Пропускная способность русел с поймами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Селина, Татьяна Сергеевна

• Селина, Татьяна Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Селина, Татьяна Сергеевна

Введение

1 Происхождение, классификация, и морфометрические характеристики речных пойм.

1.1 Происхождение и формирование пойм.

1.2 Классификация пойм.

1.3 Типы речных пойм.

2 Гидрология и гидравлика русло-пойменных процессов.

2.1 Различные аспекты гидрологии и гидравлики пойм.

2.2 Динамика затопления пойм и пойменных массивов.

2.3 Частота и продолжительность затопления пойм.

2.4 Оценка пойменной составляющей в общем паводочном стоке рек бывшего СССР.

2.5 Уклоны свободной поверхности руслового и пойменного потоков.

2.6 Аккумуляция и регулирование поймами паводочного стока рек.

3 Взаимодействие руслового и пойменного потоков.

3.1 История вопроса.

3.2 Лабораторные исследования.

3.3 Натурные исследования.

3.4 Трансформация поля скоростей при взаимодействии руслового и пойменного потоков.

4 Анализ методов расчета пропускной способности пойменных русел.

4.1 Типизация процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков.

4.2 Методы расчета пропускной способности русел с поймами.

4.3 Методы расчетов пропускной способности пойм.

5 Описание модели и методика проведения экспериментов.

5.1 Общие положения.

5.2 Экспериментальная установка.

5.3 Методика проведения экспериментов, приборы и оборудование.

6 Анализ результатов экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пропускная способность русел с поймами»

Актуальность темы

Надежная информация о максимальных расходах воды является наиболее востребованной при проектировании гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий. Однако в последние годы положение с ней значительно ухудшилось, в частности в системе Росгидромета. Это обусловлено как объективными факторами, такими как скоротечность прохождения максимальных расходов’воды, необходимость при этом соблюдения требований техники безопасности, так и сложным экономическим положением России в целом и Росгидромета в частности, особенно в период перестройки.

К тому же большинство рек России равнинные, весенние паводки и половодья на них проходят при затопленных поймах. Измерения же максимальных расходов на пойменных створах имеют дополнительные трудности, особенно из-за сложного морфологического строения пойм. Все это приводит к тому, что гидрометрические измерения на поймах, как правило, не производятся, что резко снижает качество натурной.информации о стоке воды. Её ценность особенно возросла в последний период, когда из-за изменения климата резко усилилась деятельность циклонов, в частности на*европейской территории. Следствием этого явились катастрофические паводки на большинстве рек европейских государств. Вероятность таких паводков по оценкам зарубежных специалистов составляет 1 раз в 300-1000 лет.

Анализ расчетных методов определения пропускной способности пойменных русел, в частности рекомендуемых директивными документами и основанных на концепции равномерного движения, показал, что погрешности расчетов на их основе даже на беспойменных створах далеко выходят за допустимые пределы. В среднем они составляют 30-35 %, при их наибольших значениях в несколько сотен процентов. Такое положение свидетельствует о составляющих потока и необходимости разработки принципиально новых или совершенствовании применяемых расчетных методов.

Вскрытый в конце 40-х годов прошлого столетия, в основном трудами отечественных ученых (В.Н. Гончаров, Г.В. Железняков, Н.Б. Барышников и др.), эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков оказывает существенное воздействие на пропускную способность пойменных русел. Поэтому его учет в расчетных методах является обязательным.

В настоящее время перспективными являются два метода расчетов. Эмпирический, основанный на графических зависимостях для русловой

УР / кР ) „ „ г ~ Л

---= / ----,а и пойменной ———- - /

УРб ^Ьрб у бя+бр обоснованный ограниченным объемом натурной информации. Второй — основан на применении для расчетов максимальных расходов воды системы уравнений движения потока с переменным по длине расходом воды.

Однако* оба метода нуждаются в совершенствовании. Первый — на основе большего объема надежной натурной информации, которая, к сожалению, трудно доступна или является недостаточно надежной. Второй — в установлении зависимостей инерционных членов уравнения движения потока от определяющих факторов.

Учитывая сложное положение с натурной информацией и ее высокую стоимость, в данной работе была признана целесообразной разработка второго направления на основе данных, полученных при лабораторном моделировании и ограниченного объема надежной натурной информации, с целью дальнейшего совершенствования метода расчетов максимальных расходов воды.

