Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат технических наук Векшина, Татьяна Викторовна

• Векшина, Татьяна Викторовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Векшина, Татьяна Викторовна

Глава I. Режим зарастания речных руселК)

1.1 Гидробиологические условия, видовой состав и фазы развития водных растений

1.2 Географические и гидробиологические закономерности распространения водной растительности

Глава П. Проблемы в оценке гидравлических сопротивлений и гидрометрического учета стока

2.1 Современное состояние исследований гидравлических сопротивлений при зарастании русел

2.2 Параметр Великанова как системная характеристика гидравлических сопротивлений руслового потока

2.3 Методы и задачи совершенствования гидрометрического учета стока зарастающих рек

Глава III. Гидравлические сопротивления зарастающих речных русел

3.1 Системно-климатические факторы и расчетная оценка гидравлических сопротивлений зарастающих русел

3.2 Зонально-сезонная изменчивость и шкала коэффициентов шероховатости зарастающих русел7£

Глава IV. Оптимизация гидрометрического учета стока зарастающих рек

4.1 Регрессионно-гидравлическая модель учета стока в условиях зарастания русла

4.2 Численные эксперименты по оптимизации и компьютерной технологии гидрометрического учета стока

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек»

Актуальность темы

Ежегодно с наступлением лета десятки тысяч водотоков, протекающих на территории России, зарастают водной растительностью. Развитие водной растительности нередко приводит к вредным последствиям: быстрому заилению и обмелению рек, каналов и водохранилищ, заболачиванию речных пойм, ухудшению качества воды, затруднению водоснабжения. И это далеко не полный список негативных последствий. Для примера приведем данные Б.В.Веригина /1/ по Новомосковской ГРЭС, где зарастание водоема-охладителя составляло всего 10% его площади, это вызывало снижение вакуума по машинному залу на 0,5%, что влекло за собой недовыработку 5760000 квт/час электроэнергии в год.

Значительный ущерб зарастание наносит водному хозяйству и мелиорации. При зарастании каналов затрудняется осушение и орошение вследствие уменьшения пропускной способности каналов. Так, например, по данным Д.С.Алиева /2/ при зарастании скорость течения воды в каналах, а значит, и их пропускная способность снижаются в 3-4 раза против проектной.

Во многих случаях убытки, приносимые зарастанием в естественных условиях равнинных, болотистых рек, вообще не поддаются сколько-нибудь полному учету. Зарастание рек сопровождается подпором уровня воды, который нередко достигает по данным различных авторов /3,4,6 и др./ 0,4-0,8 м, а иногда и 1,5 м, что в естественных условиях равнинных рек ведет к заболачиванию пойменных земель /Зи др./.

В этих условиях одной из важнейших предпосылок оценки влияния зарастания рек на экологическое состояние природных территорий, биоценоз ландшафтной и водной среды является оценка пропускной способности зарастающих русел или, конкретно, характеристик их гидравлических сопротивлений.

Наряду с этим, осложняется и гидрометрический учет стока. В результате зарастания русел уменьшаются скорости течения, появляются «мертвые зоны», косоструйность потока, искажаются эпюры скоростей* по глубине и ширине потока. Соответственно, зарастание приводит к нарушению однозначной устойчивой зависимости расхода воды от уровня. Отсутствие однозначной связи расходов и уровней на зарастающих реках вынуждает производить более частые измерения расходов воды, что, в конечном счете, усложняет и значительно удорожает учет стока.

Современная практика гидрометрического учета стока основана на методическом руководстве, разработанным почти пол века назад /4/. Согласно содержащимся в нем рекомендациям, для получения сколько-нибудь надежных данных, необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений, что находится в явном несоответствии с экономическими требованиями настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета стока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов, а так же для проектных и водохозяйственных нужд.

Цели и задачи исследования

Цель исследований заключается в количественной оценке коэффициентов шероховатости для русел рек, подверженных зарастанию, и разработке методики гидрометрического учета стока зарастающих рек, применительно к новым компьютерным технологиям в режимном и оперативном вариантах. В качестве объекта исследований служили зарастающие реки Европейской территории России (ЕТР).

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности на ЕТР, а так же особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.

2. Выявить определяющие факторы и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки при зарастании.

3. Получить расчетную формулу для коэффициентов шероховатости в зависимости от системно-зональных гидрологических факторов.

4. Оценить гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации для различных рек ЕТР.

5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.

6. Разработать методику и алгоритмы автоматизированного учета стока зарастающих рек для внедрения их компьютерной технологии в гидрологическую сеть.

