CC BY
61
судоходства в этом русле — ныне Саралев-ском рукаве.
Таким образом, обеспечение безопасных условий судоходства на участке Саралев-ского водного узла р. Волги (2630-2663 км по судовому ходу) возможно только в результате осуществления мероприятий по коренному улучшению судоходного пути на участке, то есть проведения капитальных дноуглубительных работ по созданию судового хода в необходимых габаритах.
Увеличение объемов эксплуатационно -го дноуглубления по существующему судовому ходу не приводит к желаемым результатам в связи с особенностями руслового процесса на рассматриваемом участке.
Естественный русловой процесс, сдерживаемый ежегодными дноуглубительными работами, направлен на отмирание левого (судоходного в современных условиях) рукава.
При прекращении дноуглубительных работ в левом рукаве развитие руслового процесса направлено на образование однорукавного русла по правому рукаву.
Сравнительная оценка вариантов мероприятий по улучшению судоходных условий в Саралевском водном узле р. Волги показала, что по совокупности технико-экономических (без учета ущерба рыбному хозяйству) и гид-
равлико-морфологических показателей вариант переноса судового хода в правый рукав (вариант 1) предпочтительней.
Учитывая высокую степень значимости участка Саралевского водного узла для рыбохозяйственного использования, на следующей стадии проектирования для составления современной рыбохозяйственной характеристики с определением ущерба рыбному хозяйству по вариантам улучшения судоходных условий специализированной организацией КаспНИРХ должны быть проведены соответствующие исследования.
Реализация мероприятий по улучшению судоходных условий на Саралевском водном узле р. Волга позволит:
— исключить рассматриваемый узел из состава участков, лимитирующих судоходство на нижней Волге и соответственно Единой глубоководной системы России;
— обеспечить безопасность судоходства на участке и соответственно снизить степень риска возникновения аварийных ситуаций, последствия которых, в частности разлив нефтепродуктов, могут нанести непоправимый урон окружающей природной среде, в том числе и рыбному хозяйству;
— увеличить судопропускную способность участка.
УДК 556.5.023 А. С. Чеботарев,
Государственный гидрологический институт
(Санкт-Петербург)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В РЕЧНЫХ ИЗЛУЧИНАХ
см
THE LABORATORY RESEARCHES OF BED LOAD GRAIN SIZE DISTRIBUTION FORMATION REGULARITIES IN MEANDER SCROLLS
Представлены методика и результаты лабораторного исследования механизма и закономерностей формирования гранулометрического состава донных отложений на различных морфологических фрагментах русла в речных излучинах. Установлены количественные закономерности и зависимости изменения характерных диаметров проб донных отложений на различных морфологических фрагментах русла от критерия подвижности донных отложений.
со
Methods and results of laboratory investigation of mechanism and regularity of bed material grain size distribution forming in the different morphological parts of meandering channels are presented. Quantitative laws and dependences of the bed material samples granulometric composition on the mobility criterion in different parts of the model are established.
Ключевые слова: речные излучины, гранулометрический состав, донные отложения, транспорт наносов.
Key words: scrolls, granulometric composition, bottom sediments, sediment transport.
Введение
Существующие методы расчета характеристик транспорта донных наносов, русло -вого процесса и русловых деформаций в преобладающем большинстве случаев в качестве аргумента, среди прочих определяющих характеристик, содержат диаметр донных отложений. При этом состав донных отложений в практических расчетах принимается однородным и постоянным для исследуемого участка русла реки.
Однако известно, что состав донных отложений и донных наносов в ходе взаимодействия речного потока с сыпучеаллювиальной средой не остается постоянным как в фиксированной точке дна реки, так и на участке русла, то есть является не независимой величиной, а функцией ряда определяющих факторов [1].
В зависимости от фаз водности (паводок, межень) и изменения сопутствующих гидравлических характеристик потока при различных наполнениях русла водой и скоростях потока происходит сортировка гранулометрического состава донных отложений на участке русла и на его морфологических фрагментах. Частным случаем этого процесса является образование самоотмостки дна крупными наносами. Отмеченное является свидетельством того, что саморегулирование системы, именуемой русловым процессом, происходит не только на структурных уровнях макро-, мезо- и микроформ речного русла [2]. Оно распространяется также и на уровень отдельных частиц донных отложений, что было показано ранее в работах ГГИ [3; 4].
