Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор изученности проблемы влияния растительности на русловой процесс
1.1. Основные результаты анализа факторов, влияющих на формирование речного русла .7
1.2. Основные результаты анализа работ, посвященных изучению влияния растений на сопротивление движению потока и интенсивность местных размывов .27
1.3 Результаты анализа работ, посвященных изучению кинематических характеристик потока заросших руслах 38
1.4. Выводы по главе. Формулирование цели и задач исследований 42
Глава 2. Методика экспериментальных исследований влияния растительности на гидравлические сопротивления потока
2.1. Гидравлические характеристики течения в заросших руслах 45
2.2. Экспериментальная установка .48
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 58
2.4. Оценка точности производимых измерений 62
Глава 3. Результаты изучения влияния растительности на режим течения потока в открытых руслах
3.1. Распределение скоростей по вертикали 65
3.2. Изменение гидравлического сопротивления в зависимости от высоты, плотности и гибкости стеблей травянистых.растений 72
3.3. Влияние стеблей травянистых растений на режим течения 84
Выводы по главе 90
Глава 4. Основные результаты изучения влияние растительности на местные размывы
4.1. Краткий обзор изученности процессов формирования и переформирования речных берегов 92
4.2. Результаты экспериментальных исследований влияния травянистой растительности на формирование и переформирование речных берегов 97
4.3. Сравнение результатов эксперимента по формированию и переформированию речных берегов с опытными данными других авторов 104
4.4. Выводы по главе .106
Заключение .108
Список использованной литературы 111
- Основные результаты анализа работ, посвященных изучению влияния растений на сопротивление движению потока и интенсивность местных размывов
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Изменение гидравлического сопротивления в зависимости от высоты, плотности и гибкости стеблей травянистых.растений
- Сравнение результатов эксперимента по формированию и переформированию речных берегов с опытными данными других авторов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации: Экологическое состояние многих водных объектов является неудовлетворительным. Они подвержены антропогенным воздействиям, приводящим к изменениям речной экосистемы. Эти изменения являются следствием ведения интенсивной хозяйственной деятельности на водосборе и прибрежных территориях водного объекта, чрезмерного и неправильного использования водных ресурсов, сброса в них загрязненных промышленных сточных вод, уничтожения растительности на прибрежных территориях, регулирования водного режима речной системы. Из-за этих изменений нарушается естественный режим речного стока, характер развития руслового процесса, жизнедеятельность сообществ водных организмов и ухудшается качество воды.
В условиях постоянного взаимодействия потоков воды с границами русла происходит их размыв. Этот процесс проявляется в виде эрозии прибрежных зон водотоков, связанный со сложностью структуры прибрежных течений, наличием ветровых волн и их взаимодействием с береговыми откосами. Наиболее опасными в эрозионном отношении являются участки прирусловой поймы на вогнутых, подмываемых берегах, крутые изгибы русла реки.
Процесс восстановления дает возможность экосистеме крупной или малой реки достигнуть стабильного состояния со значительно большей скоростью, чем при естественных физических и биологических процессах развития среды обитания и заселения биоты. Он включает в себя восстановление растительности по берегам рек, улучшение состояния среды обитания в реке и качества воды, гидрологическую стабилизацию речного русла.
Гидрологическая стабилизация речного русла достигается путем повышения устойчивости рельефа прибрежных территорий, возобновления береговой растительности, которая существенно повышает экологическую устойчивость водотока. Во-первых, основная естественная очистка водотока происходит в прибрежной зоне. Во-вторых, возрастает самоочищающая способность водного объекта, если его проточные участки проходят через местности, затененные
растительностью. В-третьих, создаются оптимальные благоприятные условия для развития населяющих водоток биотопов.
При восстановлении водных объектов чрезвычайно важно учесть степень влияния на русловой процесс реабилитируемого водотока различных видов растительности - деревьев, кустов, посадок тростника и камыша, травяного покрова.
Влияние растительности на формирование речного русла обусловливается повышением устойчивости грунта размыву, создаваемой армирующим эффектом травянистой и древесной растительностью. Они увеличивают местное сопротивление и перераспределение скорости по живому сечению, влияя на характер структуры течения. Травяная растительность в русле оказывает укрепляющее действие, предохраняет дно русла от размывов.
