Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы исследования движения донных наносов 8
1.1 Образование речных наносов и факторы их обуславливающие.. 8
1.2 Механические характеристики грунтов и наносов 14
1.3 Гидравлические характеристики грунтов и наносов. Гидравлическая крупность 17
1.4 Критические скорости сдвига и срыва зерен на дне потока. Условия устойчивости зерен на дне 18
1.5 Движение речных наносов 20
1.6 Классификация донных гряд 29
1.7 Формирование донных гряд 38
2 Формулы для расчета расходов донных наносов 45
2.1 Оценка эффективности расчетных методик и формул для определения расходов донных наносов 57
2.2 Краткий анализ основных причин неудовлетворительного состояния проблемы расчета расхода донных наносов в реках 62
3 Влияние пойм на пропускную способность и сопротивления русел. Регулирование паводочного стока поймами 66
3.1 Взаимодействие руслового и пойменного потоков 66
3.1.1 Общие положения 66
3.1.2 Классификация пойм 69
3.2 Морфология пойм 71
3.2.1 Плановые морфометрические характеристики пойм и закономерности их изменения по длине рек 73 Стр.
3.2.2 Высотные характеристики пойм и связь их с паводочными уровнями 75
3.2.3 Частота и продолжительность затопления пойм 76
3.2.4 Виды деформаций речных пойм и их классификации 77
3.2.5 Роль поймы в руслоформировании
3.3 Аккумуляция наносов и эрозия на поймах 79
3.4 История исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков 80
3.5 Типизация процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков 82
3.6 Методы расчёта пропускной способности русл с поймами 90
3.7 Трансформация полей скоростей русловых и пойменных потоков при их взаимодействии 93
3.8 Сопротивление движению русловых потоков при их взаимодействии с потоками поймы 96
3.9 Влияние руслового потока на пропускную способность, гидравлические сопротивления и скоростное поле пойменного отока
4 Воздействие эффекта взаимодействия руслового и пойменных потоков на транспорт наносов русловым потоком
4.1 Натурные исследования по проблеме воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового
4.2 Экспериментальные исследования по проблеме влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспортирующую способность руслового потока
4.3 Экспериментальные исследования с 2006 по 2007 гг. Анализ ихрезультатов 119
4.3.1 Общие положения Стр.
4.3.2 Экспериментальная установка 121
4.3.3 Методика проведения экспериментов 125
4.3.4 Результаты экспериментальных исследований стока донных наносов 126
4.4 Оценка формул для расчетов расходов донных наносов (на основе экспериментальных данных) 136
Заключение 139
Список использованных источников
- Механические характеристики грунтов и наносов
- Плановые морфометрические характеристики пойм и закономерности их изменения по длине рек
- Аккумуляция наносов и эрозия на поймах
- Экспериментальные исследования с 2006 по 2007 гг. Анализ ихрезультатов
Введение к работе
Актуальность темы. Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений (мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений), обеспечения судоходства и водохозяйственных мероприятий. В то же время расходы донных наносов на сети Росгидромета не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.
Анализ около 200 формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они в большинстве своем получены на основе данных экспериментов, выполненных в лотках прямоугольного сечения, и являются эффективными для естественных водотоков только в узком диапазоне изменений гидравлических характеристик речных потоков и морфологических характеристик русел. Погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.
Известно, что основной сток донных наносов происходит в периоды высоких паводков и половодий. Учитывая, что на территории России большинство рек относятся к равнинному типу, высокие паводки и половодья обычно проходят по затопленным поймам, при этом наблюдается эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков. Последний, в основном трудами отечественных ученых (Г.В. Железняков, В.Н. Гончаров и др.), был вскрыт в середине 50-х годов прошлого века, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность руслового потока. Решение этой проблемы, имеющей большое научное и практическое значение, является основной целью данной работы.
Цели и задачи исследования. Вскрытие закономерностей воздействия эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов русловым потоком. Оценка возможности применения существующих формул и методов для расчетов расходов донных наносов в периоды пропуска паводков и половодий по затопленным поймам.
Разработка методики учета эффекта взаимодействия руслового и пойменных потоков при расчетах расходов донных наносов. Анализ результатов натурных исследований по изучению движения наносов.
