Содержание к диссертации
Введение
1. Русловой режим устьевых участков северных рек 11
1.1. Судоходное освоение Обско-Тазовского эстуария (историко-географический очерк) 11
1.2. Краткая гидроморфологическая характеристика устьев северных рек 20
1.3. Факторы заносимости дноуглубительных прорезей 28
2. Гидрометеорология обского эстуария 36
2.1. Гидрологическая и гидрометеорологическая изученность устьевой области реки Оби 36
2.2. Гидрометеорологические характеристики Обского эстуария 46
2.2.1. Гидрографическое описание 46
2.2.2. Климатическая характеристика и ледовые явления 49
2.2.3. Выходы вечной мерзлоты 52
2.2.4. Ветроволновой и уровенный режимы Ямсальского бара 54
2.2.5. Характеристики стока 69
2.2.6. Сток наносов и русловые деформации 75
2.3. Дноуглубительные работы в бассейне и их эффективность 79
2.4. Прогноз уровней воды на Ямсальском баре 83
3. Расчетное обоснование дноуглубительных прорезей ... 96
3.1. Постановка задачи 96
3.2. Оценка условий транспорта наносов 98
3.3. Численное моделирование русловых переформирований в одномерной постановке (1-D) 104
3.4. Двумерная модель (2- D) 115
4. Рекомендации по обеспечению судоходных условий 128
4.1. Варианты судоходной трассы на Ямсальском баре 128
4.2. Методы обеспечения устойчивости дноуглубительных прорезей 130
4.3. Проектные рекомендации 138
Заключение 140
Литература 143
Приложения 156
- Краткая гидроморфологическая характеристика устьев северных рек
- Гидрометеорологические характеристики Обского эстуария
- Оценка условий транспорта наносов
- Методы обеспечения устойчивости дноуглубительных прорезей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Внутренние водные пути России являются важнейшей частью инфраструктуры государства, обеспечивающей транспортные связи 68 субъектов Российской Федерации, а также экспортно-импортные перевозки в прямом водном сообщении в 670 портов 45 стран Европы, Азии и Африки. Особенно велико их значение для хозяйственной и культурной жизни Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера.
Вместе с тем, несмотря на благоприятные возможности для обеспечения водных сообщений в Российской Федерации, доля водного транспорта в общем объеме грузооборота в стране остается относительно небольшой. Это обусловлено спецификой экономического развития страны в дореформенный период, в силу проявления которой преимущества водного транспорта не были реализованы в полной мере. Так, например, в Западной Германии, имеющей более высокую густоту автомобильных и железных дорог, в настоящее время речным транспортом осуществляется не менее 20-25% общего объема грузоперевозок. При этом транспортные издержки на грузоперевозки автомобильным и железнодорожным видами транспорта в среднем в 14.3 и 3.3 раза выше, чем речным транспортом.
Несмотря на сезонность работы, речной транспорт имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами транспорта. Прежде всего, это экономичность при перевозке массовых грузов. Себестоимость путевых работ на реках ниже, чем на других видах транспорта. Капиталовложений на 1 км пути на реках требуется в 3 - 5 раз меньше, чем на железных дорогах, и в 6 раз меньше, чем на автомобильных. Кроме того, есть регионы страны (особенно в Восточной Сибири), где единственным видом транспорта до настоящего времени является водный.
Протяженность используемых для судоходства внутренних водных путей России в настоящее время составляет 100 тыс. км. Для различного вида грузо-
перевозок, осуществляемых водным транспортом, используются в основном реки, находящиеся в свободном состоянии (они составляют более 80 % от протяженности всех водных путей в стране). Для поддержания их в эксплуатационном состоянии и обеспечения безопасного судоходства необходимо ежегодно осуществлять комплекс путевых работ, основными составляющими которого являются дноуглубление и выправление.
Основной поток грузов в Ямало-Ненецком автономном округе идет водой по реке Оби, через Обскую и Тазовскую губы, и, далее, вверх по рекам Надым, Пур и Таз.
