Введение к работе
Актуальность темы. Жизнь и деятельность человека егда была тесно связана с реками л во многом зависят от іелого использования их ресурсов. С другой стороны, деловая тивностъ человека уже неоднократно приводила к гибели чных систем и превращению плодородных земель в пустыню.
В настоящее время свободных земель, пригодных для «зни, уже не осталось, а в обжитом мире в результате ятельности человека ежегодно гибнут десятки мелких и едних рек. Одна из причин такой печальной картины -сутствие необходимых знаний о физических процессах, «отекающих в реках.
Тесно связывая свою деятельность с реками, человек не лысо получает большие выгоды, используя их как источник ды, для сброса отходов, как дешевый транспорт, но терпит и льшие убытки от наводнений, паводковых размывов берегов к а, изменения русел рек, аварийных загрязнений воды.
Ежегодные громадные убытки заставляют правительства имулировать исследования процессов размыва русел и спространения примесей в реках. Однако, эти явления азались настолько сложны, что до сих пор не созданы ізические модели основных процессов.
Создание физических моделей процесса формирования ела является особо важным и при проведеюш сстановительных работ: восстановлении ландшафтов в ссейнах мелиорированных рек. В решении этой задачи шбки от использования эмпирических формул при расчетах иводят к наибольшему ущербу.
Процесс формігрования речного русла во многом ределяется образованием гряд на его дне и излучин рек . В зультате взаимодействия турбулентного открытого потока ды и не закрепленной поверхности дна, состоящей из скретных частиц, на дне образуются периодические формы -еды, высота которых бывает сравнима с глубиной потока.
В паводок речное русло образует еще одну почти риодическую структуру - излучины, часто имеющие четко раженный ггространственный масштаб , называемый шагом
излучин. Излучины рек иногда подвергаются частым переформированиям, а иногда остаются неизменными в течі длительного времени .
Регулярное изучение процесса грядообразовання и формирования излучин реї: начали вести с середины проїш века геологи, занятые поиском полезных ископаемых, гидротехники (судоходство и строительство сооружений на реках). В конце девятнадцатого века были опубликованы ра следующих исследователей: Hunt, 1882 CandoH,1893, Darvi 1883, Cornish, 1897 и др.
В конце прошлого и начале настоящего века появилиа первые работы, связывающие формирование песчаных гряр общим ходом руслового процесса. Это работы В.М.Лохтина , Н.С.Лелявского , Blasius. Первая экспериментальная работа Hahmann , посвящена определению количественной зависимости длины песчаных гряд от скорости и глубины потока, плотности и вязкости жидкости, плотности и размер частиц-К настоящему времени исследователями в различны странах были выполнены сотни экспериментальных и натур наблюдений, позволивших выяснить основные особенности образования гряд и излучин рек.
Существующие в настоящее время модели процесса грядообразовання можно условно разбить на следующие группы: турбулентные теории, связывающие возникновение гряд с пульсациями скорости, существующими в турбуленп потоке(М.А.Великанов, Н.А.Михайлова, КИ.Россинский, И.А.Кузьмин), вихревые теории, предполагающие наличие і потоке неподвижных вихрей, вращающихся как твердое тело(Н.Т.Повало-Щвешадвский, A.JPaudkivi,KB.rpnruarara), теории исследующие устойчивость двухфазного и однофазн noTOKa(CandolljLui Нзт-Киап,Снищенко Б.Ф.). Однако, ни од из предложенных теорий не включает все особенности проці грядообразовання и не позволяет рассчитать параметры гря известным характеристикам потока.
Наиболее известной теорией образования излучин рек является теория, связывающая возникновение излучин с
5 вкручиванием руслового потока силой Кориолиса впервые ыдвинутая Thomson J. Однако, многолетние натурные іаблюдения на реках Миссисипи и Миссури убедительно юказали, что такое поперечное течение не приводит к юперечноыу переносу донных наносов. Кроме того, до сих пор іа основе существующих теорий не удалось создать надежной іетодики расчета шага излучин рек, возникающих при аданном расходе воды. На практике для составления прогноза (спользуется статистический подход, основанный на анализе деформаций берегов реки за прошлые годы.
Цель работы. Основной целью настоящего исследования [вляется создание физической модели образования донных гряр ( потоке воды без стратификации плотности с открытой юверхностью при докритических и критических числах Фруда. «Іодель должна непосредственно включать все особенности іроцесса грядообразования, известные из экспериментов. Кроме того, целью настоящего исследования является издание физической модели образования речных излучин в іаводок. Одной из главных задач работы является получение на існове физической модели и результатов эксперименталыюго ісследования зависимости шага излучин рек от характеристик эечного потока.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней
-
Впервые показано, что гряды на дне открытых эусловых потоков образуются при воздействии стационарных волн - специфических волн с неподвижными гребнями, существующих в потоке, скорость которых меняется вдоль по течению.