Научная новизна.

На основе анализа уравнения движения потока с переменным по длине расходом воды и данных экспериментальных исследований установлено, что: инерционные члены уравнения, учитывающие неравномерность движения и массообмен между русловым и пойменным потоками являются значимыми; наибольшие значения этих инерционных членов по данным измерений при угле ос=20° (а — угол между динамическими осями взаимодействующих русловых и пойменных потоков) могут достигать значений 85 и 25% соответственно; впервые установлена зависимость этих членов, уравнения от угла а и глубин руслового потока; установлено, что трансформация полей скоростей руслового потока под влиянием пойменного зависит от типа взаимодействия потоков и угла ос, при увеличении последнего она увеличивается; на основе натурных данных установлено, что погрешности расчетов на основе формулы Шези средних на вертикалях скоростей могут достигать сотен процентов, особенно при третьем типе взаимодействия потоков; выявлено, что воздействие пойменного потока на русловой на малых реках распространяется на всю ширину руслового потока, а на больших и частично средних реках только на часть ширины руслового потока;

Практическая значимость

Надежные данные о максимальных расходах воды широко используются при проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений и водохозяйственных мероприятий. Их наличие способствует наибольшей эффективности проектирования и строительства гидротехнических сооружений при обеспечении их надежности. Особенно остро в настоящее время стоит вопрос получения этой информации при проектировании мостовых переходов и переходов трубопроводов через реки.

Сведения о трансформации эпюр скоростей по глубине русловых потоков могут быть использованы, в частности при проектировании опор мостов.

Цель и задача работы

Основные цель и задача работы — совершенствование методов расчетов максимальных расходов воды на основе информации о максимальных уровнях и морфометрических и других характеристиках русел и пойм.

Для достижения поставленной задачи выполнен анализ современного состояния проблемы и на его основе проведены экспериментальные исследования процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков на физической модели русла с односторонней поймой (при различных углах взаимодействия руслового и пойменного потоков).

Методы исследования: выполнение экспериментальных лабораторных исследований на фи зической модели русла с односторонней поймой и анализ получен ных данных; теоретический анализ полученной информации; анализ натурной информации.

Достоверность результатов работы обоснована: использованием результатов экспериментальных исследований на физической модели русла с односторонней поймой; использованием материалов натурных измерений расходов воды в руслах с поймами и полей скоростей русловых и пойменных потоков, полученных в системе Росгидромета и других организациях.

На защиту выносятся: результаты оценки инерционных членов уравнения движения потоков с переменным по длине расходом воды; зависимости инерционных членов уравнения движения потока с переменным по длине расходом воды от определяющих факторов; результаты оценки точности расчетов по стандартному методу средних на вертикалях скоростей русловых потоков при их взаимодействии с пойменными потоками; результаты оценки поправочных коэффициентов к средним скоростям русловых потоков, рассчитанных по формуле Шези.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на:

VI Семинаре молодых ученых по эрозионным, русловым и устьевым процессам в г. Волгограде, 2006г.;

VII Семинаре молодых ученых по эрозионным, русловым и устьевым процессам в г. Курске, 2008г.;

- итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 2007-2008 годах.

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 191 странице текста, включая 42 рисунка, 37 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Селина, Татьяна Сергеевна

Выводы и предложения.

На основе проведённого анализа экспериментальных данных, выявлены четкие зависимости инерционных членов уравнения движения для потока с переменным по длине расходом воды от угла а и относительной глубины потока. Исходя из этого, целесообразно на основе этих зависимостей разработать поправочные коэффициенты к формуле Шези (см. формулу 4.6), вида:

Р =

1 +е2 +£3 ^ V- 7 У

6.5)

В свою очередь, член £з/1, характеризующий нестационарность режима мал и по данным результатам расчетов по 100 равнинным рекам его величина не превышает 5%, что входит в пределы погрешности измерений. Учитывая выше изложенное, величиной £з/1 можно пренебречь, тогда формула для расчета поправочного коэффициента примет следующий вид: б.б) у

Так на основании данных таблицы 6.13 нами был выполнен расчет суммы двух инерционных членов уравнения движения, с учетом из знаков е,// и ег /I и построена соответствующая графическая зависимость этих величин от угла а и относительных глубин руслового потока, приведенная на рис. 6.14.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Селина, Татьяна Сергеевна, 2011 год

1. Докучаев В. В. О происхождении русского лёсса Текст./ Докучаев В. В.-М.: Изд. Землеведение, 1892г.

