Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса 9
1.1. Современное состояние малых рек 9
1.2. Самоочищение рек и их природоприближенное
восстановление 10
1.3. Естественная русловая и пойменная растительность 17
1.3.1. Водная и береговая травянистая растительность 17
1.3.2. Распространение основных видов древесно-кустарниковой растительности в зависимости от типа поймы и общая характеристика важнейших из них 19
1.3.3. Водоохранно-защитное значение растительного покрова 23
1.4. Гидравлические характеристики заросших пойм 26
1.4.1. Общая характеристика гидравлических особенностей растительности 26
1.4.2. Гидравлические сопротивления по длине участков речных пойм, заросших древесно-кустарниковой растительностью 27
1.4.3. Взаимодействие руслового и пойменного потоков в случае
движения речных потоков по поймам с повышенной шероховатостью 30
1.5. Грядообразование в заросших руслах 31
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 35
2.1 Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений по длине и распределения скоростей потока на поймах, заросших древесной растительностью на жесткой модели 35
2.1.1. Определение коэффициента гидравлических сопротивлений по длине и чисел Рейнольдса 35
2.1.2. Экспериментальная установка
2.1.3. Методика измерений 42
2.1.4. Проведение экспериментов 44
2.2. Исследование грядообразования на поймах, заросших кустарниковой растительностью, на модели с размываемым руслом 45
2.2.1. Экспериментальная установка 45
2.2.2. Методика измерений 47
2.2.3. Проведение экспериментов 48
2.3. Оценка точности измерения местных осредненных скоростей 48
Выводы по главе 2 49
Глава 3. Результаты исследования заросших пойм на моделях с неразмываемым и размываемым руслом 51
3.1. Исследование распределения скоростей и коэффициентов гидравлического сопротивления по длине на жесткой модели 51
3.1.1. Исследование распределения скоростей в русле с прямоугольным поперечным сечением 51
3.1.2. Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в руслах с прямоугольным и трапецеидальным поперечными сечениями 67
3.1.2.1. Исследование русел с прямоугольным поперечным сечением 67
3.1.2.2. Исследование русел с трапецеидальным поперечным сечением 79
3.2. Анализ данных, полученных по результатам исследования .80
3.2.1. Вывод зависимостей коэффициента гидравлических сопротивлений по длине от планового расположения растительности на пойме 80
3.2.2. Вывод формулы по определению коэффициента гидравлических сопротивлений по длине 85
3.3. Исследование процесса грядообразования на поймах, заросших кустарником, на модели с размываемым руслом
3.3.1. Распределение скоростей в растительном слое 87
3.3.2. Грядообразование на поймах, заросших кустарником 90
Выводы по главе 3 94
Глава 4. Разработка рекомендаций по устройству инженерно-биологических посадок на учасжах малых рек, подвергшихся антропогенному воздействию 96
4.1. Рекомендации по разработке инженерно-биологических посадок для защиты деградирующих участков малых рек на основе полученных результатов 96
4.2. Подбор «живых» материалов для инженерно-биологических посадок, высадка насаждений и уход за ними 102
4.2.1. Последовательность разработки инженерно биологических посадок 102
4.2.2. Виды «живых» материалов и способы их заготовки 104
4.2.3. Посадка насаждений и уход за ними 107
4.3. Пример инженерно-биологической посадки для восстановления деградируемого участка малой реки Черная 108
Выводы по главе 4 114
Заключение 116
Приложение 120
Список использованной литературы
- Распространение основных видов древесно-кустарниковой растительности в зависимости от типа поймы и общая характеристика важнейших из них
- Исследование грядообразования на поймах, заросших кустарниковой растительностью, на модели с размываемым руслом
- Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в руслах с прямоугольным и трапецеидальным поперечными сечениями
- Последовательность разработки инженерно биологических посадок
Введение к работе
Актуальность проблемы. Напряженность современной ситуации на малых реках обусловливается резко возросшим отрицательным воздействием, направленным на них со стороны человека. В результате интенсификации процессов загрязнения, заиления и истощения вод на многих из них произошла дестабилизация экологической обстановки. Изменение условий формирования стока, гидрологического режима и сокращения водообмена привело к ухудшению гидробиологических и гидрохимических процессов. Для экологически безопасной и надежной стабилизации возникшей ситуации на малых реках необходимо применять такие методы, которые способствовали бы тому, чтобы река сама восстанавливала себя со временем. Одним из таких методов является природоприближенное восстановление с использованием живых растений. Сооружения, в которых одним из конструктивных элементов являются растения, способны образовывать эколого-механические природные комплексы, обеспечивающие стабилизацию природного равновесия. Применение живых растений в таких сооружениях должно основываться не только на их способности выполнять определенную биотехническую работу, но также и на способности работать в специфических условиях – в водотоках и на берегах рек во время паводков и половодий. Поэтому для разработки конструкций сооружений, отвечающих требованиям повышенной надежности, необходимо иметь достоверные данные по гидравлическим сопротивлениям древесно-кустарниковой и травянистой растительности, а так же знать особенности ее влияния на динамику и морфологию водного потока.
