Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Развитие методов расчета мостовых переходов цель и задачи исследования 7
1.1. Развитие методов расчета глубинных деформаций русел на мостовых переходах 7
1.1.1. Постулат Н.А. Белелюбского 7
1.1.2. Эмпирические методы расчета общего размыва 9
1.1.3. Теоретические методы расчета пределов общего размыва 13
1.1.4. Теоретические методы расчета развития общего размыва во времени.. 17
1.2. Расчеты деформаций свободной поверхности потока на мостовых переходах 20
1.2.1. Актуальность вопроса 20
1.2.2. Теоретико-эмпирические методы расчета подпора на мостовых переходах 24
1.2.3. Теоретические методы расчета характерных подпоров на мостовых переходах 26
1.2.4. Комплексный расчет деформаций свободной поверхности и русел на мостовых переходах 33
1.3. Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Методология комплексного расчета отверстий мостов 44
2.1. Методы расчета глубинных деформаций русел на мостовых переходах 44
2.2. Исходная информация н результаты расчета по программе «Гидрам -3» 61
2.2.1. Массив названий и свойств объектов расчета 61
2.2.2. Основной массив исходных данных 62
2.2.3. Массив измененных длин расчетных интервалов 67
2.2.3. Массив измененных проекций длин расчетных интервалов 67
2.2.5. Массив измененных отметок дна русла з
2.2.6. Массив измененных отметок геологического ограничения размыву 68
2.2.7. Массив измененных ширин русла 69
2.2.8. Массив координат типового водомерного графика 69
2.2.9. Массив максимальных годовых уровней воды 70
2.2.10. Массив координат кривой связи водопостов 70
2.2.11. Массив ежедневных уровней натурных паводков 70
2.2.12. Массив ежедневных расходов натурных паводков 71
2.2.13. Массив фракционного состава донных отложений 71
ГЛАВА 3. Особенности работы взаимодействующих мостовых переходов 74
3.1. Солнечная активность и число Вольфа 74
3.2. Особенности работы взаимодействующих мостовых переходов 82
ГЛАВА 4. Исследование деформаций русел на взаимодействующих мостовых переходах 92
4.1. Исходные данные и схема к расчету взаимодействующих мостовых переходов 92
4.1.1. Схема к расчету взаимодействующих мостовых переходов 92
4.1.2. Исходные данные мостовых переходов 93
4.2. Результаты исследования деформаций русел на взаимодействующих мостовых переходах 95
4.3. Анализ и обобщение результатов моделирования общих размывов на взаимодействующих мостовых переходах 98
4.3.1. Определение критических расстояний для размыва 98
4.3.2. Определение общих размывов на взаимодействующих мостовых переходах 102
ГЛАВА 5. Исследование деформаций свободной поверхности потока на взаимодействующих мостовых переходах 108
5.1. Исходные данные и схема к расчету взаимодействующих мостовых переходов 109
5.1.1. Исходные данные 109
5.1.2. Схема исследования деформаций свободной поверхности потока на взаимодействующих мостовых переходах 109
5.2. Результаты исследования деформаций свободной поверхности потока на взаимодействующих мостовых переходах 110
5.3. Анализ и обобщение результатов моделирования общих размывов на взаимодействующих мостовых переходах 119
5.3.1. Определение критических расстояний для подпоров 119
5.3.2. Расчет характерных подпоров на взаимодействующих мостовых переходах 124
Общие выводы 132
Список литературы 135
- Эмпирические методы расчета общего размыва
- Исходная информация н результаты расчета по программе «Гидрам -3»
- Особенности работы взаимодействующих мостовых переходов
- Анализ и обобщение результатов моделирования общих размывов на взаимодействующих мостовых переходах
Введение к работе
Актуальность работы. На реках имеются места, удобные для строительства мостовых переходов. Обычно они оказываются привлекательными и для других инженерных сооружений: мостовых переходов, переходов коммуникаций и т.д. Поэтому случаи строительства мостовых переходов на некотором удалении выше или ниже по течению от существующих встречаются очень часто.
