Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат географических наук Немчинов, Константин Витальевич

• Немчинов, Константин Витальевич
• кандидат географических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат географических наук Немчинов, Константин Витальевич

Введение

1 Современное состояние проблемы исследования движения донных наносов

1.1 Образование речных наносов и факторы их обуславливающие

1.2 Движение речных наносов

1.3 Грядовый режим перемещения донных наносов

1.4 Натурные и лабораторные исследования механизмов перемещения донных наносов

2 Методы расчета транспортирующей способности потока

2.1 Анализ основных причин неудовлетворительного состояния проблемы расчетов расходов донных наносов в реках

2.2 Основные методы и формулы для расчета расходов донных наносов

2.3 Оценка формул на основе фактических измерений

3 Эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков

3.1 Особенности морфологического строения пойм

3.2 Натурные и лабораторные исследования эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков

3.3 Воздействие эффекта взаимодействия потоков на уклоны водной поверхности

4. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт донных наносов в основном русле

4.1. Общие положения

4.2 Результаты экспериментальных исследований по проблеме воздействия пойменного потока на транспорт наносов в основном русле

4.3. Натурные исследования по проблеме влияния пойменного потока на транспортирующую способность руслового

4.4. Описание установки и методики проведения экспериментов

4.5. Анализ экспериментальных данных 131 Заключение 138 Список использованных источников 140 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле»

Актуальность темы. Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из — за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.

Анализ формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных, а погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.

В середине 50 — х годов прошлого века был вскрыт эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность русла. Хотя эта проблема имеет большое научное и практическое значение, так как основная часть стока донных наносов проходит именно в периоды высоких паводков и половодий.

Актуальным также является совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Цели и задачи исследования.

1. Вскрытие закономерностей влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков, при первом и третьем их типах, на транспорт наносов в основном русле.

2. Изучение некоторых особенностей механизма перемещения донных наносов, в частности, процессов сортировки разнозернистого материала.

3. Совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Для достижения поставленных целей была выполнена серия лабораторных экспериментов в лаборатории водных исследований РГТМУ, проведен большой объем натурных исследований на естественных водотоках по изучению механизма перемещения донных наносов. Выполнен теоретический анализ лабораторных и натурных данных.

Научная новизна. Впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового при схождении их динамических осей.

Предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства.

Натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ.

Вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд.

Разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных отложений. Данная методика позволяет выделять в русле зоны, где происходит транзитное перемещение наносов и зоны, где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов, должны быть исключены из расчетов расходов донных наносов.

Практическая значимость. Вскрытие механизма влияния эффекта взаимодействия потоков на транспорт донных наносов позволяет вплотную подойти к разработке методики расчетов расходов донных наносов в русловом потоке при влиянии на него пойменного, что позволит уточнить величину стока наносов в паводочный период.

Предложенная методика обработки проб донных наносов позволяет не только значительно повысить точность при их обработке, но и значительно ускорить данный процесс. Кроме того, данный метод позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами.

Учет направленности руслового процесса при определении средних и эффективных диаметров донных наносов позволяет существенно снизить погрешность в определении расходов донных наносов по формулам.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии, итоговых сессиях ученого совета РГТМУ в 2001 - 2004 гг., на восемнадцатом пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов в Курске в 2003г, на международной научно — теоретической конференции " Гидравлика", посвященной 100 — летаю со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора P.P. Чугаева в СПбГПУ в 2004г, частично результаты вошли в научные отчеты НИР кафедры гидрометрии.

По теме диссертации имеется 7 публикаций

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, и приложений. Работа изложена на 147 страницах текста, включает 31 рисунок, 5 таблиц, 16 приложений и библиографический список использованной литературы из 84 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Немчинов, Константин Витальевич

Заключение

Проведенный анализ результатов работ по данной проблеме, а также анализ результатов собственных натурных и лабораторных исследований, позволяют сделать следующие выводы и рекомендации: впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового, при схождении их динамических осей под углом 20°. Это воздействие пойменного потока тем больше, чем больше глубина затопления и шероховатость поймы. Величина уменьшения расхода донных наносов в русловом потоке может достигать 90 % и более. Этот вывод имеет большое практическое значение при подсчете стока донных наносов в периоды спада уровней при пропуске паводков и половодий по затопленным поймам; на установке больших размеров экспериментальным методом подтверждены выводы об уменьшении транспортирующей способности русла при взаимодействии потока в нем с пойменным, при параллельности их динамических осей; впервые установлено, что при взаимодействии руслового и пойменного потоков кривые зависимостей G = f ( V ) отклоняются от аналогичной кривой для изолированного руслового потока влево, то есть в сторону уменьшения расходов наносов. Это наблюдается как при параллельности динамических осей потоков, так и при их схождении; предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства. Данная методика не только существенно ускоряет процесс обработки проб, но и позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами;

- натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ;

- вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд;

- разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных наносов. Данная методика позволяет выделять в русле зоны где происходит транзитное перемещение наносов и зоны где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов не должны учитываться при расчетах расходов донных наносов. Использование данной методики существенно уменьшает погрешность в определении расходов донных наносов;

- аналогичные экспериментальные исследования, по изучению влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле, целесообразно проводить на установках больших размеров и по возможности в натурных условиях, охватив ими все типы взаимодействия потоков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Немчинов, Константин Витальевич, 2004 год

1. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков.-Л.: Гидрометеоиздат.— 1962.-374 с.

2. Шамов Г.И. Речные наносы. — Л.:Гидрометеорологическое издательство.-1954.-345с.

3. Михайлова Н.А. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды.-Л. :Гидрометеоиздат.-1966.-234с.

4. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов.— Л. :Гидрометеоиздат.-1977.-272с.

5. Корчоха Ю.М. Исследование грядового движения наносов на р. Поломети.-Труды ГТИ, 1968,вьш.147,с.52-68.

6. Пушкарев В.Ф. Движение влекомых наносов.—Труды ГТИ,1948,вып.8(62), с.93-109.

7. Знаменская Н.С.— Донные наносы и русловые процессы.-Л.: Гидрометеоиздат.-1976.-191с.

8. Знаменская Н.С.-Некоторые проблемы современных исследований руслового процесса //Гидрофиз. Процессы в реках, водохр. и окраин, морях.-М.: Наука.-1989.-е.83-96.

9. Снищенко Б.Ф. Движение песчаных гряд в естественных водных потоках.-Труды ГГИ, 1966, вып. 136, с. 82-91.

10. Ю.Снищенко Б.Ф.,Клавен А.Б.,Корчоха Ю.М. Пространственный характер движения песчаных гряд и кинематика потока над ними.—. Труды ГГИ, 1972, вып. 190, с. 151-164.

11. Снищенко Б.Ф.ДСопалиани З.Д.,Твалавадзе О.А. О масштабе времени русловых деформаций при моделировании на размываемых моделях речных русел.-Труды ГТИ, 1977, вып. 242, с.55-60.

12. Снищенко Б.Ф. О связи высоты песчаных гряд с параметрами речного потока и русла.-Метеорология и гидрология, 1980, №6, с.84-91.

13. Снищенко Б.Ф. К расчету длины песчаных гряд в открытых потоках.-Метеорология и гидрология , 1980, №2, с. 89-96.

14. Караушев А.В., Романовский В.В. Научные и прикладные аспекты исследования стока наносов // Тр. 5 гидрол. Съезда.Л., 1988.-t.40, KH.1.-C.22—32.

15. Алексеевский Н.И.Формирование и движение речных наносов. М.:— Издательство МГУ -1998 -201 с.

16. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков.-Л.:Гидрометеоиздат.— 1979.-311 с.

17. Гришанин К.В. Речной поток.-М.: Издательство Министерства речного флота СССР.-1952.-139с.

18. Гришанин К.В. Теория руслового процесса.-М.: Издательство «транспорт».-1972.-215 с.19.3енкович В.П. Основы учения о развитии морских брегов.-М.: изд. Акад. наук СССР -1962 Г.-710 с.

19. Сидорчук А.Ю. О расчетах скорости смещения донных гряд и расхода влекомых наносов // Водные ресурсы.-1990. №5.-с. 56-63.

20. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла.-С.-Петербург.:Гидрометеоиздат.-1992.-126с.

21. Беркович К.М. Виды антропогенного вмешательства и его влияние на русловые деформации рек в различных природных условиях // Труды 5 гидрол. Съезда.-1988.-10, кн.1. -с. 374-380.

22. Беркович.К.М. Географический анализ антропогенных изменений русловых процессов. -М.: ГЕОС.-2001.-163 с.

23. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Сншценко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л. гидрометеоиздат. 1982г.-272с.

24. Барышников Н.Б., Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы.-Л.:Гидрометеоиздат.-1988 455 с.

25. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. М.:Гос. Изд-во техн.— теор. Лит-ры.-1955-T.2.-323 с.

26. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: Гос. Изд-во физ-мат. Лит-ры —1958.-395 с.

27. Гришин Н.Н. Механика придонных наносов.-М.: Наука.-1982.-160 с.

28. Шуляк Б. А. Физика волн на поверхности сыпучей среды и жидкости.— М.: Наука.-1971 .-400 с.

29. Маккавеев В.М. К теории турбулентного режима и взвешивания наносов // Тр.ГГИ -1931.-№32.-с.5-26.

30. Ляпин А.Н., Александрова Н.К. Расчет глубинных деформаций естественных русел.—Труды ГГИ, 1980, вып. 263, с .78-85.

31. Боголюбова И.В. Результаты типовых исследований и расчет стока влекомых наносов р. Мзымты.-Труды ГТИ.-1968, вып. 156.-е. 39-63.

32. Кнороз B.C. Влияние макрошероховатости русла на его гидравлические сопротивления-Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева,1959. т. 62, с. 75-96.

33. Кнороз B.C. О деформациях дна и о влиянии их на гидравлический режим потоков.-В кн.: Труды 3 Всесоюз. Гидрол. Съезда, т.5. Л.—1960.-С.116-176.

34. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах. — Л.:Гидрометеоиздат.-1981.-239 с.

35. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. С.Петербург.: Гидрометеоиздат.—1992.-239 с.

36. Кромер Р.К. Режим твердого стока рек юга Казахстана. Водныересурсы, 1985.-№6.-с. 105-110.

37. Носелидзе Д.В. Лабораторные исследования структурного транспорта наносов и регулирования руслового процесса на мостовых переходах предгорных рек. Автореферат канд. дисс. — Тбилиси.: 1992. — 23— с.

38. Ромашин В.В. К оценке поступления речных наносов на пляжи г. Сочи.- Вопросы совершенствования методов берегозащиты. — М.: 1990.— с. 20-30.

39. Снищенко Б.Ф., Копалиани З.Д. О скорости движения гряд в реках и лабораторных условиях. Труды I I И, 1978 — вып. 252.— с. 20-37.4Z Форгхеймер ф. Гидравлика.-М.: ОНТИ, 1935.-615 с.

40. Талмаза В.Ф., Крошкин А.Н. Гидроморфометричские характеристики горных рек.

41. Фрунзе.: Кыргызстан.—1968. — 203 с.

42. Тимирова Р.В., Классем 3.JI. К вопросу определения расхода влекомых наносов на горно-предгормых участках рек. — Труды САНИИРИ.- 1970.-вып. 124.-с. 197-205.

43. Chang Н.Н. Fluvial processes in river engineering, Krieger Publishing Company. Malabar, Florida. 1992.432 p.

44. Einstein H.A. Formulas for the transportation of bed load. Trans. ASCE, 1942, 107.-pp. 561-573.

45. Gomez D., Church M. Catalogue of equilibrium bedload transport data for coarse sand and gravel-bed channels. The University of British Columbia. Vancouver, Canada, V 6 T 1.- W 5. 90 p.

46. Laursen P.M. The Total Sediment Load of Streams. Journ. of the Hydraulic Division. ASCE. Vol. 84, No 1 1958.

47. Shvidchenko A.B. Kopaliani Z.D. Study of channel process in the Laba river resulted from gravel excavations. Proc. of the Intern. Symp. «River Eng. Methods and Design Philosophies)). Vol. П. St. Petersburg, 1994.-pp. 290-303.

48. Van Rijn L.C. Sediment Transport by Currents and Waves. Report II461. June 1989. Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands.

49. White W.R., Mill H., Grabbe A.D. Sediment Transport Theories: A Review. Proc. of the Institute of Civil Eng. London, pt 2, No 59, 1975.- pp. 265-292.

50. Yang C.T. Sediment Transport Theory and Practice. The McGraw Hill

51. Companies, Inc. 1996.-395 p.

52. Никитин C.H. Общая геологическая карта России. Лист 56,—Трудыгеологического комитета, 1884, т. 1, №2,153 с.

53. Шанцер Е.В. Аллювий равнинных рек умеренного пояса и его значение для познания закономерностей строения и формирования аллювиальных свит.- Труды ИГ АН СССР, геол. Серия (№ 55), 1951, вып.135,274 с.

54. Еленевский Р.А. Вопросы изучения и освоения пойм — М.:ВАСХНИЛ,1936.—100 с.

55. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне.-М.: АН СССР.-1955.-347 с.

