Эрозионно-аккумулятивные процессы в зоне переменного подпора равнинных регулирующих водохранилищ и их влияние на судоходные условия: На примере Новосибирского водохранилища

В настоящее время уже ни у кого не возникает сомнений, что водохранилища являются одним из важнейших факторов преобразования природной среды, окружающей человека. Ряд специалистов существенно преувеличивают негативные последствия этого фактора, но вместе с тем, к сожалению, имеются и недооценивающие его. Безусловно, подобные противоречия должны быть преодолены на базе материалов систематических натурных исследований, создания методов и реализации специальных расчетов, в том числе, и для зон выклинивания подпора, где динамично проявляются гидравлические и геоморфологические изменения водных объектов, прогноз которых необходим для эффективного осуществления различных видов водохозяйственной деятельности, чем и подтверждается актуальность представленной диссертационной работы.

Особенно важное значение результат проведенного исследования имеет в наше время острого дефицита федеральных и региональных ассигнований на содержание внутренних водных путей и необходимости обеспечения судоходства и безаварийности движения флота при создании условий экологической безопасности сопутствующих мероприятий, что требует глубоких знаний закономерностей изменения гидрологического режима и русловых процессов, происходящих в водохранилищах при проявлении техногенных факторов, обусловленных дноуглубительными и выправительными работами.

Научная тема, в которую входит диссертационное исследование, является частью выполнения Президентской федеральной целевой программы 'Внутренние водные пути России" и утверждена Министерством транспорта Российской Федерации (тема П-04.02 плана научно-исследовательских и эпытно-конструкторских работ).

В диссертационной работе изучены гидролого-морфологические особен-юсти русловых процессов в зоне переменного подпора уровней регулирующих равнинных водохранилищ на базе теоретических и натурных исследований, выполненных на Новосибирском водохранилище.

Научные воззрения на гидрологию и русловые процессы, развивающиеся в зоне переменного подпора, особенно в верхней ее части, содержат еще много неясных вопросов, требующих дополнительных трудоемких и многолетних исследований для выяснения всего многообразия возникающих явлений, связанных с факторами, влияние которых весьма различно и определяется особенностями многолетнего и внутригодового колебания стока, а также характеристиками его регулирования.

Исследования русловых процессов в зонах переменного подпора водохранилищ равнинных рек, с помощью которых осуществляется сезонное регулирование стока, показали? что режим уровней в верховой части имеет определенные особенности. Длина зоны переменного подпора обычно определяется положением границы подпора в конце половодья (верхняя граница) и положением этой границы в предвесенний период (нижняя граница).

Если определять зону выклинивания подпора, ограничивая ее наиболее верхней границей распространения последнего в период наибольшего наполнения водохранилища и створом, где подпор наблюдается довольно часто, то этот участок можно назвать подзоной эпизодического подпора с постоянным преобладанием признаков реки и малой изменчивостью планового положения берегов, являющихся твердыми границами русла.

Верхняя граница подзоны эпизодического подпора в Новосибирском водохранилище находится на Зоринских перекатах (447−452,5 км от слияния Бии и Катуни, что около 50 км выше по течению г. Камень-на-Оби). Подго>1Гздесь проявляется незначительно и только в отдельные годы при полном наполнении водохранилища. Эта подзона характерна интенсивными русловыми переформированиями, особенно в период, когда уклоны свободной поверхности потока не отличаются от имевших место в бытовых условиях. Переработка берегов фактически отсутствует. Подзона эпизодического подпора имеет постоянный граничный створ с примыкающей второй верхней подзоной, которую иногда называют подзоной нерегулярного или переменного подпора. В последней практически ежегодно сменяются признаки водохранилища или реки, а переработка берегов хоть и проявляется, но менее интенсивно, чем в нижней озеро-видной зоне постоянного подпора.

Граница между подзоной переменного подпора и озеровидной частью водохранилища с малыми уклонами не отличается постоянством планового положения и перемещается в зависимости от уровней воды между створами гидрологических постов при малой сработке в Соколове и глубокой сработке в Ордынском, на 27 и 85 км от г. Камня-на-Оби соответственно. Местоположение границы зависит, главным образом, от объема притока воды и его распределения по времени. Сложная взаимосвязь режима наполнения водохранилища со сроками и интенсивностью прохождения весеннего половодья на основных притоках, связанная с таянием снегов в горах Алтая, обуславливает многовариантность положения как верхней, так и нижней границ зоны выклинивания подпора в период прохождения руслоформирующих расходов в половодье и межень.

В диссертационной работе главное внимание уделено нижней части зоны переменного подпора, которую удалось исследовать наиболее подробно, чему способствовало постоянство характера явлений, а отсюда возможность вывода более определенных аналитических зависимостей для прогнозирования изменений гидрологического режима и динамики эрозионно-аккумулятивных процессов [18]. Определяющими факторами для нижней зоны кроме постоянства наличия подпора и неизменности преобладающих признаков водоема, как водохранилища, являются малые изменения распространения гидродинамических юлений, связанных с переработкой берегов. 7.

