Исследование динамики потока наносов на береговой линии Новосибирского водохранилища

УДК 556:51-7

Исследование динамики потока наносов на береговой линии Новосибирского водохранилища

В.В. Журавлева, Т.В. Дьякова

Алтайский государственный университет

Research of Sediments Flow Dynamics at Novosibirsk Reservoir Shoreline

V.V. Zhuravleva, T.V. Dyakova Altai State University

Описаны модели формирования волн и транспорта наносов на береговой линии Новосибирского водохранилища. По этим моделям проведены расчеты параметров волн для четырех участков сегмента берега водохранилища (с. Быстровка Искитимского района Новосибирской области). При определении среднегодовой продолжительности ветра для активных румбов использованы данные гидрометеостанции Ордынское. Для каждого участка рассчитаны годовые емкости потока песчаных наносов при различной крупности материала и значения удельного дефицита (профицита) вдольберегового потока наносов с 1990 г. по 2010 г. Расчеты выполнялись с использованием приложения «Береговой Инженерный Калькулятор» (разработано в Институте водно-экологических проблем СО РАН). Проведен анализ полученных результатов и сравнение с аналогичными результатами за период 1959-1986 гг. Среднегодовые емкости потока наносов, полученные за указанное время, в несколько раз превосходят значения по расчетному периоду и имеют противоположное направление. Анализ значений удельного дефицита вдольберегового потока наносов показывает, что размыв берега сменился незначительной аккумуляцией наносов. Сделан общий вывод о замедлении морфодинамических процессов на береговой линии Новосибирского водохранилища в районе с. Быстровка.

Ключевые слова: водохранилище, транспорт наносов,

ветровой режим, волна, разгон волны.

DOI 10.14258/izvasu(2014)1.2-16

In this paper, models of wave formation and sediments transportation at the shoreline of Novosibirsk reservoir are presented. The models are utilized to calculate wave parameters for the four sections of the reservoir shoreline segment at p. Bystrovka, Iskitim district of Novosibirsk region. The average annual wind duration data for active rhumbs are obtained from Ordynskoe Hydrometeostation. Annual capacities of sand sediments flows are calculated for each site with different grain sizes and different values of longshore sediment flow specific deficit (proficit) for the period from 1990 to 2010.

The calculations are performed in the application «Coastal Engineering Calculator» (developed in the Institute of Water and Environmental Problems SB RAS). Results of the calculation are analyzed and compared with similar data for the period from 1959 to 1986. Average annual capacities of sediments flows for the period from 1959 to 1986 are reported to be several times higher and have the opposite direction than the calculated capacities for the period from 1990 to 2010. Analysis of the longshore sediment flow specific deficit dynamics demonstrates changes of the longshore coast from erosion to slight sediment accumulation. In the conclusion, slowing of morphodynamic processes at the shoreline of Novosibirsk reservoir near Bystrovka is outlined.

Key words: reservoir, sediment transportation, wind patterns, wave, wave fetch.

Под воздействием движения воздушных масс на поверхности водоемов генерируются ветровые волны. Подходя к берегу, волны обрушаются, при этом выделяется энергия, значительная часть которой расходуется на размыв берега и дна водоема. В результате происходит трансформация береговой линии и рельефа дна.

В настоящее время в России создано более 2 тыс. водохранилищ, ресурсы которых используются в интересах гидроэнергетики, водоснабжения, водного транспорта, рыбного хозяйства и др. Более 30% общей протяженности берегов крупных водохранилищ интенсивно разрушается, что наносит значимый эко-

логический и социально-экономический ущерб [1]. В связи с этим актуальными являются задачи моделирования и исследования процессов размыва и аккумуляции наносов на береговой линии водохранилищ.

Соответствующие модели реализованы в программном продукте «Береговой Инженерный Калькулятор» (ИВЭП СО РАН), предназначенном для решения типовых задач, возникающих при исследовании и прогнозировании процессов переработки берегов крупных водоемов (морей, водохранилищ, озер), а также при проектировании берегозащитных сооружений. Приведенные ниже результаты получены с помощью данного приложения.

Объектом исследования является сегмент правого берега Новосибирского водохранилища в районе с. Быстровка Искитимского района Новосибирской области. Сегмент разбит на участки разной длины и экспозиции (табл. 1, рис. 1).

Рассматриваемый сегмент берега открыт для действия ветров следующих румбов: З, ЗСЗ, СЗ, ССЗ, С, ССВ, СВ, ВСВ. Румб ВСВ ввиду малой длины разгона (около 1 км) и большого угла подхода волн, близкого к 90°, не рассматривается. Для остальных румбов, кроме С, разгон существенно ограничивается островами и мелководьями. Для определения продолжительности волновых нагрузок использованы данные ГМС Ордынское (средняя часть водохранилища).