Исходя из отмеченного следует, что дальнейший прогресс в совершенствовании методов расчетов и прогнозов характеристик руслового процесса (начальная скорость движения частиц и интенсивность их транспорта,
виды и формы транспорта руслообразующих наносов, образование, трансформация и исчезновение русловых форм, их геометрические и динамические характеристики, расход донных наносов, сток влекомых наносов и руслового материала) требует углубления существующих представлений о процессе транспорта донных наносов и более детального его рассмотрения.
Одной из важнейших задач на пути совершенствования методов расчета характеристик транспорта донных наносов в речных руслах представляется учет процессов сортировки гранулометрического состава донных отложений и донных наносов в ходе транспорта наносов рекой [5]. Исследование механизма формирования гранулометрического
состава донных наносов в речных руслах и
/
пространственно-временных характеристик этого процесса представляется возможным путем организации комплекса специальных наблюдений и измерений в натурных и лабораторных условиях. При этом лабораторный метод имеет такие преимущества, как возможность управлять процессом, производить в ходе эксперимента детальные наблюдения и измерения, а также неоднократно воспроизводить в лабораторных условиях такие детали и аспекты механизма сортировки донных отложений, которые невозможно наблюдать в натурных условиях.
Описание экспериментальной установки. Состав и методика выполнения опытов
Цель лабораторных исследований состояла в изучении механизма и закономерностей формирования гранулометрического состава донных отложений на различных морфологических фрагментах русла в речных излучинах. Среди факторов, определяющих процесс сортировки донных отложе-
Выпуск 2
Выпуск 2
нии в различных частях меандри-рующего русла, кроме исходного гранулометрического состава донных отложений, слагающих дно, и материала, подаваемого на модель, по-видимому, должны быть названы такие характеристики, как кривизна и относительная ширина русла B/H, расход воды, уклон свободной водной поверхности, морфологическое строение формирующегося русла и соответствующие ему распределение глубин и скоростей потока в пределах излучины, а также степень (критерий) подвижности наносов в различных частях излучины до и после формирования рельефа дна в результате опытов.
Для выполнения исследований была использована схематическая модель участка двух смежных излучин нижней Кубани, построенная в русловой лаборатории Глав -ной экспериментальной базы ГГИ в геометрическом масштабе 1:150 (см. рис. 1).
Морфологические характеристики опытных излучин представлены в табл. 1 в соответствии с морфометрическими измерителями, принятыми в
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки
гидролого-морфологической теории руслового процесса [5], изображенными на рис. 2.
Таблица 1
Морфометрические характеристики опытных излучин
1134^
Морфометрический показатель Верхняя излучина Нижняя излучина
Длина излучины, £, м 8,56 8,7
Шаг излучины, X, м 6,19 7,77
Степень развитости излучины, S/X 1,38 1,12
Угол входа излучины, а1, градусов 69 55
Угол выхода излучины, а2, градусов 56 34
Угол разворота излучины, а1 + а2, градусов 125 89
Угол сопряжения излучин, в, градусов 1
Ширина излучины, B, м 1,55 1,25
Относительный шаг излучины, B/X 0,25 0,16
Стрела прогиба излучины, у м 2,49 1,68
Относительная ширина, B/H 38,75 31,25
Рис. 2. Основные измерители излучин, где:
X — шаг излучины, или расстояние между двумя смежными точками перегиба;
S — длина излучины, измерена по средней линии меженного русла; ут — стрела прогиба излучины или наибольшее расстояние по нормали от средней линии русла до линии шага излучины;
Ь — средняя ширина меженного русла в пределах каждой излучины, измеренная в наиболее устойчивых створах русла — в точках перегиба; а1 — угол входа, или угол между линией шага и касательной к средней линии меженного русла, проведенной в верхней по течению точке перегиба излучины; а2 — угол выхода, или угол между линией шага и касательной к средней линии меженного русла, проведенной в нижней по течению точке перегиба излучины; а0 — угол разворота излучины, равный сумме углов входа и выхода
Как следует из табл. 1, верхняя из двух смежных излучин является более крутой, а нижняя — более пологой. При близких значениях длины этих излучин, соответственно 8,56 и 8,7 м, степень развитости верхней излучины (S/,) составляет 1,38, а нижней — 1,12. Соответственно угол разворота верхней излучины составляет 125°, а нижней — 89°.