Выявлением закономерностей движения воды в заросших руслах, вызываемым влиянием растительности на сопротивление движению потока, занимались многие исследователи. Они установили, что береговая, прибрежная и русловая растительности влияют на многие кинематические характеристики речного потока своим местоположением и геометрическим параметром, размером и формой ее стеблей, размещением относительно оси русла, береговой линии, а также границ пойм, высотой, гибкостью стеблей и степенью густоты травяного покрова.
Знание влияние растительности на развитие руслового процесса, а именно на размывающую и аккумулирующую способность в рассматриваемых водотоков позволяет правильно спрогнозировать дальнейший ход развития русловых деформаций, переформирование берегов.
Целью работы являлось изучение влияния травянистой растительности на процесс формирования и переформирования речных русел, а также в составлении рекомендаций по детальному учету влияния последней на ход процесса восстановления водного объекта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести теоретический анализ влияния растительности на формирование и
переформирование речного русла;
- экспериментально изучить основные причины влияния растительности на
гидравлические характеристики потока;
- исследовать изменения гидравлических сопротивлений по длине,
вызываемых ростом, высотой, гибкостью и густотой травянистых растений;
- изучить влияния стеблей травянистых растений на режим течения потока и
местные размывы;
- исследовать влияние различных условий на процесс повышения
экологической устойчивости речных систем, включая применение методов
инженерной биологии.
Научная новизна: в диссертации осуществлен анализ результатов экспериментальных исследований влияния растительности на формирование и переформирование речного русла, сделан краткий обзор рассматриваемой проблемы;
- выполнены экспериментальные исследования по определению изменения
гидравлических характеристик потока под влиянием травянистых растений,
покрытой поверхностью речного дна;
экспериментально обоснованы параметры, влияющие на изменения гидравлических сопротивлений по длине, на распределение скоростей и изменения режима движения потока над поверхностью речного дна, покрытой травянистой растительностью;
на основе анализа собственных экспериментальных данных получены экспериментальные зависимости изменения коэффициентов гидравлического трения, гибкости, коэффициента лобового сопротивления стеблей травянистых растений, числа Рейнольдса, их диаметра, а также предложены графические зависимости, позволяющие прогнозировать изменение гидравлических сопротивлений от высоты, густоты и гибкости травянистых растений.
Достоверность: полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается современными методами выполнения экспериментальных исследований, результатами анализа полученных опытных данных и оценкой их
точности, а также использованием современных статистических методов обработки опытных данных.
Практическая ценность работы: заключается в разработке рекомендаций по учету влияния растительности на развитие руслового процесса восстанавливаемого водного объекта при решении инженерных задач в практике гидротехнического строительства на малых и средних реках. На основе проведенных экспериментальных исследований составлены рекомендации по детальному учету влияния растительности на процессы восстановления водных объектов.
Апробация работы: результаты исследования, выполненных по теме диссертационной работы, докладывались на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения», а также на научных конференциях Московского государственного университета природообустройства.
Объем и структура работы: диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, насчитывающего 122 наименований. Работа изложена на 116 страницах машинописи, включая 37 рисунков и 4 таблицы.
Основные результаты анализа работ, посвященных изучению влияния растений на сопротивление движению потока и интенсивность местных размывов
Влияние древесных, кустарниковых и травянистых растений на сопротивление движению потока. Растительный покров характеризуется большой степенью видовой и пространственной неоднородностью внешней среды, которая благоприятствует произрастанию тех или иных видов. При зарастании берегов открытых русел водной растительностью, сопротивление потоку возрастает. Проведенные исследования, направленные на изучение гидравлического сопротивления по длине, рассматриваются как натурные (Н.К.Бессребрянников, А.С.Головатюк, А.Ф.Печкуров и С.К.Ревяшко, О.Фауст, В.Т.Чоу, и др.), так и лабораторные (С.С.Амелина, Д.А.Асанова, А.Ф.Дмитриев, В.А.Лудов, В.М.Лятхер и Гурин, Нгуен Тай, П.И.Кудрявцев, М.Сепп и А.Маастик, М.Юрчук и др.)[18,23,83,102,114,6,7,8,30,54,55,75,76,59,116].