В работе [2] получены данные для средней повторяемости ветра по градациям скорости и активным румбам за 1990-2010 гг. По ним рассчитывалась среднегодовая продолжительность волнения в часах (с учетом длительности безледоставного периода). Результаты представлены в таблице 2.

Ветровой режим формирует нерегулярные ветровые волны, параметры которых зависят, кроме того, от разгона (расстояния от подветренного берега

Таблица 1

Длины и экспозиции береговой линии на участках

Номер участка Длина участка, м Экспозиция береговой линии, а° /^^юдаем

1 1306 324

2 967 341

3 1046 339

4 621 345

Рис. 1. Разбивка на участки правого берега Новосибирского водохранилища в районе с. Быстровка

Таблица 2

Среднегодовая продолжительность ветра

Интервалы скорости, м/с Скорость ветра средняя, м/с Активные румбы

3 зсз сз ссз С ссв св

0-1,5 0,7 69,56 59,36 60,40 49,97 97,85 51,82 54,61

1,6-3,5 2,5 146,08 82,78 75,47 78,60 151,18 109,33 112,46

3,6-5,5 4,5 54,26 24,46 20,52 15,19 33,27 28,40 35,94

5,6-7,5 6,5 8,35 2,32 1,62 1,16 3,25 0,93 2,09

7,6-9,5 8,5 0,70 0,12 0,23 0,00 0,23 0,12 0,23

Таблица 3

Характеристики участков разгона по активным румбам ветра

Румб Разгон Участки разгона

X, м У 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

3 11594 /;',м 1967 223 623 220 2752 1347 372 233 2093 672 394 228 470

Ы, м 7,8 6,3 8,5 6,10 16,0 6,1 13,5 5,4 9,9 7,3 10,4 9,5 11,0

ЗСЗ 10176 /;',м 231 362 1206 165 1229 1340 990 390 517 889 1017 517 1323

/г;',м 3,5 1,6 3,5 2,2 11,0 8,5 16,0 9,2 13,5 3,5 11,0 5,3 11,0

сз 8949 /;',м 533 231 478 252 156 553 201 481 222 381 479 659 252 787 993 218 655 284 1134

/г;',м 4,8 2,1 2,3 8,5 2,30 11,0 9,7 13,5 11,0 11,7 8,5 13,5 8,5 8,5 16,0 1,5 11,0 3,6 11,0

ссз 8860 /;',м 2115 2898 497 266 908 333 487 660 696

/г;',м 13,5 11,0 13,3 10,3 16,0 4,7 11,0 6,0 11,0

с 14638 /;',м 980 569 623 543 729 1487 1157 1525 1561 2263 485 773 555 301 1087

/г;',м 8,5 3,5 11,0 8,5 11,0 3,8 12,9 8,5 13,5 11,0 16,0 6,7 8,5 3,2 11,0

ссв 16622 /;',м 1470 579 613 2116 7297 3233 1314

/г;',м 4,0 6,0 4,0 4,0 17,0 4,0 11,0

св 12418 /;',м 597 2409 3186 826 1758 1052 2590

/г;',м 4,0 18,0 18,0 11,0 11,0 8,0 11,0

Я

о о а

В

о ся аз я я о

я

аз 3 з

з

¡я аз

о о о ся

я

аз

о\

о

тз

о

3

ся о К' а

3

я я я

до расчетной точки)_и глубины водоема. Средняя высота (Н) и период (Т) волн в случае установившегося режима волнообразования (время действия ветра не влияет на параметры волн) могут быть вычислены по эмпирическим зависимостям [3]

В случае если глубина на разгоне существенно изменяется, весь путь волн до расчетной точки разбивается на ряд последовательных участков с примерно постоянным уклоном дна (рис. 2). Параметры волн определяются в конце каждого участка.

Н = 0,16 -У 1

хШ

0,625-

1 + 0,0061 £ХХ

А г

У2

!1 -

1 + 0,006

X1

У2

^ = 3,1 х 2п| Н

У I У2

где У — скорость ветра, м/с; X - длина разгона, м; к — глубина водоема на разгоне, м; £ — ускорение свободного падения, м/с2.