Поскольку существенное нарушение бытового режима водотока имеет место не только вблизи мостового перехода, но и на значительном удалении вверх и вниз от его оси, взаимное влияние мостовых переходов оказывается огромным. Так, мостовые переходы, расположенные выше существующих, попадают в более худшие условия эксплуатации, чем если бы они работали в свободных условиях. Низовые мостовые переходы, наоборот, попадают в лучшие условия эксплуатации, чем в свободных условиях. Однако, при этом, на судоходных реках у таких мостов резко ухудшаются условия судоходства.
Основополагающие расчеты, определяющие генеральные размеры сооружений взаимодействующих мостовых переходов, такие как расчеты общих, местных размывов и характерных подпоров, выполнять с использованием существующих методов расчета одиночных мостовых переходов не представляется возможными.
Цель работы: исследование с помощью математической модели особенностей работы взаимодействующих мостовых переходов и разработка методов упрощенного расчета общих размывов и характерных подпоров для верховых и низовых мостов.
Задачи работы:
1. Исследование работы взаимодействующих мостовых переходов при проходе натурной серии паводка в хронологической последовательности. Обоснование расчетной схемы определения размывов на взаимодействующих мостовых переходах, т.е. определение критического расстояния между мостами, соответствующего минимуму общего размыва под низовым мостом и критического расстояния между мостами, когда верховой мост уже не оказывает практического влияния на общий размыв под низовым мостом.
2. Исследование деформаций свободной поверхности потока с учетом влияния русловых деформаций при различных расстояниях между взаимодействующими мостовыми переходами. Обоснование расчетной схемы определения характерных подпоров на взаимодействующих мостовых переходах, т.е. определение критического расстояния между мостами, при котором работа верхового мостового перехода окажется наиболее напряженной и критического расстояния между мостами, когда влиянием низового моста можно пренебречь.
3. Разработка рекомендаций по проектированию взаимодействующих мостовых переходов и разработка упрощенных (без использования ЭВМ) методов их расчета.
Объект исследования: деформации свободной поверхности потока и русел на взаимодействующих мостовых переходах.
Методика исследования: математическое моделирование с использованием универсальной методологии комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока на мостовых переходах и программы «Гидрам-3» предназначенной для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений на реках с различным типом руслового процесса, в том числе и взаимодействующих мостовых переходов.
Основа методики — одновременное решение в конечных разностях трех дифференциальных уравнений:
1/ уравнения баланса наносов Экснера (математическая запись закона сохранения твердой фазы руслового потока):
; (1)
2/ уравнения неразрывности неустановившегося потока (математическая запись закона сохранения жидкой фазы руслового потока):
; (2)
3/ уравнения плавно изменяющегося неустановившегося течения потока в открытых непризматических руслах Сен-Венана (математическая запись законов сохранения энергии и количества движения):
, (3)
где G – расход наносов руслоформирующих фракций; lр – длина по руслу; Вр – ширина русла (фронта переноса наносов); hр – глубина русла от дна до бровок; t – время; Q – общий расход воды; l – длина по долине реки; – площадь живого сечения; lб – бытовой уклон свободной поверхности потока; z – геодезическая высота (отметка) свободной поверхности потока; – корректив кинетической энергии (коэффициент Кориолиса); V – средняя скорость течения; g – ускорение свободного падения; 0 – корректив количества движения (коэффициент Буссинеска); K – расходная характеристика.
Научная новизна и значимость работы:
К настоящему времени определение общих размывов и характерных подпоров при проектировании мостовых переходов, расположенных выше или ниже от существующих превратилось в острую проблему, строгого решения которой пока нет. Предварительные решения её страдают грубыми допущениями и неточностями. Поэтому эта важная задача требует своего решения на новом современном научном уровне. В настоящей работе использовано компьютерное математическое моделирование с помощью программы «Гидрам-3» для решения этой актуальной задачи и исследования особенностей совместной работы взаимодействующих мостовых переходов.
Достоверность и обоснованность:
Математическое моделирование позволяет получать огромные объемы экспериментальной информации в масштабе 1:1 без негативного влияния масштабных эффектов. Результаты выполненных исследований могут быть использованы при проектировании новых мостовых переходов, расположенных выше и или ниже от существующих.
