Введение к работе
Актуальность темы.
Прямой и косвенный ущерб от неблагоприятного воздействия только руслового процесса на сооружения в СНГ составляет ежегодно миллиарды рублей. Наряду с разрушением почв водная эрозия уносит с полей и йстбищ в 60 раз больше элементов питания растений, чем этих элементов поступает с удобрениями, что приводит к резкому падению продуктивности эродируемых почв. Продукты ускоренной эрозии, вызванной антропогенным воздействием, поступая в водоток, вызывают деградацию рек и ухудшение качества поверхностных вод. По социально-экономическому значению эти задачи являются народнохозяйственной проблемой, которая усугубляется кризисной экологической ситуацией. В настоящее время крупные природоохранные мероприятия осуществляются с учетом единого комплекса, включающего регулирование речных русел, защиту почв от эрозии и другие экологические проблемы. Поэтому выявление закономерностей русловых и эрозионных процессов является исключительно важной для водохозяйственного проектирования проблемой.
Цель работы - на основе нетрадиционных подходов выявить ряд гидрологических закономерностей, необходимых при водохозяйственном проектировании для расчетов руслового и эрозионного процессов; создать единую научную концепцию. В качестве таких подходов необходимо было использовать следующие! I) аналитический метод и физическое моделирование, позволяющие обеспечить решение задач взаимодействия потоков в деформируемых руслах; 2) использование метода аналогий; 3) уточнение механизма взаимодействия потока с водопроницаемыми границами; 4) математическое обоснование решений прикладных задач; 5) организация и проведение комплексных натур-
- z-
ных исследований.
Задача и методика исследований. Основной задачей работы является изучение русловых и эрозионных процессов на основе дискретного подхода к исследованию русловых и эрозионных формирований, механизма их развития и влияющих на этот процесс факторов. Методика исследований базируется на единстве гидравлических закономерностей применительно к спонтанно сформированным турбулентным потоком телам и их поверхностям; следствием этого единства является рассмотрение саморегулирующейся системы "водосборный бассейн -речной поток - русло". Анализ роли отдельных параметров, влияющих: на функционирование этой системы, позволяет использовать гидравлические методы их оценки: сначала процесс изучается в спонтанном развитии, затем в расчеты вводятся ограничивающие условия. При обобщении и анализе материалов диссертант исходил из представления
о динамической устойчивости руслового и эрозионного процессов с
влияния целью искдюченшг'на них дополнительных факторов; им разработана
методика натурных и лабораторных исследований.
Объекты исследования и материалы. Основой работы являются материалы, полученные диссертантом при проведении натурных (стационарных и экспедиционных) и лабораторных исследований, выполнявшихся под руководством или непосредственном участии автора, а также заимствованные из Гидрологических ежегодников и научной литературы.
Натурные исследования: I) стока и механизма перемещения взвешенных и руслоформирующих наносов на склонах, в ручьях и реках Валдая, Сальских степей, Средней Азии, Казахстана, Кавказа в исследовательских целях и для решения задач гидромелиоративного строительства; 2) почв и водных ресурсов Казахстана с целью учета последних при подготовке водохозяйственных мероприятий;
- J-
3) заиления и занесения водохранилищ и водоемов на реках Кавказа и Средней Азии (Снр-/іарья, Чирчик, Каранкуль, Сох, Ходжа-Бакыр-ган, Мзымта, Белая, Исфана, Исфара и других) в связи с решением проблем орошения, энергетики и водоснабжения; 4) русловых процессов на реках: Вычегда, Большая Северная двина, Малая Северная Двина, Пинега, Вага, Кулой, Унжа, Немда и других для разработки рекомендаций по улучшении судоходных условий и лесосплава; 5) неустановившегося движения воды (волн попусков) на реках Свирь и Вырица для разработки рекомендаций по улучшению условий судоходства, проектирования ГЭС и отработки азрометодов с целью их использования в гидрометрии.
Лабораторные исследования: I) русловых процессов методами аэродинамики для обоснования методики моделирования и в производственных целях; 2) русловых процессов на размываемых моделях для установления закономерностей спонтанных формирований и усовершенствования методики моделирования; 3) водных однонаправленных потоков в гидравлических лотках с размываемым дном для исследования мелкомасштабной турбулентности; 4) гидрометрических приборов и оборудования в натурных условиях с целью испытания и улучшения их конструкции; 5) технических устройств и моделей в лаборатории для испытания их надежности.