Река Обь с притоками и Обская и Тазовская губы являются основными водными артериями для развития экономики Ямало-Ненецкого автономного округа. Особенно важное значение эти водные пути приобретают в настоящее время, когда на территории Ямало-Ненецкого округа активизировались работы по добыче газа и нефти. В общей прогнозной оценке Западно-Сибирская низменность является уникальной нефтегазоносной провинцией России. Предполагается промышленная разработка редких и цветных металлов. Промышленная разработка всех этих природных богатств ставит перед речниками серьезную задачу - обеспечение своевременной транспортировки промышленных грузов в обоих направлениях с выходом на магистраль Северного Морского Пути через Обскую губу. Для выполнения этой задачи потребуется флот большой грузоподъемности, а это в свою очередь требует улучшения судоходных условий на водных путях Обского Севера. Федеральная целевая программа "Модернизация транспортной системы России на 2002-2010 годы" предусматривает увеличение объёмов перевозок грузов в районы Сибири и Крайнего Севера в связи с наращиванием добычи углеводородного сырья, освоением новых месторождений, переводом скважин на механизированный способ добычи нефти и вахтовый метод их обслуживания. Смещение районов добычи газа в Приобье заставляет рассмотреть задачи по развитию водных путей региона как составную, неотъемлемую часть общей программы развития
судоходства по Северному морскому пути. При этом имеется в виду, что единовременные затраты на освоение одного километра речного пути в сравнении со смежными видами транспорта несопоставимо меньше. ,
Одним из факторов, сдерживающих перевозки грузов на реки Пур, Надым, Таз и в северную часть Обской губы для нужд нефтегазодобычи, является мелководье на барах этих рек и в устье Оби, а также сложные гидрометеорологические условия в районе плавания.
Безледовый период в южной части губы составляет в среднем 119 суток. Проход судов без сопровождения ледоколов в Тазовскую губу и на реки Пур и Таз возможен лишь во второй половине июля. К этому времени обычно уже завершается полноводный период на этих реках, что в свою очередь снижает провозную способность флота при доставке массовых грузов и нефтепродуктов в районы обустройства месторождений.
При этом возможны два основных варианта обустройства глубоководного пути через дельту реки Оби:
северный - по Хаманельской Оби через Ямсальский бар;
южный (существующий) - по Наречинской Оби через Надымский бар.
Предпочтительным является вариант судоходной трассы по Хаманельской Оби через Ямсальский бар. Ориентировочно, затраты на обеспечение судоходных условий по этому варианту при проходе судов к рейдам Нового Порта в три раза меньше, чем по южному варианту через Надымский бар. Длина пути по этому варианту сокращается на 72 км и, кроме этого, обеспечивается безопасность прохождения судов под прикрытием западного берега от преобладающих в навигационный период ветров северо-западных направлений.
Образование мелководного бара при впадении реки в море является следствием русловых процессов, протекающих в устьевой области реки. Поэтому изучение деформаций барового участка нельзя рассматривать изолированно от процессов, протекающих во всей устьевой области.
Границы устьевой области определяются распространением влияния моря на реку и влиянием реки на море. Верхняя граница устьевой области располагается там, где выклиниваются в межень приливные или нагонные подъемы уровней воды, т. е. сводится к нулю воздействие колебаний уровня моря. Нижней границей устьевой области является район, где влияние речных вод на взморье становится незначительным, где резко повышается соленость, а пресноводные микроорганизмы дна исчезают.
Устьевая область, как переходная зона между рекой и морем, по степени преобладания речного или морского режима подразделяется на устьевой участок реки (эстуарий или дельта) и предустьевое взморье. Сверху примыкает приустьевой участок реки, снизу предустьевое пространство моря.
Процессы, протекающие в устьевой области реки, очень сложны и зависят от изменчивых сочетаний множества разнообразных природных факторов, основными из которых являются:
Речной сток.
Наносы реки.
Форма береговой линии.
Геоморфология.
Приливы и отливы.
Сгонно-нагонные явления.
Ветровое волнение.
Водная растительность.
Ледовые процессы.
Соленость воды.
Вечная мерзлота и сезонная промерзаемость.