Сопротивление течению вод создаются древесными и кустарниковыми, травянистыми, водяными растениями. Деревья вместе с кустарниками выдерживают скорость течения до 2,5 м/с [64]. Водяными растениями сопротивление течению воды создаются особенно при наличии листвы. Они снижают скорость потока и ускоряют отложения наносов, благодаря плавающим листьям и стеблям. Особенно сильно этот процесс проявляется в поверхностных слоях воды. При сильном ветре у кувшинковых края листовой пластинки загибаются. Лист превращается в ширму, а под ней создается участок спокойной воды, где оседает взвесь, увеличивается прозрачность [66]. Во время паводков и половодий под водой из травяных растений могут оказаться злаковые и бобовые растения прибрежных территорий. При некоторых схемах поверхностных поливов сплошной травяной покров также может находиться на дне. К зарастающим обычно относят поймы рек. Трава и ее разветвленная корневая система делает устойчивым формы русла, укрепляет его грунтовое ложе, препятствуя размыву его поверхности и перемещению частиц.
Ю.Н.Соколов провел исследования для определения гидравлического сопротивления по длине растительности пойм на основании разработанных морфологических характеристик растительности. Он предпринял попытку установить связь между гидравлической шероховатостью участка поймы и структурой естественной пойменной растительности. При определении высоты травостоя, оказывающей влияние на сопротивление он рекомендовал учитывать пригибание стеблей травы под действием напора пойменного потока [97, 98].
Согласно мнениям А.Ф.Печкурова и С.К.Ревяшко зарастаемость русла оказывает сопротивление движению, и формирует кинематическую структуру потока. Степень зарастаемости ложа не зависит от вида водной растительности и последняя является основным фактором, тормозящим движение жидкости. При частичной зарастаемости на сопротивление движение воды по длине влияет не только водные растения, но и вся омываемая потоком поверхность русла. Также они утверждали, что коэффициент трения X в случае заросших русел зависит не только от числа Re, но и от числа Fr и относительного веса водной растительности [83]. где X - коэффициент сопротивления трению по длине, 8 - относительный вес водной растительности в кг/м , у - вес единицы объема воды в т/м . Ван Те Чоу своих натурных исследованиях рассматривал влияние растительного покрова на коэффициент шероховатости по Маннингу. По его мнению, растительность может рассматриваться как разновидность поверхностной шероховатости, которая в то же время уменьшает пропускную способность русла и тормозить движение. Ее действие зависит главным образом от высоты, густоты, распределения и типа растений [114].
Таким образом, по литературным источникам (таблица 1.1) можно сказать, что в заросшем русле растения занимают часть живого сечения русла и увеличивают коэффициент шероховатости в 3 - 6 раза. Вследствие сезонного роста водной растительности, травы, водорослей, ивняка и деревьев в русле значение п может увеличиваться в вегетационный период и уменьшаться в период покоя.
П.И.Кудрявцев выполнивший свои исследования в лабораторных условиях путем имитации растений, обнаружил значительное отклонение от квадратичного закона сопротивления в сильно заросшем русле. Он также доказал, что формула Базена непригодна для расчета заросших русел, а также поставил опыты для изучения обтекания системы тел. Его исследования показали, что лобовое сопротивление стеблей в заросшем русле значительно меньше того, которое характерно для случая индивидуального испытания стебля в том же потоке. Он отметил, что в промежутке между стеблями уменьшается турбулентное перемешивание, имеет место существование ламинарного закона в заросшем русле [48]. К такому выводу пришли также А.Маастик и М.Сепп, основываясь на результатах лабораторных исследований в русле покрытом травами, и утверждали, что для заросших травяной растительностью русел характерны кривые сопротивления, подобные линии ламинарного режима [59].
Опыты А.Ф.Дмитриева были проведены в гидравлическом лотке переменного уклона с трапецеидальным сечением канала, в который укладывались травяные ковры. Высота травяного ковра изменялась путем стрижки и составляла в опытах 31, 21, 11, 6 см, по мере уменьшения уклона значения коэффициента гидравлического трения увеличивались. При больших значениях гидравлического уклона его влияние переставало ощущаться. Было выявлено также преимущественное влияние параметра высоты растений по сравнению с параметром уклона, что позволило А.Ф.Дмитриеву предложить сложную эмпирическую зависимость вида:
Можно отметить, что в его опытах, в диапазоне чисел Рейнольдса от 15000 до 100000, опытные точки для каждого фиксированного значения высоты растительного покрова подтвердили существование зависимости ламинарного типа Л = —. Здесь коэффициент А зависит от высоты растительного покрова [30].