Практическая значимость работы:
Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать использовать формулы для быстрого прогноза деформаций свободной поверхности потока и русел рек на взаимодействующих мостовых переходах.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Алгоритм и принципы методологии комплексного расчета мостовых переходов и программы «Гидрам-3».
2. Результаты, полученные при исследовании деформаций свободной поверхности потока и русел при различных расстояниях между взаимодействующими мостовыми переходами.
3. Обоснование расчетных схем определения общих размывов и характерных подпоров на взаимодействующих мостовых переходах, т.е. схемы определения наиболее неблагоприятных (но реальных) для мостовых переходов ситуаций.
Первое и второе критические расстояния между мостами для общего размыва и .
Первое и второе критические расстояния между мостами для подпоров и .
4. Упрощенные формулы для быстрого определения общих размывов и характерных подпоров на взаимодействующих мостовых переходах при произвольном расстоянии между мостами.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, четырех приложений и списка литературы. Она содержит 138 страниц текста, включая 47 рисунков, 9 таблиц и 56 страниц приложений. Список литературы содержит 50 наименований.
Эмпирические методы расчета общего размыва
Как видно, разница между выражениями (1.5) и (1.6) состоит лишь в показателе степени при коэффициенте размыва (где х 0). При одном и том же коэффициенте размыва формула (1.6) дает меньшую величину отверстия моста, чем постулат Н.А.Белелюбского (1.5). Таким образом, формулы (1.3) и (1.6) являются все же лишь попытками модифицировать постулат с точки зрения излишних запасов устойчивости мостов, нередко им создаваемых. Однако, практика эксплуатации мостовых переходов знает немало примеров, когда под мостами появлялись размывы, не предусмотренные расчетами. Сконструированные на основе постулата Н.А.Белелюбского различные эмпирические зависимости страдают всеми недостатками последнего. Постулат Н.А.Белелюбского не является универсальным, так как в одних случаях вводит излишние запасы устойчивости сооружений, а в других, наоборот, приводит к опасным инженерным решениям. Следовательно, и эмпирические зависимости, только несколько видоизменяющие этот постулат в основном по пути увеличения расчетной скорости после размыва, могут приводить к проектным решениям еще более опасным, чем при использовании постулата Н.А.Белелюбского. Расхождение фактических скоростей течения и размывов под мостами с расчетными их значениями объяснялись разными причинами. Все авторы пытались объяснить это явление с позиции ус 13 тановившегося движения потока и на этой основе строили свои расчетные зависимости. Основная же причина этих расхождений - неустановившийся характер течения - оставалась неучтенной. Следует особо отметить, что постулат Н.А.Белелюбского и его заменители дают возможность расчета общего размыва только в одном подмостовом сечении, а этого во многих случаях недостаточно.
В 1926 году австрийским ученным Эскнером было получено дифференциальное уравнение баланса наносов, описывающее развитие общих русловых деформаций, независимо от их причины: где G - секундный расход твердого материала; Вр - ширина русла или, что то же самое ширина фронта переноса наносов; h - глубина а русле, считая от дна до бровок; / - длина по руслу; t - время.
Уравнение баланса наносов для практических расчетов было почти одновременно решено в 1932 году советскими учеными М.А.Великановым и Н.М.Бернадским и с тех пор нашло широкое применение в практике гидротехнического проектирования как в СССР, так и за рубежом.
Применительно к мостовым переходам уравнения (1.7) было впервые решено в 1955 году проф. О.В.Андреевым и получены простые зависимости для определения общего размыва под мостами через реки с различным типом руслового процесса. Очевидно, что второй и третий члены уравнения (1.7) выражают приращение площади живого сечения русла в результате, соответственно, глубинных и боковых деформаций. Для удобства анализа этого уравнения полагаем, что процесс размыва - заноса идет в русле с фиксированными по ширине сечениями, для которых — = 0. Тогда уравнение баланса наносов упростится: чему соответствует Ga = GM . Если написать выражение расхода твердого материала G0K GKi, соответственно, для нестесненного и стесненного створов, то учитывая, что после прекращения размыва G, - GX1, можно немедленно определить глубину размыва в русле. Формулы для определения расхода наносов, разработанные разными авторами (В.Н. Гончаров, Г.И.Шамов, М.А. Вениканов, И.В. Егиазаров, И.И. Леви, Е.Лаурсен и др.) имеют практически одну и ту же структуру: функции свойств наносов; Vp - средняя скорость течения русле; Вр -ширина фронта переноса наносов; Vo - неразмывающая средняя скорость течения русле; m, к - показатели степени, несколько различные у разных авторов.