В диссертационной работе рассматриваются вопросы улучшения судоходных условий на транзитном участке Обской губы с целью обеспечения безопасности плавания, сокращения протяженности водного пути и снижения эксплуатационных расходов при обеспечении судоходных глубин.
Целью исследования является разработка рекомендаций по обеспечению судоходных условий на устьевых участках северных рек. Конкретным приложением диссертационной работы является разработка рациональной судоходной трассы через Ямсальский бар Обской губы и ее инженерное обоснование по сравнению с существующим ходом через Надымский бар.
Методика исследований. Решение поставленных вопросов в настоящей работе было получено на основе анализа материалов полевых и лабораторных исследований, выполненных в разные годы на устьевых участках северных рек, а также в результате проведения специальных натурных наблюдений, выполненных автором в устьевой области реки Оби.
Натурные исследования проводились в составе Западно-Сибирской экспедиции СПГУВК с использованием апробированных методик и наставлений, применяемых на водных изысканиях. Промеры глубин на Ямсальском баре и обработка полученных материалов производились с использованием современного промерного комплекса на основе спутниковой системы координирования, специализированного компьютерного программного обеспечения для выполнения промеров глубин, береговой съемки, и программы автоматизированной обработки результатов промера.
Математическое моделирование характеристик движения воды и транспорта наносов в устьевой области реки Оби выполнялось на основе решения численными методами системы уравнений Сен-Венана в одномерной и плановой постановках. В качестве критериального условия начала сдвига частиц донного материала использовались экспериментальные данные B.C. Кнороза.
Научная новизна результатов работы.
1. На основе анализа материалов натурных и экспериментальных исследований арктического эстуария реки Оби получено современное гидрографическое описание района исследований. Оценено распределение расходов воды в устьевой области реки Оби.
Установлены факторы, определяющие устойчивость судоходной трассы на Ямсальском баре. Разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости судоходной трассы.
На основе анализа ветро-волнового режима в южной части Обской губы получены рекомендации по составлению прогноза судоходных глубин на Ямсальском баре в зависимости от характеристик ветра.
Разработаны основные принципы организации путевых работ на устьевых участках северных рек с целью обеспечения судоходных условий на баро-вых участках.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты натурных исследований характеристик стока и русловых переформирований на устьевых участках северных рек.
Рекомендации по обеспечению судоходных условий на Ямсальском баре Обской губы.
Принципы организации путевых работ по обеспечению судоходных условий на устьевых участках северных рек.
Практическое использование результатов.
Разработанные положения диссертационной работы и рекомендации по организации и проведению путевых работ предназначены для проектирования коренного улучшения судоходных условий на устьевых участках северных рек. Особое значение использование этих рекомендаций приобретает в современных условиях в связи с ограниченным финансированием на содержание водных путей.
Результаты исследований автора диссертационной работы использовались при проведении проектных проработок, выполненных по заказу Обь-Иртышского ГБУВПиС при разработке рекомендаций по обеспечению судоходных условий на Ямсальском баре реки Оби.
Результаты диссертационного исследования автора используются в учебном процессе при подготовке студентов на гидротехническом факультете
СПГУВК по специальностям 290400 "Гидротехническое строительство" и 320600 - "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".
Основные результаты исследований и содержание диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах автора.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были представлены и докладывались автором на конференциях профессорско-преподавательского состава и научно-методических конференциях, проводимых в СПГУВК; на XVI пленарном межвузовском совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов; на конференции по безопасности жизнедеятельности на водном транспорте Сибири и Якутии; на международной научно-практической конференции Безопасность водного транспорта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и трех приложений. Основное содержание работы составляет 142 страницы, включая 34 рисунка и 16 таблиц; список литературы содержит 151 наименование, в приложения вынесены рисунки большого размера и таблицы вспомогательного характера.
Краткая гидроморфологическая характеристика устьев северных рек
Весьма сложные гидролого-морфологические процессы, развивающиеся в устьях арктических рек, являются причиной больших затруднений, связанных с транзитным судоходством. Среди главных лимитирующих факторов отмеча ется: многорукавность с многочисленными узлами разветвления и слияния во дотоков; извилистость русел, мелководных устьевых баров на границе дельты и устьевого взморья; влияние вечной мерзлоты, смыкающейся с сезонным про мерзанием аллювия. Выявление причинно-следственных связей, определяющих степень проявления последних, исследование особенностей их динамики является не только весьма сложной, но и разноплановой проблемой, подразумевающей решение различных по сущности, подходам и сложностей задач.