На современном этапе развития речной гидравлики учет коэффициента шероховатости водной и прибрежной растительности ведется по данным таблиц, вошедших в существующие нормативные документы. В связи с недоучетом влияния на этот коэффициент многочисленных факторов, использование этих таблиц в случае древесно-кустарниковой растительности является либо весьма затруднительным, либо во многих случаях вообще невозможным. Так как основными конструктивными элементами в природоприближенных сооружениях, как правило, являются деревья и кустарники, в основу настоящей работы было положено изучение гидравлических сопротивлений древесно-кустарниковой растительности пойм и ее влияния на распределение скоростей полых вод. Целью таких исследований является использование полученных данных при разработке гидротехнических мероприятий, направленных на регулирование и берегозащиту малых рек. Для того чтобы результаты, полученные в лабораторных условиях, были адекватными натурным, моделирование проводилось на основе реально существующей малой реки Черная Кабардино-Балкарской республики. Для восстановления одного из деградирующих участков этой реки в последствии были разработаны рекомендации по устройству инженерно-биологической посадки.
Цель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является разработка мероприятий по повышению экологической устойчивости речных экосистем, восстановлению участков рек, подвергшихся деградации, а также береговой защите от паводковых вод малых рек на основе применения древесно-кустарниковой растительности. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- исследовать распределение скоростей и режим движения речных потоков по поймам, заросшим древесной растительностью;
- установить зависимость изменения коэффициента гидравлического сопротивления по длине (коэффициента Дарси) от таких факторов, как число Рейнольдса, густота растительности, расположение растительности на пойме, форма поперечного сечения русла, ширина поймы;
- изучить особенности условий грядообразования на поймах, заросших кустарниковой растительностью;
- разработать методы противопаводковой защиты и рекомендации по повышению экологической устойчивости малых рек на основе полученных результатов исследований.
- разработать рекомендации по устройству защитных инженерно-биологических посадок, создаваемых в целях восстановления деградирующего участка малой реки Черная.
Научная новизна работы:
- проведена проверка существующих закономерностей коэффициента гидравлических сопротивлений по длине и распределению скоростей, позволяющая получить зависимости, пригодные для использования в повседневной практике;
- изучено влияние формы поперечного сечения на коэффициент гидравлических сопротивлений по длине пойм, заросших древесной растительностью;
- установлены особенности влияния изменения ширины поймы на коэффициент гидравлических сопротивлений по длине;
- определены закономерности изменения коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в зависимости от особенностей планового расположения древесной растительности на поймы;
- определены условия вторжения гряд на пойму, заросшую кустарниковой растительностью.
Достоверность результатов исследований обусловлена:
- применением в процессе исследований современных методик, соответствующих требованиям гидравлического моделирования;
- оценкой точности определения характеристик течения потока на основе вероятностно-статистического анализа;
- использованием в исследованиях современных аппаратуры и приборов.
Практическая ценность работы заключается в том, что зависимости, полученные в результате проведения обсуждаемых исследований, могут быть использованы при расчетном обосновании гидротехнических мероприятий, направленных на природоприближенное восстановление водных объектов, а также в целях повышения экологической устойчивости речных экосистем. Применение этих зависимостей даст возможность использовать простые, но эффективные методы защиты берегов от разрушения, снижать скорости течения на поймах в половодье, обеспечивать более плавное плановое распределение скоростей в период затопления поймы, и т. п.
Апробация полученных результатов.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России», проводившейся в Московском государственном университете природообустройства в 2004 году, а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» этого же образовательного учреждения.
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, иллюстрирована 42 рисунком и 8 таблицами. Список литературы содержит 101 наименование, в том числе 7 иностранных источников.