56. Попов И.В. Типизация пойм в связи со строительным проектированием — В кн.: Движение наносов в открытых руслах.-М.: Наука—1970.-е. 28-32.

57. Чалов Р.С. Рельеф пойм.-В кн.: Эрозия почв и русловые процессы.-М.: МГУ.-1979.-232 с.

58. Барышников .Н.Б. Морфология гидрология и гидравлика пойм.-Л.: Гидрометеоиздат.-1984.-279 с.

59. Барышников Н.Б., Николаев В.Ф. Пропускная способность русла с различной шероховатостью.-Труды ЛГМИ.-1967, вып. 25.-c.28—33.

60. Барышников Н.Б. Речные поймы (морфология и гидравлика)-Л.: Гидрометеоиздат.-1978.-152 с.

61. Радюк А.Л. Основы гидравлики лесосплавных сооружений. Дноуглубление-Красноярск.: изд.СТИ.-1978.-62 с.

62. Спицын И.П. О взаимодействии потоков основного русла и поймы.— Метеорология и гидрология ,-1962, № 10, с. 22-27.

63. Радюк А.Л.Трассирование прорезей на порогах с учетом кинематического эффекта.-Красноярск.:1973.-28 с.

64. Sellin R. Н. I. F A laboratory investigation into the interaction between the flow in the channel of a river and that over its flood plain.- La Houlle Blanche.-1964.-N7 p. 793-802.

65. Toebes G.Y., Sooky A. A. Hydraulics of meandering with flood plain.— Waterways and Harbors Div. Civ. Eng.-1967.-vol.93, N 2.-p.213-236.

66. Uslu O. Optimization of roughness parameters for rivers with flood plains.— In.: Proc. 16 th Cong. IAHR. Vol. 2 San Paulo.-1975.-p.411-417.

67. Барышников Н.Б. Влияние шероховатости поймы на транспорт наносов в основном русле.—Труды ЛГМИ, 1967 вып. 36.- с. 70-79.

68. Ржаницын Н.А.Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети.-Л.: Гидрометеоиздат.-1960.-238 с.

69. Саликов В.Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков.— В кн.: Труды 4 Всесоюзного гидрол. съезда. Л., 1976, т.11.-с.75-81.

70. Барышников Н.Б., Кокарев А.В. К ворсу о влиянии формы сечения на пропускную способность русла.-Труды ЛГМИД969, вып. 36.— с. 80-89.

71. Пособие по экстраполяции кривых расходов воды до наивысших уровней.-Л.:Гидрометеоиздат.-1966.-102 с.

72. Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды .-Труды ГТИ—1965, вып. 128 -с. 3-96.

73. Карасев И.Ф.Русловые процессы при переброске стока.-Л.:Гидрометеоиздат.-1975.-288 с.

74. Карасев И.Ф.Русловая гидрометрия и учет водных ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат.-1980.-310 с.

75. Соколов Ю.Н. Лабораторные исследования пропускной способности русла при пересечении под прямым углом пойменного и руслового потока — В кн.: Вопросы водохозяйственного строительства. Минск,— 1969.-с. 214-224.

76. Великанова З.М., Ярных Н.А. Натурные исследования гидравлики пойменного массива в высокое половодье.-Труды ГТИ, 1970, вып. 183.-с. 33-53.

77. Попов И.В., Гаврин Ю.С. Применение аэрофотосъемки к оценке процессов затопления и опорожнения речных пойм и развития пойменных течений.-Труды ГТИ, 1970, вып. 183.-е. 4-25.

78. Усачев В.Ф. Анализ изменения уровней воды для оценки процессов затопления и опорожнения многорукавной поймы.-Труды ГТИ, 1972, вып. 195.-е. 63-76.

79. Барышников Н.Б. Об учете взаимодействия руслового и пойменного потоков при построении и экстраполяции кривых расходов воды.— Труды ЛГМИ, 1967, вып. 25.-е. 41-49.

80. Барышников Н.Б. Методика расчета пропускной способности русел с поймами.— Межвузовский сборник. Труды ЛПИ (ЛГМИ), 1969, вып. 69.-е. 127-143.

81. Барышников Н.Б. Поймы равнинных рек (морфология, гидрология и гидравлика).- Межвузовский сборник. Труды ЛГМИ.-1981, вып. 74.-е . 95-104.

82. Железняков Г.В. Пропускная способность русел, каналов и рек. Л.: Гидрометеоиздат.- 1981.- 310 с.

83. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ СТРОЕНИЯ РЕ ЧНОЙ ДОЛИНЫа1. ОЛЛ5ГЩГ, п.1. X S39