Устья рек Северо-востока России, представляют собой многорукавные дельты, образованные системой веерообразно расходящихся рукавов. Это в первую очередь относится к рекам, которые на начальной стадии формирования впадали в широкий короткий залив (Яна, Индигирка и др.).
Наиболее типичным для дельтового района является процесс возникновения, развития и отмирания рукавов.
Скорость и направленность динамики гидрографической сети дельты неотделимы от процессов, происходящих на устьевом взморье, в пределах которого происходит формирование подводной части дельты - устьевого удлинения реки. При втекании речного потока на устьевое взморье формируются своеобразные подводные аккумулятивные тела - устьевые бары. В большинстве случаев они имеют четкие плановые очертания и рисунком изобат напоминают веерообразные полуконусы. Формы, размеры и скорость выдвижения баров прямо зависят от стока и наносов, энергии волнения и особенностей вдольбере-говых течений. Например, бар протоки Средней на Индигирке, выходящий на открытое взморье, имеет длину 25 км, хотя и испытывает сильное влияние морских факторов.
При втекании речной струи на участок приустьевого взморья водная поверхность понижается и перед устьевым створом в ней проявляется депрессия. Явление приустьевого спада приводит к углублению русла и формированию приустьевой ямы, а далее, по мере распластывания речного потока и замедления течения, происходит аккумуляция вынесенного рекой материала с образованием бара. При этом, несмотря на огромную ширину разлива речных вод на устьевом взморье, стрежневое ядро потока сохраняет вид узкой извилистой ленты. Поток, минуя устьевой створ, продолжает течь в «жидких берегах», сохраняя определенные, хотя и постепенно затухающие скорости, благодаря которым формируются бороздины. Наличие речной струи за пределами наземной дельты находит подтверждение в морфологии устьевых баров. Характер русловых процессов в нижнем участке дельтовых рукавов, непосредственно перед устьевым створом, также существенно влияет на динамику устьевого бара.
На отмелых открытых морских побережьях наиболее ярко выраженным, в большинстве случаев, является только один элемент устьевого бара - русловая борозда, вытянутая от устьевого створа на расстояние до 10-25 км, полого меандрирующая среди прибрежного мелководья.
Другим примером морского подтипа устьевого бара может быть блокированное устье Быковской протоки реки Лены, где вдольбереговой поток морских наносов отклоняет подводной косой баровую борозду и направляет ее вдоль берега на расстояние почти 20 км. На приглубом устьевом взморье предел выдвижения устьевого бара в море - свал глубин, где дальнейшее продвижение в море морского склона подводного конуса выноса речных наносов сдерживается вдольбереговыми течениями и энергией волн. Так устьевые бары протоки Главное Русло дельты реки Яны и протоки Трофимовской в устье реки Лены, выдвинувшись на расстояние от 10 до 15 км в море от устьевого створа, в настоящее время не проявляют тенденции к дальнейшему удлинению.
В зависимости от формы сопряжения реки с приемным водоемом принято выделять дельты выполнения и дельты выдвижения при втекании реки на открытое побережье. При впадении реки в широкий и мелкий залив, воды получают возможность широко растекаться на отмелом взморье и аккумулировать наносы, формируя многорукавные дельты выполнения, огражденные от непосредственного влияния моря.
