Условия устойчивости русел рек
Понятие устойчивости речного русла включает в себя систему взаимосвязанных условий функционирования системы поток 
подвижное деформируемое русло. По Н.Е. Кондратьеву [1982], данная система существует одновременно на четырех структурных уровнях, взаимодействие внутри которых осуществляется по принципу обратной связи. До настоящего времени эта проблема не получила строгого теоретического обоснования, и в теории руслового процесса пока не выработано единых критериев оценки устойчивости руслового потока. Разные авторы рассматривали различные аспекты устойчивости элементов речного русла и формулировали для них свои критериальные условия устойчивости.
В речной гидравлике широкий круг исследований посвящен вопросам начальной устойчивости частицы несвязного грунта на дне руслового потока. Универсального решения этой задачи до настоящего времени не найдено. Однако, на основе проведенных экспериментов физическая природа взаимодействия турбулентного потока и частицы несвязного грунта в момент начала движения видится достаточно определенной. Особую ценность в понимании данной проблемы дали результаты исследований кинематической структуры турбулентного потока.
Другая группа исследований посвящена изучению вопросов переформирования русла под действием текущей воды. С точки зрения практических приложений прогноз русловых переформирований оказывается чрезвычайно важным при проектировании инженерных воднотранспортных мероприятий на реках. Для оценки интенсивности изменения различных элементов русла в ходе естественных переформирований К.В. Гришанин [1974] предложил понятие временной устойчивости. При этом под устойчивостью понимается недеформируемость отдельного участка русла в течение ограниченного времени.
|
|
|
И, наконец, третий аспект устойчивости русла рассматривается в связи с инженерным вмешательством в естественный ход развития руслового процесса [Гладков и др.,2005]. Эта проблема исследуется применительно к инженерным мероприятиям на судоходных реках. Проведение таких мероприятий приводит к изменению характеристик руслового потока и параметров его устойчивости. В этой связи, на основе проведенных исследований, формулируются критерии для обеспечения устойчивости речного русла в условиях антропогенного воздействия.
Естественный русловой поток с деформируемым дном является устойчивым, если статистические характеристики его основных гидравлических и морфометрических показателей остаются неизменными в течение определенного времени. Для достижения такого состояния система
поток 
русло реализует широкий спектр имеющихся в ее арсенале возможностей.
|
|
|
Вторжение в естественный ход развития руслового процесса, вызванное проведением инженерных мероприятий на реках, приводит к нарушению устойчивости русла. В зависимости от степени и продолжительности воздействия, происходящие вследствие этого изменения характеристик руслового потока, могут получить внешние проявления.
Обеспечить устойчивость русла в случае инженерного вмешательства, значит, установить такую допустимую степень влияния на русловой процесс, при которой условия функционирования системы поток 
подвижное русло останутся без заметного изменения, а реакция потока на искусственные мероприятия в русле реки не затронет определяющих факторов руслового процесса. Результаты выполненных исследований, а также опубликованные данные других авторов свидетельствуют о том, что в подавляющем большинстве случаев ответная реакция потока в результате вмешательства в естественный ход развития руслового процесса направлена в сторону восстановления устойчивости. При этом процесс восстановления развивается, как правило, по законам релаксации.
В начальный момент времени изменения в речном русле происходят интенсивно на низших структурных уровнях руслового потока и затрагивают участок ограниченного протяжения. Впоследствии интенсивность развития процесса снижается, однако изменения получают распространение по длине реки. С течением времени система поток 
русло стабилизируется. При этом, однако, полного восстановления гидравлических и морфометрических характеристик потока и русла на исходном уровне не достигается. Это значит, что изменения в русле реки, происходящие вследствие антропогенного вмешательства, со временем будут проявляться на более высоких структурных уровнях, и в зависимости от степени воздействия, станут оказывать влияние на все элементы экосистемы.