Значения показателей степени меняются в узких пределах, поэтому, не отдавая предпочтения ни одной из исходных зависимостей, можно принять средневзвешенные значения m = 4 и к = 0,5. Приравнивая выражения для расхода наносов в бытовом и сжатом створах G7 = GM и принимая показатели степени m = 4 и к = 0,5 как средние по В.Н. Гончарову проф.О.В.Андреев получил выражение средней скорости течения после размыва:
Как видно, формула (1.13) является частным решением формулы предельного баланса (1.12) для случая отсутствия стеснения пойменного потока. Аналогичное выражение для расчета перемычек было также получено И.И.Леви. Е.М.Лаурсен решил задачу расчета предельной глубины размыва по уравнению баланса наносов для двух частных случаев перекрытия мостом только русла равнинной и стеснения русла беспойменной реки.
Из перечисленных методов расчета глубины предельного размыва, основанных на частных решениях дифференциального уравнения баланса наносов, наиболее общими и строгими являются формулы предельного баланса О.В.Андреева (1.11) и (1.12).
Теоретические методы определения предельного размыва выгодно отличаются от постулата Н.А. Белелюбского и его эмпирических модификаций.
1. Учитываются основные факторы, определяющие величину предельного общего размыва.
2. При расчетах проводится совершенно конкретная граница между русловой и пойменными частями подмостового сечения. Если формулы (1.11) и (1.12) дают величину размыва в русловой части подмостового сечения, то на пойменных участках, где нет влечения наносов, расчет производится отдельно по неразмывающим скоростям для связных грунтов пойменного наилка.
3. В практике проектирования мостовых переходов нередки случаи, когда отверстием охватывается не только русло, но и часть пойм, при этом уширение русла либо вообще не делается, либо производится, но не на всю ширину отверстия. Искусственное уширение подмостовых русел (устройство срезок пойменных берегов) является одним из важнейших средств регулирования общего размыва. Действительно, как следует из формул (1.11) и (1.12) уширение подмостового русла немедленно приводит к уменьшению величины общего размыва. Формулы предельного баланса дают возможность оценить влияние на размыв любого конкретного уши-рения русла в интервале Вро Врм LM, в отличие от постулата Н.А.Белелюбского и его последующих модификаций, которые всегда предполагают Врм = LM, а сама срезка рассматривается не как увеличение ширины русла, а лишь как механическое увеличение рабочей площади под мостом.
4. Теоритические формулы предельного баланса позволяют учитывать при определении наиболее опасных размывов природные деформации русел.
5. Представляется возможным весьма просто учитывать ограничение размыва по геологическим условиям - в результате обнажения трудноразмывае-мых коренных пород, а также при образовании отместки дна русла крупными фракциями.
Исходная информация н результаты расчета по программе «Гидрам -3»
Согласно воззрениям современной гелио-геофизики изменчивость гидрологического режима всей нашей планеты и, в частности, водности рек во многом обусловлена космическими причинами - опосредованным влиянием процессов, протекающих в недрах нашего светила, являющегося типичной звездой спектрального класса G (желтый карлик)
Нижняя, доступная для непосредственного наблюдения оболочка Солнца -фотосфера, состоит из светлых зерен - гранул, которые при изменении фотосферы могут раздвигаться, образуя темные области, так называемые поры. Рост одной или нескольких пор приводит к образованию пятна или группы пятен. В течение определенного периода времени суммарная площадь групп пятен возрастает до некоторого своего максимального значения, после чего начинает уменьшаться, пока данный участок фотосферы вновь не возвратится в невозмущенное состояние. К числу других образований фотосферы относятся факелы, которые, так же как и пятна появляются, растут и исчезают. Считают, что активные области фотосферы представляют собой медленно расширяющиеся вихревые образования.