Методика проведения экспериментальных исследований
В процессе проведения экспериментальных исследований переменными принимались: расход воды, масса растений, высота и расположение растений в плане. Экспериментальные исследования включали б серий опытов: - серия опытов с руслом, свободным от растительности; - серия опытов с травяным покровом высотой h=50 мм, состоящим из модельной растительности, выполненной из лески и кембрика; - серия опытов с травяным покровом высотой h=200 мм, состоящим из модельной растительности, выполненной из лески и кембрика; - серия опытов с травяным покровом высотой h=300 мм, состоящим из модельной растительности, выполненной из лески и кембрика; - серия опытов с береговой растительностью высотой h=50, 200 и 300 мм, состоящей из модельной растительности, выполненной из лески и кембрика; - серия опытов с естественным травяным покровом высотой h= 50,200 и 300 мм. Лабораторные исследования проводились в следующей последовательности. 1. В зависимости от серии опыта подготавливался рабочий участок; при наличии травяного покрова, растительность располагали в соответствии с заранее заданной схемой расположения. 2. Для экспериментов с растительностью первоначально измерялись параметры элементов скелета растений: масса, плотность, поперечное сечение стеблей, площадь поверхности стеблей. 3. Посредством открытия задвижки в лоток подавался заданный расход воды. 4. Равномерный режим течения по методу А.П.Зегжда устанавливался регулированием затвора. 5. Определение температуры воды осуществлялось при помощи ртутного термометра с ценой деления 0,2 градуса. 6. После установления равномерного режима в лотке, производилось измерение глубин воды в характерных точках. 7. Измерение местных скоростей выполнялось в середине рабочего участка на трех скоростных вертикалях в полностью заросшем русле: первая вертикаль располагалась на оси, вторая и третья на расстояниях 15, и 5 см от стенки лотка.
Также на семи скоростных вертикалях в русле с береговой растительностью: первая вертикаль располагалась, 1,5 см вторая и третья на расстояниях 10, и 20 см от стенки лотка, четвертая на оси, пятая - 30 см, шестая - 40 см и седьмая 48,5 см от стенки. 8. После измерения скоростей с помощью измерительной линейки определялось полегание стеблей растительности в потоке. Для определения длины начального участка использовалась формула: где h - глубина потока, R - гидравлический радиус. Лабораторные исследования проводились при расходах воды от 2 до 40 л/с. Расходы воды определялись с помощью водомерного узла с трапецеидальным водосливом с тонкой стенкой по формуле: Для установления равномерного режима движения воды выполняли следующее условие: Где I - пьезометрический уклон, 1пов - уклон свободной поверхности, 1дна - уклон дна русла. По методу А.П.Зегжды за глубину, отвечающую равномерному движению, принималась глубина воды, соответствующая в точке перехода свободной поверхности из состояния спада в состояние подпора [34]. Эта глубина определялась графически. При определении нормальной глубины для каждого открытия щита фиксировались отметки свободной поверхности потока в начале и конце рабочего участка. По полученным значениям hi и 1 строились с координатами Ah и h2 график, где Ah = 1 - hi. В опытах определялись фиктивная глубина h0 неравномерного режима, получаемая как разность отметок свободной поверхности и стеклянного дна. Для получения действительной глубины из полученной величины h0 вычитали среднюю высоту выступов шероховатости, т.е. абсолютную шероховатость, которая в нашем случае была принята на высоту грунтового покрова дна. Глубина равномерного режима потока h0 определялась как: где h0 - фиктивная глубина воды, R- абсолютная шероховатость. Контроль за правильностью определения нормальных глубин производились с помощью построения графиков зависимости Q=f(h0). Для исследования в лабораторных условиях влияния травянистых растений на трансформацию поля скоростей применяли трубку Прандтля-Ребока. Измерение местных скоростей производили сразу же после определения рабочей глубины. Перепад давлений измерялся микроманометром с кареткой. Скорости измерялись на скоростных вертикалях в 9...21 точках в течение 8... 