Распространение основных видов древесно-кустарниковой растительности в зависимости от типа поймы и общая характеристика важнейших из них
Малые реки - наиболее распространенный и многочисленный вид водных объектов на Земле. К ним относятся постоянно действующие водотоки длиной до 100 км и площадью водосбора не более 2000 км2 /47, 50/.
Малые реки представляют собой один из важнейших элементов гидрографической цепи и обладают рядом характерных свойств и особенностей. Одной из таких особенностей является то, что водосборные бассейны малых рек располагаются в одной географической зоне, в результате чего по всей длине реки устанавливается одинаковый режим. Другая особенность состоит в ярко выраженной зависимости водности малых рек от состояния поверхностного водосбора, поэтому гидрологические и гидрохимические показатели малых рек могут резко отличатся от среднестатистических зональных и районных показателей. Третья особенность заключается в том, что малые реки являются начальным звеном речной сети, и все изменения в их режиме непременно отражаются во всей гидрографической цепи 12, 52/.
Антропогенное воздействие на малые реки существовало всегда, что в первую очередь объясняется их интенсивным использованием для водоснабжения и орошения. Однако на территории России это воздействие приняло чрезвычайно опасные формы именно в последние десятилетия и характеризуется такими отрицательными факторами, как: сброс в реки промышленных неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод и массовое загрязнение речных русел и пойм строительным и бытовым мусором; внесение минеральных и органических удобрении в почву, интенсивная распашка с использованием тяжелых тракторов и неправильное размещение пахотных угодий; добыча нерудных строительных материалов из русел и пойм рек с помощью различных земснарядов; гидротехническое воздействие (зарегулирование стока) при строительстве малонапорных гидросооружений и небольших водохранилищ; использование русел малых рек в качестве магистральных оросительных каналов /1,9,40,15, 85,88/.
Загрязнение, заиление и истощение малых рек, происходящее под воздействием этих факторов, приводит к активизации такого негативного процесса, как дестабилизация экологической обстановки в самих водоисточниках. Водные организмы во всех типах водных объектов четко распределяются по зонам обитания. Всякое искусственное воздействие на сложившуюся систему однозначно ведет к изменению границ зоны обитания и обеднению ее количественного состава. Это в свою очередь приводит к утрате внутренней способности малых рек к самоочищению и, в конечном итоге, к их пересыханию. Наиболее уязвимыми в этом отношении являются равнинные участки малых рек, потому что именно здесь находятся участки наиболее благоприятные для развития различных видов водных растений и животных, насекомых и рыб /95/.
Процесс самоочищения рек представляет собой совокупность целого ряда процессов (механических, физических и биохимических) и заключается в следующем. По мере удаления загрязненных вод от источника загрязнения тяжелые частицы вместе с частью бактерий, содержащихся в этих водах, осаждаются на дно реки. Одновременно с этим взвешенные частицы по мере их движения в реке измельчаются и, подвергаясь действию кислорода воздуха и воды, окисляются и нитрифицируются в процессе жизнедеятельности микроорганизмов и водных растений /38,20/.
Все реки характеризуются внутренней способностью к самоочищению, под действием которой в них происходит естественный процесс восстановления. В результате деградации малых рек возникают факторы, препятствующие реке самой восстановить себя со временем. Эти негативные факторы можно устранить с помощью процесса восстановления, направленного со стороны человека. По сути, этот процесс способствует усилению и ускорению естественного восстановления реки. В результате этого экосистема реки достигает стабильного состояния за значительно более короткий период времени, чем при естественных физических и биологических процессах развития среды обитания и заселения биоты. При успешном восстановлении потребуется только периодический контроль, подтверждающий, что система поддерживается естественно, то есть в соответствии с законами природы /26/.
