Учет характеристик речной турбулентности при экологическом мониторинге водных объектов

УЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЧНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Д.В. Писарев, Д.В. Прозоровский

МГСУ

В статье рассматривается методика натурных измерений турбулентности речных потоков и ее влияние на экологическое состояние водотоков.

In the article some specific questions of measurements river turbulence characteristics and their influence on the river ecology is observed.

Турбулентное движение встречается более часто, по сравнению с ламинарным. Турбулентность оказывает существенное влияние на протекание внутрирусловых процессов, влияющих на экологическое состояние речных потоков, поэтому она должна учитываться при экологическом мониторинге водных объектов. Интенсивность турбулентности в речных потоках изменяется при регулировании расходов, пропускаемых через водосбросные и энергетические сооружения; при гидравлической промывке загрязненных речных русел залповыми попусками, в весеннее половодье, при прохождении дождевых паводков.

Турбулентность речного потока определяет разрушение русла, взвешивание частиц и поддержание их во взвешенном состоянии при перемещении их в продольном направлении осредненным течением, а также перенос и смешение растворенных в потоке веществ. Именно поэтому для правильного понимания руслового процесса и расчета взмучивающей и транспортирующей способности потока необходимо знание и верное прогнозирование турбулентных характеристик потока.

Существуют определенные трудности для проведения исследований турбулентности того или иного потока. Они обусловлены постоянно меняющимися во времени характеристиками потока в точке измерений, их индивидуальностью для каждого водоема и его участка, и более или менее ярко выраженной зависимостью от очень большого количества факторов.

Прогнозирование на основе теоретического расчета как осредненных, так и пуль-сационных характеристик турбулентных потоков и процессов переноса примесей невозможно без экспериментального определения статистических характеристик турбулентности. Эти обстоятельства определяют актуальность исследования турбулентности открытых, в особенности речных потоков, которая до настоящего времени остается исследованной недостаточно. Ограниченная база данных по характеристикам турбулентности открытых речных потоков требует существенного расширения и уточнения для решения практических задач прогнозирования внутриводоемных процессов при экологическом мониторинге водных объектов. Для этого необходима разработка методики исследования турбулентных характеристик потока.

Обычно исследованию турбулентности предшествуют или выполняются синхронно исследования профиля скорости, по которому различными способами определяется значение динамической скорости u*. Измерение турбулентности речных потоков в данной работе выполнялось гидрометрическими вертушками по вертикалям в поперечном сечении речного потока. Вертушки, использованные при из-

ВЕСТНИК 2/2010

мерениях, предварительно калибровались по трубке Пито. Поскольку в гидрологической практике с целью исключить повреждение вертушки измерения скорости обычно не производятся близко к дну потока (ближайшая к дну точка измерений берется на расстоянии 25-30 см от него), было обращено особое внимание на измерение скоростей течения в непосредственной близости у дна потока. При измерениях у дна вследствие больших градиентов скорости требуется повышенная точность к определению положения вертушки по отношению к плоскости дна. Установка вертушки по тросу не могла обеспечить достаточной точности, поэтому гидрометрическая вертушка устанавливалась в специальное опорное устройство. Опорное устройство имело достаточно большую площадку, которая опиралась непосредственно на дно потока. Вес груза частично уравновешивался натяжением троса, а размеры площадки выбраны такими, чтобы обеспечить малое давление на грунт, около 10 г/см2. Вертушка с помощью муфты закрепляется на заданном расстоянии от опорной площадки, причем это расстояние определялось с высокой точностью.

Для получения турбулентных характеристик потока необходимо получить непрерывную регистрацию величины скорости во времени. Однако кривые изменений скорости, записанные с помощью вертушки, оказываются сглаженными, причем периодом сглаживания является средняя величина интервала времени, в течение которого протекает один оборот. При измерениях в каждой точке потока снималась хронограмма длительностью от 120 до 360 секунд.

Определение осредненной местной скорости по хронограмме сводилось к операции осреднения

_ 1 N

и =

X и

_ Т0 .=1

где и — осредненная по времени местная скорость; и — актуальная скорость; Ах, — интервал сглаживания вертушки.

Необходимым условием достаточно точного определения осредненной местной скорости является достаточно большой интервал осреднения, много больший, чем Дт,. В данных исследованиях Т0 выбиралось от 25ДТд, до 75ДТд, и, в отдельных случаях, длительность реализации достигала 120Дт,.

Интенсивность пульсаций скорости характеризуется средним квадратичным отклонением мгновенных значений скорости от осредненного по времени значения, которое называется стандартом пульсаций.