10 минут. Отсчеты показаний микроманометра в каждой точке производились через 20-30 секунд после установления трубки Прандтля-Ребока. Скоростные вертикали в полностью заросшем русле располагались следующим образом: первая в середине лотка, вторая и третья соответственно на расстояниях 15 и 5 см от стенки лотка. В русле с береговой растительностью: на семи скоростных вертикалях: первая вертикаль располагалась, 1,5 см вторая и третья на расстояниях 10, и 20 см от стенки лотка, четвертая на оси, пятая - 30 см, шестая - 40 см и седьмая 48,5 см от стенки лотка. Величина осредненных средних скоростей определялась по формуле: где Ahcp - среднее значение перепада давления в точке на вертикалях. По полученным скоростям осевой и пристенных вертикалей были построены эпюры распределение скоростей в живом сечении потока. Деформационное воздействие потока на стебли растений определялось с помощью критерия гибкости [76]: Модуль упругости лески и кембрика определяли в лабораторных условиях следующим образом. Из образцов лески и кембрика мы взяли несколько образцов, длинной 600 мм. На этих образцах был отмечен участок, равный 300 мм а также 150 мм для закрепления образца к горизонтальной стойке. К образцу из лески к свободному концу был приложен груз, массой 2 кг, а для кембрика - 0,5 кг. Через определенное время после приложения силы измеряли длину лески и кембрика и определяли относительную длину: Для образца из лески момент инерции был определен относительно центра круга по формуле: Для образца из кембрика момент инерции мы определяли как для элементарного кольца относительно центра круга по формуле: где c=do/d d0 - внутренний диаметр кольца, d - внешний диаметр кольца. Как известно, соотношение между объемом наносов, поступивших на данный участок реки, и объемом вынесенного твердого материала за его пределы определяет баланс наносов. Согласно И.В.Попову, уравнение баланса наносов бесприточного участка реки ограниченной протяженности можно представить в виде
Изменение гидравлического сопротивления в зависимости от высоты, плотности и гибкости стеблей травянистых.растений
В ходе исследований нами были рассмотрены русла, полностью заросшие растительностью с высотой стеблей 300 мм (рис.3.5), для которой зависимость между фактической подводной длиной стебля t" и первоначальной его высотой t, была предложена Нгуен Таем в зависимости от критерия гибкости и имела вид:
При рассмотрении русел, частично заросших растительностью относительной высотой 200 и 50 мм (рис.3.6), фактическая подводная высота стеблей по Нгуен Таю была меньше первоначальной высоты стеблей [76]:
Результаты наших опытных данных, полученных для каждого варианта расположения растительности с различной высотой в плане, представлены на графике X=f(Re)( рис.3.7). Из этого графика видно, что при относительной высоте стеблей 1,363 (рис.3.7 а) максимальные значения коэффициента гидравлического трения, были больше, чем для растительности, относительной высотой 0,909 (рис.3.7 б) и 0,227 (рис.3.7 в). В случае частичного полегания растительности за высоту стебля принимались вертикальные размеры модельных и естественных растений, поскольку горизонтальные элементы дают малые влияния в сопротивление, как бы экранируя поверхность дна.
Густота «посадки» растительных элементов в наших экспериментах варьировалась от 50 до 288 шт/м. При этом максимальные значения коэффициента гидравлического трения были получены для случая шахматного редкого расположения растительности, а минимальные значения - для хаотичного расположении модельных растений. График A,=f(Re) показывает, что значения коэффициента гидравлического трения X увеличивались с уменьшением плотности стеблей растений.
Сопоставление наших опытных данных с результатом Нгуен Тая (рис.3.8) показали некоторые несоответствия с его выводами. Он утверждает, что с уменьшением плотности расположения стеблей в плане и увеличением глубин потока коэффициент гидравлического трения уменьшается. В нашем случае наблюдалось увеличение значения коэффициента гидравлического трения X.