Методика исследования и исходные материалы. Для решения поставленных задач в лаборатории Водных исследований при кафедре гидрометрии, РГГМУ была смонтирована жесткая модель прямоугольного русла с поймой. На этой модели проводились эксперименты по изучению влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов.
Эксперименты проводились по разработанной в РГГМУ методике. Суть этой методики заключается в сравнении результатов измерений полученных как в изолированном от пойменного русловом потоке, так и при взаимодействии потоков. Это позволяет выявить влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков не только на гидравлические характеристики руслового потока, но и на его транспортирующую спо-
собность. Эксперименты выполнялись при расхождении динамических осей взаимодействующих потоков под углами равными 5,10,15,20.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые экспериментальным методом был вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового при расхождении их динамических осей.
Определено превалирующее влияние особенностей морфологического строения русла и поймы на расчетном участке на транспортирующую способность руслового потока при пропуске высоких паводков и половодий по затопленной пойме.
Установлено, что во всех исследованных в работе формулах для расчета расходов донных наносов не учитывается влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков. Рекомендовано введение в расчетные формулы поправочных коэффициентов, основанных на учете этого эффекта с помощью угла между динамическими осями взаимодействующих потоков, а также глубин затопления и шероховатости пойм.
Выполненные исследования позволяют уточнить величину стока наносов в паво-дочный период.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 5 и 6 - ом семинарах молодых ученых ВУЗов, объединяемых Советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов; на 10-ом международном симпозиуме по речным наносам в МГУ им. М.В. Ломоносова; на XXX Пленуме Геоморфологической комиссии РАН в СПбГУ; на третьем Украинско-польско-русском семинаре по проблеме эрозионно - аккумулятивных процессов в речных системах, в Львовском государственном университете; на итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ; на XX (г. Ульяновск), XXI (г.Чебоксары), XXII (г. Новочеркасск) и XXIII (г. Калуга) пленарных межвузовских координационных совещаниях по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов; на межвузовской конференции факультета географии РГПУ им. А.И. Герцена (LX Герценовские чтения); на Всероссийском конкурсе по естественным наукам учащейся молодежи высших учебных заведений Российской Федерации в г. Саратове.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 130 источников и 5 приложений. Работа изложена на 158 страницах текста, включая 27 рисунков и 2 таблицы.
Механические характеристики грунтов и наносов
Физическое выветривание усиливается с высотой местности особенно интенсивно оно проявляется в горных условиях, отличающихся резко выраженными суточными изменениями температуры, благодаря прозрачности атмосферы и активности солнечной радиации. Разрушению пород сильно способствует также морозное выветривание, проявляющееся в том, что в образовавшиеся при физическом выветривании трещины попадает вода, которая при замерзании расширяется и разрывает породу [7].
К процессам выветривания относятся также механическое разрушение и распыление почвенных агрегатов.
В отличие от физического выветривания, роль химического выветривания усиливается по мере измельчания материала, т. е. с увеличением площади обмываемой водой поверхности, а также с повышением температуры, активизирующей процесс химической реакции. Поэтому химическое выветривание протекает более интенсивно во влажном и теплом климате. Вымывание из пород химически растворимых солей вызывает распад пород на более мелкие части их выщелачивание и разрыхление почв.
Процессы выветривания в сильной степени зависят от литологического состава пород и структуры почв. Изверженные породы благодаря наличию цементирующего вещества, связывающего зерна породы, наиболее устойчивы в отношении выветривания по сравнению с осадочными породами. Например, менее подвержены выветриванию граниты, базальты, диабазы, диориты. Легко подвергаются, химическому выветриванию известняки, мергеля, доломиты; физическое же выветривание в этих породах в основном происходит на крутых склонах. Наоборот, инертны к химическому выветриванию глинистые сланцы, но легко поддаются физическому выветриванию; интенсивно протекает физическое выветривание и в гнейсах благодаря наличию в них плоской слоистости. Сильно подвержены физическому выветриванию песчаники и конгломераты, распадающиеся при этом на крупные глыбы, а затем на слагающие их песок и гальку. В результате распада гранитов образуются кварцевый песок и глина; от разрушения глинистых сланцев - плитки, щебенка и илы; от разрушения известняков, мергелей и доломитов - мелкий обломочный материал. Денудация.
