Деятельность К. В. Гришанина по созданию численных моделей движения речного потока применительно к задачам путевого хозяйства на речном транспорте

УДК 656.62:627.7 А. В. Москаль,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ К. В. ГРИШАНИНА ПО СОЗДАНИЮ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ РЕЧНОГО ПОТОКА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ ПУТЕВОГО ХОЗЯЙСТВА НА РЕЧНОМ ТРАНСПОРТЕ

THE WORK OF K. V. GRISHANIN IN MAKING NUMERICAL MODELS OF RIVER STREAMING AS APPLIED TO THE TASK OF ROUTE FACILITIES

AT THE RIVER TRANSPORT

Показана роль К. В. Гришанина в создании численных моделей, описывающих движение речного потока и наносов при проведении интенсивных дноуглубительных работ и разработке подводных русловых карьеров нерудных строительных материалов.

The article shows a role of K. V. Grishanin in making numerical models describing river streaming and sediments while carrying out dredging and quarrying of underwater non-metallic construction materials.

Ключевые слова: численная модель, речной поток, дноуглубительные работы, русловые карьеры.

Key words: numerical model, river stream, dredging, bed quarries.

О

СНОВНЫМИ задачами организаций путевого хозяйства речного транспорта являются поддержание заданных габаритов водного пути, а также обеспечение бесперебойного и безопасного судоходства. С этой целью выполняется целый комплекс путевых работ, одним из основных видов которых является дноуглубление. При этом на перекатах, имеющих габариты судового хода меньше гарантированных на данном участке реки, с помощью землесосных или многочерпаковых снарядов разрабатываются дноуглубительные прорези, размеры которых достаточны для движения судов, толкаемых и буксируемых составов. Для расчетного обоснования путевых мероприятий были созданы соответствующие руководящие документы, в том числе и на кафедре водных путей и водных изысканий Ленинградского института водного транспорта (в настоящее время — СПГУВК) при самом активном участии профессора, доктора технических наук Кирилла Владимировича Гришанина [11; 12].

Во второй половине ХХ в. на водных путях Советского Союза дноуглубительные работы для увеличения и поддержания габаритов судового хода велись в больших объемах и на достаточно протяженных участках рек, из-

меряемых десятками и даже сотнями километров. Однако процесс увеличения судоходных глубин при помощи дноуглубительных работ имеет естественное ограничение в виде предельных или гидравлически допустимых глубин. Под гидравлически допустимыми понимаются глубины, получение которых не приводит к заметному понижению кривой свободной поверхности речного потока. Дальнейший рост глубин может привести к значительному снижению уровней воды и увеличению объемов дноуглубительных работ из-за необходимости добавочного углубления дна перекатов, а также повлечь ряд неблагоприятных последствий экологического и хозяйственного порядка. Значительное влияние на путевые условия оказывает также добыча в руслах судоходных рек нерудных строительных материалов (песка, гравия, песчано-гравийной смеси). Разработка подводных русловых карьеров началась в 1950-х гг. и постепенно приобрела достаточно широкий размах, что привело на ряде рек к значительному понижению уровней воды и интенсивным русловым переформированиям в местах добычи НСМ, а также на участках, расположенных выше карьеров. Экологические последствия разработки русловых карьеров заметно осложняются при освоении подвод-

Выпуск 2

Выпуск 2

ного месторождения, находящегося на сравнительно небольшой реке. В этом случае сначала создается подходной канал к месторождению, причем получаемые на судовом ходу глубины обычно превышают гидравлически допустимые для углубляемого участка реки. Тогда уже одно только производство дноуглубительных работ приводит к понижению уровней воды, а последующая разработка подводных русловых карьеров, особенно крупных, может повлечь для потока очень серьезные последствия, резко понижая его базис эрозии и вызывая интенсивный размыв русла [1].

Количественная оценка негативных последствий интенсивного дноуглубления и разработки подводных русловых карьеров требует большого объема вычислений, поэтому для их выполнения были созданы самые разнообразные численные модели движения речного потока и наносов, опирающиеся на использование вычислительной техники.

К 1970-м гг. электронно-вычислительные машины достигли достаточно высокого уровня развития, в различных научных организациях и высших учебных заведениях активно создавались компьютерные программы для гидравлических расчетов, в этой области появились первые руководящие документы [13]. Однако рекомендуемые программы были еще далеки от совершенства, поэтому многими исследователями продолжалось создание новых численных моделей движения речного потока. Такая работа проводилась и на кафедре водных путей и водных изысканий ЛИВТа. Быстрое совершенствование вычислительной техники позволило перейти от компьютеризации упрощенных расчетных методов [6] к решению системы уравнений речной гидравлики, описывающих движение воды и наносов в одномерной постановке (создание в этот период времени именно одномерных численных моделей объясняется большой протяженностью моделируемых участков судоходных рек).