2. Шанцер Е. В. Аллювий равнинных рек умеренного пояса и егозначение для познания закономерностей строения и формированияаллювиальных свит Текст./ Шанцер Е. В. М.: Изд. Недра, 1951.

3. Вильямс В.Р., Почвоведение Текст./ Вильямс В.Р. — М.: Издательство студентов Петровск. с/х академии, 1919.

4. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия и ее бассейне Текст./ Маккавеев Н.И. М.: Изд. АН СССР, 1955.

5. Попов И.В., Кочаненкова Н.П. О морфологических особенностях речных пойм Текст./ Попов И.В. // Труды ГГИ. Вып. 190. - JL: Изд. Гидрометеоиздат, 1972. - С. 19 — 36.

6. Чалов P.C. Русловые исследования Текст.: уч. пособие / P.C. Чалов М.: Изд. МГУ, 1995.

7. Попов И.В. Деформация речных русел и гидротехническое строительство Текст./ Попов И.В. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1965.

8. Маккавеев Н.И., Чалов P.C. Русловые процессы Текст./ Маккавеев Н.И. М.: Изд. МГУ, 1986.

9. Чалов P.C. Географические исследования русловых процессов Текст./Чалов P.C. М.: Изд. МГУ, 1979.

10. Ламакин В.В. О динамической классификации речных отложений Текст./ Ламакин В.В. М.: Изд. Землеведение, 1950. -№3 (43). - с. 161-168.

11. Обидиентова Г.В. Формирование речных систем Русской равнины Текст./ Обидиентова Г.В. М.: Изд. Недра, 1976. - 174 с.

12. Шанцер Е. В. Очерки учения о генетических типахконтинентальных осадочных образований Текст./ Шанцер Е. В.// Труды геологического института АН СССР. Вып. 161. - Л.: Изд.

13. Гидрометеоиздат, 1966.— 240с.

14. Поляков Б.В. Гидрология бассейна р. Дон Текст./ Поляков Б.В. -Ростов-на-Дону: Изд. Управления главного инженера строительства Волго-Дона, 1930. — 331с.

15. Поляков Б.В. Гидрологические исследования Нижней Волги Текст./ Поляков Б.В. — М. JL: Изд. Госстройиздат, 1938. - 160 с.

16. Великанов М.А. Русловой процесс Текст./ Великанов М.А. — М.: Изд. Физматгиз, 1958. 396 с.

17. Чалов P.C. Рельеф пойм Текст./ Чалов P.C.// Эрозия почв и русловые процессы. М.: Изд. МГУ, 1972. — 232 с.

18. Карташев И.П. Основные закономерности геологической деятельности рек горных стран (на примере Северо-Востока СССР) Текст./ Чалов P.C.// Труды Ин-та геологии АН СССР. Вып. 245. - М.: Изд. МГУ, 1972.-С. 184-194.

19. Арманд Д.Л. Наука о ландшафте Текст./ Арманд Д.Л. — М.: Изд. Мысль, 1975.

20. Чернов A.B. О типизациях и классификациях речных пойм и пойменных процессов Текст./ Чернов A.B.// Пойма и пойменные процессы.- СПб.: Изд. РГГМУ, 2006. С. 12-29.

21. Еленевский Р. А., Вопросы изучения и освоения пойм Текст./ Еленевский Р. А. М.: Изд. Мысль, 1936

22. Кондратьев Н.Е., Ляпин А.Н., Попов И.В. и др. Русловой процесс Текст./ Кондратьев Н.Е., Ляпин А.Н. Л.: Гидрометеоиздат, 1959.

23. Чалов P.C., Чернов A.B. Геоморфологическая классификация пойм равнинных рек Текст./ Чалов P.C., Чернов A.B.// Геоморфология — М.: Изд. МГУ, 1985, №3

24. Петров И.Б. Обь-Иртышская пойма Текст./ Петров И.Б. -Новосибирск: Изд. Наука, 1979. 136 с.

