Введение к работе
Актуальность темы.
Наиболее полное и разумное использование природных ресурсов при обязательном соблюдении основных принципов устойчивого развития человечества является одной из существенных проблем нашего времени. Сказанное в полной мере относится и к многообразным формам использования речной сети. Особенность этой проблемы заключается в том, что являясь объектом неживой природы, река постоянно находится в непрерывном движении, подчиняясь при этом объективным законам руслоформировання. Именно эти законы определяют структуру и динамику морфологического строения речных русел и пойм, т.е. того, что современные гидрологическая и геоморфологическая науки понимают под термином "русловые процессы".
Гидроморфологическая теория руслового процесса постулирует, что внутренним содержанием руслового процесса является транспорт наносов, который при этом происходит в дискретной форме. Сложно организованная иерархическая совокупность дискретных форм транспорта наносов различных структурных уровней и определяет общий морфологический облик русла реки и ее поймы, а динамика этих форм - изменения внешнего облика реки.
Одним из четырех структурных уровнен форм транспорта наносов является структурный уровень мезоформ, одним из видов которых являются побочни.
В силу того, что побочни имеют геометрические размеры, сопоставимые с общими размерами русел рек, влияние этих морфологических элементов на осредненную кинематическую структуру потока, особенно меженного, очень велико. Столь же велико влияние системы побочней при побочневом типе руслового процесса на циклические вертикальные деформации русел рек в каждом створе при перемещении всей системы побочней вниз по течению.
Многолетние наблюдения и исследования отечественных и зарубежных инженеров-путейцев и научных работников за динамикой многорукавных русел, в которых формы транспорта наносов одновременно представлены несколькими структурными уровнями, выявили ключевую роль побочней в динамике этих русел (В.В. Ромашин). Многие авторы рассматривают появление побочней в руслах рек как первый этап процесса меандрирова-ння рек (M.N.R. Jaeggi, N. Sukegawa), ряд авторов.указывают на ключевую роль побочней в процессе формирования русел основных трех типов: меандрирующих, разветвленных и периодически расширяющихся (К.И.РЬссинскин, И.А. Кузьмин, К.В. Гришанин).
Столь многообразная и существенная роль побочней в естественной сложно организованной системе руслоформировання обусловливает важность и необходимость учета динамики побочней при проектировании и эксплуатации практически всех пассивных и ак-
тивных инженерных сооружений второй категории (Б.Ф. Снищенко), располагаемых в руслах рек.
Не менее значима проблема генезиса и динамики побочней при изучении форм и путей миграции загрязненных донных наносов в руслах рек, а также проблема оценки скорости выноса этих наносов в составе дискретных донных форм на устьевые участки.
Современное активное освоение русел и пойм рек в развитых и активно развивающихся странах требует зачастую значительного преобразования естественного облика русел и пойм рек. Многообразная система способов регулирования судовых ходов, спрямление излучин, обвалование пойменных массивов и русел рек на урбанизированных участках, противопаводковые системы и т.д. - требуют при проектировании обязательной оценки возможности появления мезоформ в руслах рек и расчета их геометрических и динамических параметров. Проектирование оросительных каналов и каналов переброски стока также требует прогноза форм транспорта донных наносов в них и, особенно, мезоформ, которые фактически определяют устойчивость каналов и их пропускную способность, т.е. основные экономические показатели каналов.
Еще одной проблемой, требующей знания генезиса и динамики побочней, является возрастающая проблема восстановления и рекультивации русел рек и воссоздания целых речных систем, а также проблема перестройки речных систем под влиянием климатических изменений водного режима рек.
Таким образом важная роль побочней в процессах руслоформирования рек и каналов обусловливает необходимость глубоких и всесторонних исследований генезиса и динамики побочней для многих аспектов человеческой деятельности в процессе цивилизованного и бережного освоения русел и пойм реки «улучшения среды обитания человека. Цель работы
Основной целью представляемой диссертационной работы является исследование генезиса побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, выявление возможных причин зарождения побочней и установление критериальной зависимости для условий их зарождения.
Кроме того целью проведения указанных исследований является получение детального описания процесса зарождения побочневого типа руслового процесса при различных гидравлических условиях, разработка способов расчета геометрических и динамических параметров побочней, выявление особенностей режима транспорта донных наносов при побочневом типе и экспериментальное установление степени влияния развивающихся и динамически устойчивых побочней на гидравлические характеристики потока. Методика проведения исследований
Настоящее исследование было ориентировано на постановку серии лабораторных экспериментов по воспроизведению побочневого типа руслового процесса на крупных экспериментальных установках, в ходе которых поток должен был сформировать динамически устойчивые побочнн в определенных гидравлических условиях.
При этом для обеспечения достоверности результатов методология и методика проведения указанных экспериментов должна была соответствовать принципам и постулатам гндроморфологнческой теории руслового процесса.
Основные серии экспериментальных исследований проводились в русловой лаборатории отдела русловых процессов Государственного гидрологического института в четырех прямолинейных 90 метровых лотках с жесткими неразмываемыми берегами и подвижным песчаным дном. Кроме того в работе использованы результаты экспериментов, поставленных в Англии в Воллингфордской гидравлической лаборатории (HR Wallingford) на гидравлической установке с переменным уклоном длиной 19 метров, в проведении которых принимал участие автор при финансовой поддержке фондов ЕС (Funds from the Human Capital and Mobility Programme of the European Union). Нлучнля новизна результатов
-
Впервые в лабораторных условиях при различных гидравлических условиях был получен "классический" динамически устойчивый побочневый тип руслового процесса, характерный для равнинных рек с песчаным дном, при котором транспорт наносов происходит в условиях взаимодействия донных форм двух структурных уровней: микро- и мезоформ.