Методика исследований и исходный материал

В качестве исходного материала использовались данные наблюдений на гидрологической сети Росгидромета, результаты ь собственных наблюдений автора и материалы ГГИ.

Решение поставленных задач проводилось путем регрессионно-статистической обработки гидрометрических данных и численных экспериментов, выполняемых на ПЭВМ. В работе использованы так же результаты исследований различных авторов в области гидробиологии, гидравлики и гидрологии. Реализация моделей для различных вариантов исследования и статистическая оценка надежности полученных результатов производилась на персональном компьютере в среде Delphi и Excel.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками результатов и сравнительными характеристиками с независимой натурной информацией.

Научная новизна и практическая значимость

1. В ходе диссертационного исследования впервые были получены зависимости, позволяющие количественно оценивать гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведутся гидрометрические наблюдения, эта задача решается непосредственно на основе предложенного уравнения, параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды.

2. Предложены расчетные формулы для решения той же задачи, при отсутствии гидрометрических данных на неизученных реках.

3. Представлена таблица коэффициентов шероховатости для неизученных зарастающих рек в различные периоды вегетации и для различных зон ЕТР, с использованием только их количественных характеристик. А

4. Разработана новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.

5. Использование предложенной методики учета стока при зарастании дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности характеристик стока.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2001г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002г., на научном семинаре отдела гидрологической сети и мониторинга ГТИ в июне 2003г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГГМУ.

А*

Некоторые аспекты диссертационной работы вошли в учебное пособие, составленное на кафедре гидрометрии РГГМУ.

По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в печати.

Разработанные методики предполагается включить в Наставление для гидрологической сети Росгидромета, выпуск 6, часть III.

1.Режим зарастания речных русел

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Векшина, Татьяна Викторовна

Основные результаты диссертационных исследований получены впервые. В отличие от существующих, они опираются на объективные физические и статистические подходы к интерпретации гидрометрических данных, что отвечает задачам дальнейшего прогресса в решении сложных задач гидравлики и гидрометрии зарастающих рек.

Заключение

1. Зарастание речного русла, как фактор гидравлических сопротивлений, в отличие от шероховатости самого ложа, зависит от ландшафтно-климатических условий. Вместе с тем, гидравлические сопротивления речных русел подвержены сезонным изменениям. Именно сезонная изменчивость составляет основную черту гидравлических сопротивлений зарастающих русел. В таком случае, нельзя признать состоятельными существующие шкалы и таблицы для оценки шероховатости русла при зарастании рек, в которых не учитывается ни климатическая зона, ни сезон, ни порядок (площадь бассейна) реки. Казалось бы, без учета этих факторов подобные шкалы и таблицы теряют всякую определенность, тем не менее, они составляют неотъемлемую часть современных руководств и курсов речной гидравлики. Устранение этого существенного недостатка -актуальная проблема гидравлической науки. Ее решение составило основное содержание диссертационной работы.

2. До последнего времени ни теория, ни лабораторные эксперименты пока не дают решения всего комплекса задач, относящихся к гидравлическим сопротивлениям зарастающих речных русел. В связи с этим оказалось целесообразным использовать непосредственно результаты регулярных гидрометрических наблюдений, выполняемых на гидрологической сети Росгидромета. Их ценность заключается в том, что они проводятся на единой методической основе и в течение всего годового гидрологического цикла, в том числе в период летне-осенней межени, к которому и приурочено зарастание речных русел.

3. На постах гидрологической сети измеряются уровни, расходы и температура воды, но, как правило, не выполняются измерения уклонов свободной поверхности J, и тем более не оцениваются коэффициенты шероховатости п. Зато получаемые гидрометрические данные позволяют определить параметр Великанова т3, который приобретает значение важнейшей характеристики гидравлических сопротивлений.

Величина т3 для зарастающих русел зависит от фазы развития водных растений. С одной стороны, т3 уменьшается по мере увеличения массы растений, а с другой - увеличивается, из-за их старения, полегания и срыва. Эти процессы происходят хронологически закономерно, так что изменение т3 может быть представлено в виде некоторой функции времени, имеющей однотипную аналитическую структуру в разные годы и для различных рек, если время от начала вегетации Т выражено в долях от общей продолжительности периода зарастания русла.

Параметры этой функции устанавливаются по совокупности измерений расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов. Соответствующие расчеты выполнены нами более чем для 50 гидрометрических створов малых и средних рек, расположенных в северной, центральной и южной зонах Европейской части России. На этой основе получены расчетные формулы для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих рек при отсутствии гидрометрических данных. Задача решалась с использованием закономерностей изменения гидроморфологических характеристик речных систем, предложенных Н.А.Ржаницыным.