Гидрометеорологические характеристики Обского эстуария
Устьевая область Оби включает участок нижнего течения реки ниже г. Салехарда, дельту Оби и Обскую губу до линии м. Каменный - м. Круглый. Южная часть губы является устьевым взморьем рек Оби и Надыма, с которым 7? Обь образует единый бар, простирающийся от восточных границ дельты до ли нии м. Ям-Сале - м. Сандибе. От Салехарда до островов Большие Яры Обь течет в общем, восточном направлении. Этот участок нижнего течения реки (приустьевой участок) отличается широким (до 4 км) и глубоким (более 8-10 м) руслом. В межень здесь обнажаются обширные песчаные отмели, однако мелководных перекатов нет. От острова Большие Яры начинается дельта р. Оби. Площадь ее составля-ет около 4000 км , из которых 40% падает на водную поверхность множества рукавов и проток [93]. Здесь Обь делится на два главных рукава левый (северный) - Хаманель ская Обь и правый (южный) - Надымскую Обь которые соединяются на всем .-. протяжении несколькими крупными протоками. Хаманельская Обь, общее протяжение которой составляет около 136 км, заканчивается у мыса Ям-Сале. Ширина рукава изменяется от 1 до 3 км. Глубина по длине реки постепенно уменьшается от 15 до 4 метров. Максимальная глубина плесов достигает 25 метров. Берега рукава низкие, заросшие кустарником. В половодье берега затапливаются.
Выход из Хаманельской Оби в Обскую губу преграждает обширная песчаная отмель - Ямсальский бар, особенно мелководный при сгоне воды под действием южных ветров. Ямсальский бар препятствует заходу морских судов в устье реки Оби.
Наиболее затруднительным участком для плавания, имеющим наименьшие глубины, является участок бара протяженностью около 3 км, имеющий генеральное направление судового хода почти на восток. Отмель Ямсальского бара открыта ветрам 16 румбов (180), начиная от истинного азимута 31 до истинного азимута 211. Еще одной из географических особенностей бара является то, что участок бара открыт ветрам без каких-либо естественных преград (острова, мысы берегов) в указанном секторе на значительные расстояния: на север - до 175 км, на северо-восток - до 140 км, на восток до 60 км, на юго-восток - до 40 км и на юг - до 65 км. С юго-запада, запада, северо-запада и севера пространство бара защищено от действия ветров берегами. Наличие значительных водных пространств, открытых для действия ветров на расстоянии 40-175 км, являются одним из определяющих факторов большой нагонной волны, которая по результатам наблюдений простирается в реку на расстояние до 288 км по меридиану и до 597 км по фарватеру реки.
Судоходных борозд на баре две - северная, с длиной мелководного бара 13.3 км, и южная, с мелководным баром длиной около 12.5 км.
Рукав Надымская Обь, протяжением 176 км, шире Хаманельской Оби. Ширина рукава в месте ответвления составляет около 1 км. Ниже по течению она увеличивается до 16 км, у юго-восточной оконечности острова Юмзина ширина рукава уменьшается до 2.2 км, а к устью вновь увеличивается и у восточной оконечности острова Наречи достигает 17 км. Надымская Обь имеет несколько входов в Обскую губу, главными из которых являются Большое зерло и Хенское зерло. Хенское зерло отделяется вправо от Надымской Оби. Ширина рукава в этом районе составляет ЗО км. Глубина на судовом ходу Надымской
Оби на первых шести километрах от места ответвления резко уменьшается от Щ 14 до 7 метров, и, далее, на протяжении 100 км остается неизменной около 6 метров. В устье рукава глубина увеличивается до 17 м (на протяжении 12 км), а затем происходит общий подъем дна до сопряжения с обширным и мелководным Надымским баром (см. рис.2.2). Между Хаманельской и Надымской Обью расположен целый ряд со единяющих проток. Восточные судоходные протоки дельты Оби, соеди няющиеся между собой, а также Надымская и Наречинская Обь имеют об щий выход в губу по более или менее глубокой лощине - Звягинскому зер лу, имеющему мелководную перемычку длиной около 8 км. Надымская Обь не представляет собой русла рукава дельты в обычном смысле. Это скорее проточный залив Обской губы, в котором происходит медленное формиро вание новой дельты, наряду с выдвижением существующей дельты на вос ток.
