Взаимодействие руслового и пойменного потоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Захарченко, Мария Юрьевна

• Захарченко, Мария Юрьевна
• 2000

Оглавление диссертации Захарченко, Мария Юрьевна

Введение

1 Гидрология и гидравлика пойм

1т1 Связь гидравлики, гидрологии и морфологии пойм

1.2 Динамика затопления и опорожнения пойм

1.3 Аккумуляция и регулирование поймами паводочного стока

2 Взаимодействие руслового и пойменного потоков

2.1 Исследования процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков

2.1.1 Лабораторные исследования

2.1.2 Исследования в естественных условиях

2.1.3 Типизация процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков

2.1.4 Учет особенностей морфологического строения расчетного участка с помощью интегральной характеристики - угла а между динамическими осями руслового и пойменного потоков

2.1.5 Методы определения угла а между динамическими осями руслового и пойменного потоков

2.2 Влияние особенностей морфологического строения русел и пойм на гидравлику потоков в них

2.2.1 Состояние проблемы трансформации средних на вертикалях скоростей руслового и пойменного потоков при их взаимодействии

2.2.2 Оценка возможностей применения методов расчетов распределения средних скоростей на вертикалях к руслопойменным потокам

2.2.3 Исследования влияния особенностей строения гидроствора на распределение скоростей по ширине реки

2.2.4 Трансформация эпюры распределения средних скоростей по ширине потока в зависимости от фазы паводка и морфологических особенностей рассматриваемого участка.

2.2.5 Влияние положения центрального отсека гидроствора на положение вертикали с максимальной скоростью в потоке

2.2.6 Методика определения угла а между динамическими осями руслового и пойменного потока в зависимости от положения центральных отсеков руслового и пойменного потоков

3 Методы расчета пропускной способности русел с поймами при взаимодействии потоков в них

3.1 Методы расчета, основанные на уравнении равномерного движения

3.2 Методы расчета, основанные на уравнении движения потока с переменной массой

3.3 Методы расчета, основанные на плановых моделях

3.4 Эмпирические методы расчета

3.5 Предлагаемая методика расчета пропускной способности пойменных русел с учетом эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков

3.6 Анализ результатов расчетов, по предложенной методике 131 Заключение 144 Список использованных источников 146 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие руслового и пойменного потоков»

Актуальность темы

В настоящее время, в связи с резко увеличившемся антропогенным воздействием и изменением климата значительно возросла мощность и частота катастрофических паводков, часто превышающих их расчетные значения, определенные при строительстве различных гидротехнических сооружений. Последние при прохождении таких паводков часто разрушаются, тем самым нанося огромный материальный ущерб. К сожалению, катастрофические паводки иногда приводят к человеческим жертвам. Зона распространения таких негативных процессов существенно увеличилась. Помимо традиционных регионов (Индия, Китай и др.), катастрофические паводки зарегистрированы и в ранее благополучных регионах, в частности в Польше, Германии, Франции, Словении и др. Особенно сложная обстановка сложилась на востоке России, где катастрофические паводки интенсивно продвигаются на запад страны. Если раньше они наблюдались в Приморском и Хабаровским краях, то в последние годы распространились до Забайкайля и даже Красноярского края.

