автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Ветровые течения в береговой зоне водохранилищ и защита от заиления входных участков бухт

РГБ ОД 2 7 ОН! 1998

На правах рукописи

ФЕДОСЕЕВА Нина Степановна

ВЕТРОВЫЕ ТЕЧЕНИЯ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ И ЗАЩИТА ОТ ЗАИЛЕНИЯ ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ БУХТ

(на примере бухты Крутая Цимлянского водохранилища)

Специальность: 0*. 23. 16. - «Гидравлика и инженерная гидрология»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена на кафедре гидравлики и инженерной гидролог Новочеркасской государственной мелиоративной академии

Научные руководители: - Заслуженный мелиоратор Российской Федерации

кандидат технических наук, профессор | Овчаренко И.Х.

- Заслуженный мелиоратор Российской Федерации, кандидат технических наук, профессор Степанов П.М.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

-Иваненко Ю.Г.

! ..... . •

■" • - старшин научный сотрудник, кандидат техшг

ских наук Дандара Н.Т.

Ведущая организация: - Южный специализированный научный центр по П] ектированию объектов мелиорации и сельскохоз! ственного водоснабжения (Южводпроект г. Рост« на-Дону)

Защита состоится "20" ноября 1998 г. в Ю00 час. на заседании диссер ционного совета К 120.76.02 в Новочеркасском государственной мелиорат] ной академии по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ; Пушкинская, 111 (а.236).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГМА.

Автореферат разослан "20" октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертациоиного совета,

кандидат технических наук,

доцент

Храпковский В..

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании, строительстве и экс-тлуатации в береговой зоне водохранилищ водозаборов, портов, волногася-щих, берегозащитных и других сооружений, а также для оценки перемещения наносов, водорослей и загрязняющих веществ необходимо знать количественные хара> теристики ветровых течений.

Вдольбереговь,е течения со скоростями, достигающими 1,5 м/с и бо-1ее, вызванные ветром и энергией разрушающихся волн, размывают берега, перемещают к портам, заливам, бухтам и береговым сооружениям громадное количество наносов. В результате водозаборы и входные (устьевые) участки эухт заиляются.

Бухты и заливы используются для размещения рыбоперерабатывающих предприятий, отстоя рыболовецкого флота, как убежища маломерных судов и плотов в штормовую погоду, размещения насосных станций и других целей.

Наносы, переносимые вдольбереговыми течениями, осаждаются во входных участках бухт, вследствие этого образуются косы, которые,постепенно нарастая,смыкаются. Возникающая пересыпь отделяет бухту от акватории водохранилища. Бухта зарастает, заболачивается и теряет свое хозяйственное значение.

Расчистка входных участков бухт связана с трудоемкой работой, тре-эующей больших материальных затрат.

Экспедициок ые обследования берегов и бухт Цимлянского и Росто-зановского водохранилищ в 1982-95 гг. (с участием автора) показали, что зходные участки бухт после систематических расчисток продолжают заи-ляться. Например, периодически, через 3-4 года заиляются входные участки Зухт Крутая и Суворовская Цимлянского водохранилища.

По данным Управления водных ресурсов Цимлянского водохранилища последние расчистки в б. Крутая проводил^.:;. а и '„'£> п.

В связи с этим исследования ветровых течений и разработка мероприятий по защите входных участков бухт равнинных водохранилищ от наносов, водорослей и волн имеет актуальное народнохозяйственное значение.

Цели и задачи исследований.

Целью исследований является изучение структуры ветровых течений в зоне прибрежного мелководья и на береговых отмелях и разработка мероприятий по защите входных участков бухт от заиления.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

- определены основные природные факторы,влияющие на ветровые течения и получены их натурные характеристики;

- исследованы ветровые течения в зоне прибрежного мелководья и на береговой отмели на конкретном примере (бухта Крутая Цимлянского водохранилища);

- разработаны формулы и методика расчета вдольбереговых течений;

- по расчетным формулам составлены алгоритмы, на основании которых разработаны программы для расчетов на персональных ЭВМ;

- предложены конструкции защитных мероприятий и дано их экономическое обоснование.

Новизна выполненной работы состоит в том, что впервые предлагается классификация бухт равнинных водохранилищ по морфометри-ческим признакам. На основании анализа материалов натурных и теоретических исследований разработана методика расчета средних скоростей ветро-волновых течений, основанная на применении в расчетных формулах среднего периода волн берегового прибоя.

Впервые применена аэрогидравлическая установка для исследование структуры ветровых течений при различных уровнях заиления входа бухты, I случае действия ветров направленных нормально к входному створу.

Впервые предлагается осуществлять защиту входных участков бухт о] заиления при помощи сооружений, работающих по принципу природны>

аналогий.

При выборе бухты для размещения в ней объектов хозяйственного использования, рекомендуется отдавать предпочтение бухтам закрытого типа, имеющим естественные мысы перед входом в бухту.

Практическая значимость и внедрение. Разработанная методика расчета скоростей ветровых и вдольбереговых течений упрощает определение параметров волнения в натурных условиях и проведение изыскательских работ при проектировании сооружений IV класса капитальности в береговой зоне водохранилищ.

Для определения направления течений разработан прибор "Указатель течений в водохранилищам", при помощи которого определяется азимут вектора скорости на различных глубинах скоростной вертикали. Прибор внедрен на Ростованоьско\- водохранилище. Ежегодный экономический эффект от внедрения составил 930 тыс. рублей в ценах 1996 г. Прибор применялся на Цимлянском и Ростовановском водохранилищах и рекомендуется для научных и изыскательских исследований, проводимых в береговой зоне водохранилищ.