В качестве экспериментального материала в опытах использовался заменитель песка — каменный уголь с плотностью частиц 1,3 г/см3. D50 — 50-процентный диаметр интегральной кривой гранулометрического состава исходной пробы составлял 0,258 мм, а размеры крайних фракций соответственно 0,05 и 0,70 мм.
Прежде чем этот материал был загружен в схематическую модель, представляющую собой криволинейный бетонный лоток, были выполнены предварительные опыты в гидравлическом прямолинейном стеклянном лотке длиной 8,0 м и шириной 0,21 м с целью определения начальных (неразмывающих) скоростей потока опытного материала и режима их транспорта в донно-грядовой форме в диапазоне глубин 1,0-10,0 см и критерия подвижности наносов V/V0 = 1,1-1,8. По данным этих экспериментов, неразмывающая скорость потока опытного материала в диапазоне глубин 1,5-8,0 см составила 10,9-11,7 см/с.
С учетом результатов экспериментов, выполненных в стеклянном лотке, опытный материал был загружен в экспериментальную установку ровным слоем толщиной 10,0 см с уклоном 0,0005. На модель был пущен расход воды 9,0 л/с, обеспечивающий глубину на модели 4,0 см, которая в масштабе 1:150 соответствует глубине 6,0 м в натуре (руслонаполняющий расход воды в бровках русла). При этом расходе воды на модели наблюдался активный транспорт донных наносов в форме гряд. По прошествии 16 ч (4 эксперимента по 4 ч) было достигнуто состояние динамического равновесия в условиях равенства расходов донных наносов в начале и в конце модели, когда сформировались стабильный рельеф дна и профиль водной поверхности. В начале экспериментов при корытообразном русле глубиной 4,0 см и в конце опытов при полностью сформированном рельефе дна были выполнены съемки поля поверхностных скоростей потока. После выключения воды была выполнена топографическая съемка рельефа русла и отобрана 21 проба на различных фрагментах русла.
Анализ результатов исследования
Исходным материалом для анализа механизма и закономерностей формирования гранулометрического состава донных отложений в опытных излучинах служат полученные в результате опытов планы полей поверхностных скоростей потока до и после формирования рельефа дна динамического равнове-
Выпуск 2
Выпуск 2
сия, рельеф дна динамического равновесия и гранулометрические составы исходной пробы наносов, подаваемой на модель, и проб донных отложений, отобранных на различных фрагментах рельефа русла, соответствующего состоянию динамического равновесия.
Анализ результатов наблюдений на модели показал, что траектории поверхностных скоростей потока в начальной стадии формирования руслового рельефа, еще при корытообразном поперечном сечении русла по всей длине излучин с глубиной 4,0 см, параллельны берегам. Значения поверхностных скоростей потока меняются как по ширине, так и по длине потока, составляя 7,6-20,4 см/с. При этом асимметрия распределения поверхностных скоростей по ширине русла на верхней крутой излучине более значительна, чем на нижней пологой. В условиях сформировавшегося руслового рельефа структура поля поверхностных скоростей потока существенно меняется по сравнению со структурой течения в начальной стадии эксперимента. Прежде всего обращает на себя внимание заметное искривление струй на участках наибольшей кривизны излучин, вследствие формирования рельефа русла и разницы в значениях глубины потока на участках пляжей и плесов. Заметно
увеличиваются скорости потока на участках плесов. Происходит перераспределение поля поверхностных скоростей потока в соответствии со сформировавшимся рельефом дна. Максимальные скорости течения (стрежень потока) по мере движения вниз по течению смещаются к правому берегу верхней излучины и далее располагаются вдоль левого берега нижней, пологой излучины. Абсолютные значения поверхностных скоростей потока по длине излучины составляют 6,9-20,8 см/с, оставаясь близкими к их значениям, измеренным в начальной стадии эксперимента.
