Донные наносы и их влияние на условия судоходства

2. Гендельман М. М. О формах речных излучин // Сборник работ по гидрологии. — Л.: Гид-рометеоиздат, 1981. — С. 197-207.

3. Гендельман М. М. Исследование свободного меандрирования речных русел (на примере нижнего Иртыша) // Геоморфология. — 1988. — № 3. — С. 38-45.

4. Замышляев В. И. Аналитический вывод некоторых морфометрических зависимостей // Вопросы гидрологии суши: докл. конф. молодых ученых и специалистов ГГИ. — Л., 1982. С. 135-142.

УДК 556.536 Н. Б. Барышников,

д-р географ. наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический университет

(Санкт-Петербург);

А. О. Пагин,

Российский государственный гидрометеорологический университет

ДОННЫЕ НАНОСЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ СУДОХОДСТВА

BED LOAD SEDIMENT AND ITS INFLUENCE ON NAVIGATION CONDITIONS

Проведен анализ экспериментальных данных и методов расчетов расходов донных наносов при взаимодействии руслового и пойменного потоков. Установлена необходимость введения поправочных коэффициентов в формулы для расчета расходов донных наносов.

The analysis of experimental data and methods of bed load discharge calculations at the interaction of the channel and floodplain streams is realized. The necessity of correction factor in formulas of bed load discharge calculations is determined.

Ключевые слова: судоходство, расход наносов, транспортирующая способность, типы руслового процесса, скорость течения.

Key words: navigation, sediment discharge, transport ability, types of bed evolution, current velocity

CM ж и

И

ш

152J

ЗВЕСТНО [2], что основная масса наносов поступает в речные русла в периоды подъема уровней при пропуске паводков и половодий. Учитывая, что большинство рек России равнинные, высокие паводки на них, как правило, проходят по затопленным поймам. При этом на расходы донных наносов существенное воздействие оказывает так называемый эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков. Последний при подъеме уровней и растекании паводочных вод по пойме вызывает увеличение уклонов водной поверхности и средних скоростей руслового потока и как следствие — его транспортирующей способности. При спаде уровней массы воды пойменного потока, поступая в русло, тормозят русловой

поток, уменьшая его скорости и уклоны водной поверхности, а следовательно, и транспортирующую способность руслового потока. Учитывая, что в русла рек в этот период поступает незначительное количество наносов, последняя оказывается больше поступления наносов. Недостающее их количество поток получает за счет размыва гребней перекатов, уменьшая их отметки. В этом, в частности, и проявляется процесс саморегулирования в системе «речной поток-русло».

Сведения о расходах донных наносах крайне необходимы для планирования путевых работ и расчетов размеров судоходных прорезей. К сожалению, как это показал анализ опубликованных работ [1; 4 и др.], точность методов расчетов расходов и сто-

ка донных наносов очень низкая и не соответствует предъявляемым требованиям. Это обусловлено в первую очередь практически полным отсутствием натурных данных о расходах донных наносов, обусловленных несовершенством методов их измерений. Другим существенным недостатком практически всех формул является не учет в них эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков. Для выявления этого эффекта на кафедре гидрометрии Российского государственного гидрометеорологического университета был выполнен ряд экспериментов.

Перед тем как перейти к экспериментам, рассмотрим предварительные выводы. Так, Н. Б. Барышниковым и В. Г. Саликовым [5] разработаны типизации процессов взаимодействия руслового и пойменного потоков, в основу которых положено взаимное расположение динамических осей взаимодействующих потоков. В частности, Н. Б. Барышниковым выделено пять типов (см. рис. 1) для участка, расположенного ниже расчетного створа, но для условий стационарной задачи [2]. Для нестационарных условий установлено [2], что при подъеме уровней, когда наблюдается растекание масс руслового потока по пойме, процесс близок ко второму типу взаимодействия потоков.

При этом поперечные уклоны водной поверхности направлены от руслового потока к пойменному. Отличная картина наблюдается на спаде паводков и половодий, когда массы пойменного потока поступают в русло, тормозя русловой поток. Поперечные уклоны водной поверхности соответственно направлены в сторону руслового потока. Таким образом, процесс близок к третьему типу взаимодействия потоков.

При различных типах руслового процесса наблюдаются периодические повышения или понижения отметок дна русел, особенно резко выраженные на перекатах, или перемещения русел по дну долины, приводящие к размыву или намыву различных участков поймы и пойменных массивов. В то же время остается не выясненным вопрос об изменении транспортирующей способности потока по его длине.

В меженные периоды транспортирующая способность руслового потока мала, но наносы в этот период практически не поступают в русло, поэтому поток, размывая гребни перекатов или берега пойм, увеличивает расход донных наносов, приводя его в соответствие со своей транспортирующей способностью.