Изменчивость качественных и количественных характеристик солнечных пятен и факелов, получившая название солнечной активности, носит циклический характер. В среднем один раз в 11,1 года число пятен (и факелов) достигает своего максимального значения, в течение последующих семи лет число их снижается до минимума, после чего в среднем через четыре года вновь наступает максимум очередного цикла. Между деятельностью Солнца и геофизическими процессами существует (нередко тесная) причинно-следственная связь. Для того чтобы использовать эту связь при выполнении различных геофизических прогнозов, установлены количественные характеристики (индексы) солнечной активности. Одним из самых простых и широко используемых на практике индексов солнечной активности являются относительные числа солнечных пятен ( числа Вольфа): W = k(a + \0b) (3.1) где к- множитель, нормирующий отсчеты разных обсерваторий; а- полное число пятен на диске Солнца независимо от их размера; Ь- число групп пятен.
Важность этого индекса обусловлена еще и тем, что непрерывные наблюдения за его ходом во времени ведутся с 1848 г., а полный ряд непрерывных наблюдений восстановлен директором Цюрихской обсерватории Рудольфом с 1700 г., и тем, что множество геофизических явлений обнаруживают тесную связь с ходом чисел Вольфа.
К числу других важных индексов солнечной активности относятся также площадь солнечных пятен ]Г за Данный отрезок времени, индекс средней продолжительности жизни одной группы пятен а, индекс средней максимальной площади одной группы S, индекс и т.д. Солнечная активность проявляется и в других оболочках светила. Поэтому современной гелиофизикой, кроме фотосфери ых, установлены и другие индексы (хромосферные, карональные), однако известные в течение более короткого срока.
Поскольку водность рек обычно тесно связана с ходом чисел Вольфа, в дальнейшем будем ориентироваться именно на этот индекс солнечной активности.
Активные области Солнца сверх нормы излучают электромагнитные волны (рентгеновские, ультрафиолетовые и радиоволны). Однако, помимо этого, солнечная активность проявляется еще и в выбросе дополнительного количества электрически заряженных частиц - корпускул, которые разгоняясь до пара 76 болической скорости (617 км/с), отрываются от Солнца и уходят в межзвездное пространство. По современным воззрениям гелио-геофизики корпускулярное излучение является едва ли не определяющим в гелиогеофизических связях, в том числе и в солнечно - гидрологических.
Основное свойство солнечной активности состоит не только в её цикличности вообще, а в многоцикличности. Классический 11-летний цикл отнюдь не является единственным ритмом солнечной активности. Для Солнца характерна единая, сложная система гармоник различного порядка.
Самый короткий 5 - 6-летний цикл солнечной активности, проявления которого первоначально были установлены во многих геофизических процессах, был впервые обнаружен М.С.Эйгенсоном в ходе индекса а в 1953 г. и связан с корпускулярной активностью Солнца. Этот цикл с свою очередь входит в состав наиболее исследованного 11-летного цикла. Наряду с 11-летным едва ли не самым важным является 88 - 89-летний (вековой) цикл солнечной активности, состоящий из восьми 11-лених циклов. Соседние 11-летние и соседние вековые циклы образуют «двойные» 22 - 23-летние и 170 - 180-летние циклы. Обнаружено влияние на некоторые геофизические процессы и следов многовековых ритмов солнечной деятельности. Так, А.В.Шнитников установил наличие цикла длительностью около 1850 лет. Многоритмичность солнечной активности подчиняется некоторой «иерархии», когда длительность каждого последующего по порядку цикла в 2 - 3 раза больше ритма предыдущего. О сложном, многоцикличном характере солнечной активности можно составить некоторое представление по кривой хода солнечной активности с 1700 г. (рис 3.1)
Изменчивость солнечной радиации, прежде всего, сказывается на верхних слоях атмосферы. Как установлено, все слои земной атмосферы взаимосвязаны, поэтому корпускулярное и волновые воздействия на верхнюю часть атмосферы приводят к соответствующим физическим изменениям нижних слоев. Установлено, что усиление солнечной активности определяет увеличение общей атмосферной циркуляции, что в конечном итоге обусловливает и изменение гидрометеорологического режима. По М.С.Эйгенсону, солнечная активность энергетически относительно незначительна по сравнению с собственной внутренней энергией земной атмосферы. Однако эта вынуждающая сила, попадая в резонанс с ее собственными колебаниями, в значительной степени усиливает общую атмосферную циркуляцию.