На рис. 3 представлен рельеф дна русла в изобатах, сформировавшийся в результате опыта. Этот рельеф отражает привычную картину, характерную для речных излучин. В пределах верхней крутой излучины сформировался левобережный пляж с минимальной глубиной 1,0 см и двумя левобережными плесами глубиной 9,0 и 6,0 см, а также перекат глубиной 4,0 см на границе верхней и нижней излучин. В пределах нижней излучины также сформировался правобережный пляж с минимальной глубиной 2,0 см и одним левобережным плесом глубиной 10,0 см. Как и следовало ожидать, в верхней крутой излучине плес получился раздвоенным, а в нижней, более
А II — ( 51 /1 3 1 -- ••
4-, уГ
Масштаб плана:
0.0 1 м
Условные обозначения:
- место отбора пробы с указанием ее номера х - изобаты с подписями их глубин (см)
Рис. 3. Рельеф русла в изобатах, сформированный расходом воды 9 л/с и точки отбора проб донных отложений
пологой излучине, плес имеет большую длину и не раздвоен.
На различных характерных морфологических фрагментах русла, сформированного в результате опыта, в точках, указанных на рис. 3, после спуска воды с модели были отобраны пробы донных отложений. Пробы отбирались с поверхности дна, гребней гряд в слое толщиной 2-3 диаметра частиц. По техническим причинам, к сожалению, в чрезвычайно важных для данного исследования местах — наиболее глубоких частях плесов верхней и нижней излучин, глубиной соответственно 9,0 и 10,0 см, пробы донных отложений оказались не взятыми.
Определение гранулометрического состава проб исходной, подаваемой на модель, и взятых в различных точках модели производилось с помощью точных аналитических весов. Результаты обработки проб донных отложений, взятых на различных фрагментах рельефа дна русла, сформировавшегося в результате опыта, были сгруппированы соответственно для точек с глубинами менее 4,0 и более 4,0 см. Граница разделения проб на две группы принята из тех соображений, что в начальной стадии опытов глубина потока была равной 4,0 см. Таким образом, принятое разделение гранулометричес-
ких составов проб донных отложений на две группы характеризует точки рельефа дна, в которых в результате формирования русла динамического равновесия происходит либо намыв (у выпуклых берегов излучин) с глубиной менее 4,0 см, либо размыв исходного рельефа дна (у вогнутых берегов излучин) с глубинами более 4,0 см.
Основным активным фактором, определяющим транспорт наносов в реках и формирующим рельеф дна, является речной поток и его скоростная структура, которая в извилистых руслах в большей степени зависит от очертания границ русла. На рис. 4 представлены эпюры распределения поверхностных скоростей потока в поперечных сечениях верхней и нижней излучин в начальной и конечной стадиях эксперимента, в которых были взяты пробы донных отложений после формирования рельефа русла. На этом рисунке показаны также точки отбора проб в других частях русла и векторы поверхностных скоростей потока в этих точках в начальной и конечной стадиях эксперимента.
Рисунок 4 наглядно демонстрирует трансформацию исходного поля поверхностных скоростей потока в интересующих нас точках отбора проб донных отложений в ре-
Рис. 4. Эпюры и векторы скоростей потока в начальной и конечной стадиях эксперимента в поперечных сечениях взятия проб донных отложений
Выпуск 2
Выпуск 2
зультате формирования рельефа русла. Интенсивность транспорта донных наносов и связанная с ней сортировка их гранулометрического состава определяются не абсолютными значениями скоростей потока, а их относительными значениями, отнесенными к значениям неразмывающих скоростей опытного материала — к скоростям потока при данной глубине потока, при которых начинается движение частиц. Таким образом, значения У/У0 являются критерием, характеризующим степень подвижности донных наносов. Чем больше значение критерия подвижности У/У0 , тем больше интенсивность транспорта донных наносов и вероятность большей сортировки их гранулометрических составов в процессе движения донных частиц.