В целом, Обская губа является заливом Карского моря, который представляет собой типичный эстуарий - затопленную долину реки Оби длиной 800 км и шириной от 35 до 90 км. Западный берег Обской губы низменный, восточный почти на всем протяжении возвышенный и обрывистый. На расстоянии 100 км от Ямсальского бара, на западном берегу Об ской губы расположен Новый Порт, предназначенный главным образом для обмена грузами между морскими и речными судами. Устьевая область Оби относится к полузакрытым дельтовым устьевым областям с дельтой выпол нения. Комплексная устьевая область рек Оби, Пура, Таза и Енисея имеет ( сложное строение с раздельными устьевыми взморьями в Обской и Енисей ской губах и с общим устьевым взморьем в Карском море.
Оценка условий транспорта наносов
При выполнении гидравлических расчетов русловых переформирований в реках в российской практике обычно используется понятие неразмывающеи скорости, величина которой вычисляется по формуле В.Н. Гончарова [88, 91, 92]. Данная расчетная зависимость рекомендуется при расчете деформаций речных русел с песчаными донными отложениями. До настоящего времени эта формула прошла широкую проверку на практике и дает вполне удовлетворительные результаты для мелких несвязных грунтов. Она записывается в виде Uc =3.0(H-d50/d90)0-2 .(d50 +0.0014)03 (3.1) В формулу В.Н. Гончарова явным образом не входит вязкость воды. В этой связи, ее следует считать действительной для диапазона обычных температур в лаборатории, имеющих порядок 10- 15С. Более низким температурам воды отвечают несколько большие значения неразмывающеи скорости течения, а более высоким - меньшие значения. Размывающая скорость определяется обычно по соотношению Up=1.3Uc (3.2)
Для определения неразмывающих скоростей потока на Ямсальском баре в режиме низких температур воды (в зимний период) использовалась расчетная формула Ц.Е. Мирцхулавы, рекомендованная ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева [83] для определения неразмывающеи скорости несвязных грунтов. В мировой расчетной практике основной критериальной зависимостью, учитывающей изменение условий сдвига однородных частиц грунта на дне вследствие изменения вязкости воды, является графическая зависимость T c=f(Re c), полученная Шильдсом [144]. Критические значения параметра Шильдса и числа Рейнольдса являются функциями критической величины динамической скорости v c и определяются выражениями 0c,x,c=- clL Re,c= . (3.6) (Ps - P)ed v В качестве другого аргумента, характеризующего подвижность частиц на дне, в литературе часто используется безразмерный диаметр частиц Dsj!=(p g/v ) d. В работе [140] график Шильдса в переменных 0c=f(D ) описывается следующим набором расчетных зависимостей 100 0C=O.24(D )"1, D 4, 0c=O.14(D )--64, 4 D 10, 0C=O.O4(D )"0-10, 10 D 20, (3.7) 0C = 0.013(D )0-29, 20 D 150, 0C= 0.055 , D 150. Данная критериальная зависимость прошла широкую проверку при решении практических задач. Представляется, однако, завышенным принятое Шильдсом значение 0С = 0.055 в области квадратичного сопротивления. На это неоднократно обращали внимание целый ряд авторов.
В России наиболее крупное экспериментальное исследование в этой области было проведено B.C. Кнорозом [41]. Исследования проводились в гидравлическом лотке шириной 0.625 м с девятью разновидностями отсортированных песчаных и гравелистых частиц диаметром от 0.164 мм до 18.4 мм. Кроме этого, один цикл экспериментальных исследований проводился с бакелитовым порошком крупностью dCp= 0.18 мм. В ходе экспериментов Кнороз получил закон монотонного убывания коэффициента подвижности с ростом диаметра частиц и описал его тремя линейными зависимостями, соответственно, для областей гидравлически гладкого, переходного и квадратичного законов сопротивления. В квадратичной области, при D 25, значение коэффициента подвижности получилось равным 0С = 0.0262.