4. В структуре речных систем, каждая отдельно взятая река, рассматривается как звено - поток фиксированного порядка N. С нарастанием его от истоков к устью, а сами порядки определяются водностью реки. Если сток не изучен, эти характеристики ставятся в соответствие площади водосбора.

Другим определяющим фактором служит повышение температуры воды сверх ее порогового значения (8°С). Именно эти два критериальных комплекса; (гидролого-гидраграфический и зонально-климатический) положены в основу формул, позволяющих количественно оценить гидравлические сопротивления в фазу наибольшего развития водных растений.

Их положительная черта заключается в том, что они опираются на общие сведения, которые содержатся в изданиях водного кадастра и банках данных современных геофизических информационных систем.

Проверка полученных зависимостей выполнена применительно к характерным речным бассейнам Севера, Центра и Юга ЕТР, данные по которым не использовались при их выводе. Средние отклонения по всей совокупности составляют 25%, а наибольшие достигают не более 60%. Для практики такой диапазон вполне допустим, так как он отвечает характеристикам точности гидравлических расчетов даже в более благоприятных условиях движения потока, чем в зарастающем русле.

5. Предложенные формулы получены в результате перехода от собственно гидравлических характеристик зарастающих русел к соответствующим ландшафтно-климатическим факторам, что позволяет использовать их для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих русел в различных климатических зонах. На этой основе рассчитана шкала характерных значений коэффициентов шероховатости: максимальных, осредненных за период вегетации и по фазам - весеннюю, летнюю и осеннюю в зависимости от порядка реки и средневегетационной температуры воды.

Шкала отражает значительную изменчивость коэффициентов шероховатости по сезонам в среднем в 1,5-2 раза, и в тех же пределах максимальные значения превосходят средние, что свидетельствует о нерепрезентативности существующих в речной гидравлике описательных характеристик сопротивлений зарастающих русел безотносительно к климатическим зонам, порядкам рек и сезонам вегетационного периода.

В совокупности система приведенных в диссертации расчетных зависимостей позволяет преодолеть ту неопределенность, которая заключена в современных шкалах коэффициентов шероховатости, основанных лишь на качественно-описательных оценках.

6. Представленные в диссертации зависимости выведены из достаточно обоснованных физических предпосылок и большого объема статистических данных, и поэтому обладают необходимой общностью для применения в других зонах России. Естественно, при этом следует ожидать меньшей надежности расчетов, и вопрос об их уточнении должен составлять задачу специальных исследований.

7. Предложена новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова гп3, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии ведения Государственного Водного Кадастра.

Использование этой методики дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности получаемых характеристик.

Наряду с режимным учетом стока (вычислением ежедневных расходов воды по истечении года), предложены алгоритмы для получения оперативных данных о водности рек для службы гидрологических прогнозов, оценки экологического состояния и мониторинга водных объектов в течение вегетационного периода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Векшина, Татьяна Викторовна, 2004 год

1. Веригин Б.В. Проблемы рыбохозяйственного использования растительноядных рыб в водоемах СССР - Ашхабад.: Изд. АН Туркм., 1963.

2. Алиев Д.С. Опыт использования белого амура для борьбы с зарастанием водоемов Ашхабад.: Изд. АН Туркм., 1963.

3. Семенов В.А., Семенова И.В. Водные ресурсы и гидроэкология Калужской области. Обнинск, 2002.

4. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов -Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

5. Беркович К.М., Чалов Р.С., Чернов А.В. Экологическое русловедение М: ГЕОС, 2000.

6. Константинов А.С. Общая гидробиология М: Высшая школа, 1986.

7. Жадин В.И., Герд С.В. Реки, озера и водохранилища СССР их фауна и флора М: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1961.

8. Леонов Е.А. Некоторые характеристики зарастающего русла в связи с методикой учета стока воды. Тр. ГГИ, вып. 77. Л., Гидрометеоиздат, 1960, с. 74-86.

9. Мудрецова-Висс К.А. Прогноз цветения воды водохранилищ для водоснабжения промышленных предприятий и населенных мест М., Водгео стройиздат, 1971

10. П.Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР Л., Гидрометеоиздат, 1948.

11. Макковеев М.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М., 1955.

12. Чалов Р.С. Общее географическое и инженерное русловедение: предмет исследований и положение в системе наук. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.5, География. 1992, №6, с.10-16.

13. Кондратьев Н.Е., Попов И.В.,Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса -Д.: Гидрометеоиздат, 1982.

14. Антроповский В.И. Морфология долин и деформации русел рек в карстовых районах Европейской части России // Труды V конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». М.: ИВП РАН. 1999.