В табл. 2 представлены сравнительные характеристики значений критерия подвижности донных отложений в различных частях
русла в начальной и конечной стадиях эксперимента. Значения неразмывающих скоростей потока, как отмечалось, были определены по опытам в 8-метровом гидравлическом лотке. В начальной стадии эксперимента на схематической модели исследуемых излучин при постоянном прямоугольном поперечном сечении исходного русла глубиной 4,0 см неразмывающая скорость потока У0 для экспериментального материала (измельченного угля) для всех точек, в которых в конце опыта отбирались пробы, была постоянной и составила 11,7 см/с (см. табл. 2). Соответственно в начальной стадии опыта, исходя из значений поля поверхностных скоростей потока (пересчитанных на средние по вертикали), были рассчитаны значения критерия подвижности наносов в точках, в которых далее по завершении формирования рельефа дна были отобраны пробы донных отложений.
Таблица 2
Сравнительные характеристики критерия подвижности донных отложений в начальной и конечной стадиях эксперимента
1138^
Номер пробы Начальная стадия Конечная стадия
Скорость потока средняя (У), см/с Неразмывающая скорость (У0), см/с Критерий подвижности (У/У) Место отбора пробы Глубина отбора пробы, см Скорость потока средняя (У), см/с Неразмывающая скорость (У0), см/с Критерий подвижнос- ти (У/У)
Верхняя излучина
1 12,42 11,7 1,06 перекат 4,0 11,52 11,7 0,98
2 14,76 11,7 1,26 перекат 4,4 12,15 11,6 1,05
3 16,74 11,7 1,43 середина русла 3,3 13,05 11,7 1,12
4 12,33 11,7 1,05 перекат 3,1 13,14 11,7 1,12
5 6,57 11,7 0,56 пляж 2,1 10,17 11,2 0,91
6 10,8 11,7 0,92 середина русла 4,3 12,33 11,6 1,06
7 13,23 11,7 1,13 плес 6,3 13,23 11,1 1,19
8 12,15 11,7 1,04 перекат 2,8 14,4 11,6 1,24
9 15,75 11,7 1,35 перекат 4,0 14,04 11,7 1,20
Нижняя излучина
9 15,75 11,7 1,35 перекат 4,0 14,04 11,7 1,20
10 12,6 11,7 1,08 плес 5,0 10,53 11,4 0,92
11 14,04 11,7 1,20 перекат 3,5 12,15 11,7 1,04
Таблица 2 (Окончание)
12 13,77 11,7 1,18 середина русла 4,7 18,72 11,5 1,63
13 7,2 11,7 0,62 пляж 2,2 7,2 11,3 0,64
14 13,05 11,7 1,12 плес 4,3 15,57 11,6 1,34
15 9 11,7 0,77 пляж 1,9 11,79 11,2 1,05
16 12,6 11,7 1,08 перекат 3,3 11,25 11,7 0,96
17 13,77 11,7 1,18 перекат 3,7 8,73 11,7 0,75
18 13,86 11,7 1,18 плес 6,2 18,18 11,1 1,64
19 13,5 11,7 1,15 середина русла 3,9 11,34 11,7 0,97
20 13,23 11,7 1,13 середина русла 5,1 12,6 11,4 1,11
21 10,8 11,7 0,92 плес 5,5 12,6 11,3 1,12
Как следует из табл. 2, в начальной стадии эксперимента в 5 из 21 точек взятия проб донных отложений значения критерия подвижности донных наносов были меньше единицы. Из табл. 2 видно, что большинство из этих точек в результате опыта оказались на сформировавшихся в дальнейшем пляжах. В конечной стадии эксперимента значения критерия подвижности донных наносов меньше единицы, кроме указанных точек 5 и 13, на пляже наблюдались еще в нескольких точках, но их значения настолько близки к единице, что это различие можно отнести к точности определения У/У0.