Рис. 2. Схема разбивки разгона на участки при изменяющейся глубине

Характеристики участков разгона по каждому румбу представлены в таблице 3. По этим данным выполнен расчет параметров волн вне береговой зоны по каждому из активных румбов для скоростей ветра в интервале 0,7-8,5 м/с. Результаты расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры волнения вне береговой зоны

Румб Расчетная скорость ветра Параметры волн вне береговой зоны (на глубине 11 м) Продолжительно сть волнения

высота «значительной» волны период пика спектра волн

^ м/с Н, м Т , с р Р, час/год

СВ 0,70 0,01 0,44 54,61

2,50 0,05 0,96 112,46

4,50 0,09 1,28 35,94

6,50 0,14 1,50 2,09

8,50 0,19 1,69 0,23

ССВ 0,70 0,01 0,57 51,82

2,50 0,12 1,74 109,33

4,50 0,3 2,65 28,40

6,50 0,49 3,27 0,93

8,50 0,67 3,74 0,12

С 0,70 0,01 0,48 97,85

2,50 0,06 1,08 151,18

4,50 0,12 1,46 33,27

6,50 0,18 1,73 3,25

8,50 0,24 1,96 0,23

ССЗ 0,70 0,01 0,51 49,97

2,50 0,07 1,28 78,60

4,50 0,16 1,77 15,19

6,50 0,24 2,13 1,16

Окончание таблицы 4

СЗ 0,70 0,01 0,44 60,40

2,50 0,05 0,93 75,47

4,50 0,09 1,24 20,52

6,50 0,13 1,46 1,62

8,50 0,18 1,64 0,23

ЗСЗ 0,70 0,01 0,56 59,36

2,50 0,03 0,76 82,78

4,50 0,06 0,98 24,46

6,50 0,09 1,14 2,32

8,50 0,12 1,28 0,12

З 0,70 0,01 0,51 69,56

2,50 0,07 1,25 146,08

4,50 0,15 1,74 54,26

6,50 0,24 2,09 8,35

8,50 0,32 2,37 0,70

В береговой зоне волны испытывают процессы трансформации и рефракции. Эти процессы и их модели подробно описаны в [1]. Подходя к берегу, волны обрушаются, создавая вдольбереговой дрейф воды в прибрежной зоне и, следовательно, транспорт наносов.

Транспорт наносов, имеющий направление слева-направо при взгляде с берега в акваторию, считается положительным, в обратном направлении — отрицательным.

Полный расход наносов вдольберегового потока «, м3/с) зависит от высоты, периода волны и угла подхода волн на линии их обрушения, а также от крупности транспортируемого материала, который характеризуется его медианным диаметром d5g. По крупности наносы условно разделяют на: 0,062 < d5g < 2 мм — песок; 2 < d5g < 64 мм — гравий; 64 < d5g < 256 мм — галька.

При расчете расхода наносов для песчаника (0,01 < d5g < 1 мм) широко используется формула CERC [4]

С =

К

16(р / р-1)(1-р)(1,416)5

•

спектра (Тр), которые связаны со средними параметрами волн следующими соотношениями [4]:

№ = 1,6Н, Тр = 1,2Т.

Представим все действующие на участок берега в течение периода открытой воды волновые нагрузки, как набор «штормов». Тогда результирующий годовой поток наносов [1]

С .=3600 • р

Ч-У1 I

где К(й) = 1,434й502 - 3,2445й50 + 2,0184 — безразмерный коэффициент емкости потока; р — плотность наносов, кг/м3 (для кварцевых песков — 2650 кг/м3); р — плотность воды, кг/м3 (для пресной воды — 1000 кг/м3); р — коэффициент пористости (для песчаного грунта — 0,4); Н — высота волны, м; С^ — групповая скорость волны, м/с; в — угол подхода волны. Индекс Ь означает, что соответствующие параметры берутся на линии обрушения волн.

Для расчетов в формуле (3) используются высота «значительной» волны (Н) и период пика волнового

где — секундный расход наносов /-го шторма, м3/с; Р. — продолжительность /-го шторма, час/год; — годовой расход наносов /-го шторма, м3/год.

По данным таблиц 2 и 4 для каждого участка были рассчитаны годовые емкости потока наносов по направлениям (слева-направо и справа-налево) и их результирующее значение в интервале крупности материала 0,1-1 мм. Итоги представлены в таблице 5.

Проанализируем полученные результаты. По мере движения от 1-го участка к 4-му происходит уменьшение потока наносов (по модулю). Причем значения всех потоков отрицательны (направление справа-налево), что приводит к накоплению излишнего материала в береговой зоне (аккумуляции). Через участок 3 поток проходит транзитом.