Строительство предлагаемых защитных сооружений позволит уменьшить заиление входных участков С>я. ■.•р'л.гл:"», -^Г' рсД входом в бухту, сократить расходы на проведение землечерпальных работ в бухтах (конструкция гибкого сооружения для защиты бухтового берега внедрена в приплотинной зоне Ростовановского водохранилища Курской оросительно-обводнительной системы Ставропольского края). Ежегодный экономический эффект от внедрения составил 25392,39 тыс. рублей в ценах 1996 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Высших международных гидрологических курсах при Московском государственном университете МГУ) им. Ломоносова (г. Москва, 1984 г.), научно-практическст конференции "Повышение эффективности использования вод-

ных ресурсов в сельском хозяйстве (г. Новочеркасск, 1989 г.), на научно-практической конференции "Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа" (г. Новочеркасск, 1990 г.), на научно-практической конференции "Проблемы мелиорации и экономики юга России" (г. Новочеркасск, 1993 г.), на Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (г. Новочеркасск, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов и предложений, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 170 страниц, в том числе 31 рисунок, 35 таблиц, 17 приложений. Библиографический список из 125 наименований, из них 6 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе обзора научной литературы по гидрометеорологическим и гидродинамическим процессам в береговой зоне водохранилищ рассмотрены вопросы взаимодействия ветра, ветровых волн и вызванных ими ветровых течений с берегами водохранилищ. Волны разрушают берега, а вдольбереговые течения переносят продукты размыва к входным участкам бухт, где и происходит отложение наносов и заиление входов в бухты.

Освещению многофакторных ветро-волновых явлений в береговой зоне, динамике берегового процесса, разработке берегозащитных и природоохранных мероприятий посвящены работы: А.П. Браславского, C.JI. Вендро-ва, H.A. Давтян, В.П. Зенковича, А.Ю. Зарбаилова, Н.Е. Кондратьева, A.B. Караушева, Е.Г. Кочугина, П.П. Кокоулина, С.А. Лопухина, В.М. Маккавеева, В.Б. Максимчука, R.A. Пышкина, A.C. Судольского, Е.М. Селюк, И.Т. Селе-

зова, Ю.Н. Сокольникова, Д.П. Финарова, В.В. Хомицкого.

Изучение ветровых течений на береговых отмелях водохранилищ начато недавно. Большой вклад в изучение ветровых течений в зоне прибрежного мелководья и энергетических течений на береговых отмелях водохранилищ и озер внесли сотрудники Государственного гидрологического института (ГТИ) под руководством A.C. Судольского. Ими были выполнены основательные наблюдения за метеорологическими факторами, ветровым волнением, ветро-волновым течением, уровенным режимом и др. характеристиками на Кайраккумском, Каховсьом водохранилищах и на озере Большом Сима-тинском и др.

Изучение вет овых течений в береговой зоне Цимлянского водохранилища проводились (с участием автора) сотрудниками Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА) под руководством Л.Ф. Ольгаренко.

Вопросам занесения входных участков бухт водохранилищ посвящено сравнительно небольшое количество работ. Значительный вклад в исследования, связанные с этими вопросами, внесли: ..'• Б. IQpijii..-с,.O.K. Ланге, С.А. Лопухин, Н.И. Маккавеев, В.Г. Рыбка, А.Я. Шварцман, В.В. Шулейкин.

Обзор научной литературы по теме диссертации позволил определить дальнейшие направления исследований.

Во второй главе рассматриваются природные условия и объекты исследований. Объектами исследований являются береговая зона и бухты Цимлякгжого водохранилища.

В результате экспедиционных обследований бухт автором предлагается классификация сухт равнинных водохранилищ по морфометрическим признакам:

- по соотношению ширины входа к длине бухты по медиане;

- по конфигурации оухты и условиям сопряжения подводных берегов бухты с акваторией водохранилища.

Для конкретного примера, как объект исследований, была выбрана наиболее характерная бухта Крутая Цимлянского водохранилища.

Бухта расположена у хутора Крутого на правом 6epeiy водохранилища, в 4 км от г. Цимлянска. Акватория бухты закрыта высокими и крутыми берегами. Площадь водной поверхности при НПУ (36,0 м БС) - 240 тыс. м , при УМО (30,8 м БС) - 190 тыс. м . Азимут входного створа 65° (рисунок 1). Входной створ ориентирован на юго-восток. Азимут нормали к входному створу 155°. Ширина входного створа при НПУ В=280 м. Площадь водосбора бухты F=18,3 км2. Рельеф водосборной площади расчленен овражно-балочной сетью.

Третья глава посвящена натурным наблюдениям. В ней излагается методика выбора участка берега водохранилища, прилегающего к бухте для проведения исследований. Приводятся данные натурных измерений и их обработка методами математической статистики на ЭВМ.

По данным многолетних наблюдений Цимлянской гидрометеорологической обсерватории (ЦГМО) наибольшую повторяемость в приплотинной зоне водохранилища имеют ветры СВ ( 23,0 %) и В (18 %) направлений. Следовательно, неблагоприятным с точки зрения ветровой деятельности является СВ берег при входе в бухту Крутая.

На выбранном берегу был разбит базис длиною 1100 м. Перпендикулярно к нему в сторону водохранилища проложены 10 створов (рисунок 1). Производилась высотная и плановая съемка опорной сети с привязкой к реперу у х. Крутого.

Изучение пород слагающих берега позволило установить, что грунты береговой полосы, прилегающей к входу в бухту состоят из делювиальных суглинков, содержащих 63 % песчаных и 20 % пылеватых частиц. До глубины 1 м косы во входном створе бухты слагаются легкими и тяжелыми супесями с содержанием фракций среднего песка (d=0,25-0,5 мм)от 54 % до 82 %.

Для наблюдений за уровнями воды были устроены временные свайные водомерные посты (на берегу водохранилища и в бухте) с отметкой нуля поста 28,0 м.

Для 12-ти летнего периода наблюдений (1970-81 гг., данные ЦГМО) за сезонными уровнями воды в конце весеннего половодья (2^) и в конце осени (Тщш) перед ледоставом автором получена коррелятивная зависимость, отражающая сезонное регулирование стока. Зависимость позволяет по уровню максимального весеннего половодья определять ожидаемый минимальный уровень воды в конце летне-осенней сработки водохранилища и устанавливать ожидаемую минимальную глубину во входном створе бухты.

2тах=\,\Ъ2тЫ-1,62, (1)

при /?=0,8±0,103, - коэффициент корреляции.

Наблюдения за высотой и средним периодом волн на глубокой воде проводились с помощью волномерных вех, которые устанавливались в 80 м и 110 м от уреза воды в 10 створе (рисунок 1).