В табл. 3 суммирована вся информация, полученная в ходе эксперимента: указаны места взятия проб донных отложений и их приуроченность к конкретным морфологическим фрагментам руслового рельефа, глубина отбора каждой пробы, значения критерия подвижности наносов в этих точках и значения характерных диаметров интегральных кривых гранулометрических составов в точках
отбора проб. Здесь же представлены значения коэффициента неоднородности проб в форме Од5Ю5 и граничные значения диаметров донных отложений, разделяющих мелкофракционную и крупнофракционную составляющие гранулометрического состава донных отложений (последняя графа табл. 3). Численные значения морфологических и гидравлических характеристик формирования гранулометрического состава донных отложений в опытных излучинах в табл. 3 представлены отдельно для верхней и нижней излучины.
На рис. 5 для наглядности в местах взятия проб донных отложений указаны значения диаметров 50, 5 и 95 %-ной обеспеченности, определенные по интегральным кривым гранулометрических составов донных отложений этих проб. Как следует из этого рисунка и табл. 3, диаметр 50 %-ной обеспеченности гранулометрических составов проб на исследуемых излучинах меняется от 0,195 мм в точке 21 (плес нижней излучины) до 0,297 мм в точке 16 (перекат нижней излучины).
Выпуск 2
Г“1
Таблица 3
Морфологические и гидравлические условия формирования гранулометрического состава донных отложений в опытных излучинах
Номер пробы Место отбора пробы Глубина отбора пробы, см Скорость потока поверхностная, см/с Скорость потока средняя (П см/с Средний диаметр частиц (£>50), мм Неразмывающая скорость ([’о), см/с Критерий подвижности наносов А,- мм Пг мм О , с.в/ ММ А./0 50 с.в. А/А Граница мелкофракционный/ крупнофракционный (%)
Верхняя излучина
1 перекат 4,0 12,8 11,5 0,205 11,7 0,985 0,48 0,05 0,28 0,743 9,64 89,5
2 перекат 4,4 13,5 12,2 0,248 11,6 1,047 0,60 0,08 0,34 0,736 7,95 75,0
3 середина русла 3,3 14,5 13,1 0,254 11,7 1,115 0,61 0,07 0,34 0,741 8,24 83,0
4 перекат 3,1 14,6 13,1 0,237 11,7 1,123 0,52 0,08 0,31 0,767 6,93 85,0
5 пляж 2,1 11,3 10,2 0,216 11,2 0,908 0,43 0,07 0,27 0,788 6,14 93,0
6 середина русла 4,3 13,7 12,3 0,221 11,6 1,063 0,50 0,06 0,29 0,757 7,98 87,0
7 плес 6,3 14,7 13,2 0,269 11,1 1,192 0,65 0,12 0,37 0,735 5,65 70,0
8 перекат 2,8 16,0 14,4 0,240 11,6 1,241 0,57 0,09 0,32 0,752 6,35 81,0
9 перекат 4,0 15,6 14,0 0,231 11,7 1,200 0,49 0,10 0,30 0,773 5,00 87,5
Нижняя излучина
9 перекат 4,0 15,6 14,0 0,231 11,7 1,200 0,49 0,10 0,30 0,773 5,00 87,5
10 плес 5,0 11,7 10,5 0,209 11,4 0,924 0,46 0,07 0,28 0,760 6,50 90,5
11 перекат 3,5 13,5 12,2 0,205 11,7 1,038 0,47 0,07 0,28 0,740 7,15 90,0
12 середина русла 4,7 20,8 18,7 0,239 11,5 1,628 0,53 0,10 0,31 0,764 5,20 83,0
13 пляж 2,2 8,0 7,2 0,244 11,3 0,637 0,50 0,10 0,31 0,782 5,09 85,0
14 плес 4,3 17,3 15,6 0,251 11,6 1,342 0,57 0,11 0,33 0,754 5,18 79,5
15 пляж 1,9 13,1 11,8 0,239 11,2 1,053 0,54 0,08 0,32 0,759 6,70 82,0
16 перекат 3,3 12,5 11,3 0,297 11,7 0,962 0,65 0,13 0,42 0,711 4,85 56,5
17 перекат 3,7 9,7 8,7 0,205 11,7 0,746 0,43 0,06 0,27 0,765 7,22 93,0
18 плес 6,2 20,2 18,2 0,271 11,1 1,638 0,61 0,12 0,37 0,736 5,00 71,5
19 середина русла 3,9 12,6 11,3 0,232 11,7 0,969 0,52 0,10 0,31 0,753 5,27 83,5
20 середина русла 5,1 14,0 12,6 0,218 11,4 1,105 0,45 0,08 0,28 0,779 5,70 91,5
21 плес 5,5 14,0 12,6 0,195 11,3 1,115 0,52 0,04 0,28 0,704 12,88 86,5
университета
водных
коммуникаций
Рис. 5. Места проб с указанием начений их диаметров 50, 5 и 95 %-ной обеспеченности
Наименьшее значение диаметра донных отложений, на модели меняется в пределах от 0,04 (точка 21) до 0,134 мм (точка 16, перекат). Обе эти точки находятся в пределах нижней излучины.