25. Барышников Н.Б., Иванов Г.В. Взаимодействие руслового и пойменного потоков при пересечении их осей Текст./ Барышников Н.Б.// Труды ЛГМИ. Вып.46. - Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1972. - G. 23— 31.

26. Барышников Н;Б. Поймы равнинных рек (морфология; гидрология и гидравлика) Текст./ Барышников; Н.Б.// Труды ЛГМИ. -Вып.74;-Л.: Изд. Гидрометеоиздат, .1981*.-С. 95 104;

27. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и- гидравлика пойм Текст./ Барышников* Н!Б; — Л- : Изд: Гидрометеоиздат, 1984. 280 с.

28. Великанов M.A. Динамика русловых потоков— 3-е изд. Текст./

29. Великанов М.А. М.: Изд: ГИТТЛ* 1955. — т.1. - 323 с. >

30. Великанов М.А. Русловой процесс Текст./ Великанов М.А. М.: Изд. Физматгиз, 1958. - 396 с.

31. Гончаров В.II. Динамика русловых потоков Текст./ Гончаров

32. Попов И.В., Усачев В.Ф. Исследования затопления поймы р. Оби на участке от г. Стрежневого до г. Нефтеюганска с применением аэрометодов Текст./ Попов И.В.// Труды ГГИ. Вып.245. - JL: Изд. Гидрометеоиздат, 1977.-С. 30-40.

33. Каменсков Ю.И. Учет пойменных процессов меандрирующих рек при выявлении мелиоративного фонда Текст./Каменсков Ю.И.// Автореф. дисс. на соискание учен, степени канд. геогр. наук. Л., 1979. - 19 с.

34. Федосеев Б.А. Одномерная схематизация неустановившегося движения при изоляции русла от поймы Текст./ Федосеев Б.А.// Труды ГГИ. -Вып. 173. — Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1969. С. 3-32.

35. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса Текст./ Кондратьев Н.Е., Попов И.В. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1982. - 272 с.

36. Шенников А.П. Луговедение Текст./ Шенников А.П. Л.: Изд. ЛГУ, 1941.-311 с.

37. Усачев В.Ф. Анализ изменения уровней для оценки затопления и опорожнения многорукавной поймы Текст./ Усачев* В.Ф.// Труды ГГИ. -Вып.245. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1972. - С. 64-75.

38. Максимов A.A., Мерзляков Е.П. Характеристики половодий в пойме р. Оби Текст./ Максимов A.A.// Труды биологического ин-та СО АН СССР. Вып. 19.-М.: Изд. МГУ, 1972. - С. 362-391.

39. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. вып.6, ч. 1. 3-е изд. - Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1978. - 272 с.

40. Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды Текст./ Скородумов Д.Е.// Труды ГГИ. — Вып. 128. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1965

41. Великанов М.А. Гидрология суши Текст./ Великанов М.А. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1948. - 530 с.

42. Барышников Н.Б. Речные поймы (морфология и гидравлика) Текст./ Барышников Н.Б. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1978. - 152 с.

43. Гордиков A.B., Рассомахин М.В. Поперечные уклоны водной поверхности затопленной поймы (на примере р. Иртыш) Текст./ Гордиков

44. A.B., Рассомахин М.В.// Труды ГГИ. Вып. 88. - Л.: Изд. Гидрометеоиздат,1961.-С. 109-124.

45. Наставление по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (НИМП-72). М.: Изд. Транспорт, 1972.

46. Барышников Н.Б. Русловые процессы Текст./ Барышников Н.Б. -СПб.: Изд. РГГМУ, 2008. 439 с.

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

48. Барышников Н.Б. Методика расчета пропускной способности русел с поймами Текст./ Барышников Н.Б.// Труды ЛГМИ. Вып. 69. — Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1969. - С. 127 - 143.

49. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек Текст./ Железняков Г.В. — Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1981. 310 с.

50. Форхгеймер Ф. Гидравлика Текст. / Ф. Форхгеймер. М.: Изд. ОНТИ, 1935.-615 с.

51. Hegly, М. Note sur de l’ean canal a profil complexe Text. / M. Hegly. Paris, 1936. — 151 p.

52. Гончаров B.H. Динамика русловых потоков Текст./ Гончаров,

53. B.Н.// уч. пособие Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1962. - 374 с.

54. Спицын И.П. О взаимодействии потоков основного русла и поймы Текст./ Спицын И.П.// Метеорология и гидрология. №10. — М.,1962.-С. 22-27.