В результате синхронных измерений средних периодов волн на глубокой воде (гг,) и по береговому прибою (т„р) для участка, прилегающего к

бухте Крутая, получены ряды наблюдений за периодами при различных скоростях ветров господствующих направлений (таблица 1).

Таблица 1 - Измеренные периоды волн на глубокой воде и по береговому прибою

Скорость

ветра 2,5 3,0 3,5 4,0 4,3 4,5 4,6 5,0 6,0 6,2 6,3 6,5 6,7 7,0 9,0 10,0

И'ю, м/с

тпр >с 1,14 1,17 1,43 1,58 1,60 1,74 1,82 1,92 2,04 2,24 2,38 2,40 2,52 2,64 2,85 3,23

(X)

тгл >с 1,46 1,48 1,66 1,72 1,76 1,86 1,89 1,90 1,96 2,16 2,29 2,31 2,42 2,51 2,68 3,00

(У)

По данным таблицы 1 автором получено уравнение регрессии вида:

?гл =0,73г„„+0,58, (2)

при R=0,99±0,003 - коэффициент корреляции.

Для условий глубокой воды в ЦГМО были разработаны эмпирические зависимости для определения средних элементов ветровых волн:

¿гл =0,0787^73, (3)

Ягл =3,1г^24, (4)

где /»¿л и Лгд - средние высота и длина волнь. да п*уЬокий воде, м; тгл - средний период волны на глубокой воде, с.

Переход от средних высот к высотам волн любой обеспеченности в данной системе волнения осуществляется с помощью модульного коэффициента (К), при = К\у0 ■ (^1% =2,16), формулы (3) и (4) с учетом формулы (2) автором предлагается представить в виде:

>4% =^(0,73Глр + 0,58)1-73, (5)

=Кх(0,Шпр -f-0,58)1'24, (6)

где - высота волны 1% обеспеченности в системе, м;

Лгя - средняя д. ина волны, м;

K/j =0,17 и Кд =0,31 - коэффициенты размерности.

В четвертой главе изложены результаты натурных наблюдений и расчеты скоростей ветро-волновых течений в береговой зоне водохранилища у бухты Крутая.

По интенсивности развития течений береговая зона подразделяется на прибрежное мелководье и береговую отмель. Прибоежное мелководье находится между изобатами с глубинами 0,51 и l,5/jjo/0. Береговая отмель расположена между изобатой l,5/iio/0 и урезом воды.

Натурные наблюдения за течениями в зоне прибрежного мелководья показали, что поверхностные скорости увеличиваются от берега к внешней границе зоны. Средние на вертикали скорости в этом же направлении уменьшаются незначительно. На рисунке 2 показано распределение скоростей по ширине зоны прибрежного мелководья при ветрах восточных румбов.

-У 0,12 s

SS

ö о

f 0,08 U

0,04

0

О 20 40 60 80 100 120 140

Ширина отмели В, м

Рисунок 2 - Распределение скоростей ветровых :течений в зоне прибрежного мелководья у восточного берега бухты Крутая

Далее в главе приводятся формулы и методы расчета средних скоростей ветровых и вдольбереговых (энергетических) течений, разработанные в ГГИ.

Величины скоростей, измеренные в натурных условиях, при скоростях ветра до 5 м/с дают хорошую сходимость (расхождение до 10 %) с расчетными значениями скоростей, полученными по формуле A.C. Судольского (ГГИ):

Уср = кн ' \Цо ' *гл 1 Н, (7)

где Vcp средняя на вертикали скорость ветрового течения, м/с; кн = 2,5 • 10 - коэффициент размерности;

W(o - скорость ветра на высоте 10 метров от поверхности воды, м/с; Лгл- средняя длина волны, м; Н- глубина воды на вертикали, м.

Расчеты средних скоростей вдольбереговых (энергетических) течений

Лс >в

/

\

\ агв ' ч

можно производить по формуле (8) A.C. Судольского, H.A. Ярославцева (11 И), расчеты.выполненные по формуле .vopoi^y;^ сходимость

с измеренными скоростями на береговой отмели у бухты Крутая.

Уср = Кд ■ h% -/(«)ехр[-(0,014Я - 0,5Яф)], (8)

где Vcp - средняя скорость вдольберегового течения, м/с; £„¿=1,0 - коэффициент размерности;

к;% - высота волны 1 % обеспеченности (в системе), измеренная на

подходе к береговой отмели, м; Нср- средняя глубина на береговой отмели, м;

/(а) - параметр, зависящий от угла а между лучом волны и нормалью к

лилии б рега; В - общая ширина отмели, м. Закономерность распределения срсдней скорости вдольберегового (энергетического) потока по ширине береговой отмели установлена натурными наблюдениями (таблица 2).

Таблица 2 - Распределение средней скорости вдольберегового потока по ширине береговой отмели

Относительные расстояния в/В Урез воды 0,20 0,35 0,50 0,75 1,00

Отношение V ' ср 0 1,0 1,5 1,4 0,7 0,4

Данные таблицы 2 позволяют устанавливать средние на вертикали скорости в данном месте береговой отмели по средней скорости берегового потока.

В пятой главе излагается предлагаемая автором методика расчета скоростей ветровых течений в береговой зоне водохранилищ по среднему периоду вили бере! :вого прибоя.

Основным положением методики является установление корреляционной связи между средним периодом волн на глубокой воде (тгл) и средним периодом волн берегового прибоя (тпр).

Аналитически такая связь выражается в виде уравнения регрессии:

Тгл=а-Тпр + Ь, (9)

где апЬ- параметры,зависящие от характера береговой отмели.

для береговой отмели у бухты Крутая уравнение (9) представлено в виде формулы (2).

Высоту волны 1 % обеспеченности и среднюю длину волны (Л/% и Аэд) предлагается определять по формулам:

Л1 % =Мо-г»<р+Ь)1,73. (Ю)

=кл(а-т„р+Ь)1'24, (11)

где ку, и кх - коэффициенты размерности.

Определение средней скорости на вертикали (Уср) в зоне прибрежного мелководья можно производить по величине (?пр), подставив в формулу (7)

(Ягл) из зависимости (11):

,/ , (агпр+ь)1'24

УсР =*■][»■ 10 У н'-, (12)

где к = 4,4 • 10 - коэффициент размерности; \vjo- скорость ветра на высоте 10 м, м/с; Я - глубина воды на вертикали, м.