Максимальный диаметр проб донных отложений на модели также меняется в широких пределах, от значений 0,43 (точка 5 на пляже верхней излучины) до 0,656 мм (точка 16, перекат, нижняя излучина).
Коэффициент неоднородности донных отложений — В95Ю5 одновременно с диапазоном изменения крупности крайних частиц в пробе характеризует степень отсортирован-ности состава проб. По данным эксперимента, эта величина также меняется в широких пределах — от ее значения 4,85 в точке 16 на перекате нижней излучины до значения 12,88 в точке 21 (плес нижней излучины). Обращает внимание, что высокая отсортированность состава донных отложений (095ЮЪ = 4,85-7,00) наблюдается как при низких значениях критерия подвижности наносов, меньше единицы, когда идет преимущественно накопление (намыв) мелких частиц (пробы 5, 13, 16, 19), так и при наиболее высоких значениях У/У0, когда сортировка составов донных отложений происходит за счет более активного уноса мелких частиц из состава грунта (пробы 7, 14, 18).
Из последней графы табл. 3 следует, что значения граничного диаметра между мелкофракционной и крупнофракционной составляющей смеси донных отложений зависят от приуроченности проб к тому или иному морфологическому фрагменту руслового рельефа. Так, самое низкое значение граничного процентного состава донных отложений (наибольшее присутствие в пробе крупных фракций) наблюдается на участках плесов: 70 % в плесе верхней излучины (проба 7) и 71,5 % в плесе нижней излучины (проба 18). Наибольшее значение граничного диаметра между мелкофракционной и крупнофракционной составляющими гранулометрического состава донных отложений (наименьшее присутствие крупных фракций в пробе) — на участке верхней излучины (93 %), в точке 5 (пляж) и на участке нижней излучины в точке 17 (перекат).
На рис. 6 представлена зависимость значений характерных диаметров проб донных отложений от критерия подвижности У/У0 по данным эксперимента. Из этого рисунка следует, что в диапазоне изменения критерия подвижности 0,6 < У/У0 < 1,7 диаметр самых мелких частиц в пробах донных отложений (05) меняется на модели в среднем от 0,07 до 0,11 мм. Соответственно 050 и 095 меняются в среднем от 0,22 до 0,25 мм и от 0,47 до 0,58 мм.
Выпуск 2
0,7
0,6
0,5
■ ■ - ■
■ .— ■ ■ ■
■ " ■ ■ ■ ■ ■
♦ Средний диаметр частицею), мм ■ Оэб мм А Эб мм I ♦ ♦ » ♦ ♦
%~"7 ♦ ♦
А * А А А
А — тк— А А
0,4
(1, им
0,3
0,2
0,1
0,0
0.0 0,2 0,4 0.Б 0,8 1,0 1,2
Критерий подвижности наносов \ll\lo
1.4
1.Б
1,9
Рис. 6. Зависимость характерных диаметров проб донных отложений от критерия подвижности г/г0
сч
X
о
14
12
10
т
♦
♦ ♦
♦ ♦ ♦ _ ? *
♦ ♦ ♦ ♦ 4 ♦ ФФ
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Критерий подвижности наносов, У/У о
1.4
1.6
1.8
Рис. 7. Зависимость коэффициента неоднородности состава проб донных Ю/Ю отложений от критерия подвижности г/г0
На рис. 7 представлена зависимость коэффициента неоднородности состава проб донных отложений Ю95Ю5 от критерия подвижности У/У0, в диапазоне его изменений
0,6 < У/У < 1,7. Из этого графика следует, что в отмеченном диапазоне изменения критерия подвижности донных наносов коэффициент неоднородности проб донных отложений на модели с увеличением критерия подвижности уменьшается в среднем от 6,7 до 6,0.