Процессом денудации называют перемещение продуктов выветривания от места их образования вниз по склону; при этом движущей силой является сила тяжести. Отсюда следует, что интенсивность процессов денудации увеличивается с увеличением крутизны склонов и уменьшением сопротивления движению масс. Максимальный угол откоса, при котором рыхлый обломочный материал может удержаться на склоне, изменяется от 25 до 50, а в увлажненном состоянии от 15 до 35.
В зависимости от структуры образовавшегося при выветривании материала, его влажности и характера движения различают следующие виды денудации: обвалы, осыпи, оползни, оплывины и покровное сползание.
Обвалы представляют собой обрушение на крутых склонах коренных пород и грунта, как правило, сопровождающееся их опрокидыванием. Обвалы образуются в результате выветривания и подмыва склонов гор, берегов рек и бровок оврагов.
Осыпи характеризуются перемещением по склону масс грунта, состоящего из отдельных, несвязанных между собой обломков породы. Осыпание рыхлого материала характерно для крутых скалистых склонов и приурочено к отдельным, наиболее пониженным местам, образующим так называемые тальвеги осыпей.
Оползни, в отличие от осыпей, представляют собой сплошную массу делювия, перемещающуюся скольжением по поверхности, подстилающей делювий коренной породы. Уменьшению трения перемещающейся массы способствуют просачивающиеся атмосферные осадки, которые увеличивают также вес массы делювия.
Оплывины образуются при наличии насыщенного водой делювия, обычно в нижней части оползня. Лежащий по склону делювий пропитывается водой и, будучи не в состоянии задержать оползень, сам вовлекается в движение в виде густой грязи с тем или иным содержанием каменистого материала.
Покровное скольжение представляет собой медленное перемещение по склону толщ делювия под влиянием оттаивания слагающих его масс.
Передвижение продуктов выветривания горных пород по склонам может происходить под воздействием снежных лавин и нередко в результате землетрясений, сопровождающихся большими осыпями, обвалами, оползнями и оплывинами.
В период интенсивного снеготаяния наблюдается также сползание по замерзшему грунту склонов оттаявших поверхностных слоев почвы.
В горной местности при большой крутизне склонов процессы денудации протекают исключительно интенсивно и продукты разрушения горных пород, не задерживаясь на склонах, обычно отлагаются у их подножья, на дне долин и в руслах рек, представляя собой готовый материал для формирования речных наносов. Аналогичные явления денудации протекают одновременно с эрозией при размывах и обрушении отвесных склонов оврагов и берегов рек.
Процессом эрозии называют разрушающее действие ветра и воды на почву и подстилающие ее породы и перенос продуктов разрушения с одного места на другое.
Процесс отложений принесенного ветром или водой материала называют аккумуляцией. В зависимости от действующего фактора эрозия делится на ветровую (дефляцию) и водную.
Ветровая эрозия, или дефляция, проявляется в разрушении с поверхности почв и переносе мелкозема с более подверженных воздействию ветра площадей в более пониженные, защищенные от ветра участки. Ветровая эрозия имеет широкое распространение и приносит огромный ущерб сельскому хозяйству в степных засушливых и полузасушливых районах Казахстана, Средней Азии, на юго-востоке Европейской территории России и в Западной Сибири. В районах, подверженных суховеям и сильным ветрам, при наличии песчаных и супесчаных почв ветровая эрозия принимает угрожающие размеры, вызывая так называемые «черные бури» и «пыльные метели», сносящие поверхностные слои почв, после чего на поверхности земли остаются замощенные гравелисто-галечными наносами огромные пространства. В пустынных степях Средней Азии и Казахстана ветры перевевают песчаные барханы и вместе с восходящими течениями нагретых приземных слоев воздуха в верхние слои атмосферы уносят мельчайшие частицы пыли, образующие «сухую мглу», которая застилает небосклон на необъятных, выжженных солнцем пространствах. Насыщенные пылью воздушные массы, встречая на своем пути горные преграды, охлаждаются. Находящийся в воздухе водяной пар конденсируется и в виде осадков вместе с пылью выпадает на склонах гор, откуда пыль с поверхностным стоком воды попадает в реки. Обогащение рек эоловыми песками происходит также от подступающих к берегам рек барханов [8].