00 о-

Рис. 1. Схема взаимодействия русловых и пойменных потоков: — параллельность осей потоков; II — расходящиеся оси; III — сходящиеся оси; IV — пересечение осей; V — то же, что и IV, но при разновысотных поймах

К сожалению, отсутствие натурной информации, в частности в системе Росгидро -мета, приводит к необходимости проведения лабораторных экспериментальных исследований. Учитывая ограниченность натурных данных по этой проблеме, а также высокую стоимость и неопределенность во времени процессов пропусков паводков и половодий по затопленным поймам, за основу был принят метод физического моделирования.

Первые экспериментальные исследования по данной проблеме были проведены в лаборатории ЛГМИ (ныне — РГГМУ) в начале 1960-х гг. под руководством Н. Б. Барышникова. Эксперименты выполнялись в малом гидравлическом лотке с переменным уклоном, длиной 2,8 м и шириной 0,4 м. В этом лотке была смонтирована модель русла с поймой шириной 0,2 м. Глубина русла была 0,05 м. Геометрические оси русла и поймы, а также динамические оси потоков в них были параллельны.

Эксперименты на этой модели проводились по методике, разработанной в РГГМУ, которая заключалась в измерении расходов наносов и других гидравлических параметров руслового потока сначала в условиях его изоляции тонкостенной стеклянной (0,004 м) перегородкой от пойменного потока. Затем эта перегородка удалялась, и измерения повторялись при взаимодействии руслового и пойменного потоков. Основным недостатком данной работы явились малые размеры экспериментальной установки. В частности, ее относительная ширина В /к < 10, а это оказывало значительное влияние на трансформацию поля скоростей руслового потока и, что особенно важно, приводило к существенному увеличению донных скоростей при тех же значениях средних скоростей (по сравнению с плоским потоком).

Анализ результатов экспериментов позволил установить, что зависимости расходов донных наносов в русле от глубины (ср=/(к)) и от расхода воды (Ор=/(ф) под влиянием эффекта взаимодействия потоков отклоняются влево от аналогичных, но в изолированном русловом потоке. Величины этих отклонений тем больше, чем больше шероховатость поймы.

В 2003 г. в РГГМУ были проведены такого же рода эксперименты, но в расширенном диапазоне параметров и в большем по размеру лотке с переменным уклоном.

Размеры установки: длина 6,0 м и ширина 0,6 м. Поверхность поймы шириной 0,35 м и русла шириной 0,25 м выполнены из стекла толщиной 4 мм. В этом лотке были смонтированы русло глубиной 0,05 м и пойма.

Принципиально новым явилось проведение экспериментов при слиянии руслового и пойменного потоков под углом а = 20°.

Данные, соответствующие взаимодействующим параллельным потокам, располагаются левее аналогичных для изолированного русла. При этом кривая Ор = /(у), так же как кривые Ор = /(кр и Ор = /(б), располагается значительно левее кривой для условий изолированного русла. При третьем типе (пойменный поток вторгается в русловой под углом а = 20°) его транспортирующая способность уменьшается еще более значительно, и соответственно кривые Ор = /(к) и Ор = /(б) располагается значительно левее аналогичных кривых, соответствующих взаимодействующим потокам, но при параллельности их динамических осей.

Эксперименты прошлых лет проводились на установках малых размеров, где существенным было влияние недостаточной длины установок (2,8 и 6,0 м), и не рассматривались случаи расхождения динамических осей потоков. Нами были продолжены работы по изучению эффекта взаимодействия руслового и пойменных потоков и его влияния на транспорт наносов.

Для реализации поставленной задачи была использована русловая площадка в лаборатории водных исследований РГГМУ с постоянным уклоном (размерами 11,0^2,50 м). На этой площадке из бетона была смонтирована модель русла шириной 0,30 м с поймой переменной шириной от 0 до 2,10 м. Глубина русла 0,05 м (до отметки бровки прируслового вала).

По результатам экспериментов были подсчитаны расходы воды, скорости течения и расходы наносов для всех трех створов. По всем этим данным были построены в относительных координатах кривые зависимостей

о /о б=/(0 /о б), о /о б=/(И /и ) и о /о б =

р р.б J1 ^р ^р.бу 7 р р.о ^1 р р.б р р.б

=Здесь о, И, Vи 0 — соответственно расходы донных наносов, глубины, средние скорости и расходы воды руслового потока; индексы р.б и р соответственно обозначают, что данные параметры получены в русловом потоке при уровнях затопленной бровки прируслового вала (р. б) или при более высоких уровнях (р).