Для объекта исследований (береговая отмель у бухты Крутая) формулу (12) можно представить в виде:

А (0,Шпр+0,58)1'2* Н

^ср = - Ю ' у 0----■ (13)

Определение средней скорости вдольберегового (энергетического) течения (Vcp) производится по выбранной расчетной формуле (9), которую можно представить в преобразованном виде:

vcp = к(а-7пр +б)1,73 • /(«)ехр[-(0,0145-0,5/icp)], (14)

где ¿=0,17 - коэффициент размерности;

f(a)- параметр, зависящий от угла а между лучом волн и нормалью к

береговой линии; В - общая ширина береговой отмели, м; Нср- средняя глубина на береговой отмели, м.

Для нашего объекта исследований формула (14) имеет вид:

Vcp =0,п(0,;3-¥„р -ь0,58)1,73 •/(а)ехр[-(0,014Д-0,5Яср)]. (15)

По формуле (15) на языке программирования PASCAL составлена и отлажена npoi раммд, предназначенная для расчета средней скорости вдоль-береговых течений по среднему периоду волн берегового прибоя для различных скоростей и направлений ветра. Алгоритм программы позволяет определять расход воды в пределах площади береговой отмели по формуле Q = Vcp-co, м3/с ( а-площадь живого сечения вдольберегового потока, м2 ).

Расход взвешенных наносов оценивается по полученному расходу воды и средней мутности потока в зоне береговой отмели.

В шестой главе излагаются результаты лабораторных исследований и приводятся опытные данные, полученные на плоской неразмываемой модели продольного профиля бухты, выполненной в аэрогидравлической установке.

Моделировался случай действия ветров, направленных нормально к входному створу бухты. При таких ветрах создается поверхностный поток, втекающий в бухту, и донный (компенсационный) поток, вытекающий из нее.

Аэрогидравлическая установка состояла из гидравлического лотка со стеклянными стенками и вентилятора (Ц4-70 № 4, п=1500 об/мин), сверху лоток закрывался оргстеклом с резиновым уплотнением. Ветровые волны и течения создавались воздушным потоком от вентилятора, работающего на всасывание.

В опытах измерялись: скорость ветра (анемометрами типа А-№ 3152), уровни воды (уровнемерами); высота и длина волны (по размеченной координатной сетке, нанесенной на стенку лотка), скорости поверхностных и компенсационных потоков (частицами с нейтральной плавучестью, из резиновой крошки). Направление течений и границы раздела потоков (глубина водораздельной точки) определялись нитяными флюгерами и подкраской жидкости.

Моделирование ветровых процессов осуществлялось по преобладающей действующей силе тяжести (числу Фруда) с проверкой турбулентности скоростного режима на модели по числу Рейнольдса.

Размеры гидравлического лотка (длина 800 см, высота 60 см, ширина 25 см) позволяли выполнять моделирование с искажением линейных масштабов в соотношении а/ / ан = 2. Были приняты следующие масштабы: о/ —100 - горизонтальный; а„=50 - вертикальный и ад = 1 поперечный; скоростей ау = а®'5= 7,07; удельных расходов а^ =аш-ау= а},'5 - 354.

На модели проведено четыре серии опытов, в которых моделировался профиль бухты по оси наибольших глубин при различных уровнях заиления ее входного участка.

Опытами установлены закономерности изменения величин поверхностных и донных (компенсационных) потоков в зависимости от изменения скорости ветра.

При ветрах 4,0-4,7 м/с скорость поверхностного потока значительно превышает скорость компенсационного. Глубина водораздельной точки устанавливается от поверхности воды на 1/4 глубины вертикали. С увеличени-

ем скорости ветра в два раза, скорости поверхностных потоков увеличиваются приблизительно та^же в два раза, при этом характер соотношения поверхностных и донных скоростей устанавливается в соотношении 2:1, а глубина водораздельной точки опускается от поверхности воды на 1/3 глубины вертикали.

Для опытов 3 и 4 серий рассчитывались размывающие скорости по формуле В.Н. Гончарова для условий донного потока ч среднего песка d=0,25 - 0,50 мм.

Сравнение скоростей донного потока с размывающими показало, что при ветрах до 12 м/с, размыв пересыпи не происходит.

В седьмой главе излагаются результаты полевых исследований отступления бровки берегового обрыва, приводятся расчеты по переформированию берегов перед входом в бухту Крутая , заилению бухты и ее входного участка по данным грунтовых съемок.

Данные наблюдений ЦГМО за первые три года (1953-55 гг.) эксплуатации водохранилища показывают, что бровка берега отступила на 16 м (5,3 м/год) на участке г. Цимлянск - х. Крутой. При этом образовалась береговая отмель :чиринс:о в среднем 22 м.

За двадцатилетний период существования водохранилища (1953-73 гг.) отступление берега на этом участке составило в среднем 46 м (2,3 м/год). Средняя ширина отмели достигла 60 м. По данным наших наблюдений (198285 гг.) отступение бровки составило в среднем 0,5 м/год. На рисунке 3 показан график среднегодового отступления бровки берега за период (1953-85 гг.).

Уменьшение среднего годового отступления бровки берега объясняется увеличением ширины и уменьшением уклона формирующейся береговой отмели.

Средний годовой объем заиления входного участка бухты от наносов, поступивших из водохранилища, определялся из балансового уравнения:

Годы

Рисунок 3 - Среднее годовое отступление бровки берега за период 1953-85 гг.

где - Щаи.1 - средний годовой объем наносов, отложившийся в бухт« (определяется по данным грунтовых съемок), м3;

Щ? - то же, поступивших с водосбора бухты, м3;

Щер - то же, от разрушения берегов бухты, м3;

_ - 3

)Увх . то же, занесенный из водохранилища, м .

В таблице 3 приведены данные расчетов по заилению и расчистка!* входного участка бухты Крутая. Анализ таблицы показывает, что заилени( входа в бухту происходит в основном наносами, поступающими из водохра нилища.