Плановые морфометрические характеристики пойм и закономерности их изменения по длине рек
Однако большинство методов и формул для расчетов расходов донных наносов (перемещаемых в безгрядной фазе), применяемые в России, практически ограничиваются четырьмя первыми группами.
Применимость формул транспортирующей способности потока для расчёта фактического расхода наносов обосновывается следующими соображениями. Транспорт наносов и русловые деформации по существу являются двумя сторонами одного процесса. В основе русловых деформаций лежит взаимодействие потока и русла, выражающееся как в виде их динамического взаимодействия, так и в виде взаимообмена потока и русла наносами, т.е. постоянно наблюдающегося осаждения и смыва наносов с поверхности русла. Таким образом, русловые деформации представляются проявлением эрозион-но-аккумулятивных процессов в русле и на пойме реки. При нарушении баланса взаимообмена наносами процесс деформации приобретает однонаправленный характер, т.е. наблюдается либо заиление, либо размыв русла. Такого рода деформации существенным образом изменяют гидравлические элементы потока, что приводит в действие обратные связи. В результате постепенно уменьшается интенсивность одностороннего процесса деформации, и в конечном итоге он затухает. Помимо приведенных выше формул имеется ряд методов и формул для оценки транспортирующей способности. Одной из наиболее часто применяемых в практике расчётов является зависимость Е.А. Замарина [62]. Имеет и практическое применение зависимость, предложенная А.Н. Гостунским [63], которая основывается на оценке работы сил взвешивания наносов в русловом потоке. А.В. Караушевым [27] также предложена эмпирическая зависимость для расчета транспортирующей способности потоков.
В четвертой группе формул определение расхода наносов осуществляется на основе статистического анализа движения отдельных частиц.
Анализ приведенных выше формул для расчета расходов наносов, полученных различными способами, показывает, что большинство из них может быть приведено к одному расчетному виду gB =f(i//vK), что свидетельствует о достоверности предпосылок, положенных в основу их вывода.
Как уже отмечалось, авторы, как правило, не указывают для какого вида перемещения наносов следует применять полученные ими формулы. В то же время донногрядовая фаза перемещения наносов существенно отличается от их перемещения качением, влечением или сальтацией. Поэтому для расчетов расходов наносов, перемещающихся в донногрядовой фазе, обычно применяются методики расчетов существенно отличающиеся от приведенных выше. Например, простейшая формула вида:
З.Д. Копалиани и А.А. Костюченко [59], производя анализ методов расчетов расходов донных наносов, пришли к выводу, что практически все методики и формулы либо недостаточно надежны, либо применимы в ограниченном диапазоне изменения гидравлических характеристик потока и морфомет-рических параметров русла.
Далее, они на основе натурной информации по р. Полометь, ряду рек Северного Кавказа, а также данных измерений в лотках выполнили оценку различных формул.
При этом исходная информация была разделена на пять серий, в которых использованы различные данные: - для структурного транспорта донных наносов (I серия); - для бесструктурного транспорта донных наносов (II серия); - для малой равнинной реки Полометь (III серия); - для предгорной реки Лабы (IV серия); - для лотковых данных экспериментов с крупными наносами (V серия). Для каждой серии исходных данных были проведены расчеты транспортирующей способности потоков по группам формул, соответствующих условиям натурных или лабораторных экспериментов, и рекомендованы те из них, результаты расчетов по которым оказались в наилучшем совпадении с натурными данными.
Не останавливаясь на перечислении всех этих формул, а их около 20, отметим лишь, что авторы отдают предпочтение формуле Снищенко Копалиани (2.25) для условий грядового режима перемещения наносов. Для подтверждения своей концепции они приводят расчетный график (рисунок 2.2), на котором приведена связь расчетных и измеренных расходов донных наносов Так как формула Снищенко-Копалиани [34] получена для условий динамического состояния гряд установившегося профиля, хорошие результаты расчетов по ней могут быть получены для всего диапазона высоких концентраций донных наносов (см. рисунок 2.2).