Интенсивность процессов размыва и аккумуляции можно оценить по величине удельного дефицита (профицита) вдольберегового потока наносов [1]

^ = < - Qых)/L,

где dq — удельный дефицит (-) или профицит (+) потока наносов, м3/(год-м); L — длина участка, м;

Таблица 5

Емкость годового потока наносов

мм Участок 4 Участок 3 Участок 2 Участок 1

е+ е е+ е е+ е е+ е

0,10 318 645 -327 340 739 -399 331 731 -400 246 834 -588

0,25 242 489 -247 259 561 -302 252 556 -304 187 634 -447

0,50 141 285 -144 150 325 -175 146 322 -176 109 367 -258

0,75 72 147 -75 78 169 -91 74 168 -94 55 192 -137

0,90 49 97 -48 51 113 -62 50 113 -63 38 125 -87

1,0 38 79 -41 40 89 -49 38 87 -49 29 67 -38

d50 — медианный диаметр наносов, мм; Q+ — поток наносов слева-направо; Q — поток наносов справа-налево; = - Q_) — результирующий поток, м3/год

Таблица 6

Удельный дефицит (профицит) вдольберегового потока наносов (м3/(год-м)) по участкам при различной

крупности материала

а50, мм Участок 2 Участок 3 Участок 4

Ь е е dq Ь е е dq Ь е е dq

0,10 967 588 400 0,194 1046 400 399 0,001 621 399 327 0,116

0,25 967 447 304 0,148 1046 304 302 0,002 621 302 247 0,089

0,50 967 258 176 0,085 1046 176 175 0,001 621 175 144 0,050

0,75 967 137 94 0,044 1046 94 91 0,003 621 91 75 0,026

0,90 967 87 63 0,025 1046 63 62 0,001 621 62 48 0,023

1,00 967 38 49 -0,011 1046 49 49 0,000 621 49 41 0,013

Таблица 7

Удельный дефицит (профицит) вдольберегового потока наносов (м3/(год-м)) по участкам при различной

крупности материала

Участок 1 Участок 2 Участок 3 Участок 4

Ь dq Ь dq Ь dq Ь dq

0,10 1306 -1,374 967 0,266 1046 -0,750 621 -1,915

0,25 1306 -1,047 967 0,204 1046 -0,570 621 -1,452

0,50 1306 -0,609 967 0,119 1046 -0,332 621 -0,847

0,75 1306 -0,316 967 0,060 1046 -0,173 621 -0,438

0,90 1306 -0,211 967 0,039 1046 -0,110 621 -0,293

1,00 1306 -0,166 967 0,031 1046 -0,089 621 -0,232

Qвх и Qвых — емкости результирующего потока наносов на входе и выходе с участка, м3/год.

Значения удельного дефицита (профицита) вдоль-берегового потока наносов по участкам приведены в таблице 6 (оценить расчетное значение для первого участка нет возможности из-за отсутствия данных на участке справа). На участках 2 и 4 значения удельного дефицита вдольберегового потока положи-

тельные, что соответствует аккумуляции материала. Размер величин позволяет сделать вывод, что отложение наносов невелико. Участок 3 на всем своем протяжении практически стабилен. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с наблюдениями.

Сравним результаты расчетов с аналогичными для периода 1959-1986 гг. (табл. 7). На всех участках, кроме второго, происходил значительный размыв

(отрицательные величины dq), а на участке 2 — умеренная аккумуляция материала. Величины среднегодовых емкостей потока наносов, рассчитанные за этот период, в 4-10 раз превосходят значения из таблицы 5 и, более того, имеют противоположное направление (что также согласуется с реальными наблюдениями).

Итак, сравнительный анализ полученных в работе результатов с аналогичными данными за 1959-1986 гг. показал существенное замедление морфодинамиче-

ских процессов на береговой линии Новосибирского водохранилища в районе с. Быстровка. Такой результат, в первую очередь, связан с тем, что в последние два десятилетия в этом районе ветровой режим изменился (скорости ветров значительно снизились). Таким образом, благодаря росту лесного массива, повлиявшему на ветровой режим, произошло замедление размыва берега на исследуемом сегменте водохранилища.

Библиографический список

1. Хабидов А.Ш., Леонтьев И.О., Марусин К.В., Шлыч-ков В.Л., Савкин В.М., Кусковский В.С. Управление состоянием берегов водохранилищ. — Новосибирск, 2009.

2. Журавлева В.В., Дьякова Т.В. Исследование повторяемости ветров на Новосибирском водохранилище // Известия Алт. гос. ун-та. — 2012. — №1/2(73).

3. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. — Л., 1976.

4. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. М., 2001.