Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Исследование наносов в естественных водных объектах имеет важнейшее значение для большого круга гидрологических расчетов и прогнозов, оценки геоэкологического состояния водоемов и водотоков в различных физико-географических условиях. Материалы данных исследований необходимы для проектирования и строительства любых сооружений на водных объектах и решения различных водохозяйственных проблем. При этом многие вопросы, связанные с методикой и средствами измерений и расчетов параметров наносов до сих пор остаются недостаточно разработанными, а по отдельным позициям практически отсутствуют. Проблема занесения, заиления и загрязнения водных объектов при решении широкого круга геоэкологических, водохозяйственных и гидротехнических задач требует совершенствования существующих и разработки новых методов измерения и расчета параметров, связанных с движением и отложением наносов.
В настоящее время на значительной части гидрологических постов Роскомгидромета ведутся систематические наблюдения за стоком взвешенных наносов. Вместе с тем наблюдений за стоком влекомых, особенно крупнофракционных, наносов практически не ведется. Это связано, прежде всего, с отсутствием надежных методов и приборов для измерений. Методы расчета расходов влекомых наносов также далеки от совершенства. Кроме того, постоянно появляются новые задачи, связанные с решением геоэкологических проблем. В частности, начиная со второго десятилетия 21 века, намечено масштабное развитие нанотехнологических производств на территории Российской Федерации. При этом очевидно, будет иметь место усиление загрязнения естественных водных объектов наночастицами, в том числе искусственного происхождения. Существующая система стандартных гидрологических исследований пресноводных объектов и мониторинга наносов в естественных условиях не позволяет выявлять и дифференцировать по крупности частицы мельче 1 мкм, что является существенным упущением. Необходима разработка методики измерений, позволяющая получать информацию о наносах во всем диапазоне размеров.
Актуальность решения комплекса проблем, связанных с усовершенствованием всей системы исследования наносов естественных водных объектов, обусловливается также постепенным переходом к системе геоэкологического мониторинга.
Цель работы. Решение проблемы измерений и расчетов параметров взвешенных, влекомых и отложившихся наносов во всем диапазоне возможных размеров частиц в реках, озерах и водохранилищах в различных физико-географических условиях. Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач, которые, по-нашему мнению, являются наименее разработанными, ранее не затрагивались или требуют нового подхода для решения:
Создание новых и усовершенствование существующих методов измерений расходов влекомых крупнофракционных наносов, как наименее разработанной части всей системы мониторинга транспорта наносов в естественных водных объектах.
Усовершенствование представлений о турбулентной структуре потока и параметрах, связанных с транспортом наносов в естественных водных объектах.
Разработка модели транспорта влекомых наносов, основанной на новейших представлениях о турбулентной структуре потоков.
Расширение исследований гранулометрического состава наносов на весь диапазон возможных размеров частиц, встречающихся в реках, озерах и водохранилищах.
Разработка методики исследований гранулометрического состава наносов, предусматривающая стыковку стандартных механико-гидравлических методов, применимых для частиц наносов видимого диапазона размеров, с современными физическими методами, применимыми для частиц наномасштабного диапазона.
Методы исследований. Исследования сочетали в себе теоретические разработки и лабораторные исследования турбулентной структуры потоков. Лабораторные исследования выполнялись в лотках руслового отдела Государственного гидрологического института. Кроме того, фактический материал для оценки отдельных параметров турбулентного потока был получен на основе натурных полевых измерений в разных природных зонах- на р. Полометь, р. Черная Арагви, р. Салигет, р.Арпа, р. Каскелен, р. Тоссор, р. Ала-Арча, р. Кашкасу, р. Когон и других, расположенных в Европе, Азии и Африке.
Измерения параметров транспорта наносов выполнялись с использованием разработанных автором приборов и устройств на реках Талгар, Кумбель, Кашкасу, Ала-Арча, Улаф и других после их тщательной лабораторной проверки и отладки систем в лабораторных лотках. Теоретические разработки модели транспорта влекомых частиц проверялись по данным натурных измерений расходов наносов на реках Тянь-Шаня и о-ва Западный Шпицберген, расположенных в существенно- различных физико-географических условиях.
Натурные эксперименты по исследованию частиц донных отложений и взвешенных наносов в расширенном диапазоне размеров выполнялись на основе судовых экспедиционных работ, на акватории Ладожского озера с последующей обработкой проб наносов в лабораториях Института озероведения РАН, Санкт-Петербургского и Московского университетов, Института ядерной физики и Института высокомолекулярных соединений РАН.
Научная новизна работы состоит в разработке модели и методики расчета транспорта наносов естественных водных потоков для решения различных геоэкологических проблем на основе нового динамико-вероятностного подхода к анализу механизма взвешивания твердых частиц с
учетом турбулентной структуры потока, апробированного в различных физико-географических условиях; новой методики измерения расходов влекомых наносов, основанной на пьезоэлектрической регистрации соударений движущихся твердых частиц с приемным устройством; новой классификации гранулометрического состава наносов во всем диапазоне возможных размеров частиц и созданной методики гранулометрического анализа наносов водных объектов в расширенном диапазоне размеров, предусматривающей дифференцированную оценку фракционного состава мелкофракционных частиц до 1 нм.
Предмет защиты. Система методов расчета и измерения параметров наносов во всем диапазоне возможных размеров частиц, встречающихся в реках, озерах и водохранилищах для решении широкого круга геоэкологических проблем.
Основные положения, выносимые на защиту.
Метод измерения транспорта влекомых наносов, основанный на
пьезоэлектрической регистрации соударений движущихся в потоке
частиц с помощью приемной системы и устройство, его реализующее.