|
|
|
В области механики сегодня широко известны и используются результаты исследований устойчивости движения, функционирования и восстановления механических систем. Вместе с тем, применительно к проблеме моделирования русловых потоков, пока не найдено строгого определения устойчивости. Отдельные исследования по вопросам оценки устойчивости подвижного дна и устойчивости движения по отношению к малым возмущениям, затрагивают частные случаи взаимодействия потока и деформируемого дна.
|
|
|
К.В. Гришанин [1979] сформулировал условия статистической устойчивости естественного руслового потока. Они записываются в виде
, 
, 
(3.1)
где: U – средняя скорость течения;
U1 и U2 – соответственно, нижний и верхний пределы скорости;
L – длина участка;
I f – уклон трения.
Первое неравенство в системе уравнений (3.1) представляет собой условие скоростей течения. Русловой поток, находящийся в устойчивом состоянии, поддерживает средние скорости течения в достаточно узком диапазоне. При этом нижняя граница скорости течения является критической величиной, при которой частицы донного материала приходят в движение. При достижении верхней границы происходит массовое взвешивание донного материала. Внутри указанных пределов русловой поток регулирует условия движения воды и характеристики транспорта наносов, используя имеющиеся в его распоряжении степени свободы. К ним относятся такие возможности, как сортировка частиц грунта по крупности, включая образование самоотмостки на дне реки.
Другая степень свободы заключается в способности руслового потока изменять параметры микроформ, и, соответственно, характеристики гидравлического сопротивления и транспорта наносов. Число степеней свободы, в пределах которых осуществляется регулирование характеристик протекания процесса в естественных условиях, может быть достаточно большим. Сюда можно отнести взаимодействие руслового и подруслового потоков, обмен между транзитными и руслоформирующими наносами, размыв берегов, сезонные деформации перекатов и др. Все это является внешними проявлениями реакции потока на естественные или искусственные изменения условий функционирования системы поток русло.
Преобразования в структуре потока заключаются в перестройке поля скоростей по глубине и по ширине потока, изменении уклонов свободной поверхности и характеристик турбулентности. Причем все эти изменения явно или опосредованно связаны с параметрами донных волн и условиями транспорта наносов.
Второе выражение в системе (3.1) называется условием ускорений. Оно заключается в том, что прямолинейные потоки с деформируемым дном оказываются неустойчивыми по отношению к возмущениям с большими длинами волн. Ответная реакция потока на эти возмущения проявляется в образовании мезоформ по длине реки. Таким образом, русловой поток преобразует прямолинейное русло к извилистому, в котором с определенным шагом чередуются перекаты и плесовые лощины. При этом система переходит от менее устойчивого состояния к более устойчивому состоянию.
До настоящего времени в динамике русловых потоков имеются ограниченные возможности для математического описания плановых деформаций русел. Для практических нужд гидроморфологическая теория руслового процесса предлагает систему морфометрических и гидравлико-морфометрических зависимостей, определяющих условия устойчивости руслового потока на уровнях мезоформ и макроформ при разных типах руслового процесса. Общий критерий типа руслового процесса (по
Б.Ф. Снищенко, [1982]) записывается в виде
, (3.2)
где: I0 и B0 – соответственно уклон дна речной долины и ее ширина;
I и B – уклон реки и ее ширина в меженных бровках.
Средние значения параметра А изменяются в пределах от А = 1.97 для рек с русловой многорукавностью до А = 36.6 для свободно меандрирующих речных русел.
Третье выражение в системе (3.1) представляет собой условие потерь энергии. Оно характеризует слабую изменчивость уклонов свободной поверхности при колебании величины жидкого стока. Русловой поток создает русло с такими размерами и формами, которые приспособлены для пропускания расходов воды в широком диапазоне их изменения. Уклоны свободной поверхности и отметки уровней воды при колебаниях расходов воды изменяются в минимальных пределах.
