Введение к работе
Актуальность темы. Формирование зажороз и заторов в процессах замерзания и вскрытия водотоков - опасное природное явление, характерное для большинства рек России. Скопления льда в,русле представляют серьезную опасность главным образом в связи с наводнениями, которые они вызывают. Подъем уровня воды при заторе достигает 3 + 5 м, а иногда - дане 10 м. Максимальные заторные уровни воды на Северной Двине, Енисее, Лене, Амуре и других роках превышают наивысшие уровни весенних половодий и дождевых паводков. Заторные и заторные наводнения особенно опасны тем, что сия имеют место в холодное время года, сопровождаются выходом льда на берега, который разрушает расположенные в пределах зоны затопления сооружения. Как правило, ущерб от зимних наводнений намного больше, чем от летних. Формирование замора часто приводит также к существенному снижению расхода воды ниже скопления шуги. При этом в результате обсыхания оголовков водозаборных сооружений прекращается водоснабжение промышленных предприятий и населенных пунктов, что накосит тоне определенный ущерб хозяйству страны. Следует заметить, что в некоторых случаях зажоры и заторы могут, быть полезными, например, если они обеспечивают обильное обводнение поймы и тем самым повышают урожайность пойменных'лугов.
Процесс образования скопления льда пока не поддается эффективному управлению. Поэтому при водохозяйственном строительстве на севере 21Р, территориях Сибири и Дальнего Востока важное значение приобретают вопросы расчета и прогноза зажорных и заторных явлений. Для решения этих вопросов необходимо хорошо знать механизм явления и причины его порождающие.
Состояние проблемы. Зажоры и заторы стали изучаться в начале XX века. К настоящему времени накоплено 'много данных о.причинах и условиях их образования. Вместе с тем, точность расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды пока невысока, что объясняется сложностью исслсдова-
ния процессов, протекающих в условиях переменного водного, теплового и ледового режима реки, и несоответствием действующей стационарной сети пунктов гидрометрических наблюдений на реках нуждам изучения зажоров и заторов. Существующие расчетные и прогностические решения не систематизированы. Многие различаются только по форме, а некоторые противоречат друг другу.
Ц ел ь и задачи исследования. Целью диссертации является решение актуальной с научной и практической точек зрения проблемы расчета и прогноза снижения водопропускной способности русел рек и наводнений, вызываемых зажорами и заторами. При этом основные задачи работы, тесно связанные между собой, сводились к следующему:
обобщению и систематизации накопленных знаний в области гидрологии зажорных и заторных явлений;
исследованию закономерностей процессов формирования и разрушения зажоров и заторов для выявления главных факторов этих процессов и их роли в тех или иных конкретных условиях;
- изучению условий и связей, предопределяющих развитие
зажорных и заторных явлений в процессах замерзания и вскры
тия рек; "'' ,'/:'-
- усовершенствованию на основе результатов исследований
существующих методов расчета и прогноза зажорных и заторных
уровней воды, а при невозможности этого, разработке новых
расчетных и прогностических решений на базе современных
представлений о процессах важоро- и эаторообразования.
Методика исследования. При изучении сложных многофакторных природных процессов, какими являются процессы зажоро- и эаторообразования, возникает необходимость сведения всего разнообразия явлений к немногим простым схемам, выявления общего и исключения деталей процесса, не имеющих существенного значения. Именно такой методический подход использован при решении задач, поставленных в диссертации. Его особенность состояла в комплексности выполненных разработок, включавших рассмотрение двух групп факторов, под воздействием которых происходят процессы зажоро- и эаторообразования: тепловых и механических.
-5.-
В основу исследований положено представление о стохастическом характере гидрологических процессов. Поэтому в работе, наряді' с изучением взаимосвязей гидрометеорологических и морфометрических показателей заторных и заторных явлений,использован аппарат математической статистики и теории вероятностей. Так, широко применялся корреляционный анализ с учетом динамической сущности физических процессов, происходящих, во льду и водном потоке в периоды замерзания и вскрытия рек.
Исходные материалы. Выполненные исследования проводились на основе данных наблюдений сети станций и постов Росгидромета, содержащихся в материалах Государственного' водного кадастра, метеорологических ежемесячниках v, климатических справочниках. Эти данные обрабатывались с помощью методов математической статистики. К решению поставленных задач привлекались также результаты теоретических разработок, имеющихся в отечественной и зарубежной литературе, материалы экспедиционных исследований и данные моделирования зажоров и авторов в лабораторных условиях. '
; Предметом защиты является реяение важной для гидрометеорологического обеспечения хозяйства страны проблемы расчета и прогноза опасных ледовых явлений - заяо-ров и заторов. На защиту выносятся методы расчета и прогноза и следующие теоретические положения:
образование зажоров.и заторов происходит при определенном соотношении механических характеристик ледяного материала и.расхода воды,.определяющего усилие со стороны водного потока;
зажориые и заторные уровни зависят от расхода воды, ледо- и водопропускной способности.и местоположения очага скопления льда относительно расчетного.створа, гидравлического сопротивления нижней поверхности скопления, его толщины
и длины; . '.'.'.