Стандарт продольных пульсаций скорости вычислялся по алгоритму

N _ х (и. - и )2 Лт.

I=1

Т

1 0

При определении стандарта пульсаций скорости по хронограммам необходимо внести поправку на период сглаживания.

Результаты исследования стандартов пульсации скорости в речных потоках приведены на рис. 1.

Полученные данные показывают, что наибольшая интенсивность турбулентности в речных потоках наблюдается вблизи дна.

Причем для вычислений используется уже известная средняя скорость. Средняя частота пульсаций скорости определялась как

N

ю = —,

т

где N — половина числа нулей на кривой мгновенных скоростей;

Та — интервал осреднения.

Следует отметить, что изучение этого параметра чрезвычайно важно, поскольку он определяет усталостное разрушение связного грунта при размыве, интенсивность размыва, донную размывающую скорость.

Интенсивность турбулентности влияет на процессы растворения атмосферного кислорода в речной воде, на распространение его в водной массе, на окисление загрязняющих примесей и ход русловых процессов.

Детальные измерения распределения вероятностей в открытых потоках выявили заметную асимметричность пульсаций, различную на разных удалениях от твердой границы потока. Для её количественной характеристики используется коэффициент:

ВЕСТНИК МГСУ

2/2010

1 N-1 1 V '2

— / u

N ^

^ 0

Мъ =

И J/2

который активно откликается на величину пульсации и на их знак.

Результат измерения асимметричности продольных пульсаций скорости в открытых потоках приведен на рис.2

z/h

у •

• • ( •

• « •

н

\ \ • \  •

\ • •

-0,6 -0,1, -0,1 О 5,2 4« О,В Ця Рис. 2. Асимметрия продольных пульсаций скорости в открытых потоках

Данные представленные на рис.2 показывают, что характер и степень асимметричности продольных пульсаций скорости неодинаковы в различных точках по глубине потока. В придонной зоне более вероятно появление положительных пульсаций скорости. С удалением от дна асимметрия пульсаций уменьшается и наиболее симметричное распределение вероятности имеет место при 2/к=0,4, вблизи так называемой «точки средней скорости», где осредненная по времени местная скорость близка к средней по сечению скорости потока. В зоне потока, более удаленной от жесткой границы, асимметричность продольных пульсаций скорости изменяет знак на отрицательный, что означает более высокую степень вероятности появления здесь пульсаций отрицательного знака. Приведенные на рис.2 данные показывают, что качественно схожий характер асимметрии продольных пульсаций зарегистрирован и в напорных потоках, что позволяет предположить присутствие асимметричности пульсаций как некоторой общности для всех течений в жестких границах [1].

Уровень турбулентности определяет способность потока к размыву русла: чем турбулентность потока выше, тем выше и его размывающая способность. Соответственно, если турбулентность конкретного потока искусственно снизить, размыв русла может быть предотвращен. Также высокая турбулентность оказывает влияние на адсорбционную способность мелкодисперсной взвеси, что также может оказывать влияние на экологическое состояние водного объекта.

u

Поскольку самоочищение водотока от загрязнений происходит с участием микробиологических процессов, в которых участвует речной ил, то большей эффективности этих процессов будет способствовать более высокий уровень турбулентности потока. На уровень речной турбулентности оказывают влияние залповые попуски воды, которые применяются для гидравлической очистки русла.

Локальное повышение уровня турбулентности может достигаться при обработке загрязненных внутрирусловых отложений затопленными водными струями, а также при использовании винтовых потоков, создаваемых гребными винтами судов, которые могут применяться для взмучивания и удаления внутрирусловых отложений.

Из вышеизложенного очевидна необходимость учета турбулентности речных потоков при экологическом мониторинге водных объектов и разработке инженерных мероприятий по улучшению экологического состояния рек. В связи с этим требуется дальнейшее расширение базы данных по речной турбулентности, которое может быть обеспечено на основе натурных исследований, выполняемых по предлагаемой методике.

Данная работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Литература

1. Турбулентность. Принципы и применения. Сб. статей под ред. У. Фрост, Т. Моулден.

М.: «Мир», 1980, 535 с.

Ключевые слова: Турбулентность; речные потоки; асимметрия; стандарт продольных пульсаций скорости; экологический мониторинг

Keywords: Turbulence; river flows; asymmetry; standard of longitudinal velocity fluctuation; water ecology monitoring

Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ».

e-mail автора: MGSU-hydraulic@yandex.ru