. I - общий расход рекц, 2 - для pyeta, 6 - для поймы,; 3,7 - при создании лесополос; 4,8 при частичном обваловании пойма; 5 - при комбинированном варианте; 9 - кривая обеспеченности уровней вода Х(г) ; V -5 - характеристика активности русловой переработки для соответствугщих вариантов регулирования.

аОг*/ 4 ЛИГ 5 <3 6

Рис, 5, Пропуск паводка по пойме в обход гадроузла. а - траектории поверхностных скоростей я зоны размыва 9 =12,2 л/с; б - рекомендуемое размещение продольных дамб и лесополос:

I - траектории поверхностных скоростей, 2 - зовы размыва, 3 - русловая плотина, 4 - продольные даы-£н, 5 - защитные лесополоса, 6 - существупцке ив-

. Рг.с. 6. Се язь уровней в вегонеы к нижнем бъеЛах о пойменной часть» расхода при различных стеснениях русла плотиной:

1,2,3 - уровни воды в верхнем бьефе, 4,5 - уровни вода е ншшеи йъейе. Условия опытов-,I - естественный ренви; 3,4 - установлена русловая плотина, дамб нет; 2,ь - установлена русловая шютдна к продольные дамбы; 0,7; о,о, 0,3 - степень стесненая русла плотиной.

Рис. 7. Схеыа к расчету пропускной способности гидроузла с поЬленнш водосбросом:

I - хркв&я расходов pera в еиеотвеннои состояние; 2,3 -адвдая таеходов для отдельных сватих свчевзй пойш; 4(4 , 4 ) - семейство кривых одопускной способности русловой бетонной плотины при различных значениях перепада а*\ 5 - кргаая пропусхиоЯ способности бегошгоП нлотяш с учетом подтопления; 6 - сушапкая кппвая ппопусишй способности ДЛЯ условий ВБ гидроузла; Qi - оцсчсякЗ расход гсгосЗп.-.сге i-::;inoî'зла.