Огромная роль в этой работе принадлежа жала К. В. Гришанину. Обладая энциклопедическими знаниями в области речной гидравлики и производства путевых работ, а также чрезвычайно высоким уровнем математической подготовки, Кирилл Владимирович сформулировал основные положения будущих

102]

одномерных численных моделей, созданных на кафедре водных путей и водных изысканий ЛИВТа (СПГУВК). Он задал исходные и рабочие уравнения, определил состав и очередность вычислений, предложил способ схематизации поперечных сечений для учета изменений ширины русла при понижении уровней воды, постоянно контролировал и оценивал полученные результаты. В течение

1980-1990-х гг. К. В. Гришанин консультировал многих разработчиков численных моделей движения речного потока (как находящегося в естественном состоянии, так и подвергнувшегося антропогенному воздействию) по вопросам общей постановки задач, учета гидравлического сопротивления естественных русел и вычисления русловых деформаций. Эти проблемы также нашли свое отражение во многих трудах Кирилла Владимировича [2-5] и руководящих документах, разработанных при его участии [14, 15].

Первым под руководством К. В. Гришанина было выполнено моделирование снижения кривой свободной поверхности на нижней Оке, которое являлось частью выполненной в

1981-1984 гг. по заказу Министерства речного флота РСФСР работы, имевшей целью выяснение возможности создания и поддержания гарантированных глубин не менее 2,5 м на участке Южный порт г. Москвы — Щуро-во — устье р. Оки. Общая длина моделируемого участка реки составила 642 км. Гидравлические расчеты, выполненные при расходах воды, соответствующих проектному уровню воды 97,5 % обеспеченности, показали, что при создании судоходной глубины 2,5 м на нижней Оке снижение кривой свободной поверхности может достигать 0,94 м [7].

Эта же численная модель была использована в 1984 г. для определения величины понижения кривой свободной поверхности, возможного в результате планировавшегося проведе -ния интенсивных дноуглубительных работ на р. Печоре (плес Усть-Уса — Усть-Кожва, общая длина моделируемого участка 124 км).

В 1984-1985 гг. (после некоторого усовершенствования численной модели) также под руководством К. В. Гришанина было выполнено моделирование влияния интенсивного дноуглубления на положение кривой свобод-

ной поверхности р. Лены в рамках разрабатывавшихся Ленгипроречтрансом обосновывающих материалов строительства на этой реке транспортного гидроузла с целью коренного улучшения судоходных условий на участке от г. Киренска до г. Усть-Кута. Моделируемый участок верхней Лены, общая длина которого составила 143 км, включал в себя два плеса. различных по условиям проведения путевых работ: Усть-Кут — Таюра (3624-3541,5 км) и Таюра — Марково (3541,5-3481,1 км). Построение кривых свободных поверхности производилось на участке от Марково до двух рассматриваемых створов проектировавшегося гидроузла (3593,9 и 3572,5 км) для пяти значений гарантированной глубины. Кроме того, был выполнен расчет отметок бытовой и проектной кривых свободной поверхности на участке от створа 3593,9 км до г. Усть-Кута при увеличенной ширине судового хода. Расчетное значение снижения проектного уровня воды в створе гидроузла получилось равным 1,99 м [8].

Приобретенный опыт численного моделирования позволил провести под руководством К. В. Гришанина усовершенствование используемых компьютерных программ: был создан новый программный комплекс, имеющий модульную структуру, введен учет фактической геометрии русла вместо предположения о параболической форме поперечных сечений, предусмотрена возможность вычисления деформаций русла. С помощью новой модели в 1989-1993 гг. были выполнены расчеты положения проектных кривых свободной поверхности при разработке подходно-го канала к Катравожскому месторождению ПГС на р. Собь (общая длина моделируемого участка 43 км), проведена оценка перспектив улучшения судоходных условий на верхнем Дону (плес Кривоборье — Семилуки, смоделировано 20 вариантов проектного состояния участка длиной 53 км), моделировался характер изменения кривой свободной поверхности при проведении мероприятий по повышению глубин р.Оки на участке Кузьминск — Бело-омут (общей протяженностью 46 км).