Метод расчета транспорта наносов для водных объектов различных
физико-географических зон, основанный на динамико- вероятностной
модели их движения.
Расширенная классификация гранулометрического состава наносов водных объектов, включающая мелкофракционные частицы в наномасштабном диапазоне размеров.
Система выполнения измерений гранулометрического состава наносов во всем диапазоне возможных размеров, предусматривающая использование и стыковку стандартных механических и гидравлических методов с современными физическими методиками.
Усовершенствованные батометры для измерения расходов влекомых наносов, а также других параметров транспорта частиц.
Зависимости для оценки осредненных и пульсационных параметров турбулентного руслового потока, наиболее полно отражающие характеристики придонной зоны водотоков, проверенные в различных физико-географических условиях.
Оценка содержания частиц донных отложений и взвешенных наносов в нанометрическом диапазоне размеров для крупного водного объекта (на примере Ладожского озера).
Практическое значение работы. Полученные результаты необходимы для работ, связанных с организацией и выполнением мониторинга водных объектов для различных физико-географических условий в части оценки состояния их донных отложений, степени и генезиса загрязненности, измерения и расчета стока влекомых и взвешенных наносов.
Результаты данной работы использованы в предпроектных и исследовательских работах, связанных с оценкой качества воды источников водоснабжения, а также транспорта и отложения наносов водных объектов в
различных физико-географических районах (горных реках Киргизстана, Казахстана и Алтая, Ладожском озере и других), для обоснования проекта водоснабжения рудника Баренцбург (Западный Шпицберген); проектирования и строительства водохранилища для водоснабжения боксито- глиноземного комплекса Диан-Диан (Гвинейская Республика, Конакри); проектирования водохранилища гидроэлектростанции на р. Катунь (Алтай); выполнения ряда научно-исследовательских тем РАН.
Ряд результатов исследований и разработок автора использованы при
подготовке учебных пособий (например, в учебнике для студентов вузов
И.Ф.Карасева, А.В.Васильева, Е.С.Субботиной «Гидрометрия»,
Л.Гидрометеоиздат, 1991).
Апробация результатов исследований и публикации. Основные положения диссертации были представлены на заседании Президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН, научно-технического совета Северо-Западного отделения ФАВР, семинарах и Ученых советах Государственного гидрологического института, Института озероведения РАН, научно-технических советах Невско- Ладожского бассейнового водного управления, ГУЛ «Водоканал Санкт-Петербурга» и Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечения экологической безопасности администрации Санкт-Петербурга, а также научных конференциях и конгрессах :
-международных: «XVI Конференция придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства» (Кобленц, 1992), «Erosion and Sediment Transport Monitoring Programmers in River Basins» (Осло, 1992), 3rd Symposium "Quality and measurement of water resources" (St. Petersburg, 2005), «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий» (Архангельск, 2005), 6,7,8 9,10 и 11-тый Международный экологический форум «День Балтийского моря» (Санкт-Петербург, 2005,2006,2007,2008,2009,2010), 9-ая Международная конференция «Aquaterra» (Санкт-Петербург, 2006), Международная конференция «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Казань, 2009), «Эколого-географические исследования в Среднем Поволжье» Научно-практическая конференция (Казань, 2008) ,1 и II Международный конгресс «Чистая вода. Казань » (Казань, 2010, 2011), Международная научно-практическая конференция «Экологическое равновесие: Антропогенное вмешательство в круговорот воды в биосфере» (Санкт-Петербург, 2011). -всесоюзных: «V Всесоюзный гидрологический съезд» (Ленинград,1988), 4-ая Всесоюзная научная конференция «Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях» (Москва, 1987). -всероссийских: «Актуальные проблемы гидрометеорологии и контроля природной среды» (Ленинград, 1988), «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан» (Казань, 2003), «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Казань, 2005), Научно-практическая конференция «Теория и практика восстановления внутренних водоемов (Санкт-
Петербург, 2007), Всероссийская конференция с международным участием «Водные экосистемы: трофические уровни и проблемы поддержания биоразнообразия» (Вологда, 2008), Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 120-летию образования кафедры физической географии и этнографии в Казанском университете (Казань, 2008), «Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России» (Казань , 2008), «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования» (Калининград, 2011).
Личный вклад. Автором сформулированы идеи, осуществлена постановка и решение задач по исследованию параметров наносов во всем диапазоне размеров, встречающихся в водных объектах, проведены соответствующие научно-теоретические исследования по программам РАН. Осуществлена организация, руководство и непосредственное участие в геоэкологических и гидрологических исследованиях на водных объектах в различных физико-географических регионах на 3-континентах (Европе, Азии и Африке)- в Балтийском море (Невская губа, Восточная часть Финского залива), р. Неве, на Кавказе (р. Элегис, Салигет, Черная Арагви, Арпа), Заилийском, Киргизском, Кунгей и Терскей Алатау в Тянь-Шане (р. Каскелен, Тоссор, Кумбель, Ала-Арча, Талгар, Кашкасу, Карадарья), на Алтае (р. Катунь), Ладожском озере, в Гвинейской Республике (р. Когон), в Татарстане (отсеченная излучина р. Казанки), на острове Шпицберген (р.Улаф) и Валдайской возвышенности (р. Полометь). Выполнено руководство несколькими предпроектными изысканиями, связанными с темой диссертации.
По теме диссертации автором опубликована 72 работы, из них 1 коллективная монография и 16 статей в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 399 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4-х глав и заключения, списка цитируемой литературы. В тексте имеется 29 таблиц и 54 рисунка.