В настоящее время все большее развитие получает природоприближенное восстановление, основной задачей которого является преобразование сил, действующих на различные элементы природных ландшафтов, отклонение отдельных из этих сил, а также восприятие действия таких сил либо посредством биотехнически пригодных для этого растений, либо с помощью грунтов с улучшенными механическими свойствами. Сооружения, в которых одним из основных элементов являются растения, способны создавать новые пространства жизнеобитания, представляя собой эколого-механический природный комплекс, обеспечивающий достижение и последующую стабилизацию природного равновесия. Использование живых растений в природоприближенном восстановлении в первую очередь обусловливается их биотехническими свойствами. Одним из таких свойств является способность ряда растений образовывать новые формы развития под действием отдельных нагрузок и воздействий. Например, при посадке деревьев на крутых откосах, у них начинает формироваться корневая система с вертикальными опорными корнями. Другим важным свойством растений является их способность генерировать рост новых корней на участках ствола или веток, которые находились под водой или были присыпаны почвой. Многие растения, произрастающие в зоне водных объектов способны формировать такую корневую систему, которая способствовала бы наиболее эффективному сопротивлению размывающему действию воды, а также защите от эрозии грунтов, слагающих берег. Помимо этого корневые системы растений могут существенно влиять на агрегатную структуру грунтовых оснований, изменяя тем самым механические свойства грунтов под растениями и вокруг них. Характерными представителями таких растений являются ива и ольха. Основные биотехнические свойства растений, используемьк в различных областях строительства, представлены в таблице 1.1.
Исследование грядообразования на поймах, заросших кустарниковой растительностью, на модели с размываемым руслом
Растительность представляет собой особый и очень сложный вид шероховатости. Это в первую очередь объясняется тем, что растение, как и любой живой организм, имеет определенные периоды жизнедеятельности, в каждый из которых оно претерпевает определенные изменения. Эти изменения проявляются не только в размерах, но и в форме растения. Поэтому в зависимости от стадии вегетации растительность может иметь различную шероховатость. Вторая трудность заключается в том, что растительный покров имеет нерегулярный характер расположения в прибрежных зонах водотоков.
Большинство формул для определения коэффициента гидравлических сопротивлений по длине растительного покрова пойм, полученных в последнее время, являются весьма сложными и трудоемкими /13, 22, 39,/. В связи с этим определение значений числа Рейнольдса Re и коэффициентов гидравлических сопротивлений по длине X (коэффициентов Дарси) в настоящей работе выполнялось по формулам, которые, как правило, применяются на практике: Re =pvh/ju... (2.1.) X = 8gih/v2,... (2.2.) где р - плотность воды; о - средняя скорость потока; h - средняя глубина потока; р. - динамическая вязкость воды, зависящая от ее температуры; g - ускорение свободного падения; / - уклон дна русла.
Так как в работе рассматривались только русла с поймами, то значения числа Рейнольдса и коэффициента гидравлических сопротивлений по длине определялись отдельно для русел и для пойм. Rep=pvph/p... (2.3.) и Re„=pv„h/fi,... (2.4.) Xp = 8gih/v2p... (2.5.) и X„ = 8gih/v2n,... (2.6.) где vp - средняя скорость потока в русле; vn - средняя скорость потока на пойме. В работе рассматривались вопросы зависимости коэффициента гидравлических сопротивлений по длине от таких факторов, как число Рейнольдса, густота растительности, плановое расположение растительности на пойме и расположение растительных элементов по отношению к бровке поймы. Густота растительности характеризовалась числом растений, приходящихся на единицу площади рассматриваемого участка: N = hF,... (2.7.) где к - количество всех растений на данном участке, F- площадь участка.
Экспериментальная установка Экспериментальная установка была выполнена таким образом, что давала возможность смоделировать на ней участок малой реки Черная. Для исследований был выбран прямолинейный участок реки длиной 50м и шириной Юм, один берег которой разрушился в результате чрезмерного выпаса крупного рогатого скота. Расчет модели для этого участка был выполнен как для жесткой неискаженной модели. Выбор масштаба проектируемой русловой модели ограничивался лабораторными условиями -имеющейся площадью лабораторной установки, используемой для монтажа модели и максимальным расходом, который можно было подать на эту установку.
В результате расчета были получены следующие масштабы /24, 37/: масштаб живых сечений - аы = а? - 52 = 25 масштаб уклонов -щ=\ масштаб скоростей - av = (aj)0,5 = (5)0,5 = 2,24 масштаб расходов - aq = (aj)2,5 = (5)2 5 = 55,9 Лабораторная модель для определения значений коэффициента X и исследованию профилей скоростей потоков в случае пойм, заросших древесной растительностью представляла собой гидравлический лоток со стеклянными стенками шириной 1500мм и длиной 9000мм, рис. 2.1. Для установления равномерного режима, который, как правило, имеет место в равнинных реках, в головной части лотка была устроена система успокоителей, состоявшая из двух успокоительных решеток и успокоительной ткани. В конце лотка был установлен затвор шторного типа. Гидравлический лоток представлял собой русло с односторонней поймой, так как естественное русло р. Черная на рассматриваемом участке имело пойму только с одной стороны. Равным образом в этом лотке исследовался вариант русла с двухсторонней поймой, разделенного по оси симметрии /45,57,58/.