В восьмой главе приводятся факторы, вызывающие образована кос, пересыпей и заиление входных участков бухт. Даются рекомендации п< выбору наименее заиляемой бухты для размещения в ней объектов хозяйст венного использования. Предлагаются два варианта сооружений, работаю щих по принципу природной аналогии.

Таблица 3 - Данные по заилению и расчисткам входного участка бухты Крутая

Даты Отметки, м Объем за- Средние годовые объемы заиления входного участка, 103 м3/год

(периоды) верха дна Слой иления за с от размыва из аквато-

заиления, расчисток (пересыпи) (прорези) заиления, м период, 103*.3 водосбора бухты берегов бухты рии водохранилища суммарные

1952- 1962 гг. 30,5 22,0 8,5 54,0 0,1 0,9 4,4 5,4

10 лет

07.62 - 12.63 гг. 30,8 30,5 0,3 7,4 0,1 0,9 4,2 5,2

1 год 5 мес.

12.63 г. по 06.77 г. Бухта расчищалась через 3-4 года

Расчистка в августе 1978 г 3 3 По данным управления рыбозавода объем расчистки: 11,2-10 м

1978г. - 07.82 г. 33,8 30,2 3,6 17,1 0,1 0,1 4,2 4,4

3 года 11 мес.

07.82 г. - 07.83 г. 3',2 30,2 1,0 3,0 0,1 0,1 2,8 з.о

1 год

Расчистка в июле 1982 г. 3 3 По расчетным данным объем расчистки составил: 17,4-: 0 м

07.83 г. - 05.84 г. 32.0 31,2 0,8 3,7 0,1 0,1 4,2 4,4

10 мес

05.84 г. - 05.85 г. (1 год) 3,8 32,0 1,0 4,7 0,1 0,1 4,5 4,7

07.82 г. - 05. 85 г.

2 года 10 мес. 32,8 30,2 2,8 11,4 0,1 0,1 3,8 4,0

Расчистка 1993-95 гг. По данным УВРЦВ объемом 5,0-103 м3 Расчистка 1996 г._По данным УВРЦВ объемом 2,0-103 м3

Первый вариант в виде поперечного наносозадерживающего сооружения (рисунок 4), состоящего из глухой дамбы (1), отсыпаемой из горной массы по профилю расчетного створа. Створ располагается перед входным участком бухты со стороны господствующего действия ветров. Дамба образует с линией берега входящий угол А, который с течением времени заносится наносами, образуя новую мысовидную линию берега. После образования новой линии берега поток наносов, огибающий оголовок сооружения, отклоняется в глубоководную зону водохранилища. Расчет объема формы заполнения входящего угла и время заполнения его наносами был выполнен для бухты Крутая по методике, разработанной Ю.Н. Сокольниковым. Объем формы заполнения входящего угла при этом составил 13,8 тыс. м3, а время заполнения 7 лет.

Второй вариант - сооружение с судоходным каналом (рисунок 5), основными элементами которого являются естественные косы (1) и судоходный канал (2). Ось судоходного канала рекомендуется проводить по линш наибольших глубин (наименее заиляемый участок в месте смыкания кос) и ориентировать в направлении наименьшего воздействия волн .

Рисунок 4 - Поперечное наносозадерживающее сооружение перед входным участком бухты

Природные косы входного участка бухты, не нарушая их естественного положения, планируются и подсыпаются до отметки верха сооружения:

где ZPyB - отметка расчетного уровня воды, м; й„г, h„ - величины ветрового нагона и наката, м.

Судоходный канал состоит из 2-х сг-л?...рядов (3),

отстоящих друг от друга на расстоянии (Ь), которое назначается из условий свободного прохода судов в бухту. Глубина судоходного канала определяется из условий свободного прохождения судов с наибольшей осадкой при минимальном уровне воды. Длина канала (L) равна длине входного участка бухты.

Далее в главе приводятся расчеты стоимости предлагаемых защитных сооружений по вариантам, приводится расчет экономической эффективности. Так, для бухты Крутая средний годовой экономический эффект после срока окупаемости составит: по первому варианту 44,6 тыс. рублей (срок окупаемости 6 лет); по второму варианту 70,5 тыс. рублей (срок окупаемости 8 лет) в ценах 1

Zbc —ZpyB+hHi+h,

ЮЛ

Рисунок 5 - Сооружение с судоходным каналом

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

• - II)

1. В результате экспедиционных обследований бухт Цимлянского и Росто-вановского водохранилищ и натурных исследований в береговой зоне бухты Крутая Цимлянского водохранилища установлены природные факторы, вызывающие заиление входных участков бухт; предложена классификация бухт равнинных водохранилищ по морфометрическим признакам; даны рекомендации по выбору наименее заиляемой бухты для размещения в ней объектов хозяйственного использования.

2. Получено уравнение (1) линейной связи между максимальными весенними и минимальными осенними сезонными уровнями, позволяющее определять ожидаемый минимальный уровень воды в конце летне-осенней сработки водохранилища и ожидаемую минимальную глубину входного створа бухты при проектировании глубины судоходного канала.

3. По данным натурных измерений средних периодов волн на глубокой воде и по береговому прибою выведено уравнение (2) линейной связи для береговой отмели у бухты Крутая, позволяющее выражать высоту и длину волн через средний период волн берегового прибоя.

4. Предложена методика расчета средних скоростей ветровых и вдольбере-говых (энергетических) течений (формулы 12, 14), основанная на определении среднего периода волн берегового прибоя.

5. Установлено, что максимальные скорости вдольберегового течения и наибольшее заиление входов бухт наблюдается при действии ветра под углом 45° к линии берега.

6. Разработан прибор "Указатель течений водохранилищ", позволяющий определять азимут вектора скорости течения на различных глубинах скоростной вертикали.

7. Обоснована необходимость устройства защитных сооружений, которая подтверждена исследованиями, выполненными в аэрогидравлическом

лотке.

8. При проектировг нии защитных сооружений определение скоростей ветровых и вдольберегог.ых течений рекомендуется производить для расчетного уровня воды (РУВ) и ветров господствующих направлений.