Анализ экспериментальных данных B.C. Кнороза, выполненный в работе [19] показал, что установленная им связь коэффициента подвижности от безразмерного диаметра частиц D (автор использовал аргумент Re c) может быть вполне удовлетворительно аппроксимирована расчетной зависимостью следующего вида 101 D +1.3 J7 = 0.16—ї——. (3.8) V с D -0.72 В естественных условиях обычно приходится иметь дело с неоднородными по крупности частицами грунта донных отложений. Поэтому, при решении практических задач, приведенные выше критериальные зависимости, характеризующие условия начала трогания частиц несвязного материала, приходится корректировать. При этом разные авторы прибегают к различным приемам. И.В. Егиазаров [114], используя логарифмический закон распределения скоростей течения в придонном слое, установил зависимость относительной величины коэффициента подвижности для і-той фракции грунта, нормированного его средним значением 0ст, от соответствующей относительной величины диаметра частиц dj/dm . Это выражение имеет вид сі ( Igl9 (3.9) 5І = 0cm lgl9di/dmy Данная зависимость получила обширную экспериментальную проверку по материалам исследований. Она подтверждает известные представления о том, что подвижность более мелких частиц в смеси уменьшается в связи с их "затенением" более крупными частицами и наоборот, вероятность сдвига крупных частиц в смеси выше, чем в случае однородных частиц того же диаметра. Впоследствии эта связь уточнялась рядом авторов [145]. Результатом проявления этого эффекта в реках (в литературе он получил название "hiding/exposure-factor") является сортировка частиц по крупности на дне.
В работе [120] для выполнения тестовых расчетов была подготовлена выборка исходных данных измерений расхода наносов на реках с различной крупностью донных отложений. Основу выборки составили материалы Государственного водного кадастра, в которых имеются необходимые сведения о гидравлических и морфометрических характеристиках потока и русла, полу ченные в результате непосредственных наблюдений на гидрологических no стах. При составлении выборки было поставлено одно условие - в каждом кон кретном случае все необходимые параметры должны быть получены путем не посредственных одновременных измерений. Таким образом, из большого объе ма опубликованных данных результатов наблюдений на реках за последние 50 лет отбирались лишь те, которые содержали в своем составе необходимую для выполнения расчетов информацию. Кроме данных гидрологических ежегодни ков в состав выборки были включены материалы натурных измерений на реках и отдельные опубликованные данные из других источников. Всего на данном этапе выборка исходных данных включает в себя ре . зультаты измерений на 41 гидрометрическом створе по 29 различным рекам ря (л да бывших республик СССР, России и Германии, а также данные двух циклов экспериментальных исследований в гидравлическом лотке с подвижным дном. Общий объем выборки составил 296 измерений.
Методы обеспечения устойчивости дноуглубительных прорезей
Для улучшения судоходных условий на устьевых участках требуются в первую очередь мероприятия по увеличению габаритов судового хода, повышению их устойчивости и обеспечения безопасности движения флота.
На барах рек арктической зоны Российской Федерации основным путем обеспечения судоходных условий является дноуглубление. До 1986 года объем землечерпания был относительно невелик. Так в среднем за навигацию общий объем извлеченного грунта на всех барах сибирских рек составил около 2,5 млн. м . Главной причиной тому было отсутствие землечерпательного флота способного выполнять дноуглубительные работы с большой производительностью на столь сложных участках. Частые и сильные штормы, сложная ледовая обстановка не позволяют производительно использовать речные земснаряды, Малые глубины не позволяют эффективно работать морскому техническому флоту с большой осадкой. За короткий подготовительный период не удавалось обеспечить гарантированной глубины. Создание гарантированных габаритов пути к концу навигации не давало нужных результатов, и это ставило под угрозу массовый завоз грузов в города и поселки арктической зоны для многих, из которых реки остаются единственными путями сообщения. В половодье следующего года прорезь, разработанная в предыдущую навигацию, большей своею частью заносится. После введения в строй морских землесосов проекта П-2104 производительностью 4000 м3/с подвесным грунтопроводом часть проблем успешно разрешилась. Так уже в 1990 году только на баровых участках рек Яна и Индигирка объем землечерпательных работ составил около 2 млн. м . Однако из-за относительно малой длины лонгкулуара требует повторной перевалки грунта при ширине прорези более 60 метров. Кроме того, в этом случае основной причиной заносимости становится перемещение отвала в зону прорези под действием штормового волнения. Эти обстоятельства увеличивают стоимость ежегодного поддержание габаритов судового хода на барах арктических рек.