Как видно на рис. 2, как при параллельности динамических осей потоков, так и при их схождении под углом 20° и расхождении под углами 5, 10, 15 и 20о, наблюдается резко отличное расположение кривых о/орб = = /(И/И). Действительно, при расходящихся осях потоков кривая о /о =/(Ир/И ) располагается значительно правее аналогичной кривой для изолированного русла.

бр/врб = f

200

♦ — изолированное русло  — параллельные потоки а — схождение потоков по угл ом 20°

• — расхождение потоков под углом 20° ж — расхождение потоков под углом 10°--расхождение потоков под углом 5°

+ — расхождение потоков под углом 15°

Рис. 2. Зависимость о /о = /(И /И ,

р р.б ^ * р р.б

вр/врб = /

во о-

♦ — изолированное русло

• — расхождение потоков под углом 20° + — расхождение потоков под углом 15°

— параллельные потоки ж— расхождение потоков под углом 10°

А — схождение потоков по углом 20° --расхождение потоков под углом 5°

Рис. 3. Зависимости о /о б = /

Кривая зависимости О /О б = /(к /к ) для условий руслового потока, находящегося под воздействием пойменного при схождении их динамических осей под углом 20о, располагается левее аналогичной кривой для изолированного русла. Аналогичное расположение кривых получено и для зависимости вида О /О О = /(У/У ) и О /О О = /д> ). Это объ-

р р.о J 1 р р.о р р.О «-' 1 р ^ р.о

ясняется подпором, создаваемым пойменным потоком, и как следствие — уменьшением уклонов водной поверхности, обусловленных воздействием пойменного потока.

Отклонение исходной информации от расчетных кривых не превышает 5 %. Однако, как и в экспериментах прошлых лет, кривые, полученные при условии взаимодействия потоков, существенно отклоняются от расчетной кривой изолированного русла.

Анализ экспериментальных данных, полученных на установках больших размеров, подтверждает выводы о влиянии эффекта взаимодействия потоков на их транспортирующую способность, полученные еще в 1960-х гг. на установках малых размеров. Влияние этого эффекта значительно увеличивается при схождении и расхождении их динамических осей и зависит как от глубины затопления русла и поймы, так и от уклонов водной поверхности.

Вид кривых зависимостей Ор/Орб = = /(У /У ) близок к виду кривых О /О =

= т/йо и О р/О р,6 = / (к/к ,). Отл^за-

ключается в том, что градиенты скоростей параллельных потоков при взаимодействии существенно меньше, чем при взаимодействии потоков при расхождении их динамических осей. Отметим, что при проведении экспери-

ментов производились измерения не только величин, но и направления скоростей потоков на бровке прируслового вала.

При взаимодействии потоков, при расхождении их осей скорости руслового потока при выходе воды на пойму были более 1 м/с. На рис. 4 показано поле скоростей, где можно наблюдать изменение скоростей в 5 м от оголовка установки. При увеличении скоростей наносы начинали смываться со дна русла, и при их постоянной подаче в русле стали формироваться гряды. В створе, расположенном в 5 м от входа, скорости потока существенно уменьшились из-за того, что значительная часть руслового потока поступила на пойму. Это сопровождалось уменьшением уклонов водной поверхности по длине установки, что привело к интенсивному отложению наносов в русле, (то есть к формированию переката) и перемещению значительной их части на пойму. Последние отлагались на пойме или перемещались по ней в донно-грядовой фазе.

Это подтверждает положение о влиянии эффекта взаимодействия потоков на их транспортирующую способность, полученное еще в 1960-х гг. Влияние этого эффекта особенно велико при расхождении динамических осей потоков.

При растекании воды по пойме наблюдается увеличение расходов наносов в русловом потоке, величина расходов наносов зависит от глубины затопления русла и уклонов водной поверхности.

Если рассматривать конкретную реку, то после расширения поймы, как правило, наблюдается ее сужение. Следовательно, процесс

Рис. 4. Поле скоростей при расхождении динамических осей потока под углом 20°

близок к третьему типу взаимодействия потоков, при котором следует ожидать уменьшения транспортирующей способности потока. Лабораторные эксперименты существенно отличаются от натурных условий. В природных условиях вода выходит на пойму при паводках и половодьях, когда наблюдается либо постоянное увеличение расходов воды (при подъеме уровней), либо их уменьшение (при спаде). В лабораторных же условиях на установку поступает постоянный расход воды, поэтому можно наблюдать только отдельные фрагменты формирования русла, а полный цикл при подъеме и спаде уровня отсутствует.

Как указывалось, скорости по длине руслового потока существенно уменьшались. Это привело к отложению наносов в русле и формированию в нем переката на расстоянии 5 м от входа на установку. Более того, часть наносов из русла стала поступать на пойму. Как видно на рис. 5, наносы по пойме в основном перемещались в виде донных гряд.