Представленные материалы характеризуют необходимые условия устойчивости русловых потоков, находящихся в естественном состоянии. Для обеспечения устойчивости в случае антропогенного воздействия на русловой процесс, комплекс критериев статистической устойчивости (3.1) должен быть дополнен, исходя из соображений достаточности. При этом нужно иметь в виду, что при определенной степени воздействия, пока действует условие скоростей, поток будет в состоянии реагировать на происходящие изменения. Однако система поток русло в данном случае будет находиться уже в состоянии восстановления, отличном от исходного устойчивого состояния. Однородность гидрологического ряда при этом может быть нарушена.
Инженерные мероприятия на реках, связанные с извлечением аллювия из русловых карьеров, могут служить в качестве пусковых механизмов для развития необратимых эрозионных процессов. Понижение отметок дна вследствие эрозионного врезания русла приводит к снижению меженных уровней воды со всеми вытекающими отсюда неблагоприятными экологическими последствиями. Поэтому для обеспечения устойчивости русел судоходных рек в условиях антропогенного воздействия проектируемых воднотранспортных мероприятий предлагаются следующие выражения
, 
(3.3)
Первое выражение в (3.3) устанавливает необходимость сохранения уровней воды при проектировании инженерных мероприятий в русле реки; второе – обусловливает необходимость сохранить условия твердого стока на участке в зоне влияния проводимых мероприятий.
Таким образом, совместное выполнение (3.1) и (3.3) создает необходимые и достаточные условия для обеспечения статистической устойчивости речных русел при инженерном вмешательстве в естественный ход развития руслового процесса.
Оценить воздействие проектируемых мероприятий на окружающую среду, при условии обеспечения критериев устойчивости, представляется возможным в ходе гидравлического и математического моделирования руслового процесса на участке исследований. В отдельных случаях, при решении практических задач, возникает необходимость получить локальную характеристику устойчивости, определяющую интенсивность руслового процесса в конкретном створе реки. Для этого используется набор известных коэффициентов и параметров.
Наиболее обоснованным следует считать применение уже упоминавшегося выше параметра Гришанина, который устанавливает связь между расходом воды и поперечными размерами русла реки в условиях квазиравномерного движения воды и имеет универсальный характер. Это выражение использовалось разными авторами для установления типа руслового процесса в расчетном обосновании карьеров НСМ, а также в качестве критериального условия, ограничивающего допустимый рост судоходных глубин на плесе при дноуглублении.
3.3.2. Устойчивость русел судоходных рек
при проведении путевых работ
Проведенные исследования по оценке влияния дноуглубительных прорезей на гидравлику потока и уровни воды на перекатах показывают, что условия устойчивости русел рек при дноуглублении будут соблюдаться, если степень воздействия на характеристики потока и русла не превысит допустимых пределов. Эти пределы устанавливаются расчетом при определении гидравлически допустимых судоходных глубин.
Рекомендации, изложенные в соответствующей методике расчета, свидетельствуют о том, что в естественных водотоках, находящихся в устойчивом состоянии, имеются определенные резервы для роста судоходных глубин. Этому способствует целый ряд факторов, обусловленных спецификой взаимодействия потока и русла на перекатах, особым морфологическим строением естественных русел, а также технологией производства работ при дноуглублении.
Ввиду того, что русловой поток управляет шероховатостью своего дна, связь между уклонами и глубинами на перекатах с подвижным руслом проявляется слабее, чем в реках со слабодеформируемым дном. Благодаря этому, средствами дноуглубления на таких перекатах можно достигнуть относительно большое приращение судоходных глубин без заметного снижения уровней воды. Причем на реках с большей подвижностью донного материала возможный прирост глубин может быть больше, чем на реках с галечно-валунным дном.
При разработке дноуглубительных прорезей на перекатах землесосами извлекаемый грунт остается в русле реки. Вследствие этого на перекате практически не происходит увеличения емкости русла. Учитывая, что основной объем твердого стока приходится на период стояния высоких уровней воды, эксплуатационные прорези, разрабатываемые на перекатах, и их отвалы не оказывают существенного влияния на естественный ход развития руслового процесса и условия транспорта наносов на участке.