Уклон русла был принят равным уклону естественного участка реки и равнялся 0,009. Высота поймы в соответствии с выбранным масштабом равнялась 100 мм относительно дна лотка. Ширина поймы была выбрана в качестве одной из переменных величин и принималась равной 400, 550 и 700мм. Исследование зависимости коэффициента X от ширины поймы имеет большое практическое значение, так как древесно-кустарниковая растительность, произрастающая на пойме, может способствовать аккумуляции наносов и, в конечном счете,
Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в руслах с прямоугольным и трапецеидальным поперечными сечениями
Анализ изотах показал следующие закономерности распределения скоростей в русле и на пойме. В случае отсутствия растительности распределения скоростей были аналогичными тем, которые имели место в экспериментах Эгли М., Спицына И.П., Ле Ван Киена /54/. Максимальные скорости в русле располагались у свободной поверхности, скорости течения в прирусловой части поймы были несколько больше чем в областях более удаленных от бровки поймы (смотри рис. 3.1.1а, 3.1.4а). Наличие растительности способствовало значительному снижению поверхностных скоростей, что приводило к перемещению максимальных скоростей в русле вниз от свободной поверхности (смотри рис 3.1.16, З.І.Зв). В случае заросших пойм максимальные скорости перемещались не только в вертикальном, но и горизонтальном направлении в сторону поймы (смотри рис. 3.1.1а, 3.1.16). Величина перемещения максимальных скоростей в русле зависела от величины шероховатости растительного покрова. Так при расположении растительности на бровке поймы и сплошной полосой в центральной части поймы максимальные скорости в русле смещались по направлению поймы сильнее, чем при расположении растительности на пойме с прерывистым расположением (смотри рис. 3.1.46, 3.1.4г). Полученные нами данные подтвердили вывод Эгли М. о том, что смещение максимальных скоростей в русле тем больше, чем больше отношение п,/пр.
Значение максимальных скоростей в русле при наличии растительности не оставалось постоянным. С увеличением h/hp при Bf/Bp=0,36 и В,/Вр=0,58 максимальные скорости в русле уменьшались, что объяснялось тем, что при увеличении глубины происходило снижение скоростей на скоростных вертикалях, приводящее к снижению относительных величин V/V„ (смотри рис. 3.1.4в). Совершенно иная картина наблюдалась при Д/8р==0,88 и h/hp=0,52. Здесь средние скорости на вертикалях несколько увеличились, что привело к увеличению значений V/V„ (смотри рис. 3.1.8в, 3.1.8г). Так Спицыным И.П. было обнаружено, что вследствие взаимодействия руслового и пойменного потока при увеличении глубины средние скорости вначале уменьшаются. Достигнув при определенном уровне наименьшего значения, средняя скорость руслового потока начинает возрастать. Такой характер он обнаружил при 15 B„/BP 1 и при Пу/щ-Х-ЛЪ. Таким образом, выводы сделанные в этой работе по характеру изменения средних скоростей в русле не противоречат выводам, сделанным Спицыным И.П..
Распределение скоростей на пойме и в русле в первую очередь зависело от схемы расположения растительности на пойме. Так при схеме Ш максимальные скорости располагались в центре русла, а при увеличении глубины при Д/2?р=0,58 и h/hp=0,2S растительность на пойме переставала влиять на распределение скоростей в русле (смотри рис. 3.1.46). При Д/2?р=0,88 такое расположение растительности не оказывало влияние на распределении скоростей в русле уже при h/hp=Q,16. Наибольшее влияние на распределение скоростей в русле оказала растительность, располагавшаяся на бровке поймы, схема IV (смотри рис. 3.1.5г).
Наличие растительности приводило к резкому снижению местных скоростей на пойме за исключением донных скоростей, которые увеличивались. Местные скорости на скоростной вертикали, расположенной около стенки лотка также резко увеличивались (смотри рис. 3.1.1г, 3.1.9г).