Применяемая техника исследований регламентирована стандартами бывшего СЭВ, Наставлениями гидрологическим станциям и постам, Методическими указаниями управлениям Госкомгидроыета. Часть приборов и устройств сконструирована и испытана диссертантом.
Научная новизна работы: I) установлено единство закономерностей для спонтанно сформированных турбулентным однонаправленным потоком тел и их поверхностей; 2) на основе указанных закономерностей обоснован физический смысл числа Лохтина; 3) разработана методика расчетов русловых и зрозионных процессов, базирующаяся на
числе Лохтина и приемах классической механики; 4) предложен метод ихтиолого-русловой гидравлической аналогии (ИРГА).
Лредмег защиты. На основе метода аналогий, использования законов технической гидромеханики создано новое направление в гидравлике - гидравлика спонтанных формирований, отличающееся единым классом течений, характерным для многих природных процессов. Установлена аналогия в строении и гидроаэродинамическом сопротивлении донных гряд, чешуи рыб, пера птиц и других формирований.
На базе закономерностей этого направления разработаны принципиально новые методы расчетов русловых деформаций и эрозионных процессов, которые используются при проектировании гидротехнических сооружений, в частности, мелиоративных каналов.
Практическое значение и реализация результатов работы. Разработанный диссертантом метод расчета русловых и эрозионных процессов позволяет обосновать параметры элементов комплекса водохозяйственных мероприятий на этапе проектирования и осуществить прогноз их состояний на этапе эксплуатации. Обобщенный подход к изучению рассматриваемых процессов повышает надеїмость и точность решений, а также способствует увеличению достоверности прогнозов. Результаты выполненных диссертантом исследований в различных географических зонах доведены до возможности их практического применения и используются для расчетов сопротивлений, расходов руслоформируюиих и взвешенных наносов, характеристик донно-грядовых формирований в аллювиальных руслах, выбора масштабов подобия для размываемых моделей и для аэродинамических методов исследования русловых процессов. Они также применяются при оценке эрозии почв водосборного бассейна и интенсивности заиления и занесения прудов и водохранилищ.
Реализация результатов работы осуиествлена; I) водохозяйственными органами стран-членов бывшего Совета Экономической Вза-
- s-
имопомощи в "методике измерения расходов наносов, изучения деформаций речных русел и исследования твердого стока", Будапешт,1972г., выполненной по теме бывшего СЭВ № 7.01.02; 2) управлениями Госком-гидромета в "методических указаниях управлениям Гидрометслужбы № 67 по учету стока наносов"; 3) управлениями Госкомгидромета в "методических рекомендациях к составлению справочника по водным ресурсам СССР № 10 (сток наносов)"; 4) специалистами Польской земледельческой Академии (при расчете водохранилища и сооружений гидроэлектростанции "Дружба народов" на реке Висле - учет стока наносов), Болгарской Академии Наук (при расчетах стока наносов болгарских рек); 5) плановиками, экономистами Облплана г.Архангельска в "методических рекомендациях по капитальному улучшению судоходных условий рек Пинеги и Ваги"; б) сотрудниками Северного Бассейнового Управления Пути МРФ, научно-исследовательского сектора Ленинградского института водного транспорта при расчетах заносимое судовых ходов на реках Волге, Большой Северной Двине, Вычегде, Ваге, Пинеге и других; 7) проектировщиками Министерств водного хозяйства Узбекистана и Таджикистана при расчетах интенсивности занесения головных гидроузлов на горных реках, заиления Кайраккумского и Фархадского водохранилищ, при оценке потребности в воде для орошения и водоснабжения; 8) учеными Государственного гидрологического института при составлении "справочника по водным ресурсам Кокчетавской области Казахстана", при использовании аэро-методов в гидрометрии, при расчетах руслоїпс переформирований и неустановившегося движения воды на реках Вырица и Свирь; 9) проектировщиками и учеными Калининградского технического института рыбной промышленности при расчетах гидротранспорта рыбы в промышленном рыболовстве, учеными АтлантНИРО, института Биологии южных морей Украины, Зоологического института РАН при исследованиях нек-
тона; 10) внедрены в учебный процесс ряда институтов, академий и университетов по дисциплинам речная гидравлика, русловые процессы, водная эрозия почв,гидроэнергетические установки, гидравлический транспорт, мелиорация и другим. Диссертантом опубликовано 64 работы по теме диссертации, причем II из них являются учебно-методическими пособиями, используемыми при подготовке студентов и аспирантов в ряде Университетов и ВУЗов. Автором прочитаны спецкурсы студентам гидрологических специальностей Российского Государственного Гидрометеорологического института(1992г.) и студентам Иркутского сельскохозяйственного института (1986г.).