В качестве исходной была использована информация по грядовому режиму перемещения наносов, полученная при измерениях на реках: Волга, Терек, Туапсе, Мзымта и другим малым рекам Кавказского побережья Черного моря.
Как видно на рисунке, четкая зависимость наблюдается до значений расходов донных наносов (на единицу ширины потока) примерно равных lO V/c.
Результаты сравнения измеренных и расчетных значений по формуле ГГИ расходов влекомых наносов. При использовании этой информации необходимо учитывать фактор релаксации, т.е. запаздывания процесса переформирования гряд от изменения гидравлических характеристик потока, что существенно затрудняет её использование. Действительно, не ясно, что с чем сравнивать.
Аккумуляция наносов и эрозия на поймах
В то же время положение расчётных кривых зависимости для русловой части потока для условий параллельности его динамической оси, оси пойменного потока вполне справедливо было уточнено Е.В. Польциной рисунок 3.3 [55, 101 и др.]. По - видимому, нуждается в дальнейшем уточнении и положение расчётных кривых, для пойменной составляющей потока. Однако в настоящее время данное направление исследований нельзя признать перспективным из-за низкой точности и высокой стоимости натурных данных, в частности, в подразделениях Росгидромета.
Необходимость исследования трансформации полей скоростей в данной работе обусловлена тем, что в формулах для расчетов расходов донных наносов, анализ которых приведен во второй главе, в качестве основного фактора используется средняя скорость потока, тем самым считается, что между донной и средней скоростями имеются определенные соотношения, в частности, определенным логарифмическим законом. В то же время под влиянием пойменного потока это соотношение скоростей существенно нарушается, что негативно отражается на результатах расчетов расходов донных наносов в русловом потоке. С учетом этого замечания и выполнен анализ трансформации полей скоростей руслового потока под влиянием пойменного.
Перейдем к рассмотрению трансформации полей скоростей русловых и пойменных потоков. При первом типе взаимодействия потоков наблюдается уменьшение скоростей и смещение их максимума в сторону, противоположную односторонней пойме, рисунок 3.4. В то же время в прирусловых отсеках пойменных потоков отмечается небольшое увеличение скоростей на участке шириной, примерно равной ширине русла. I - изолированные русло и поймы; II - первый тип взаимодействия потоков; III и Ша - перетекание из пойм в русло; IV и IVa - перетекание из русла в поймы [49]. Рисунок 3.4. Поля скоростей потоков в руслах с поймами при различных типах взаимодействия (по данным экспериментов при кр=9см).
Существенно отличная картина наблюдается при втором типе взаимодействия потоков. Скорости в русловой его части увеличиваются. Степень этого увеличения пропорциональна величине угла а. До выхода воды на пойму наблюдается постепенное увеличение местных, максимальных и средних на вертикалях скоростей. После выхода на пойму градиенты скоростей резко увеличивались. Действительно, при увеличении уровней воды от 526 до 660 см (р.Пьяна у пос.Камкино (а=45)), средние и максимальные скорости руслового потока увеличились почти в 2 раза (например, средние от 0.61 до 1.08 м/с).
Скорости пойменного потока под влиянием руслового обычно увеличиваются. Ширина зоны воздействия руслового потока на скоростное поле пойменного зависит от ряда факторов, в частности, от угла а, соотношения ширин русла и поймы, мощности паводка и др.
При третьем типе взаимодействия потоков наблюдается торможение руслового потока пойменным, что приводит к уменьшению его скоростей. Величина этого уменьшения пропорциональна величине угла а.
Необходимо отметить, что ширина зоны торможения руслового потока пойменным зависит от мощности паводка, соотношения ширин поймы и русла и ряда других факторов. Русловой поток не оказывает существенного влияния на поле скоростей пойменного при этом типе взаимодействия потоков.
При четвертом типе взаимодействия потоков характер трансформации полей скоростей близок к третьему типу. Когда же пойма ниже расчетного створа расширяется, а углы сК50, трансформация полей скоростей происходит по второму типу.
Особым случаем является пятый тип взаимодействия потоков, протекающих в руслах с разновысотными поймами. При повышении уровней воды расширение (сужение) поймы сменяется ее сужением (расширением). Такой характер взаимодействия потоков приводит к смене типа их взаимодействия при повышении уровней воды, что сопровождается сложным характером трансформации полей скоростей.