В результате исследований предложена модель расчета эрозионно-аккумулятивных процессов в зоне переменного подпора уровней и пути реализации этой модели на ЭВМ для выполнения практических расчетов.

В диссертационной работе на основе использования уравнений движения двухфазного потока получено решение задачи в нестационарной постановке по оценке распространения временного поля дополнительной мутности, формирующегося при отвале в воду грунта, извлекаемого со дна водоема землесосами в процессе разработки судоходных прорезей. Решение переложено на программу и иллюстрируется результатами расчета на ЭВМ.

Заключение

.

Диссертационная работа входит составной частью в реализацию Президентской федеральной целевой программы «Внутренние водные пути России» и решает актуальную проблему повышения научного уровня проектирования дноуглубительных работ на транзитной судоходной трассе в зоне длительного глубокого подпора равнинных регулирующих водохранилищ.

Результаты исследований несомненно найдут применение в проектировании водных подходов к русловым карьерам нерудных строительных материалов, что весьма актуально для настоящего времени, когда добычные работы интенсивно перемещаются со свободных участков рек на зарегулированные. Например, Новосибирская областная администрация и природоохранные органы запретили добычу строительных песков из русла реки Оби на расстоянии 120 км от гидроузла вниз по течению и рекомендуют производить добычу на водохранилище, где она не приведет к понижению уровней воды и нарушению эксплуатации водозаборов и других водохозяйственных и транспортных объектов.

Результаты исследований позволят более обоснованно проектировать вскрышные работы при организации русловых карьеров строительных песков и гравия.

Как известно, расчеты эрозионно-аккумулятивных процессов на водохранилищах еще недостаточно совершенны и универсальны, поскольку разработаны лишь для простейших случаев. Использовать существующие методы расчета для решения поставленных в диссертационной работе задач не представляется возможным, так как все они были получены для условий однонаправленного накопления наносов в чаше водохранилища, поскольку стимулом к их разработке послужила необходимость прогнозирования их емкости.

Последнее распространяется как на эмпирические методы Г. И. Шамова, М. А. Мосткова, Н. И. Дрозда, Г. В. Лопатина, М. Я. Прытковой, В. В. Сластихина,.

A.И. Молдованова, так и на балансовые методы К. И. Российского, И. А. Кузьмина, Д. Я. Ратковича, Н. В. Рослова, A.B. Караушева, А. Н. Гостунского, Г. О. Хорста, И. И. Леви, A.C. Зедгенидзе и И. И. Мечитова, Х, Ш. Шапиро, С.Т. Алту-нина и И. А. Бузунова.

Еще одна группа методов определения объемов заиления водохранилища с учетом непрерывного изменения характеристик русла, к которым следует отнести рекомендации И. А. Шнеера, В. Г. Санояна, B.C. Лапшенкова, имеют тот же недостаток и не позволяют выполнить расчет процесса седиментации, в то время как практически на всех участках водохранилища в определенных условиях, обусловленных природными или антропогенными факторами, например, сбросом в нижний бьеф расходов половодья или паводка, тело заиления подвергается более или менее значительному размыву, продукты которого переотлагаются в других частях водохранилища (сползание тела заиления) или сбрасываются в нижний бьеф (см. 1-ю главу диссертации).

Главным фактором заиления обычно считается сток наносов и ему уделяется основное внимание, что правильно. Вместе с тем существенно влияют на процесс переформирования чаши водохранилища обрушение берегов (береговая абразия) и перемещение продуктов обрушения под воздействием волн и течений. Эоловый фактор заиления для крупных водохранилищ не играет значительной роли. Во всяком случае данные о его величине, как абсолютной, так и относительной в литературе нет.

При анализе существующих методов расчета заиление водохранилищ приходится заметить, что даже наиболее современные методы A.B. Караушева и.

B.C. Лапшенкова реализованы в одномерной постановке задачи, причем расчеты базируются на средних по сечению водохранилища характеристиках стокового течения, получаемых для отдельных участков водохранилища или же для всего водоема в целом.

Нами предлагается подход к совместному рассмотрению эрозионных и аккумулятивных процессов в квазиплановой нестационарной постановке на основе струйной модели.

В прошлом одно из первых предложений расчета транзитных сточных течений в водоемах было сделано Н. М. Вернадским. Аналитические зависимости основаны им на уравнениях продольного и поперечного равновесия транзитных струй потока. Вычисления производятся методом последовательных приближений, при этом предварительная наметка положения транзитных струй и водово-ротных зон делается по сути дела произвольно на основании общих соображений. Затем выполняются вычисления для каждой струи и одновременно производится увязка решений по соседним струям.