15. Барышников Н.Б.,Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы -JI.: Гидрометеоиздат, 1988.

16. П.Гришанин К.В. Гидравлические сопротивления естественных русел -JL: Гидрометеоиздат, 1992.

17. Барышников Н.Б. Антропогенное воздействие на русловые процессы -Л.: Изд-во ЛГМИ, 1990.

18. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока —Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

19. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов -М.: Стройиздат, 1969.

20. Спицын И.П.,Соколова В.А. Общая и речная гидравлика -Л.: Гидрометеоиздат, 1990.22.3ежгда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах Л.:- М.: Госстройиздат, 1957.

21. Барышников Н.Б.,Самусева Е.А. Антропогенное воздействие на саморегулирующуюся систему бассейн- речной поток- русло -СПб, изд-во РГГМУ, 1999.

22. Дубов А.С., Быкова Л.П., Марунич С.В. Турбулентность в растительном покрове.-Л.: Гидрометеоиздат,1978.

23. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Ч. 1 -М.: Наука, 1967.

24. Гончаров В.Н. Основы динамики русловых потоков -Л.: Гидрометеоиздат, 1954.

25. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика потоков на урбанизированных территориях -Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

26. Альтшуль А.Д., Нгуен Тай Гидравлические сопротивления при фильтрации воды в растительном слое почвы. Ж. «Метеорология и гидрология», №12,1973, с.77-84.

27. Knight А.С.Е. Rationalized Energy-lass parameters for channels. J. Hydravlies Engineering. T.144,1988, p.757-765/

28. Карасев И.Ф., Сунцова Е.Б. Пропускная способность русла и учет стока зарастающих рек. Ж. «Гидротехническое строительство», №1,2001.

29. Nagy Н.М., Watanobe К. Critical shear stress in vegetated open channel. Proc. Twelfth congr. of the ARD JAHR. Nov.13-16. 2000. Bangkok. Vol.1 Riv. Hydraulics. S. 279-287

30. Беновицкий Э.Л. О коэффициенте гидравлического трения по границе заросшей высшей водной растительности в открытых руслах. «Водные ресурсы» з, «Наука», 1991г., с.71-75

31. Fratric I. Urcenie niektorych charakteristik v zarastenych korytach. "Vodohospodarsky casopis". Slov. ak. vied, Bratislava. 1962/

32. Querner E.P. Aqatic weed control an integrated water management framework.- Wageningen (Netherlands): DLO Winand Starting Center, 1993 203 p.

33. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм,-Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

34. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов —Л.: Гидрометеоиздат, 1992.

35. Великанов М.А. Динамика русловых потоков -М.: Гидрометеоиздат, 1954.Т1, М.: Гидрометеоиздат 1955, Т2.

36. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии,- СПб.: Гидрометеоиздат, 1994

37. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности речной сети.-Л.:Гидрометеоиздат, 1960г.

38. Тумановская С.М. Особенности организации полевых исследований на малых водосборах для оценки максимального стока воды. В сб. «Условия формирования и методы прогноза стока р.Волги» СПб.: Гидрометеоиздат, 1995, с.70-81.

39. Roudkivi A.I. Loose Boundary Hydraulics. Rotterdam, Brookfild, 1988.

40. Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (НИМП-72).-М.: Транспорт, 1972.43.0гиевский А.В. Гидрометрия и производство гидрометрических работ ОНТИ, 1937.

41. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

42. Наставление гидрометеорологическим станциям и потам, вып.6, ч. 1-3 -Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

43. Флерова Р.А. Гидрологический анализ результатов наблюдений на речных станциях Л., Гидрометеоиздат, 1951.

44. Комора Ю. Результаты исследований влияния древостоя на прохождения паводков. Инф бил. По водному хозяйству СЭВ, №2, Москва, 1978, с. 13-18.

45. Эйпре Т.Э. Анализ способов вычисления ежедневных расходов воды рек.-Л.: Гидрометеоиздат, 1981г.

46. Карасев И.Ф., Яковлева Т.П. Методы оценки погрешностей гидрометрического учета стока. Ж. «Метеорология и гидрология», №6, 2001, с. 96-106.

47. Карасев И.Ф. Эколого-гидрологические характеристики водного режима рек. Ж. «Гидротехническое строительство», 1997, № 5, с. 40-45.

48. Моисеев Н.Н. Комментарии к «Эволюция атмосферы» Костицина В.А. М.: изд. «Наука», 1984, с. 46-96.

49. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек -Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

50. Трестман А.Г. Методы подсчета стока рек в зависимости от физико-географических условий Л.; Гидрометеоиздат, 1960.