Гидравлические сопротивления зарастающих речных русел

Гидравлические сопротивления зарастающих русел рек являются одной из основных проблем речной гидравлики. Правильный и аргументированный учет гидравлических сопротивлений должен иметь место в расчетах важнейших характеристик речного потока, таких как средняя скорость, расход воды и др.
Водная растительность оказывает значительное влияние на характеристики течения, транспорт наносов и морфологию рек.
Скорости течения ослабевают в областях с растительным покровом и под влиянием турбулентности. Транспортирующая способность наносов часто снижается в областях, заросших водной растительностью, там, где взвешенные наносы могут оседать. Область сопротивления растительного покрова может так же направить водный поток к тем местам, где растительность отсутствует , являясь причиной повышения скоростей и размыва. Поэтому важно учитывать сопротивления растительного покрова при вычислении геоморфологических изменений в реках.
Однако степень изученности характеристик течения в заросших руслах недостаточна ни для расчетов, ни для разработки новых концепций и теорий о гидродинамических закономерностях таких течений.
Цель исследования заключается в количественной оценке коэффициентов сопротивления для речных русел, подверженных зарастанию, и разработке методики учета стока малых зарастающих рек в период прохождения паводков.
Разрабатываемая методика подразумевает под собой ввод обеспеченных значений коэффициента шероховатости в определение расчетных уровней воды по формулам равномерного движения с последующим их использованием в расчётах обеспеченных расходов воды дождевых паводков по формулам, рекомендованных Сводом правил СП 33 -101-2003. Помимо этого, эта методика будет основана на расчетно-вычислительном факторе речного русла, при котором значения коэффициента шероховатости будут зависеть от конкретных параметров потока и характеристик русла.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности, а также особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.
2. Выявить определяющие факторы и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки при зарастании.
3. Получить расчетную формулу для коэффициентов шероховатости в зависимости от системно-зональных гидрологических факторов.
4. Оценить гидравлические сопротивления зарастающих речных русел малых водотоков в различные фазы вегетации.
5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.
6. Разработать методику и алгоритмы автоматизированного учета стока зарастающих рек для внедрения их компьютерной технологии в гидрологическую сеть.
Для решения поставленных задач были проведены натурные и лабораторные исследования по изучению гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.
В рамках натурных исследований на реке Оредеж был выбран и оборудован экспериментальный участок.
Река Оредеж была выбрана не случайно. На данном этапе своего существования исследуемый водоток очень интенсивно зарастает водной растительностью. Главными причинами интенсивного зарастания русла реки высшими водными растениями являются:
-создание каскада дамб и плотин местного назначения, которые уменьшили скорость течения на реке; повлияли на формирование большего количества застойных зон;
-в бассейне реки, в последние 30 лет, образовалось большое количество сельскохозяйственных предприятий, промышленный сток из которых поспособствовал интенсивному развитию водной растительности в русле и на пойме реки.
Высшие водные растения верховий реки Оредеж составляют 29 видов, относящихся к 23 родам, распределенным между 18 семействами. Они являются представителями 3 классов и 2 отделов высших сосудистых растений.
На экспериментальном полигоне производится ежемесячный мониторинг состояния реки с составлением ортофотоплана по снимкам с камеры высокого разрешения.
Для изучения особенностей режимов сопротивления заросшего речного русла на исследуемом участке измеряются расходы воды и уклоны свободной поверхности, ведутся непрерывные измерения уровня воды, температуры воды и воздуха. Производятся регулярные подводные съемки.
Исследования воздействия растительности на гидравлику водного потока в речном русле основано на измерении пульсационных составляющих скорости водного потока.
Измерения проводились с помощью аналогово - цифрового преобразователя VellemanPCS10 в комплексе с ПК, гидрометрической вертушкой ГР 21-М-1 и измерителем скорости потока (ИСП).
Полученные данные возможно преобразовать в значения периода, а затем и в значение частоты вращения вертушки. Затем значения частоты вращения вертушки возможно свободно преобразовать в значения скоростей течения потока через уравнения начальной скорости вертушки.
По данным измерений пульсационных составляющих скорости потока в периоды заросшего и свободного рус ла был построен сравнительный график, показывающий пульсационный характер изменения скоростей потока.
Однако стоит сказать, что исследование статистических характеристик турбулентности требует весьма тонких измерений при четкой ориентации измерительных приборов к вектору осредненной скорости, а также по отношению к поверхности трения. В связи со значительной неровностью речного дна строгая постановка измерений труднодостижима. Поэтому было принято решение одновременно с натурными измерениями выполнять и лабораторные исследования воздействия растительности на гидравлику потока в русле.
В летний период 2017 года были проведены эксперименты по оценке степени полегания водной растительности под воздействием скорости речного потока.
К сожалению, из-за недостаточной продолжительности проведения таких экспериментов полученный график зависимости можно считать ненадежным. Однако, уже на начальном этапе можно отметить предполагаемую тенденцию: с увеличением скорости течения увеличивается угол наклона водной растительности.
В рамках лабораторных исследований на кафедре гидрометрии РГГМУ была сооружена физическая модель участка р. Оредеж. На этой модели были выполнены все те же измерения, что и в натуре.
Данные измерений на модели обрабатывались в программном комплексе Hec-Ras.
По результатам измерений на физической модели с последующей обработкой в программе Hec-Ras можно сделать следующие выводы:
-полегание водной растительности уменьшает сопротивление и увеличивает пропускную способность;
-уклоны свободной поверхности будут оставаться постоянными вне зависимости от степени зарастания русла;
-коэффициент шероховатости nр. Оредеж на участке измерений изменяется в диапазоне от 0.065 до 0.16, в зависимости от уровня затопления русла;
Выполненные специальные наблюдения и вычисления уже позволяют по - новому подойти к оценке сопротивления зарастающих русел.
Таким образом разрабатываемая методика, с физической точки зрения, уже более обоснована, и значения коэффициентов шероховатости уже оцениваются более объективно.
Однако по причине того, что подобные исследования только начинают проводиться, нельзя говорить о каких-то глобальных достижениях, так как статистики пока недостаточно.
Но стоит отметить, что ранее предполагаемые общие тенденции уже прослеживаются, и при дальнейших исследованиях они могут принести существенные плоды.


Купить