9. Определена эк ономическая эффективность устройства защитных сооружений, позволяющих уменьшить заиление входных участков бухт и значительно сократить затраты на проведение землечерпательных работ в бухтах равнинных водохранилищ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Веренцова М.Ф., Лапшенкова С.В., Федосеева Н.С. методические указания к лаборатотрным работам по измерению скоростей в открытых потоках. - Новочеркасск, 1984. - 29 с.

2. Игнатенко С.И., Федосеева Н.С. Береговые течения в равнинных водохранилищах и их оценка // Гидравлика сооружений оросительных систем и водотоков: Сб. ст. /-НИМИ. - Новочеркасск, 1985. - С. 30-38.

Федосеева Н.С. Механизм занесения и заиления входных участков малых бухт равнинных водохранилищ // Сельскохозяйственное водоснабжение и охрана водных ресурсов: Сб. ст./ - НИМИ. - Новочеркасск, 1986. - С. 141-147.

4. Овчарегао И.Х., Федосеева Н.С. Сооружение для защиты от заиления входных участков малых бухт - убежищ рыболовецкого флота Цимлянского водохранилища // Рыбохозяйственные и русловые гидротехнические сооружения: Сб. ст. / - НИМИ. - Новочеркасск, 1988. - С. 108-116.

5. Федосеева Н.С. Защита входов в малые бухты равнинных водохранилищ (на примере бухты Крутая Цимлянского водохранилища // Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве (тезисы конференции 25-29 сентября 1989). / - ЛИМИ. - Новочеркасск, 1989. -С. 156-157.

6. Овчаренко И.Х., Федосеева Н.С., Тищенко А.И. Русловой метод оп ределения расходов воды в каналах при измерении скорости гидрометриче^ ской вертушкой в одной точке живого сечения // Повышение эффективное™ использования водных ресурсов в сельском хозяйстве (тезисы конференцш 25-29 сентября 1989). - С. 121-122.

7.Овчаренко И.Х., Игнатенко С.И., Федосеева,Защита левой приплотинного берега Ростовановского водохранилища Курской ороситель но-обводнительной системы // Проблемы мелиорации и экономики Юга Рос сии (тезисы конференции 23-26 марта 1993 г.) / - НИМИ. - Новочеркасск 1993.-С. 122.

8. Овчаренко И.Х., Федосеева Н.С. Аэрогидродинамическое моделирование при исследовании входных участков малых бухт равнинных водохранилищ // Проблемы мелиорации и экономики Юга России (тезисы конференции 23-26 марта 1993 г.)/-НИМИ. - Новочеркасск, 1993. - С. 123-124.

9. Игнатенко С.И., Федосеева Н.С. Защита водных ресурсов малых бухт равнинных водохранилищ // Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель: (тезисы конференции 25-28 сентября 1996 г.) / НГМА. - Новочеркасск, - 1996. - С. 41-43.

10. Федосеева Н.С. Изучение структуры ветроволновых течений во входном участке бухты Крутая Цимлянского водохранилища на плоской аэрогидравлической модели // Актуальные вопросы мелиорации и использования природных и техногенных ландшафтов: Сб. научн. трудов /-НГМА. - Но вочеркасск, - 1998. - С. 169-171.

и*

Подписано в печать 07. 10.98 г. Тираж 100 экз. Заказ 15 3

Типография НГМА г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111.



- ^

Сг-''"-

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ФЕДОСЕЕВА Нина Степановна

ВЕТРОВЫЕ ТЕЧЕНИЯ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ И ЗАЩИТА ОТ ЗАИЛЕНИЯ ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ БУХТ

(на примере бухты Крутая Цимлянского водохранилища)

Специальность: 05. 23. 16. - «Гидравлика и инженерная гидрология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Заслуженный мелиоратор Российской Федерации, кандидат технических

наук, профессор И.Х. Овчаренко

Научный руководитель - Заслуженный мелиоратор Российской Федерации, кандидат технических наук, профессор П.М. Степанов

Новочеркасск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

С

ВВЕДЕНИЕ................................. 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ РАВНИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ И ПРОЦЕССОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ЗАИЛЕНИЕ ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ БУХТ...................... 11

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 29

2.1. Природные условия и характеристика Цимлянского водохранилища............................ 29

2.2. Объекты исследования........................ 35

2.3. Характеристика бухты Крутая и ее водосбора........... 37

3. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ РАБОТ............................ 40

3.1. Выбор участка наблюдений, организация и производство полевых работ ............................... 40

3.2. Геологическое строение берегов водохранилища и бухты Крутая 47

3.3. Характеристика уровенного режима. Выбор расчетных уровней 52

3.4. Наблюдения за периодами и высотою ветровых волн...... . 55

4. ИЗУЧЕНИЕ ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ЗОНЕ ПРИБРЕЖНОГО МЕЛКОВОДЬЯ И НА БЕРЕГОВЫХ ОТМЕЛЯХ ...................65

4.1. Ветровые течения в зоне прибрежного мелководья....... 68

4.2. Исследование структуры ветрового потока в зоне береговой отмели ................................... 75

4.3. Изучение структуры течений и расчеты скоростей в бухте Крутая и ее входном створе........................ 82

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СКОРОСТЕЙ ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ ПО СРЕДНЕМУ ПЕРИОДУ ВОЛН БЕРЕГОВОГО ПРИБОЯ...................... 88

5.1. Обоснование методики ....................... 88

5.2. Состав полевых наблюдений.................... 90

с

5.3. Определение средних скоростей течений в зоне прибрежного

мелководья и на береговых отмелях................ 90

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ВО ВХОДНОМ УЧАСТКЕ БУХТЫ КРУТАЯ НА ПЛОСКОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

В АЭРОГИДРАВЛИЧЕСКОМ ЛОТКЕ................. 93

6.1. Обоснование аэрогидравлического моделирования. Расчет масштабов модели........................... 94

6.2. Модельная установка. Порядок проведения опытов........ 97

6.3. Планирование опытов........................ 99

6.4. Предварительные опыты...................... 101

6.5. Серии основных опытов...................... 106

7. ПОЛЕВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И РАСЧЕТЫ ПО ПЕРЕФОРМИРОВАНИЮ БЕРЕГОВ И ЗАИЛЕНИЮ ВХОДНОГО УЧАСТКА БУХТЫ КРУТАЯ.................................. 120