Другие особенности естественных русел рек, которые способствуют обеспечению их устойчивости в условиях антропогенного воздействия, обусловлены спецификой их морфологического строения.
К ним относится в первую очередь чередование перекатов и плесовых лощин по длине реки. В силу такого строения русла реки снижение уровней воды на перекате, вызванное разработкой дноуглубительной прорези, полностью или частично компенсируется в пределах вышерасположенной плесовой лощины. Выполненные исследования показывают, что плесовые лощины равнинных рек обеспечивают достаточно интенсивное выклинивание кривых спада, создаваемых понижением уровней воды на перекатах. При этом относительно более длинные и менее глубокие плесовые лощины характеризуются более высокой степенью компенсации снижения уровней воды на перекатах.
Участки разветвления русел часто представляют затруднения для судоходства и требуют проведения на них дноуглубительных работ. В результате разработки дноуглубительных прорезей на участке разветвления происходит перераспределение расхода воды между рукавами, изменяются скоростной режим, уклоны свободной поверхности и условия транспорта наносов на участке реки. Вместе с тем, анализ натурных данных и выполненные расчеты показывают, что на разветвлениях эти эффекты проявляются слабее, чем в однорукавном русле.
Выявленные резервы возможного увеличения судоходных глубин на реках средствами дноуглубления нашли свое отражение в составе Методики в виде соответствующего расчетного обоснования. При этом нужно иметь в виду, что данная Методика позволяет получить оценку допустимого роста глубин применительно к рекам, находящимся в естественном устойчивом состоянии. В том случае, если рассматриваются транспортные возможности участка реки, подверженного к настоящему времени воздействию техногенных факторов, расчеты необходимо дополнить результатами моделирования развития руслового процесса на участке исследований. Это позволит установить более сильные ограничения на возможный рост судоходных глубин на судоходном плесе.
Наиболее значительное воздействие на устойчивость естественных русел оказывают путевые мероприятия, связанные с разработкой крупных судоходных прорезей с переносом судового хода и возведением выправительных сооружений на реках. Мероприятия по переносу судового хода выполняются в случаях отторжения побочней, спрямления излучин, улучшения судоходных условий на участках разветвлений и т.д.
При разработке таких прорезей составляется проект, в котором в соответствии с рекомендациями рассматривается целый ряд разделов, связанных с их устойчивостью. Нужно полагать, что в проектах крупных судоходных прорезей должны разрабатываться в полном объеме разделы по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) для обеспечения устойчивости русел в зоне возможного влияния проектируемых мероприятий.
Сказанное в полной мере относится к вопросам проектирования выправительных сооружений на водных путях. Для решения целого ряда задач, связанных с улучшением судоходных условий на реках, применение выправительных сооружений считается весьма эффективным. При этом, исходя из требования обеспечения устойчивости русла на улучшаемом участке, предпочтение следует отдавать возведению сквозных свайных выправительных сооружений и сооружений из намывного рефулированного грунта.
Изложенные в данном разделе соображения по проблеме устойчивости русел при дноуглублении, возможно, в какой-то мере смещают сложившиеся к настоящему времени в инженерной практике акценты в вопросах оценки качества принимаемых управленческих решений по организации путевых работ. Это обусловлено, в первую очередь, ухудшением экологической ситуации в целом ряде речных бассейнов страны.
Поэтому, при проведении путевых мероприятий на реках, в дальнейшем, в качестве определяющих критериев, на первое место должны быть поставлены требования охраны водных ресурсов и окружающей среды в целом, а не ведомственные или экономические интересы, как это практиковалось зачастую до последнего времени при обеспечении судоходных условий и организации перевозок на внутренних водных путях.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 811; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!