Достовеоноеть выводов обеспечивается использованием только инструментально измеренных материалов и подтверждением полученных диссертантом закономерностей другими исследователями и инженерной практикой. Научная состоятельность работы подтверждена; ІШацио-нальным Комитетом СНГ по теоретической и прикладной механике в монографии "Механика в СССР за 50 лет", том 2 - механика жидкости и газа (диссертант является участником ІУ и УЛ Всесоюзных съездов по теоретической и прикладной механике); 2) советским Национальный Комитетом по международной биологической программе "Нектон"; 3) заявкой на открытие 32-0Т-8355 от 10.04.73г.; 4) информационным изданием ВИНИТИ "Итоги науки и техники", серия гидрология суши, том 8, 1991г.; 5) использованием результатов исследований диссертанта в 39 отечественных и зарубежных монографиях, учебных пособиях, многих научных статьях; 6) включением основных положений в состав научных отчетов по г/б темам, разрабатываемым в
соответствии с научно-техническими программами ГКНТ СНГ (с 1969г. по н.в.)(проблема 0.85.01, задания 08 и 09 (Постановление ГКНТ JP 555 от 30.10.1985 г.).
- ? -
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на Всесоюзных научных съездах, конференциях, координационных совещаниях и заседаниях ученых советов: на третьем и пятом Всесоюзных гидрологических съездах (Ленинград, 1957, 1986); на межведомственной н-т конференции по физическим основам механики струйного движения жидкостей и газов (Ленинград, 1957); на межведомственной третьей н-т конференции по геофизическим и гидрометеорологическим приборам, посвяшенной международному геофизическому году (Ленинград, 1958); на всесоюзной н-т конференции по моделированию атмосферы и гидросферы (Ленинград, I960); на пятом всесоюзном совещании по изучению селевых потоков (Баку, 196Е); на межвузовских н-т конференциях по проблеме "Движение наносов и гидравлический транспорт" (Москва, 1963, 1968); на всесоюзной н-т конференции ВАСХНИЛ по проблеме "Заиление водохранилищ" (Москва, 1968); на заседании ученого совета Зоологического института АН СССР (Ленинград, 1966); на заседаниях ученого совета Государственного гидрологического института (Ленинград, I957-I96I); на н-т конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского с/х института, Санкт-Петербургского Гос.Аграрного университета (Пушкин-Ленинград, 1970-91); на совместном заседании кафедры гидрологии суши и лаборатории эрозии почв и русловых процессов Московского Государственного Университета (Москва,1976); на всесоюзных межвузовских конференциях "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1976, 81, 87); на н-т конференции профессорско-преподавательского состава Азово-Черноморского института механизации сельского хозяйства (Зерноград, 1984); на всесоюзном симпозиуме "1&то-дологические и системные проблемы охраны окружаюшей среда" (Ленинград, 1984); на всесоюзной н-практической конференции "Проблемы и перспективы комплексного использования производств" (Ленинград,
- г -
1985); на всесоюзных н-т конференциях "Динамика и термина рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984, 1989); на всесоюзной научной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства" (Москва, 1983); на межведомственной третьей научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (Владивосток, 1988); на межвузовских координационных совещаниях по теме "Исследование русловых процессов на реках и в устьях рек и разработка методов их учета для различных отраслей народного хозяйства" (Томск, 1986; Нижний Новгород, 1988; Луцк, 1989; Ярославль, 1990; Одесса,1991; Ташкент, 1991; Ижевск, 1992); на всесоюзной научной конференции "Эоозиоведение: теория, эксперимент, практика" (Москва, 1991); на межгосударственной научной конференцій' "Геоэкологические аспекты хозяйствования .здоровья. .^(ПешьДЭЭДна итоговой н-т конференции профессорско-преподавательского состава Российского Государственного Гидрометеорологического института (С.-Петербург, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 научных работы из их общего количества 86; результаты исследований отражены в 28 отчетах, большинство которых имеют государственную регистрацию. Научный доклад является обобщением части результатов натурных, лабораторных и теоретических исследований, выполненных лично автором и под его руководством.