7.1. Анализ наблюдений за переформированием берегов водохранилища у бухты Крутая...................... 120

7.2. Заиление акватории бухты..................... 125

7.3. Заиление входного участка бухты Крутая............. 130

8. ЗАЩИТА ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ БУХТЫ ОТ ЗАИЛЕНИЯ. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ . ......................... 138

8.1. Поперечное наносозадерживающее сооружение перед входным участком бухты........................... 141

8.2. Сооружение с судоходным каналом................ 149

8.3. Расчет стоимости и экономической эффективности предлагаемых защитных мероприятий .................... 153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ................. 157

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 159

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................. 171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При проектировании, строительстве и эксплуатации в береговой зоне водохранилищ водозаборов, портов, волногася-щих, берегозащитных и других сооружений, а также для оценки перемещения наносов, водорослей и загрязняющих веществ необходимо знать количественные характеристики ветровых течений.

Вдольбереговые течения со скоростями, достигающими 1,5 м/с и более, вызванные ветром и энергией разрушающихся волн, размывают берега, перемещают к портам, заливам, бухтам и береговым сооружениям громадное количество наносов. В результате водозаборы и входные (устьевые) участки бухт заиляются.

Бухты и заливы используются для размещения рыбоперерабатывающих предприятий, отстоя рыболовецкого флота, как убежища маломерных судов и плотов в штормовую погоду, размещения домов отдыха, турбаз и других целей.

Наносы, переносимые вдольбереговыми течениями, осаждаются на входных участках бухт, вследствие этого образуются косы, которые постепенно нарастая смыкаются. Возникающая пересыпь отделяет бухту от акватории водохранилища.

Расчистка входных участков бухт связана с трудоемкой работой, требующей больших материальных затрат.

Экспедиционные обследования берегов и бухт Цимлянского водохранилища в 1982-85 гг. (с участием автора) показали, что входные участки бухт после систематических расчисток продолжают заиляться. Например, периодически, через 3-4 года заиляются входные участки бухт Крутая и Суворовская.

По данным Управления водных ресурсов Цимлянского водохранилища последние расчистки в б. Крутая проводились в 1993 и 96 гг. В октябре

1997 г. при уровне воды в водохранилище на отметке 32,3 м (БС - система высот Балтийская) ширина входного створа составила всего 16 м. В связи с этим исследования ветровых течений и разработка мероприятий по защите входных участков бухт равнинных водохранилищ от наносов, водорослей и волн имеет актуальное народнохозяйственное значение.

Выбор темы диссертационной работы определился практическими задачами, поставленными проектными и эксплуатационными организациями: изучение береговых течений в водохранилище и защита от заиления входов в бухты.

Автор диссертационной работы принимала участие в выполнении хоздоговорных исследований, связанных с темой диссертации:

- в 1982-1985 гг. тема № 644 "Изучение вдольбереговых течений на размываемых участках Цимлянского водохранилища и разработка мероприятий по уменьшению переработки берегов", руководитель Л.Ф. Ольгаренко;

- в 1988-1995 гг. тема № 779/1 и 978 "Разработка мероприятий по улучшению эксплуатации водохранилищ и конструкций сопрягающих сооружений на Курской оросительно-обводнительной системе Курского района Ставропольского края". Исследования выполнялись в соответствии с общесоюзной целевой программой О.Ц.О.34 Госплана СССР "Повышение эффективности мелиоративных земель и использование водных ресурсов в мелиорации и ОНИЛ конструкций крупных ГТС и МС", руководитель И.Х. Овчаренко.

Цели и задачи исследований.

Целью исследований является изучение структуры ветровых течений в зоне прибрежного мелководья и на береговых отмелях,разработка мероприятий по защите входных участков бухт от заиления, водорослей и волн.

Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи:

- определить основные факторы, вызывающие береговые течения и получить натурные данные о их структуре;

- изучить ветровые течения в зоне прибрежного мелководья и на береговых отмелях перед входом в бухту Крутая;

- разработать методику расчета скоростей течений;

- изучить по грунтовым съемкам переформирование берегов и динамику заиления входного участка бухты;

- разработать мероприятия по защите входных участков бухт от заиления и дать их экономическое обоснование.

Программа исследований включает следующие вопросы:

- выбор участка берега водохранилища, прилегающего к бухте, с наиболее активной ветро-волновой деятельностью (неблагоприятный участок);

- изучение морфологического и геологического строения берегов водохранилища и бухты;

- анализ переформирования берегов на выбранном участке;

- натурные наблюдения за ветровыми волнами и выбор методики для определения параметров ветровых волн при проектировании защитных сооружений на входном участке бухты;

- натурные наблюдения за течениями в зоне прибрежного мелководья и на береговых отмелях и разработка методики для их расчета;

- составление алгоритма и программы для расчета на ЭВМ скоростей береговых течений на неблагоприятном участке берега;

- исследование ветровых течений на плоской неразмываемой модели входного участка бухты Крутая при ветре, направленном из акватории водохранилища по нормали к входному створу;

- натурные наблюдения и расчеты по заилению бухты и ее входного участка методом грунтовых съемок;

- разработка конструкций защитных сооружений - природных аналогов, уменьшающих заиление входных участков бухт.

Исследования проводились теоретическими и экспериментальными методами. Эксперименты проводились в натуре, на плоской физической и математической моделях. В проведении исследований использовались методики Государственного гидрологического института (ГГИ), Цимлянской гидрометеорологической обсерватории (ЦГМО), Ростовского государственного университета (РГУ), ЮжНИИГиМа, Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА) и других организаций.

При проведении теоретических исследований использовались закономерности формирования береговой зоны водохранилища, методы гидрологии, гидродинамики волн и ветроволновых течений.

В проведении полевых исследований на выбранном участке берега водохранилища и во входном створе бухты использовались методы гидрометрии (подробно изложенные в разделе 3).

Исследования на плоской физической модели основывались на теории гидродинамического подобия и правилах моделирования.

Математическое моделирование осуществлялось при помощи составления программ для расчета на персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ).