К сожалению, по ряду причин, данные об измеренных расходах в этих случаях отсутствуют. Это, безусловно, резко повысило требования к точности методов расчета пропускной способности русел на основе сведений о максимальных уровнях и морфометрических характеристиках. Особенно острой эта проблема является при гидротехническом строительстве и резком сокращением гидрометрических работ на гидрологических станциях и постах. В таких условиях особую актуальность приобретает задача определения гидравлических характеристик потока по имеющимся мор-фометрическим данным расчетного створа. Не учет особенностей пропуска паводков при хозяйственном использовании пойм и пойменных массивов влечет за собой негативные последствия в результате которых щ>гут быть частично или полностью выйти из строя различные хозяйственные объекты, расположенные на берегах и поймах рек. В тоже время практически все существующие методы расчета пропуска паводков по затопленной пойме не дают исчерпывающей информации об их прохождении на пойменных участках. Это обусловлено сложностью процесса затопления и опорожнения пойм и пойменных массивов и недостаточным объемом и низким качеством исходной информации. При расчетах пропускной способности пойменных русел нормативными документами рекомендуется разделять русловой и пойменный поток на обособленные отсеки и рассчитывать пропускную способность отдельно для каждого из них на основе формулы Шези. При нестационарных задачах применяют математические модели, основанные на одномерной идеализации уравнений Сен-Венана. В последнее время для учета всех этапов прохождения паводков по затопленной пойме применяют плановые модели, в основе которых лежат численные решения плановых уравнений движения. Однако расчеты по таким моделям трудоемки, требуют большого объема исходной информации и мощных вычислительных средств. При использовании плановых моделей нерешенным остается вопрос о назначении коэффициента шероховатости. Детальный учет рельефа русла и поймы, распределения пойменной растительности при расчетах пропускной способности пойменных русел, приводит к чрезмерной перегрузке расчетных модулей, что приводит к неоправданно трудоемким расчетам и потери их точности. Параметризация плановых моделей также должна осуществляться по исходным данным, полученным в натуре, методика которых зачастую не разработана (например, измерения уклонов водной поверхности пойменных потоков). Таким образом, несмотря на известные достижения в методиках расчетов пропускной способности пойменных русел, все еще не решен ряд вопросов их гидрологии, гидравлики и морфологии. Таких например, как в методах расчетов динамики затопления и опорожнения пойм, определения степени влияния кинематического эффекта взаимодействия на пропускную способность пойменных русел и других. Это в основном обусловлено, отсутствием теории движения водного потока по руслу с поймой. По-видимому, разработка такой теории возможна только в сочетании гидродинамического и гидроморфологического подходов к расчетам пропускной способности пойменных русел, а связующим звеном между ними является гидравлика потоков, особенно в руслах с различными русловыми образованиями.

Исследования, выполненные Н.Б. Барышниковым, И.Ф. Карасевым и другими авторами выявили определяющее влияние морфологического строения расчетного участка на гидравлику потоков в руслах с поймами. Именно такой подход позволил создать новую полуэмпирическую методику расчета пропускной способности составных русел, основанную на учете морфологических особенностей строения расчетного участка, учитывающего эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков.

Цель и задачи работы

- разработка методики расчетов пропускной способности русел с поймами с учетом кинематического эффекта при различных типах взаимодействия руслового и пойменного потоков, на основе имеющихся морфо-метрических данных расчетного участка;

- выявление основных закономерностей, определяющих трансформацию полей скоростей в различные фазы половодья;

- разработка методики расчетов параметров, определяющих пропускную способность пойменных русел, в частности угла между динамическими осями взаимодействующих потоков.

Научная новизна. Разработана методика расчетов пропускной способности русел с поймами с учетом влияния эффекта взаимодействия потоков в них на основе законов сохранения количества движения и энергии. Вскрыты закономерности трансформации полей скоростей руслового и 7 пойменного потоков в зависимости от распределения глубин по ширине гидроствора. Предложена методика определения направления динамических осей руслового и пойменного потоков при изменении уровня воды, по морфометрическим характеристикам расчетного участка.

Практическая значимость. Разработанная методика расчетов пропускной способности пойменных русел, основанная на учете особенностей морфологического строения расчетного участка, увеличивает точность расчетов максимальных расходов воды и следовательно эффективность проектирования гидротехнических сооружений. Предлагаемая методика оценки трансформации полей скоростей руслопойменных потоков также повышает эффективность проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений.

Апробация работы:

Результаты исследования докладывались на десятом (г. Вологда, 26-28 сентября 1995 г.) пленарном совещание Межвузовского научно-координационного Совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ в 1996-1999 гг. и научных семинарах кафедры гидрометрии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 150 страницах текста, включая 25 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Захарченко, Мария Юрьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Проведенные расчеты и анализ их результатов позволяют сделать следующие выводы:

- разработана методика расчета пропускной способности пойменных русел с учетом эффекта взаимодействия руслового и пойменного потока, на основе законов сохранения количества движения и энергии. Контрольные расчеты показали, что величина погрешности по предложенной методике на 23% меньше, чем по стандартной, рекомендуемой Наставлением;

- эффект взаимодействия потоков вызывает трансформацию полей скоростей, при этом средняя скорость потока, по нашим данным, изменяется от -15% до +10%, от своей величины. Величина этого изменения зависит от типа взаимодействия руслового и пойменного потоков и угла между динамическими осями этих потоков;

- разработан метод определения угла а между динамическими осями руслового и пойменного потоков в зависимости от уровня воды и особенностей морфологического строения расчетного участка. Данный метод позволил существенно уточнить расчетную величину угла а, по сравнению с ранее разработанными методами;

- положение максимума скорости в потоке не остается постоянным, а зависит от фазы половодья. Как правило, при подъеме уровня, когда водные массы руслового потока поступают на пойму, максимум скоростей смещается в сторону поймы. При спаде половодья, когда водные массы пойменного потока поступают в русловой, максимум скоростей смещается в сторону противоположную пойме;

- на трансформацию полей скоростей существенное влияние оказывают особенности морфологического строения расчетного участка

145 и форма поперечного сечения гидроствора. В пойменных руслах расположение максимумов скоростей зависит от расположения середины центральных отсеков русла и поймы.