А.В.Караушев рекомендовал строить предварительную схему транзитных течений на основании лабораторного эксперимента, осуществляемого в малом масштабе, а затем уточнять схему течений, используя метод Н. М. Вернадского. На ряду с этим А. В. Караушев предлагает учесть перенос наносов отдельными транзитными струями. Применяя к каждой струе уравнение продольного распределения мутности, по его мнению, можно получить распределение этой величины как по длине, так и по ширине водохранилища. Но в такой постановке задача так и не была реализована.

Нами предлагается модель расчета эрозионно-аккумулятивных процессов в зоне переменного, но всегда существующего, подпора уровней, границы которой в плане тоже нестабильны и перемещаются в зависимости от наполнения водохранилища. Подзона эпизодического подпора, где влияние зарегулирован-ности стока проявляется короткий период и далек" не каждый год, нами не рассматривается, поскольку здесь преобладают русловые процессы, присущие свободной реке.

Метод расчета, основанный на предлагаемой модели, относится, согласно классификации К. В. Гришанина, к балансовым. Модель базируется на системе уравнений модели взвесенесущего руслового потока и уравнении деформации. Система замыкается с помощью двух добавочных соотношений: закона гидравлического сопротивления и зависимости для расхода наносов.

Предлагаемая в настоящей работе модель расчета базируется на предложениях Н. М. Вернадского и A.B. Караушева рассматривать стоковые (сточные) течения в виде транзитной струи (ряда струй) с учетом их взаимного влияния в процессе переноса наносов.

За основу струйной модели потока взята модель транзитной осисиммет-ричной струи, предложенная Шеном, Симонсом, Ричардсоном и реализованная Лопезом, предполагающая линейное изменение скоростей от максимальной величины на оси до нулевого значения на границе.

При условии наличия материалов натурных наблюдений предлагаемая модель может быть усовершенствована с учетом конкретных гидрометеорологических условий водохранилища.

Предложенная нами модель позволяет выполнить расчет с учетом реального гидрографа в начальном створе, определяемом расходами притока в водохранилище, и сбросным гидрографом, определяемым расходами сброса в нижний бьеф. Это позволяет выполнить расчет с учетом особенностей регулирования водными ресурсами.

Краевые условия для реализации расчетов с учетом неустановившегося движения водного потока включают начальные и граничные условия. В качестве начальных условий задается распределение отметок дна и геометрических характеристик потока по длине расчетного участка.

Граничными условиями на верхнем конце служат функции, определяющие изменение во времени расходов воды и наносов, а также высота дна. На нижнем конце участка задается ход изменения расходов воды (уровней свободной поверхности) во времени.

Научная новизна и достоинства рекомендуемой модели очевидна, поскольку последняя позволяет:

1. выполнять расчет с учетом реального гидрографа в начальном створе, определяемом расходом притока в водохранилище и сбросным гидрографом, что дает возможность принять во внимание особенности регулирования водными ресурсами той или иной реки ;

2. учесть боковую приточность в водохранилище, как распределенную (поверхностный сток) с территории бассейна, так и сосредоточенную (притоки), а также боковой приток наносов (распределенный и сосредоточенный);

3. при условии наличия исходных данных, включить в расчет влияние продуктов береговой абразии на формирование тела заиления;

4. учитывать геометрические характеристики поперечных сечений (изменения глубины по ширине водохранилища);

5. выполнить расчет эрозионно-аккумулятивных процессов для условий неустановившегося движения масс и взвешенных наносов в водохранилище.

В предлагаемой модели не учитывается перенос наносов ветровыми (эоловыми) течениями. Это допущение сделано ввиду неопределенности и неизученности явления и отсутствия не только расчетных, но и каких — либо натурных данных.

Научная новизна исследований по задаче оценки поля дополнительной мутности характеризуется следующим образом.

Методика численной оценки горизонтальных размеров поля дополнительной мутности и концентрации взвешенных частиц в плане и по глубине во временной постановке составлена на основе теоретических уравнений движения двухфазного потока В. М. Маккавеева в квазиплановой постановке. Отличается от известной эмпирической методики НГАВТ теоретическим подходом и универсальностью применения, в том числе для самых мелких частиц грунта и отсутствия течения. От методики Е. Н. Лоскутова, имеющей в основе теже уравне.

134 ния, наши предложения отличаются условиями сброса пульпы в поток (сосредоточенный полный слив всей водогрунтовой смеси у свободной поверхности). По Лоскутову сбрасывается лишь загрязненная излишняя технологическая вода при погрузке грунта в баржи со сливом по рассосредоточенному фронту и рассматриваются возможности вывода водосбросного патрубка на заданную глубину.

Практическое применение наши предложения нашли в проекте Ново-Пичуговского карьера на водохранилище. Монография реализована в государственных бассейновых управлениях водных путей и судоходства в Сибири и Якутиииспользуется в учебном процессе НГАВТ для специальности 320 600 -«Комплексное использование и охрана водных ресурсов».