Особенности работы взаимодействующих мостовых переходов
Зная ход паводка во времени и учитывая, что связь транспортирующей способности потока G со средней скоростью течения в русле Vp и гранулометрическим составом наносов d известна, можно вычислить расходы наносов руслоформирующих фракций, используя формулы (2.5) - (2.7) при уровне воды YBj для каждого расчетного створа русла. Бытовые расходы Q} для каждого уровня УВ] вводят в расчет с учетом коэффициента неустановившегося течения паводкового потока (2.10). Общий расход для каждого створа определяют последовательным решением для каждой пары створов снизу вверх по течению системы уравнений Сен-Венана (2.11) - (2.12). Изменение руслового расхода Qpmi по длине русла реки с учетом общего стеснения потока, глубинных и боковых деформаций русла и свободной поверхности потока определяют по уравнению (2.9).
Последовательно решая уравнение баланса наносов (2.4) для каждой пары створов русла сверху вниз по течению, определяют изменения средних отметок дна русла A/zpmj на каждом т-м расчетном участке русла за интервал времени A/j. Затем для интервала времени A/j+i и соответствующего уровня воды УВ / определяют характерные расходы с учетом коэффициента неустановившегося течения (2.10). Последовательным решением для каждой пары створов снизу вверх по течению системы уравнений Сен-Венана (2.11) и (2.12) строят кривую свободной поверхности потока и одновременно определяют изменение общего расхода и по уравнению (2.9) руслового расхода по длине зоны влияния мостового перехода.
В соответствии с полученными русловыми скоростями течения в каждом створе русла вычисляют транспортирующие способности потока с учетом размыва-заноса и деформации свободной поверхности потока за предшествующий период времени. Далее, последовательно применяя уравнение баланса наносов (2.4) для каждой пары створов сверху вниз по течению, определяют средние значения изменения отметок дна A/zpm(j+i) за интервал времени A/j+1 и т.д.
Программа «Гидрам - 3» позволяет вести расчеты по длительной серии паводков с учетом периода межени двояким способом. Когда разные по высоте паводки имеют приблизительно одинаковую форму и продолжительность, то в таких случаях допустимо вести расчеты по серии типовых паводков. В компьютер вводят в табличной форме лишь один наиболее характерный для всей серии водомерный график паводка, где он аппроксимируется по методу кусочно-квадратичной аппроксимации с использованием интерполяционного полинома Лагранжа для неравно отстоящих узлов интерполяции (рис. 2.4):
Каждый паводок натурной серии характеризуют лишь одним максимальным уровнем УВВІ. Сравнивая уровень высокой воды рассчитываемого паводка УВВІ с уровнем типового паводка УВВТ строится водомерный график Н\ =f(t), подобный типовому НТ =/(/) (рис. 2.5). Рис. 2.5. Типовое очертание разных по высоте паводков
В остальных случаях расчеты выполняют по натурной серии фактических паводков. В этом случае в компьютер вводят водомерные графики каждого паводка без схематизации, т.е. ежедневные уровни в отсчетах рейки опорного водомерного поста. Водомерные графики автоматически переносятся по кривой связи на ось перехода. Кривые связи уровней водомерных постов (опорного гидрометеослужбы ГМС и по оси мостового перехода) также представляют в виде криволинейных отрезков, аналитические выражения которых определяются полиномом Лагранжа (2.13) с использованием принципа кусочно-параболической интерполяции (рис. 2.6). смп Рис. 2.6. Аналитическое представление кривой связи опорного водомерного поста с водопостом по оси мостового перехода Расчет по натурной серии паводков требует ввода в компьютер больших объемов исходной информации, однако, в подавляющем большинстве случаев оказывается достаточным выполнение расчетов по серии типовых расчетов, требующих минимального объема исходной информации.