Научная новизна исследований состоит в том, что впервые исследуются ветровые течения в береговой зоне бухт Цимлянского водохранилища и предлагается методика их расчета основанная на применении в расчетных формулах среднего периода волн берегового прибоя.

Впервые исследуется структура ветровых течений во входном участке бухты на плоской неразмываемой гидравлической модели в аэрогидравлическом лотке при ветрах, направленных по нормали к входному створу бухты и различных уровнях занесения входа.

Впервые предлагается использовать природные аналоги для защиты входных участков бухт от заиления.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в рекомендации проектным, строительным и эксплуатационным организациям использовать:

- методику выбора берега водохранилища для организации и проведения изыскательских работ при составлении проектов по защите входных участков бухт от заиления;

- методику расчета скоростей ветровых течений в зоне входных участков бухт по среднему периоду волн берегового прибоя, позволяющую упростить определение параметров волнения в натурных условиях;

- варианты защитных сооружений, уменьшающие заиление входных участков бухт;

Обоснованность и достоверность выводов подтверждается натурными исследованиями, моделированием фрагментов течений на плоской физической и математических моделях, а также сравнением расчетных величин с данными натурных наблюдений.

Производственная проверка. Результаты исследований внедрены на Ростовановском водохранилище Курской оросительно-обводнительной системы Ставропольского края (КООС) в виде гибкого сооружения для защиты бухтового берега в приплотинной зоне водохранилища (стоимость сооружения 3,5 млн. руб. в ценах 1996 г.). Разработан прибор для определения направления течения "Указатель течений в водохранилищах" (стоимостью 900 руб. в ценах 1996 г.). Прибор применялся при проведении исследований на Ростовановском и Цимлянском водохранилищах.

На Цимлянском водохранилище предлагаемые способы расчета береговых течений использовались при разработке рекомендаций по защите берегов у г. Цимлянска, хутора "Крутого" и балки "Терновской".

Апробация работы проведена на научно-практической конференции Высших гидрологических курсов при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (Москва 1984 г.), на научно-практической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве" (Новочеркасск, 1989 г.), на научно-практической конференции "Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1990 г.), на научно-практической конференции "Проблемы мелиорации и экономики юга России" (Новочеркасск, 1993 г.), на Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (Новочеркасск, 1996 г.).

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, отражающих содержание диссертации.

Структура и объем работы характеризуется следующими показателями: диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов и предложений, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации 170 страниц, в т.ч. 31 рисунка, 35 таблиц и 17 приложений. Библиографический список использованной литературы включает 125 наименований, в т.ч. 6 иностранных.

Личный вклад автора заключается в обосновании целей и задач исследований, разработке методики и проведения полевых наблюдений по изучению структуры течений во входной зоне бухты, проведении исследований на плоской гидравлической модели, обработке полученных данных на ПЭВМ, производственной проверке результатов, составлении и оформлении диссертации.

При проведении исследований использовались данные натурных наблюдений ЦГМО, ГГИ, ЮжНИИГиМа и других организаций.

Работа выполнена под руководством Заслуженного мелиоратора Рос-

сийской Федерации, к. т-х. н., профессора И.Х. Овчаренко и Заслуженного

мелиоратора Российской Федерации, к. т-х. н., профессора П.М. Степанова, которым автор выражает свою глубокую признательность.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ РАВНИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ И ПРОЦЕССОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ЗАИЛЕНИЕ ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ БУХТ

Изучению гидрометеорологических и гидродинамических процессов в береговой зоне, переформированию и защите берегов, занесению и заилению котловин озер и водохранилищ посвящено значительное количество работ.

Основатель научной дисциплины "Динамики русловых потоков" М.А. Великанов [1] обосновал аксиому о взаимодействии потока воды и речного русла. Применительно к береговой зоне водохранилищ эту аксиому можно сформулировать так: ветер, и вызванные его энергией ветровые волны и течения в береговой зоне, находятся в постоянном взаимодействии с берегами водохранилища.

Волны, ветроволновые и стоковые береговые течения вызывают размывы береговых мысов, транспортировку наносов на прямолинейных участках и отложение размытого материала на вогнутых берегах в бухтах и заливах.

Переформирующийся берег, в свою очередь, оказывает воздействие на подходящие к нему волны, изменяя их структуру, параметры и энергию.

Волны и ветроволновые береговые течения стремятся выработать такую форму берега, которая гасит их разрушительную энергию.

При взаимодействии ветровых волн с берегами, в условиях периодических наполнений и сработок водохранилища, профиль и очертания берегов непрерывно изменяются. Интенсивность и количественные характеристики этих изменений зависят, с одной стороны от прочности пород и морфологии берега, а с другой от гидрометеорологического и гидродинамического режимов и производственной деятельности человека в береговой зоне.

Рассмотрим состояние изученности основных активных гидрометеорологических и гидродинамических факторов, воздействующих на берега озер и водохранилищ. Продолжительные исследования гидрометеорологических, гидродинамических режимов в береговой зоне на Кайраккумском (р. Сырдарья), Каховском и Кременчугском (р. Днепр) водохранилищах проводились сотрудниками ГГИ под руководством A.C. Судольского [2, 3, 4, 5].

Основательные исследования выполнены ГГИ на озерах Байкал, Балхаш, Белом, Ладожском и других водоемах.

Натурные наблюдения за метеорологическим, уровенным и тепловым балансам, ветровым волнением и течениями в акватории водохранилищ, химическим составом вод, мутностью и заилением на Цимлянском (р. Дон), Манычских (Пролетарском, Веселом и Усть-Манычском - р. Маныч) водохранилищах проводились сотрудниками ЦГМО, ГГИ, РГУ, Гидрохимическим институтом (ГХИ) [6] и другими организациями. Динамика вод и береговые процессы в водохранилищах протекают под воздействием ветра. При действии ветра на водную поверхность образуются ветровые волны, нагоны и сгоны водных масс, ветровые течения в акватории и береговой зоне водохранилищ.

При рассмотрении вопросов взаимодействия ветра и водной поверхности определяются: скорость и направление ветра, изменение скорости ветра по высоте и при переходе с суши на водоем, повторяемость ветра по направлениям, аэродинамическое сопротивление водной пове