Таким образом, характер изменения скоростей в русловых частях потоков под воздействием пойменных в общем определяется особенностями морфологического строения поймы и русла на расчетном участке, т.е. типом взаимодействия потоков. Средние скорости в русловых частях потоков весьма существенно отличаются от расчетных, определяемых по формуле Шези.
Для расчетов параметров естественных потоков наиболее часто, несмотря на их недостатки, применяют коэффициенты шероховатости, являющиеся интегральной характеристикой различных видов сопротивлений, возникающих при движении потоков.
Для потоков, протекающих в руслах с поймами большое значение приобретает влияние формы сечения. Увеличение сопротивлений в этом случае является результатом интенсивного массообмена между русловым и пойменным потоками. В последние годы была предложена форма записи расчетного значения коэффициента шероховатости где п Ant n=n0+YAni,. (3-7) коэффициент шероховатости; значение коэффициента шероховатости для каналов или речных русел в наиболее благоприятных условиях; добавочные значения коэффициентов шероховатости, в том числе за счет эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков.
Например, An] — учитывает увеличение сопротивлений естественных русел с хорошими условиями по сравнению с аналогичными каналами; Ащ, Ащ, Ап4 ...Апт — учитывают увеличение сопротивлений за счет растительно сти, неравномерности и нестационарности процесса, грядового режима перемещения наносов и другие. Подсчет значений Ли,- выполнен Н.Б. Барышниковым [100] по данным таблиц М.Ф. Срибного, В.Т. Чоу и Дж. Бредли.
Таким образом, коэффициенты шероховатости обобщают различные виды сопротивлений движению потоков в естественных руслах. Они определяются либо по натурным данным и одной из многочисленных эмпирических формул, либо по описательной характеристике и одной из таблиц. В последних значения коэффициентов шероховатости для одинаковых условий протекания потоков приведены в довольно широком диапазоне. Например, п=0.04 — 0.07. Следовательно, объективный метод расчета коэффициентов шероховатости даже для русел простых форм сечений отсутствует .
В настоящее время разработаны рекомендации по определению значений коэффициентов шероховатости на основе формулы неравномерного движения. Однако их применение затруднено, ибо для расчетов коэффициентов шероховатости необходимы данные измерений по двум близлежащим створам. В то же время остается неясным вопрос о расчетной величине расстояния между этими створами.
Русла сложной формы отличаются от русел простой формы сечения наличием в них эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков, который оказывает существенное влияние на сопротивление их движению. Рассмотрим влияние пойменного потока на сопротивление движению руслового. При первом и, особенно, третьем и четвертом типах взаимодействия потоков сопротивление движению руслового возрастает, а при втором типе, наоборот, уменьшается.
Экспериментальные исследования с 2006 по 2007 гг. Анализ ихрезультатов
Для выполнения экспериментов была принята методика, разработанная в РГГМУ и основанная на методе сравнения, т.е. сначала измерения выполнялись в изолированном от поймы русле, а затем при взаимодействии потоков в них (руслового и пойменного).
Экспериментальные исследования выполнялись с целью решения двух проблем. Первая - вскрыть особенности эффекта взаимодействия при втором и третьем их типах в явном виде, т.е. без воздействия дополнительных факторов (растительности, рельефа, стариц и др.) которые оказывают существенное воздействие на этот процесс в натурных условиях. Вторая - выявить воздействие эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов русловым потоком.
На первом этапе было принято решение исследовать наиболее сложный - второй тип взаимодействия руслового и пойменного потоков, т.е. взаимодействия потоков при их расходящихся динамических осях и соответственно геометрических осях русла и поймы. К сожалению, размеры установки ограничивают наибольшее значение угла расхождения осей потоков - углом в 20.
Поэтому эксперименты были выполнены при следующих углах расхождения динамических осей потоков, соответственно равных 5; 10; 15 и 20.
Следует отметить, что в стационарных условиях этот тип взаимодействия потоков определяется морфологическими особенностями строения русла и поймы на расчётном участке. В условиях же пропуска паводков и половодий по затопленным поймам этот тип взаимодействия потоков соответствует периоду затопления поймы при подъёме уровней. Наиболее сложным при этом типе взаимодействия потоков является трактовка причин резкого увеличения скоростей руслового потока и соответственно пропускной способности русла.