Исходная информация и результаты расчета по программе «Гидрам - 3» Для комплексного расчета по программе «Гидрам - 3» требуется исходная информация - цифровая модель водотока и мостового перехода, требующая некоторой предварительной обработки и размещаемая в памяти компьютера в виде следующих массивов. , чем меньше ширина разлива, меньше шероховатость пойм и чем больше глубина их затопления. Значения п в каждом случае могут быть уточнены теоретическим построение планов течений в нижних бьефах мостовых переходов, данными моделирования в гидравлических лотках, а также по результатам натурных наблюдений. Обычно принимают для равнинных рек п = 0,75.
Анализ и обобщение результатов моделирования общих размывов на взаимодействующих мостовых переходах
Согласно воззрениям современной гелио-геофизики изменчивость гидрологического режима всей нашей планеты и, в частности, водности рек во многом обусловлена космическими причинами - опосредованным влиянием процессов, протекающих в недрах нашего светила, являющегося типичной звездой спектрального класса G (желтый карлик)
Нижняя, доступная для непосредственного наблюдения оболочка Солнца -фотосфера, состоит из светлых зерен - гранул, которые при изменении фотосферы могут раздвигаться, образуя темные области, так называемые поры. Рост одной или нескольких пор приводит к образованию пятна или группы пятен. В течение определенного периода времени суммарная площадь групп пятен возрастает до некоторого своего максимального значения, после чего начинает уменьшаться, пока данный участок фотосферы вновь не возвратится в невозмущенное состояние. К числу других образований фотосферы относятся факелы, которые, так же как и пятна появляются, растут и исчезают. Считают, что активные области фотосферы представляют собой медленно расширяющиеся вихревые образования.
Изменчивость качественных и количественных характеристик солнечных пятен и факелов, получившая название солнечной активности, носит циклический характер. В среднем один раз в 11,1 года число пятен (и факелов) достигает своего максимального значения, в течение последующих семи лет число их снижается до минимума, после чего в среднем через четыре года вновь наступает максимум очередного цикла. Между деятельностью Солнца и геофизическими процессами существует (нередко тесная) причинно-следственная связь. Для того чтобы использовать эту связь при выполнении различных геофизических прогнозов, установлены количественные характеристики (индексы) солнечной активности. Одним из самых простых и широко используемых на практике индексов солнечной активности являются относительные числа солнечных пятен ( числа Вольфа): W = k(a + \0b) (3.1) где к- множитель, нормирующий отсчеты разных обсерваторий; а- полное число пятен на диске Солнца независимо от их размера; Ь- число групп пятен.
Важность этого индекса обусловлена еще и тем, что непрерывные наблюдения за его ходом во времени ведутся с 1848 г., а полный ряд непрерывных наблюдений восстановлен директором Цюрихской обсерватории Рудольфом с 1700 г., и тем, что множество геофизических явлений обнаруживают тесную связь с ходом чисел Вольфа.
К числу других важных индексов солнечной активности относятся также площадь солнечных пятен ]Г за Данный отрезок времени, индекс средней продолжительности жизни одной группы пятен а, индекс средней максимальной площади одной группы S, индекс и т.д. Солнечная активность проявляется и в других оболочках светила. Поэтому современной гелиофизикой, кроме фотосфери ых, установлены и другие индексы (хромосферные, карональные), однако известные в течение более короткого срока.
Поскольку водность рек обычно тесно связана с ходом чисел Вольфа, в дальнейшем будем ориентироваться именно на этот индекс солнечной активности.
Активные области Солнца сверх нормы излучают электромагнитные волны (рентгеновские, ультрафиолетовые и радиоволны). Однако, помимо этого, солнечная активность проявляется еще и в выбросе дополнительного количества электрически заряженных частиц - корпускул, которые разгоняясь до пара 76
болической скорости (617 км/с), отрываются от Солнца и уходят в межзвездное пространство. По современным воззрениям гелио-геофизики корпускулярное излучение является едва ли не определяющим в гелиогеофизических связях, в том числе и в солнечно - гидрологических.