Сравнение полученных данных с данными Нгуен Тая показано на рис. 3.8. Из графика видно, что по данным Нгуен Тая для разных типов растительности кривые зависимости коэффициента трения от числа Рейнольдса сильно различаются по своему характеру. Для щетинки значение коэффициента трения сначала возрастает с увеличением числа Рейнольдса, затем уменьшается с возрастанием числа Рейнольдса, а затем вновь начинает возрастать. Всего его точки в случае h t располагаются вдоль одной линии, примерно параллельной линии ламинарного движению и коэффициент гидравлического трения зависит от числа Рейнольдса. В случае h t" коэффициент гидравлического трения зависит как от числа Рейнольдса, так и от глубины воды. Наши опытные данные в общем случае с одной стороны подтверждают зависимости, предложенные Нгуен Таем, а, с другой стороны, уточняют их.
В опытах В.А.Лудова значения плотности материала стеблей и листьев постепенно уменьшались по мере роста растения. По его мнению, плотность материала стеблей и растений может косвенно характеризовать воздействие плавучести стеблей и листьев на величину гидравлического сопротивления. В его опытах можно наблюдать, что по мере развития растительного покрова, пористость постепенно уменьшается, а это сказывается на значительном увеличении коэффициента трения. Он подтвердил, что уменьшение значения плотности способствует увеличению коэффициента гидравлического сопротивления растений. Сравнение наших опытных данных с его данными, подтвердило его выводы (рис. 3.9). Из представленного нами графика видно, что в нашем случае значения коэффициента гидравлического трения X меньше, чем эта же величина по данными. Это объясняется тем, что морфологические особенности строения структуры стеблей рассматриваемых растений в его опытах были иные, чем у нас. В наших экспериментальных опытах характерные размеры стеблей естественной травы имели более тонкую структуру, чем стебли пшеницы в опытах В.А.Лудова.
По мнению Нгуен Тая изменение гибкости стеблей приводит к изменению вида кривых A,=f(Re). Критерий гибкости Гь играет важную роль в определении гидравлических сопротивлений в заросшем русле [76]. Гибкость стеблей растений, определенная по формуле (2.8) и результаты наших экспериментальных данных показаны на графике ЗЛО. Из графика видно, что с увеличением значения гибкости значения коэффициента гидравлического трения уменьшаются. С увеличением значения числа Re увеличиваются значения гибкости. Максимальные значения гибкости получены для хаотичного расположении стеблей, а минимальные для шахматного редкого расположении, то есть на критерий гибкости определенным образом влияет количество стеблей находяпщмся на дне русла. Следует также отметить, что полученные нами значения гибкости стеблей меньше, чем у Нгуен Тая (рис. 3.11.) А характер расположения опытных точек в общем случае носит сходный с ним вид. Это объясняется различием условий проведения, его и наших экспериментальных исследований.
Гибкость естественных травяных растений определялась по формуле (2.8), при этом модуль упругости Е для естественных растений разных типов был принят Е=21000 кг/см [А.С.Ваншток [76]]. Момент инерции стебля естественных растений подсчитывался как для плоских форм; для расчета принималось среднее значение момента инерции, что обусловливается изменчивостью поперечного сечения стеблей. Полученные значения гибкости для естественных трав по сравнению с модельными растениями было большим, характер же расположения опытных точек на графике одинаковые.
Сравнение результатов эксперимента по формированию и переформированию речных берегов с опытными данными других авторов
В заросших руслах коэффициент гидравлического трения зависит от вида растений, соотношения высоты растений и глубины потока, от отношения части площади живого сечения, занятой растительностью, ко всей площади живого сечения, от гибкости растений, от количества растений на единице площади дна и откосов, от числа Рейнольдса, подсчитанного по диаметру стеблей и от других факторов [116]. В качестве попытки выяснения степени влияния этих факторов в лабораторных условиях нами было проведено экспериментальное исследование при различных высотах и густотах расположения растений.
В.С.Боровков отмечал, что образование и развитие русловых форм происходит при умеренных скоростях течения, приводящих к скачкообразному движению наносов. При высоких скоростях течения русловые формы не образуются, наносы движутся сплошным слоем, а ранее имевшиеся формы разрушаются потоком и исчезают. Начало взвешивания частиц связано с действием наиболее крупномасштабных пульсаций. Частицы, попадающие в транзитный поток из зоны присоединенного вихря, по мере продвижения транзитного потока переносятся лишь на определенное расстояние, осаждаются и создают новое возмущение в зоне выпадения частиц [19].