Естественно, что более целесообразными должны стать способы использования энергии самого водного потока. Одним из таких способов является обвалование судоходного канала через бар струенаправляющими дамбами из грунта или ряжевых конструкций.
Возведение защитных дамб впервые стало использоваться для предотвращения заносимости входов в порты на берегах приливных морей. Для борьбы с барами струенаправляющие дамбы выдвигаются в море или эстуарий на большие глубины. В этом случае наносы, выносимые речным потоком, вследствие больших скоростей между дамбами отлагаются за пределами мелководного участка в районе свала глубин. Отсюда наносы волнением и вдольберего-выми течениями переносятся либо дальше в море или эстуарий, либо за пределы судоходной трассы. Если энергии приемного водоема не хватает для переноса отложенных речных наносов, то произойдет выдвижение бара и тогда будет необходимо увеличить длину струенаправляющих дамб. Эффективность параллельных продольных сооружений тем выше, чем больше заносимость прорезей на баровых участках речными наносами в половодье и морскими наносами во время штормов.
Возведением защитных дамб выправлено устье Сулинского рукава р. Дуная. В его устье сооружены парные надводные дамбы, выходящие в море на 7 км. Аналогичные дамбы были построены в устье реки Вислы [13].
В России продольными дамбами выправлено устье Западной Двины, устья рек Видлицы, Вуоксы, Тулоксы в падающих в Ладожское озеро. Дамбы в устьях этих рек имеют ряжевую конструкцию с засыпкой камнем.
Сооружение защитных дамб является экономически целесообразным при гарантированных глубинах свыше 5 м, и применение их в нашей стране ограничивается пока устьями рек европейской части. В устьях рек Сибири возведение таких конструкций целесообразно при сравнительно коротких барах и большой гарантированной глубине судового хода.
Еще одним способом улучшения судоходных условий является устройство специальных наносоулавливающих емкостей со стороны преобладающего перемещения морских наносов. Этот способ является рациональным в том случае, когда прорезь в период навигации заносится большей своей частью морскими наносами, а работа землечерпательного флота на прорези затруднена интенсивным судоходством. Применяется, как правило, при углублении морских каналов.
На баровых участках рек Сибири не один из вышеперечисленных способов распространения не получил.
Другим путем является увеличение расхода воды проходящего через устьевой створ путем перекрытия ряда боковых проток выправительными сооружениями. Расчет возможности улучшения судоходных условий таким способом для ряда устьевых участков сибирских рек производились на моделях в аэродинамической лаборатории Ленинградского института водного транспорта. Методика проведения исследования на аэродинамических моделях подробно описана в работе Н.П. Гилярова [18].
Применительно к Ямсальскому бару реки Оби была оценена целесообразность перераспределения стока за счет перекрытия боковых проток дельты.
Натурные исследования выявили, что при расходе реки Оби 11000 м3/с, что соответствует меженному расходу с обеспеченностью 85% (рис.4.1.) через створ Ямсальского бара проходит лишь 10% от общего расхода. Скорости течения в баровых бороздинах падают от истока к выходу в Обскую губу с от 0,34 до 0,03 м/с. Проведенные гидравлические расчеты с использованием программного комплекса "RIVER" и исследования сотрудников ЛИВТа под руководством Н.П. Гилярова на аэродинамической модели дельты Оби показали, что даже если через устьевой створ будет проходить 100 % от меженного расхода Оби, для чего необходимо перекрыть все боковые протоки, то глубины в результате этих проектных мероприятий увеличатся у м. Ям-Сале на 30-40 см и примерно на 10 см на гребне бара. Скорости течения в баровых бороздинах в районе гребня бара останутся ниже неразмывающих скоростей. Такие сооружения будут эффективно работать только лишь на пике весеннего половодья. Экономически перекрытие всех боковых проток будет неоправданно.
Анализируя все вышеизложенное, для улучшения судоходных условий на Ямсальском баре в разработке проектных рекомендаций решено было кроме специфики гидрологических и морфологических условий учесть и суровую климатическую обстановку.
Похожие диссертации на Обеспечение судоходных условий на устьевых участках северных рек (На примере Ямсальского бара реки Оби)