55. Саликов В.Г. Некоторые исследования взаимодействия руслового и пойменного потоков- Текст./ Саликов В.Г.// Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда, —т. 11. — Л:, 1976 — С. 75 81.

56. Ржаницын H.A. Морфологические и: гидрологическиезакономерности строения речной сети Текст./ Ржаницын H.A. Л., 1973. — 180 с.

57. Ржаницын H.A. Руслодеформирующие: процессы рек Текст./ Ржаницын H.A. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1985. — 264 с.

58. Барышников Н.Б., Попов И;В. Динамика русловых потоков ирусловые процессы; Текст./ Барышников Н.Б. Л.: Изд. Гидрометеоиздат,. 1988.-456 с. , ■

59. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов

60. Текст./Карасев И.Ф; Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1980: - 310 с. '

61. Соколов 10.11. Морфологические показатели; растительности всвязи с исследованием гидравлического сопротивления поймы Текст./

62. Соколов Ю.Н.// Вопросы водного хозяйства. вып. 2. - Минск, 1976. — С. 97- 104. ,

63. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Антропогенное воздействие насаморегулирующуюся систему бассейн речной поток - русло Текст./

64. Барышников Н;Б:, Самусева Е.А. СПб.: изд. РГГМУ, 1999. - 220 с.

65. Агроскин С.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. Текст./ Агроскин С.И. —М. Л.: Изд. Энергия, 1954. — 484 с.

66. Коваленко В. В., Илларионов A.B., Сало Ю. А.

67. Экспериментальное исследование автоколебаний безнапорных потоков Текст. / A.B. Илларионов, Ю.А. Сало // Сб. науч. трудов. Вып. 98. — Л.: Изд. Политехнический институт, 1987. - 98 с.

68. Коваленко В.В. Измерение и расчет характеристикнеустановившихся потоков Текст./ В.В. Коваленко. Л.: Изд.1. Гидрометеоиздат, 1984.

69. Картвелишвили H.A. Неустановившиеся открытые потоки Текст./ Картвелишвили H.A. JL: Изд. Гидрометеоиздат, 1968.

70. Антроповский В.И. Гидроморфологические зависимости и их дальнейшее развитие Текст./ Антроповский В.И.// Труды ГГИ. Вып. 169. -Л.:Изд. Гидрометеоиздат, 1969. - С. 34-86.

71. Барышников Н.Б. Влияние антропогенного фактора на русловые и пойменные процессы Текст./ Барышников Н.Б.// Труды ЛГМИ. вып. 76. -Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1981. - С. 129 - 136.

72. Галактионов' С.Л. Пропускная способность русел с поймами в створах мостовых переходов Текст./ Галактионов С.Л.// Труды ЛГМИ. -Вып. 98. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1987. - С. 80 — 83.

73. Гришанин K.B.J Динамика русловых потоков Текст./ Гришанин К.В. Л.: Изд. Гидрометоеиздат, 1979. - 311 с.

74. Гришанин К.В. Теория руслового процесса Текст./ Гришанин К.В. М.: Изд. Транспорт, 1972. - 216 с.

75. Караушев A.B. Речная гидравлика Текст./ Караушев A.B. Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1969.-416 с.

76. Копалиани З.Д., Федорова З.Н. Натурные исследования процессов затопления поймы и развитие пойменных течений на р. Полометь у с. Заречье Текст./ Копалиани З.Д.// Труды ГГИ. Вып. 183. - Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1970. - С. 26 - 32.

77. Латышенокв А.М. Сравнение различных формул для определения коэффициента Шези Текст./ Латышенокв А.М.// Гидротехническое строительство. №7. — М.: Изд. МГУ, 1973. - С. 32 - 36.

78. Розанов В.А. О динамике взаимодействия потоков русла и поймы на прямолинейных участках Текст./ Розанов В.А.// Труды ЛГМИ. Вып. 46.- Л.: Изд. Гидрометеоиздат, 1972. — С. 12 22.

79. Соколов Ю.Н. Лабораторные исследования пропускной способности русла при пересечении под прямым углом пойменного ируслового потока Текст./ Соколов Ю.Н.// Вопросы водохозяйственного строительства. Минск, 1969. - С. 214м - 224.