Исследования Б.Ф.Снищенко и Ю.М.Корчохи показали, что в условиях роста скорости происходит частичный переход руслоформирующих наносов во взвешенное состояние. Вследствие этого крупность донных отложений резко возрастает, причем наиболее крупные фракции аккумулируются в подвальях гряд. Размеры гряд в период нарастания расходов увеличиваются. Также в период стояния наиболее высоких уровней возможен частичный смыв гряд и уменьшение их высоты [93]. Б.Ф.Снищенко указал, что гряды быстро увеличиваются при подъеме уровня, а также при снижении расходов и уровней высота их снижается медленно. При малом расходе, не соответствующем гидравлическим характеристикам потока, формируются новые более мелкие гряды на поверхности крупных гряд, в результате чего возникает сложный рельеф речного дна с грядовыми образованиями двух, а иногда и трех порядков.
В наших экспериментальных исследованиях при увеличении скорости потока воды происходил частичный переход наносов во взвешенное состояние. Вследствие этого размеры донных гряд резко возрастали. Размеры гряд увеличивались с повышением расходов воды.
Исследованиями М. Юрчук было выявлено, что вторжение гряд на заросший участок русла становятся возможным, если скорость обтекания зерен грунта на вершине вторгающихся гряд будет превышать гидравлическую крупность зерен грунта. В процессе развития гряд происходит одновременное переформирование структуры потока [116]. Наши наблюдения подтверждают ее выводы о том, что гряды, образовавшиеся на заросшем участке, более крутые как за счет большей высоты, так и за счет меньшей длины.
В своих наблюдениях В.В.Дворецкас и М.И.Бецонис подтверждали, что при зарастании прибрежных отмелей, побочней и мелководий происходит усиленная аккумуляция взвешенных отчасти и влекомых наносов. На зарастающих участках днищ русел транспорт наносов прекращается и происходит образование заросших постоянных песчаных гряд [28].
Ю.Н.Соколов отметил, что скоростное поле или распределение скоростей в русле, постоянно воздействуя на последнее, формирует его постепенно. Скоростное поле непрерывно деформирует русло в течение достаточно длительного отрезка времени [98]. Он установил, что в пределах однотипных русловых форм большое значение имеют характеристики подстилающей поверхности, например растительность, ее параметры, плотность, или энергия потока. Исходя из этого он сделал вывод о том, что особенности русла: его форма, грунт и растительность за несколько десятков секунд определяют скоростное поле и влияют на него постоянно. Поток, непрерывно воздействуя на русло, формирует его постепенно, причем время релаксации этого переформирования определяется как характеристиками потока, так и особенностями русла.
Построенные нами эпюры распределения осредненных скоростей потока по вертикалям по каждому варианту расположения стеблей модельных растений показывают, что более равномерное распределение этих скоростей потока наблюдается при густом расположении стеблей, также последнее достигается при увеличении их высоты.
Сурмач Г.П. отметила, что естественная растительность в эрозионно-аккумулирующем процессе в системе речной сети обладает большой почвозащитной способностью, выступая как один из важных факторов, тормозящих размыв склонов. При наличии плотного растительного покрова смыв со склонов практически не происходит. В условиях изреженности растительности его интенсивность весьма высокая [101].
Результаты наших экспериментальных исследований, выполненные на модели с несвязными грунтами показали, что в случае густо расположенных стеблей растений в плане размыв русла происходил меньше, чем при редко расположенном варианте. Здесь можно отметить совпадение с вышеописанными выводами о том, что с увеличением густоты стеблей размыв грунта уменьшается. 1.Формирование и переформирование речных берегов связано взаимодействием водного потока с подстилающим грунтом. Взаимодействие проявляется в формах транспорта наносов и особенностях их аккумуляции и размыва, происходящих в русловых потоках и берегах рек. 2. Зарастание дна и берегов русла вызывает прекращения транспорта наносов и образования заросших постоянных песчаных гряд. Уменьшение скорости течения в придонной зоне, вызываемое влиянием растительности, резко изменяет ход руслового процесса, уменьшает размывы, снижает скорость потока и приводит к активному осаждению взвесей. Аккумуляция влекомых частиц из водного потока приводит к изменению микрорельефа и перераспределению потоков и их скоростей.
Похожие диссертации на Влияние травянистой растительности на изменение гидравлических характеристик потока при природоприближенном восстановлении рек