Рис. 5. Движение донных наносов по пойме в донно-грядовой форме

В естественных условиях, как показали исследования З. М. Великановой и Н. А. Яр-ных на р. Оби у г. Барнаула [3], при изгибе русла р. Оби у г. Барнаула под углом, близким к 90°, и продолжительном половодье русло реки было полностью заполнено донными наносами, и они через прорвы стали поступать на пойму, перемещаясь по ней в виде донных гряд. При этом зафиксировано довольно четкое уменьшение крупности отложившихся на пойме наносов по мере удаления от бровки прируслового вала.

Следует отметить, что попытка оценки эффективности расчетных формул на основе данных экспериментов не привела к успеху. Погрешности расчетов при взаимодействии потоков практически по всем исследованным формулам (около 20) существенно превышали допустимые пределы (100 % и более).

За последнее время проведены эксперименты при третьем типе взаимодействия руслового и пойменного потока (рис. 1), где углы а = 20° и 10°. Следует отметить, что эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков является составляющей процесса саморегулирования в системе «бассейн-речной поток-русло». При спаде уровней, когда в русла рек направляются пойменные воды, тормозящие русловой поток, процесс близок к третьему типу взаимодействия потоков, при котором уклоны водной поверхности и скорости руслового потока уменьшаются, также уменьшается и пропускная способность русла.

Проведенный анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

— при 3-м типе взаимодействия руслового и пойменного потоков наблюдается резкое снижение скоростей руслового потока. Учитывая, что большинство методов расчетов расходов донных наносов, применяемых в России, основаны на зависимостях

вида = а

' у

(Г-Рд-), даже небольшое

\ к у

уменьшение скорости руслового потока вызывает значительное уменьшение его транспортирующей способности;

— анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при 3-м типе взаимодействия потоков наблюдается уменьшение транспортирующей способности руслового потока в десятки раз по сравнению с изолированным руслом;

— такое положение соответствует принципу саморегулирующейся системы «речной поток-русло». Действительно, процесс аналогичный 3-му типу взаимодействия руслового и пойменного потоков в натурных условиях наблюдается при спаде паводков и половодий, то есть в периоды, когда в русла

во о-

рек поступает минимальное количество наносов. Поток таким образом перестраивает свою структуру, что приводит в соответствие поступление наносов с его транспортирующей способностью.

Таким образом, процесс саморегулирования в системе «речной поток-русло» снижает максимальные расходы и увеличивает продолжительность процесса пропуска паводков и половодий [1].

Учитывая, что основной задачей исследования являются расходы и сток донных наносов, исключительно важным является оценка воздействия на них эффекта взаимо-

действия потоков в периоды пропуска паводков и половодий по затопленным поймам.

По-видимому, для разработки расчетной методики для паводочного периода необходимо перейти к системному анализу, рассматривая систему «бассейн-речной поток-русло» как саморегулирующуюся.

В целом натурные данные подтверждают концепцию РГГМУ о существенном увеличении транспортирующей способности руслового потока под воздействием пойменного потока при втором типе их взаимодействия и значительного снижения расходов наносов при третьем типе взаимодействия потоков.

Список литературы

1. Барышников Н. Б. Динамика русловых потоков. — СПб.: Изд-во РГГМУ, 2007. — 314 с.

2. Барышников Н. Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 280 с.

3. Великанов З. М., Ярных Н. А. Натурные исследования гидравлики пойменного массива в высокое половодье // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — Вып. 183. — С. 33-53.

4. Копалиани З. Д., Костюченко А. А. Расчеты расхода донных наносов в реках // Сборник работ по гидрологии. — СПб.: Изд-во Гидрометеоиздат, 2004. — № 27. С. 25-40.

5. Саликов В. Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков // Тр. IV Всесоюз. гидрол. съезда. —Л.: Гидрометеоиздат, 1976. — Т. 11. — С. 75-81.

см

ж

ц

ш

158J

УДК 502.7 В. И. Антроповский,

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

О. А. Шелухина,

СПГУВК

НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ГИДРОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕК ЛЕВОБЕРЕЖЬЯ

СРЕДНЕЙ ВОЛГИ

SOME RESULTS OF THE EVALUATION OF ECOLOGICAL STATE AND HYDRO MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS OF RIVERS ON THE MIDDLE VOLGA LEFT BANK

В настоящей статье по материалам проведенных исследований приводятся результаты оценки экологического состояния рек левобережья средней Волги. Выявлены факторы экологической напряженности. Выполнен анализ гидроморфологических характеристик данной совокупности речных потоков.