- <;вя'зь между уровнем'и расходом воды.'при зажоре и'заторе
имеет коррелятивный харнктер;
-распределение вероятностей превышения, зажорног'о или" за-
- б -
торного максимума уровня есть сочетание частот (распределений) его составляющих: уровня, обусловленного расходом води и зажорного (заторного) подъема уровня над ним;
расход води у верхней кромки скопления льда, помимо водних условий формирования стока, определяется ледовой обстановкой в речной сети;
главным резервом совершенствования методов расчета и прогноза зажорных уровней воды является учет местных морфо-метрических и ледовых условий формирования скоплений льда.
Научная новизна работы. Диссертация опирается в основном на результаты и выводы исследований, выполненных ранее В.П.Берденниковьм, С.Н.Булатовым, Я.Л.Гот-либом, Р.В.Донченко, И^Я.Лисером, Я.И.Марусенко, П.М.Мащуко-зым, Б.і'лшелем, Р.А.Некиховским, Д.Ф.Панфиловым, В.И.Сино-тиным, А.Н.Чижовым и Л.Г.іДуляковским. Высказанные перечисленными исследователями идеи нашли в данной работе свое дальнейшее развитие, а по ряду вопросов получены новые результаты:
- вкльлены закономерности развития зажорных и заторных
явлений, обусловленные гидрометеорологическими факторами,
и гидравлические особенности формирования зажоряых и заторных минимумов и максимумов уровня воды;
установлены расчетные зависимости для оценки зажорных и заторных уровней редкой повторяемости для неизученных в гидрологическом отношении участков рек;
обобщены и систематизированы методы прогноза наводнений, вызванных зажорами и заторами льда;
разработаны методы прогноза максимальных зажорных и заторных уровней воды в случае отсутствия данных многолетних гидрометрических наблюдений;
рассчитаны по данным сетевых и полевых наблюдений параметры теоретических моделей закоров и заторов для "широких" рек.
За время выполнения исследований отдельные стороны проблемы разработки методов расчета и прогноза зажорных и заторных явлений изучались и другими исследователями: Г.И.Болот-
никовым,, С.Д.Винниковым, №.А.Жуковой, В.Н.Карновичем, М.Г.Со-фером. В диссертации приводится ряд их выводов, что помогает сохранений целостности изложения и показу различия з исходных положениях и методике их анализа.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Решение задачи расчета значений зажорных и заторных, уровне"! воды заданной вероятности превышения повышает надетлость проектирования хозяйственных объектов на берегах рек. Разработанные методы расчета нашли применение в проектных организациях для обоснованного назначения расчетных отметок при строительстве дамб, мостов, причалов и прочих сооружений, в частности, с их помощью определены отметки мостовых переходов на Колве, Мге, Кнзер, Пур, 'Леще, Даугаве, Щучьей и ряде других рек. После выяснения границ применимо елі отих методов в проектных условиях их предполагается использовать при подготовке раздела "Наивысшие уровни" СНиПа по определения расчетных гидрологических характеристик новой редакции.
Методы прогноза наводнений, .обусловленных зажорами и заторами льда, разработаны автором диссертации в общей сложности для.28 участков 10 рек. Они внедрены в практику региональных управлений Росгидромета (Северного, Иркутского, Дальнего Зостока), а.также гидрометслужб Молдавии, Украины и Латвии. При этом составлен ряд удачных прогнозов значительных наводнений на Северной Двине (1979 р.), Печоре (1981 г.), Амуре (1986 Т.),'Днестре (1976 г,) и Даугаве (1980 г.). Методы рекомендованы для использования "Руководством по гидрологическим прогнозам". Опыт.прогнозов зажорных и заторных явлений показал, что' предупрездоние о начале и размерах этих явлений с заблаговременностыэ 3 +6 суток позволяет сократить убытки до 40 * 70?$, а самое главное, своевременно эвакуировать население-их опасных районов.
А п р о бац и я. р а.б о. т ы.- Результаты исследований докладывались и поучили одобрение на ІУ. и У гидрологических съездах (Ленинград,.. 1973-и 1986 гг.), Ученом, совете ГГИ . (1973,1975,197^^
"Расчет прочности ледяного покрова рек и водохранилищ" (Горький, 1974 г.), международном симпозиуме "Реки и лед" (Будапешт, 1974 г.). научно-техническом совещании "Ледо-термлческие явления и их учет при возведении и эксплуатации гидроузлов и гидротехнических сооружений" (Нарва, 1973 г.), научном совете по проблеме "Гидрология" (Ленинград, I9S5 г.)і Ні научной конференции по проблемам зодных ресурсов Дальневосточного экономического района' и Забайкалья (Владивосток, 1935 г.), научно-техническом совещании "Исследования влияния сооружении гидроузлов на ледовый и термический режимы рек и окружающую среду" (Дивногорск, 1969 г.), Ш конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей" (МоскЕа, 1989 г.), X конференции изыскателей Гидропроекта (Солнечногорск, 1990 г.), научно-техническом совещании "Ле~ дотермичоские аспекты экологии в гидроэнергетике" (С.-Петербург, 1593 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных статей, список которых приведен в заключительной части автореферата.
Объем и структура работы. В работе содержится 283 страниц машинописного, текста, включающего 43 таблиц и 33 рисунка. Список литературы насчитывает 262 источника, в том числе 30 иностранных.