Более сложным является решение второй проблемы, а именно оценки воздействия эффекта взаимодействия потоков на транспортирующую способность руслового потока. Это обусловлено тем, что в натурных условиях расходы донных наносов не измеряются. Более того, имеющиеся формулы и методы их расчётов нельзя признать совершенными. В то же время проблема воздействия эффекта взаимодействия потоков на транспорт донных наносов при расходящихся осях потоков практически никем и никогда не исследовались, хотя основная масса наносов перемещается именно в периоды подъема уровней при пропуске высоких паводков и половодий.
Как указывалось, при проведении экспериментов применялась методика, разработанная в РГГМУ. Первоначально измерения проводились в русловом потоке, изолированном от пойменного стеклянной перегородкой, толщиной 4 мм, затем перегородка снималась и измерения проводились в русловом потоке, взаимодействующем с пойменным как при параллельности их динамических осей, так и при их расхождении под углами 5; 10; 15 и 20. Все измерения проводились при уклонах дна установки в 1 %о и включали в себя измерения скоростей течения и расходов воды как руслового, так и пойменного потоков, а также расхода наносов в русловом потоке.
В процессе экспериментов осуществлялись измерения уровней и глубин потока с помощью шпицен-масштаба, скоростей потока микровертушками, расходов воды методом скорость-площадь и с помощью тонкостенного треугольного предварительно протарированного водослива, с углом 90 . Для тарировки водослива был применён объёмный метод. Для получения минимальных расходов воды, водослив был смазан водоотталкивающей смазкой. По результатам тарировки водослива была построена кривая О =f(h) , по которой определялись расходы воды. Расход наносов измерялся объёмным способом с помощью описанного выше пескоулавлевающего устройства. Все измерения проводились по всей амплитуде уровней через один сантиметр, на трёх створах. На каждом створе назначалось по пять вертикалей в русловой части потока, от 1 до 5 вертикалей на пойме в зависимости от её ширины. Во время проведения экспериментов измерялись температура воды и осуществлялся отбор проб наносов для гранулометрического анализа.
Помимо этого осуществлялось измерение вектора скорости на вертикалях, расположенных на бровке русла через 1м по длине русла.
После проведения экспериментов проводился анализ и определение массы отложений на пойме и в русле, а также и наносов поступивших в «ловушку». Распределение частиц представлено на рисунках (Приложения Б, В, Г).
Как указывалось, основной задачей экспериментальных исследований являлась оценка воздействия эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов русловым потоком. Эта проблема имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Действительно, основная масса наносов поступает в русла рек в периоды паводков и половодий и особенно катастрофических. Именно в эти периоды поймы за тапливаются и наблюдается эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков. При подъёме уровней процесс взаимодействия потоков близок ко второму типу, при котором скорости руслового потока могут значительно увеличиваться. При спаде же уровней наблюдается противоположное явление, при котором пойменные воды, поступая в русло под различными углами, тормозят русловой поток, тем самым уменьшают его транспортирующую способность [119].
Такой характер влияния эффекта взаимодействия потоков отражает принцип саморегулирования в подсистеме речной поток-русло. Действительно, в период подъёма уровней в русла рек из бассейнов поступает большое количество наносов, часто значительно превышающее транспортирующую способность русловых потоков. При этом система речной поток-русло, реагируя на это, значительно увеличивает уклоны водной поверхности и скорости руслового потока. Это, в свою очередь, приводит к увеличению транспортирующей способности руслового потока.
При спаде уровней в русла рек поступает вода из различных местных отстойников и понижений рельефа, несущая очень малое количество наносов, так называемая осветлённая вода. При этом расход донных наносов руслового потока значительно меньше его транспортирующей способности. Недостающее количество наносов русловой поток добирает, размывая гребни перекатов и другие выпуклые формы рельефа речных русел. При этом система речной поток-русло в рамках процесса саморегулирования реагирует посредством уменьшения скоростей руслового потока в результате торможения последнего при вторжении в русло пойменных вод.