Список литературы диссертационного исследования Захарченко, Мария Юрьевна, 2000 год

1. Чалов P.C. Географические исследования русловых процессов. М., 1979 .- 232 с.

2. Попов И.В. Типизация пойм в связи со строительным проектированием. в кн. Движение наносов в открытых руслах.-М.,Наука, 1970 С 28-32.

3. Исаев Д.И. Пропускная способность пойменных русел. Автореф. дисс. на соискание учен, степени канд. геогр. наук. СПб., 1995. -15 с.

4. Попов И.В., Кочаненкова Н.П. О морфологических особенностях речных пойм. //Труды ГГИ,1972.-вып 190,.-С.19-36.

5. Барышников Н.Б. Речные поймы (морфология и гидравлика).-JL: Гидрометеоиздат, 1978.- 152 с.

6. Ким В.И., Махинов А.Н. Прохождение паводочной волны и водный режим в нижнем течении р. Амур-B кн. Материалы научн. конф. по проблемам ДВЭР и Забайкалья JL:

7. Маккавеев Н.И., Чалов P.C. Русловые процессы.-М.:Изд-во МГУ,1986.-264 с.

8. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм.-Л.:Гидрометеоиздат.-1984.-280 с.

9. Усачев В.Ф. Анализ изменения уровней воды для оценки процессов затопления и опорожнения многорукавной поймы.//Труды ГШ, 1972.-вып.195, С. 63-76.

10. Гордиков A.B., Россомахин М.В. Поперечные уклоны водной поверхности затопленной поймы (на примере р.Иртыш). Труды ГГИ, 1961, вып.88, с.109-124

11. Поляков Б.В. Гидрология бассейна р.Дона. Ростов-на-Дону: Изд. Управления Главного инженера строительства Волго-Дона, 1930.-331 с.

12. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство. Л.: Гидрометеоиздат, 1969,- 363 с.

13. Форхгеймер Ф. Гидравлика. М.: ОНТИД935. - 615 с

14. Hegly M. Note sur de l'ean en canal a profil complex. Paris, 1936. -151p.

15. Железняков Г.В. Гидравлическое обоснование методов речной гидрометрии. М,Л.: АН ÖCCP, 1950.-163 с.

16. Железняков Г.В. Теория гидрометрии. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-344 с.

17. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л. :Гидрометеоиздат, 1962.-375 с.

18. Спицын И.П. О взаимодействии потоков основного русла и поймы // Метеорология и гидрология, 1962.-N 10.-С 22-27.

19. Радюк А.Л. Трассирование прорезей на порогах с учетом кинематического эффекта. Красноярск, 1973. - 28 с. Рукопись деп. В ВИНИТИ, № 6750-73

20. Ржаницын H.A. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. Л.: Гидрометеоиздат,1960. - 238 с.

21. Васильченко Г.В. Моделирование гидравлических сопротивлений пойменного потока равнинных рек. Мелиорация и водное хозяйство, 1980,вып.50, с.27-32

22. Войнич Т.Г. Донный гидравлический прыжок и гашение энергии.- Известия ТНИСГЭИ, 1955, т.9, с.29-33

23. Delleuer I. W., Toebes G. H., Udeozo B.C.Uniform flow in idealised channel-flood plain geometries. In: Proc. 12 th Congr. IAHR. Vol.1, Fort Collins,1967, p.218-225

24. Rajaratnam N., Ahmadi R. Hydraulics of channels with flood plains.- J. Hydraul. Res., 1981,vol. 19, № l, p.43-60

25. Rice C.E., Araveeport R. Resistance to flow in combined channel. -Trans.ASAE,1975,vol.18, № 5, p. 869-872

26. Саликов В.Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков // Труды IV Всесоюз. гидрологического сьезда.-Л.,1976.-т.11,-С. 75-84.

27. Барышников Н.Б., Иванов Г.В. Взаимодействие руслового и пойменного потоков при пересечении их осей. Труды ЛГМИ, 1972, вып.46 с.23-31

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

29. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. JL: Гидрометеоиздат,1975.-281 .с.

30. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов,- JI.: Гидрометеоиздат, 1980.-310 с.

31. Korykin S.M., Kusmin I.A., Natalchuk Yu. M. Interrelashion ship of river-bed and floodplain's formation of the Oka part. In.: Proc. 14th Congr. IAHR.Vol. 5, Paris,1971, p.153-158.

32. Selin R.H.I, laboratory investigation into the interaction between the flow in the channel of a river and that over its flood plain. La Houlle Blanche, 1964, N 7, p.793-802

33. Копалиани З.Д., Федорова 3.H., Натурные исследования процессов затопления поймы и развития пойменных течений на р.Полометь у с. Засечье.//Труды ГГИ,1970.-вып. 183, С.26-32

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

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

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

37. Розанов В.А. О динамике взаимодействующих потоков русла и поймы на прямолинейных участках. Труды ЛГМИ,1972, вып.46, с. 12-22

38. Toebes G. Н., Sooky А.А. Hydraulics of meandering rivers with flood plains.-J. Waterways and Harbors Div. Civ. Eng., 1967,vol. 93, №2, p.213-236

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

40. Антроповский В.И. Гидроморфологические зависимости и их дальнейшее развитие. Труды ГГИ, 1969, вып. 169, с.34-86

41. Noutsopoulos G.S., Hajiapanos P. A., Coreece. Discharge computations in compound channels // xx IAHR Congress abtractsresumes.- Vol.1. PartII.-P. 200-202.

42. Elsawy E.M. Me Kee M.P, Mc Keogh E.I. Appication of ZDA techniques to velosity and turbulence Meansurements in open channels of compound section // Prog, of International Congrece of IARE.- Moscow, sept. 1983.-Vol.l3.-P.255-263.

43. Караушев A.B. Речная гидравлика. Л.: ГидрометеоиздатД969. -416 с.

44. Скородумов Д.Е. Гидравлические основы экстраполяции кривых расходов до высших уровней. Труды ГТИ, 1960, вып.77

45. Указания по определению расчетных гидрологических характеристик СН 435-72.-Л.:Гидрометеоиздат, 1972

46. Рогунович В.П. Автоматизация математического моделирования движения воды и примесей в системах водотоков .-Л.:Гидрометеоиздат,1989.-263 с,

47. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с

48. Саликов В.Г. Экспериментальное исследование движения воды и формы рельефа дна в открытом изогнутом русле при выходе потока на пойму. Известия вузов СССР.Энергетика,1972, №1, с.109-115

49. Ложкин С.Н. Применение принципа Ле-Шателье при расчете взаимодействия потоков основного русла и поймы. // Метеорология и гидрология, 1984 N 11.- С. 86-91.

50. Милитеев А.Н. Численные исследования плана течений открытых потоков //Гидравлика и фильтрация.-М.,1979.-С.З-15.

51. JIe Ван Киен. О гидравлическом расчете пойменных русел. Гидротехническоестроительство.-1988.-Ы 9.-С.50-53.

52. Барышников Н.Б. Руководство к лабораторным работам по динамике русловых потоков и русловым процессам,- Л.: Гидрометеоиздат.-1991 .-224с.

53. Галактионов С.Л. Взаимодействие руслового и пойменного потоков при пересечении их динамических осей. В кн. Материалы научной конференции по проблемам водных ресурсов ДВЭР и Забайкалья. - С.-Пб.: ГидрометеоиздатД991 -с.489-495

54. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.6, ч.1 и 3,- Л.: Гидрометеоиздат, 1978 и 1958.

55. Чутаев P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости) -Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние,1982. 672 е., ил.

56. Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г.Киселева. М.: Энергия, 1974, - 312 с. с илл.

57. Спицин И.П., Соколова В.А. Общая и речная гидравлика. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, - 360 с.

58. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л. , Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. С.-Пб.: изд-во «Лань», 1998 - 736 с.р. Межа д. Загатино, Н=112.19, 8.05.58р. Емца -д. Сельцо, Н=16.49, 10.05.68

59. Эпюры распределения измеренных и расчетных средних скоростей на вертикали по ширине потока.о— Уизм, м/с - * - - Уш, м/с0 20 40 60 80 м Ю0 расст. от п.н. -^1. Ь)0 -Гмг::ейя -6 -ю1.8-10 -о08 0.6 §0.4о*0.2мо л л1. А*" " 1 к- • -А- 1 к \