Для оценки последствий разработки подводных русловых карьеров нерудных строительных материалов (НСМ) был разработан более сложный программный комп-

лекс, учитывающий как добычу НСМ, так и необходимость производства дноуглубительных работ для обеспечения вывоза добытых материалов. Этот комплекс использовался в 1989-1994 гг. для моделирования понижения кривых свободной поверхности при определении экологических последствий разработки ряда подводных месторождений НСМ, среди которых можно назвать Парчегское, Чукачой-ское, Зеленецкое, Койтыбожское, Латкинское и Алешинское месторождения песка и ПГС на р. Вычегде (общая протяженность расчетного участка около 50 км), месторождение Казенщина на р. Сев. Двине (длина участка 144 км), Бетьковское и Закамское месторождения на р. Каме (участок длиной 15 км), Казанские Юрты и Вершининское месторождения ПГС на р. Томь [10; 11].

Наиболее совершенный и сложный вариант программного комплекса позволяет моделировать последовательное освоение подводного месторождения, когда зона инженерного вмешательства постепенно распространяется от устья вверх по течению, а длина нижнего участка реки, где производятся дноуглубительные работы и разрабатываются подводные карьеры, из года в год увеличивается. Выше разрабатываемых карьеров река остается несудоходной, испытывая, однако, все последствия безвозвратного извлечения аллювия из своего русла. Возможна также оценка влияния разработки подводных карьеров и дноуглубительных прорезей на русловой режим транзитного участка реки, судоходного на всем своем протяжении. Программным комплексом моделируется постепенная разработка подводных карьеров на полную глубину за заданный промежуток времени (в том числе и в течение нескольких навигаций), причем сроки начала и окончания работ на разных карьерах могут быть различными. Варьируя сроки разработки карьеров, можно моделировать различные схемы освоения подводных месторождений НСМ (одновременная постепенная разработка всех блоков; разработка ^103 блоков с оставлением между ними достаточно протяженных перемычек; пионерное освоение месторождения, когда разработка каждого последующего блока начинается после полного окончания работ на предыдущем и т. д).

Выпуск 2

Выпуск 2

Список литературы

1. Гладков Г Л., Москаль А. В. Влияние дноуглубительных работ и добычи НСМ на русловой режим реки Собь // Резервы пропускной способности портовых сооружений и рационализация методов ведения путевых работ в газонефтедобывающих районах Сибири: сб. науч. тр. — Л.: ЛИВТ, 1988. — С. 90-97.

2. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Гидроме-теоиздат, 1979. — 312 с.

3. Гришанин К. В. Основы динамики русловых потоков: учебник для институтов водн. трансп. — М.: Транспорт, 1990. — 320 с.

4. Гришанин К. В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. — СПб.: Гидроме-теоиздат, 1992. — 183 с.

5. Гришанин К. В. Реакция речного потока на искусственные изменения его русла / К. В. Гришанин [и др.] // Русловые процессы и наносы: тр. V Всесоюз. гидрологического съезда. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — Т. 10. — Кн. 1. — С. 362-373.

6. Методика расчета понижения уровней воды при добыче нерудных строительных материалов / Главное управление портов МРФ РСФСР. — М.: Транспорт, 1984. — 20 с.

7. Москаль А. В. Влияние дноуглубления на уровенный режим рек (на примере нижней Оки) // Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства: тез. докл. III Всесоюз. науч. конф. — М.: МГУ, 1983. — С. 259-260.

8. Москаль А. В. Программа расчета понижения уровней воды при интенсивном дноуглублении // Русловой процесс на реках и путевые работы для судоходства и повышения эффективности работы гидротехнических сооружений: сб. науч. тр. — Л.: ЛИВТ, 1985. — С. 132139.

9. Москаль А. В. Численное моделирование негативных последствий разработки подводных карьеров НСМ на верхней Томи // Внутренние водные пути России. История. Современность. Перспективы: материалы регион. науч.-техн. конф. — СПб: СПГУВК, 1998. — С. 128131.

10. Москаль А. В., Соколов Ю. П. Опыт расчетного обоснования разработки подводных карьеров на судоходных реках // Водные пути и гидротехнические сооружения: сб. науч. тр. / под ред. Г. И. Мелконяна. — СПб.: СПбГУВК, 2002. — С. 103-107.

11. Руководство по расчету деформаций русла и прорезей на перекатах судоходных рек / МРФ РСФСР. — М.: Транспорт, 1965. — 148 с.

12. Руководство по проектированию коренного улучшения судоходных условий на затруднительных участках свободных рек / МРФ РСФСР. — Л.: Транспорт, 1974. — 209 с.

13. Руководство по применению ЭВМ при проектировании землечерпательных и выправи-тельных работ / МРФ РСФСР. — М.: Транспорт, 1975. — 208 с.

14. Руководство по проектированию карьеров. Мероприятия по предотвращению понижения уровней воды. — Л.: Транспорт, 1987. — 51 с.

15. Руководство по улучшению судоходных условий на свободных реках / Главводпуть концерна «Росречфлот» // Тр. ЛИВТа. — 1992. — 312 с.