Анализ расчетных профилей скоростей показал следующие зависимости в распределении скоростей в русле и на пойме. Как уже было отмечено выше скорости течения на пойме в прирусловой области были несколько больше, чем скорости в более удаленной от бровки области поймы, при В/Вр=0,$& и h/hp=0,52 эта разница была наименьшей (смотри рис. 8а). Как видно из рис. 3.2.1а, 3.2.2а, 3.2.3а, наибольшее влияние на русловой поток оказывала a)
Расчетные профили скоростей для Вп/Вр=0,88 1- схема 1,2-схема II, 3-схема Ш, 4-схема IV растительность при наименьших отношениях h/hp. С увеличение глубины происходило постепенное выравнивание скоростей в русле и на пойме, исключения составляли области, где непосредственно располагалась растительность (смотри рис. 3.2.1а, 3.2.1в).
При увеличении ширины поймы происходило увеличение скоростей в русле, и соответственно увеличение отношений Vf/Vcp, которые достигли своего наибольшего значения при В„/Вр=0,8& и h/hp=0,l6. При увеличении значения h/hp отношения Vr/Vcp уменьшались (смотри рис. 3.2.3а, 3.2.3в).
Эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков при различных схемах планового расположения растительности на пойме был различным. Так наибольшие значения VJVcp были при расположении растительности на пойме прерывистой полосой и наименьшие при расположении растительности сплошной полосой (смотри рис. 3.2.16) при тех же равных условиях. Растительность, расположенная на бровке поймы, имела меньшие значения Vy/Vcp, чем растительность, расположенная сплошной полосой на пойме.
Анализ распределения скоростей в руслах с заросшими поймами позволил сделать вывод, что при Вг/Вр \ растительность, расположенная на пойме, оказывает влияние на распределение скоростей в русловом потоке. Агасиевой С.А. и Барекяном А.Ш. был сделан вывод о том, что при Вг/Вр Ъ и 1,12 п,/пр 1,58 средняя скорость русла не зависит от шероховатости пойм /10, 54/. Можно утверждать, что в противном случае поймы повышенной шероховатости будут оказывать влияние на средние скорости в русле и вообще на кинематическую структуру руслового потока.
Исследование распределения скоростей во всех трех скоростных сечениях показало следующие общие закономерности распределения скоростей. В случае русел с поймами без растительности скорости имели сходный характер распределения. Во всех трех скоростных сечениях скорости распределялись, так же как и в среднем скоростном сечении. В продольном сечении скорости на скоростных вертикалях каждого скоростного сечения были одинаковыми.
В случае наличия растительности на пойме наблюдалась следующая картина. В продольном поперечном сечении, начиная с первого скоростного сечения, происходило уменьшение скоростей. Наименьшие значения скоростей приходились на среднее сечение. Затем по мере приближения к третьему скоростному сечению скорости вновь увеличивались.
Для исследования коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в русле с прямоугольным поперечным сечением были проведены эксперименты, как с заросшими поймами, так и с поймами без растительности. Коэффициента гидравлических сопротивлений по длине, полученные для русел тех же размеров и той же формы, но без растительности, рассматривались как фоновые.
Для определения значений коэффициента гидравлических сопротивлений по длине и числа Рейнольдса по имеющимся местным скоростям были вычислены средние скорости. В результате большого объема полученных данных в работе будет рассматриваться только среднее скоростное сечение, так как именно здесь были получены наибольшие коэффициенты гидравлических сопротивлений по длине.
Данные по значениям коэффициента Л, числа Рейнольдса пойм и русел, густоте растительности показаны в приложении 3.1. Для того чтобы уйти от абсолютных величин графики были построены в полулогарифмической зависимости, число Рейнольдса характеризовалось относительной величиной Rey/Кещ, (Re eSO - критическое значение, принятое для малых рек).
Последовательность разработки инженерно биологических посадок
В этой главе приводятся рекомендации, разработанные нами на основе полученных результатов исследований, полученных в предыдущей главе. Особое внимание здесь уделяется разработке примера инженерно-биологической посадки, выполненной для деградирующего участка малой реки Черная. Здесь же приводятся рекомендации по заготовке, высадке и уходу древесно-кустарниковой растительности, предназначенной для природоприближенного восстановления малых водотоков.
На основе данных, полученных в результате экспериментальных исследований, были разработаны следующие рекомендации для устройства инженерно-биологических посадок.