Основное свойство солнечной активности состоит не только в её цикличности вообще, а в многоцикличности. Классический 11-летний цикл отнюдь не является единственным ритмом солнечной активности. Для Солнца характерна единая, сложная система гармоник различного порядка.
Самый короткий 5 - 6-летний цикл солнечной активности, проявления которого первоначально были установлены во многих геофизических процессах, был впервые обнаружен М.С.Эйгенсоном в ходе индекса а в 1953 г. и связан с корпускулярной активностью Солнца. Этот цикл с свою очередь входит в состав наиболее исследованного 11-летного цикла. Наряду с 11-летным едва ли не самым важным является 88 - 89-летний (вековой) цикл солнечной активности, состоящий из восьми 11-лених циклов. Соседние 11-летние и соседние вековые циклы образуют «двойные» 22 - 23-летние и 170 - 180-летние циклы. Обнаружено влияние на некоторые геофизические процессы и следов многовековых ритмов солнечной деятельности. Так, А.В.Шнитников установил наличие цикла длительностью около 1850 лет. Многоритмичность солнечной активности подчиняется некоторой «иерархии», когда длительность каждого последующего по порядку цикла в 2 - 3 раза больше ритма предыдущего. О сложном, многоцикличном характере солнечной активности можно составить некоторое представление по кривой хода солнечной активности с 1700 г. (рис 3.1)
Изменчивость солнечной радиации, прежде всего, сказывается на верхних слоях атмосферы. Как установлено, все слои земной атмосферы взаимосвязаны, поэтому корпускулярное и волновые воздействия на верхнюю часть атмосферы приводят к соответствующим физическим изменениям нижних слоев. Установлено, что усиление солнечной активности определяет увеличение общей атмосферной циркуляции, что в конечном итоге обусловливает и изменение гидрометеорологического режима. По М.С.Эйгенсону, солнечная активность энергетически относительно незначительна по сравнению с собственной внутренней энергией земной атмосферы. Однако эта вынуждающая сила, попадая в резонанс с ее собственными колебаниями, в значительной степени усиливает общую атмосферную циркуляцию.
Проявления солнечной активности в различных геофизических процессах поистине безграничны. Одним из самых чувствительных геофизических индексов солнечной активности являются атмосферные осадки, что непосредственно сказывается на гидрологическом режиме рек, озер, уровнях грунтовых вод и т.д., которые обычно обнаруживают тесную связь с солнечной активностью. В качестве примера на рис. 3.2 представлен ход уровней оз. Викория.
Риз. 3.2. Многоцикличный характер солнечной активности по В.Ю.Визе: 1 - Ход уровней оз. Виктория; 2 — Солнечная активность Один из важных выводов современной гелио-геофизики состоит в том, что солнечно-гидрологические связи, хотя и «несомненны, тем не менее, не одинаковы для разных географических районов и в разные эпохи, - отмечал М.С.Эйгенсон. Одни авторы для одних районов и одних отрезков времени обнаруживали положительную корреляцию, а другие для иных районов и иных эпох устанавливали отрицательную связь с солнечной активностью». Так, например, в изменении уровней воды в оз. Виктория (рис 3.2) до 1925 г. Прослеживается четкая положительная связь с ходом 11 -летнего цикла солнечной активности, затем появляются следы 5...6 летнего цикла, а связь в некоторые годы даже становится отрицательной. С другой стороны, А.В.Шнитников нашел, что уровни шведских озер Венерн, Меларен и Ваттерн обнаруживают в течение 100... 150 летнего периода также четкую 11-летнюю цикличность, однако максимумам солнечной активности отвечают уже низкие уровни озер и, наоборот, минимумам активности - высокие уровни, т.е. в этом случае связь отрицательная. Следует отметить чрезвычайно важное явление удлинения продолжительности циклов уровней озер по мере удаления от океана в глубь континента, обнаруженные А.В.Шнитниковым. Так, в уровнях Мазурских озер наблюдается цикличность с периодом порядка 13...20 лет, а в Казахстане и западной Сибири длительность циклов уровней озер уже составляет 25...45 лет (рис. 3.3).