-
При этом экспериментально было установлено следующее:
зарождение системы динамически устойчивых побочней в прямолинейном русле происходит в силу внутренних свойств кинематической структуры прямолинейного потока, взаимодействующего с подвижным грядовым дном, без какого-либо внешнего постоянного или кратковременного возмущения (искривления) потока;
зарождение в прямолинейном русле побочней, расположенных в шахматном порядке, т.е. у противоположных берегов, происходит без каких-либо чередующихся локальных размывов берегов и без какого-либо значимого бокового переноса донных наносов;
неустановившийся и неравномерный режим движения воды не является обязательным условием зарождения побочней;
неравномерный режим поступления руслоформирующнх наносов на участок реки не является обязательным условием зарождения побочней.
-
Получено детальное описание стадийного процесса зарождения побочней в прямолинейном равномерном потоке с неразмываемыми берегами.
-
Получены фактические экспериментальные данные об осреднениой кинематической структуре потока на разных стадиях формирования побочней, в том числе и в первоначальном потоке. Осредненная кинематическая структура первоначального потока, который в последующем сформировал динамически устойчивые побочни, была сопоставлена с кинематической структурой потока при тех же гидравлических условиях (кроме ширины потока), в котором динамически устойчивой формой транспорта наносов были микроформы.
-
На основе фактических экспериментальных данных выдвинута гипотеза об основных причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.
-
Предложена критериальная зависимость для условий зарождения побочнсвого типа руслового процесса.
-
Установлены некоторые характерные черты режима транспорт донных наносов на двух структурных уровнях (уровень микро- и мезоформ) при побочневом типе руслового процесса в активной фазе движения побочней, а также некоторые формы взаимовлияния микро- и мезоформ в процессе формирования побочней (формы саморегулирования системы донных форм).
-
Предложены эмпирические зависимости для расчета геометрических параметров побочней (высоты и крутизны побочней), а также проведена экспериментальная проверка метода расчета скорости движения побочней, предложенного ранее З.Д. Копалиани.
-
Выявлена степень влияния побочней на общие гидравлические сопротивления потоку при их формировании в условиях взаимодействия с микроформами и предложена зависимость, позволяющая оценить долю гидравлических сопротивлений, вкладываемую побочнями в общее гидравлическое сопротивление русла, в котором транспорт наносов осуществляется в виде микро- и мезоформ.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально установленные характерные черты кинематической структуры потока и режима транспорта донных наносов при побочневом типе руслового процесса.
Экспериментально обоснованная гипотеза о причинах зарождения побочней в прямолинейных руслах.
Экспериментально установленные условия и критериальная зависимость зарождения побочней в прямолинейных руслах с неразмываемыми берегами.
Эмпирические расчетные зависимости для расчета высоты и крутизны динамически устойчивых побочней.
Экспериментально установленные способы саморегулирования системы микро- и мезоформ речного русла в процессе зарождения и формирования побочней и влияние этой системы донных форм на общие гидравлические сопротивления потоку и эмпирическая расчетная зависимость для оценки доли гидравлических сопротивлений, которую вносят побочны в общие гидравлические сопротивления русел рек при транспорте наносов в них в виде системы мезоформ с микроформамн на их поверхности.
Практическое использование полученных результатов
Основные результаты исследований были опубликованы в 6 научных работах и были доложены на научных семинарах отдела русловых процессов II И при рассмотрении результатов работ по бюджетным темам, на научном семинаре Воллингфордской гидравлической лаборатории (1996 г.) и на Итоговой сессии Ученого Совета ГГИ (2000 г.). Кроме того результаты работ докладывались на Всесоюзной научной конференции в МГУ (1983
г.), на Втором Всесоюзном научном совещании в Новосибирске (1987 г.) и на V Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежных морей" (ИВП, 1999 г.).
Результаты диссертационной работы были использованы в отделе русловых процессов 11 И при выполнении следующих научно-исследовательских тем:
тема Ш.23.а.19 плана Росгидромета и О.85.06.ОЗ.О2.Д1 плана ГКНТ на 1981-1985 гг. "Разработать рекомендации по учету факторов руслового процесса при оценке устойчивости каналов переброски стока";
тема ІП.І плана Росгидромета на 1985-1990 гг. "Разработка методов прогноза и расчета деформаций речных русел и пойм с целью разработки рекомендаций по их учету при проектировании инженерных и защитных сооружений";
тема 1.1.5.11 плана Росгидромета на 1996-98 гт "Прогнозы, расчет и учет руслового процесса в условиях интенсивного хозяйственного использования речных водосборов, русел и пойм рек."
тема 1.1.5.6 плана Росгидромета на 1999-2000 гг. "Развитие методов прогноза и расчета руслового процесса для обеспечения экономики, мониторинга и охраны речных систем".
Полученные в ходе выполнения настоящей работы результаты проясняют некоторые аспекты механизма процессов руслоформирования на структурном уровне мезоформ и позволяют с достаточной степенью надежности прогнозировать возможность зарождения по-бочней и оценивать геометрические и динамические параметры побочней при реконструкции существующих или при проектировании новых русел рек и каналов.
Структура и объем диссертации