-
Впервые проведено экспериментальное исследование їєлинєйньіх стационарных воли в потоке, скорость которого меняется вдоль по течению, с размываемым и плоским закрепленным дном для докритических и критических чисел Фруда.
-
Впервые показано, что при критических числах 3>руда в стационарном потоке, скорость которого меняется
вдоль по течению, происходит возбуждение нелинейны воли похожих на солитопы, движущихся вверх по течению, формирующих на размываемом дне гряды, известные как анти-дюны.
-
Впервые показано, что на гребнях стационарны}: в большой крутизны в области сильной дисперсии происходит возбуждение нелинейных солитоноподобны волн, движущихся вверх по течению, связанное с взаимодействием близких мод стационарных волн, существующих в одной области потока.
-
Впервые показано, что при докритических числах Фруда существует диапазон значений крутизны стационарных волн, в котором они неустойчивы к трехмерным возмущениям, а также, диапазон, в которо появляется генерация второй гармоники.
-
Впервые показано, что при воздействии стационар: волн на поток в зоне торможения перед гребнем волны происходит образование вихря с горизонтальной осью. Получены условия отрыва вихря, его характеристики, модель движения вихря с захваченными донными частицами.
-
Впервые показано, что вихрь с горизонтальной осы может без потерь удерживать частицы дна, если утлова скорость вращения превышает некоторую критическую величину, определяемую размером и плотностью частлг
8 Впервые показано, что происходит усиление стационарной волны на образованной донной гряде: вол и гряда представляют собой систему с положительной обратной связью. При достижении предельного зиачени; крутизны волны и распада плоской волны на длинные трехмерные волны происходит формирование; трехмерн гряд той же длины.
9. Впервые показано, что при паводковых расходах 50ды, формирующих излучины рек, длины трехмерных !олн и гряд на порядок и более превышают глубину ютока, а высота этих гряд сопоставима с глубиной потока s межень. После спада воды поток обтекает эти гряды, ібразуя излучины. Шаг излучин определяет зависимость (лины трехмерной волны от числа Фруда, полученная в эксперименте..
Практическая цегщость диссертации состоит в том, что іазработанная физическая модель образования донных гряд и ієчньтх излучин связывает основные параметры гряд и излучин параметрами потока. Найденные зависимости проверены на :атурном материале. Это позволяет использовать полученный іеханизм образования гряд и излучин рек в методшсах рогноза русловых деформаций в паводок и в межень.
Б работе исследован процесс размыва дна в потоках, корость которых уменьшается вдоль по течению. Физический іеханизм размыва дна вихрями, отрывающихся от дна в таких отоках, можно использовать в методиках прогноза размыва на и берегов рек, опор гидросооружетшй.
Полученная модель движения цилиндрических вихрей в отоке со сдвигом скорости позволяет учесть влияние вихрей на роцесс перемешивания в практических расчетах.
Апробация работы.
Результаты работы пять раз докладывались на 'омоносовских чтениях физического факультета МГУ, на сесоюзной конференции "Исследование русловых процессов ля практики народного хозяйства" (Москва, 1933г.), на второй сесоюзной конференции "Динамика и терыика рек, одохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984г.), на всесоюзной онференпии "Эрозиошю-аккумулятивные процессы" (Москва, 985г.), на четвертой всесоюзной конференции "Закономерности роявления эрозионных и русловых процессов в различных риродных условиях" (Москва, 1987г.), на третьей всесоюзной энференции "Вихри и турбулентность в океане" (Светлогорск,
8 1990г.), на всесоюзной конференции "Проблемы слратифїіцированньїх течений" (Канев, 1991г.), на семинаре сектора проблем астрофизики теоротдела физического института АН в 1989 и 1991 годах, на четвертой школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1992г.), на международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993г.), на четверте всеросийской школе семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово, 1994г.), на IY-ой конференции "Динамика и термика рек, водохрашілищ, внутренних и окраинных морей" (Москва, 1994г.), на совещан по численным методам в задачах волновой гидродинамики в рамках программы мероприятий "Вычислительные технолог»] 94" СО РАН (Новосибирск, 1994г.) на международном симпозиуме "Встреча стран востока и запада, севера и юга д обсуждения состояния знаний в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснования проектирования і реках (С-Петербург, 1994).
Список основных публикаций по теме диссертации включает 30 наименований.
Структура работы.