Исследования показали, что коэффициенты гидравлических сопротивлений по длине пойм без растительности в 2-3 раза ниже коэффициентов гидравлических сопротивлений по длине тех же пойм, но с растительностью. Это необходимо учитывать при проведении мероприятий по корчеванию больной растительности или расчистке мест для будущих береговых сооружений. Не рекомендуется проводить такие мероприятия во время ожидания половодий и паводков, а также оставлять прибрежные участки без растительности на длительное время, с целью не допущения отрицательного воздействия на эти участки водной и ветровой эрозии.
Распределение скоростей потока на пойме без растительности происходит таким образом, что максимальные скорости приходятся на центральную часть поймы. Для предотвращения размывов поймы в этих местах рекомендуется высаживать устойчивые в условиях быстрого течения породы древесной и кустарниковой растительности, которые смогли бы выдержать очень сильные скорости течения. Воздействие потока на растительность в этом случае будет выглядеть следующим образом. В результате набегания потока на дерево, перед стволом будет образовываться валец с горизонтальной осью вращения, который затем будет огибать ствол. В случае с кустарником одна часть потока будет также образовывать вальцы перед ветвями, и огибать их, а другая будет переливаться через ветви. Образование в вальцах нисходящих струй будет приводить к увеличению донных скоростей, а также давлению перед ветвями или стволом и снижению давления за ними. В результате этого будут образовываться местные размывы перед древесной или кустарниковой растительностью. Наличие максимальных скоростей в центральной части поймы будет приводить к значительным размывам, которые способны выдержать далеко не все породы. Лучше всего в этих условиях использовать ольховые деревья или такие кустарники, как калина водная, черемуха.
Плановое расположение растительности - это тот фактор, влияние которого на поток может быть весьма разнообразным. Это влияние в первую очередь зависит от того, как располагаются растения по отношению к бровке, имеют они прерывистое или сплошное расположение, а также как они направлены по отношению к потоку, под углом или параллельно.
Растительность с прерывистым расположением рекомендуется применять в тех случаях, когда нужно стабилизировать берега или в качестве временных посадок, когда отсутствует возможность своевременно осуществить посадку запроектированной инженерно-биологической посадки. В последнем случае важным является определить такое расположение насаждений в посадке, при котором берег как можно меньше будет подвергаться разрушению. Стабилизирующие посадки можно устраивать в тех случаях, когда необходимо укрепить берег, не вызывая при этом существенной аккумуляции наносов. Защитное действие насаждений, входящих в такие посадки, ограничивается скреплением грунта и гашением течений, ветровых и колебательных волн, динамических воздействий, вызываемых льдинами. В стабилизирующих посадках рекомендуется применять кустарниковые насаждения, так как они в отличие от травянистых, защищают грунт не только перед собой, но и за собой, кроме того, именно такие посадки способствуют сохранению проектных очертаний русла.
Инженерно-биологические посадки со сплошным расположением растительности имеют большие коэффициенты гидравлических сопротивлений по длине, чем при любом другом расположении. Такие посадки рекомендуется высаживать на бровке поймы, а также в местах, предназначенных для частичного или полного закрытия наносами входов в протоки, действующие только в половодье и закрытия «сливов», пересекающих прирусловой вал. Опасность последних заключается в том, что они могут привести к прорыву речной излучины или к образованию нового рукава. Посадки для защиты бровки поймы необходимо располагать параллельно руслу, а посадки для закрытия входов в протоки и сливов должны иметь поперечное расположение. В последнем случае насаждения будут располагаться в зонах с большими скоростями течения, где возникают сильные размывы и намывы. Поэтому для таких посадок необходимо подбирать самые устойчивые виды пород. На таких местах лучше высаживать ольховые деревья или шелюгу, калину водную, крушину ломкую и слабительную, черемуху. Посадки рекомендуется делать густыми сплошными полосами из насаждений, которые имеют как можно большую длину надземных и подземных частей. Для насаждений на бровке можно использовать сплошные заросли средней густоты из ивовых кустарников.
Большое значение для выправления и образования новых берегов может иметь зависимость коэффициентов гидравлических сопротивлений по длине от ширины поймы. Эта зависимость дает возможность проектирования инженерно-биологических посадок для заданной ширины поймы и прогнозирования коэффициентов гидравлических сопротивлений по длине при изменении ширины поймы.