При гидравлическом моделировании руслового процесса и транспорта донных наносов на неискаженных, размываемых моделях речных русел с соблюдением геометрического подобия донных частиц возникает задача назначения на модели исходного гранулометрического состава наносов для их подачи на модель. При этом исследователь по данным натурных работ может располагать лишь сведениями о фракционном составе проб донных отложений в отдельных точках дна русла, приуроченных к различным характерным морфологическим фрагментам руслового рельефа. Наиболее близкий к исходной пробе фракционный состав донных отложений в условиях наших опытов из всех 21 проб оказался у проб 2 и 3, взятых в начале модели. Отсюда следует рекомендация назначать для подачи на размываемую модель состав донных отложений проб, взятых в натуре на верхнем пограничном участке исследуемого участка русла. Такой же вывод был получен в ГГИ ранее по данным исследований на ряде размываемых моделей речных русел [3; 4].
Заключение
В данной статье представлены методика и результаты лабораторного исследования механизма и закономерностей формирования гранулометрического состава донных отложений на различных морфологических фрагментах русла в речных излучинах. По сравнению с ранее выполненными в ГГИ аналогичными лабораторными работами [3; 4], в которых фиксировались характеристики гранулометрического состава донных отложений в различных частях моделей в зависимости от
сформированной в опытах морфологии русла, скоростной структуры потока и критерия подвижности наносов, в настоящих исследованиях дополнительно исследовались условия, предшествующие формированию рельефа русла. Отмеченное позволяет провести более глубокий анализ и исследовать не только закономерности распределения гранулометрического состава донных отложений, но также сам механизм и причины формирования различного гранулометрического состава грунта и его сортировки в зависимости от характера трансформации исходного рельефа и поля скоростей потока в ходе эксперимента (формирования рельефа русла).
На основе усовершенствованной методики в настоящей работе удалось количественно более подробно описать процесс формирования гранулометрического состава донных отложений в двух смежных экспериментальных излучинах. Установлены закономерности формирования гранулометрического состава на различных морфологических фрагментах экспериментального меандриру-ющего русла, а также количественные зависимости изменения характерных диаметров проб донных отложений от критерия их подвижности.
Результаты опытов позволяют также предложить рекомендации по установлению исходного гранулометрического состава наносов для их подачи на размываемую модель на основе данных измерений гранулометрического состава донных отложений в натурных условиях на исследуемой реке.
Изложенная выше методика и результаты лабораторных исследований механизма и закономерностей формирования гранулометрического состава донных отложений в руслах рек открывают перспективное направление для углубленного изучения процесса транспорта донных наносов в реках и дальнейшего совершенствования методов расчетов и прогнозов расхода и стока донных наносов, характеристик руслового процесса и русловых деформаций на основе учета пространственно-временной изменчивости гранулометрического состава руслового материала в процессе его транспорта в реках.
Выпуск 2
Выпуск 2
Список литературы
1. Kopaliani Z. D. Problem of Bed Load Discharge assessment in rivers // Proc. 10th Inter symp. on River Sedimentation. — Moscow, 2007. — Vol. 3. — P 175-181.
2. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 272 с.
3. Копалиани З. Д. Лабораторные исследования закономерностей переформирования состава наносов на размываемых моделях речных русел // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — Вып. 278. — С. 70-88.
4. Копалиани З. Д., Твалавадзе О. А., Носелидзе Д. В. Гидравлическое моделирование руслового процесса р. Утутлик на участке мостовых переходов // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990. — Вып. 337. — С. 138-162.
5. Гришанин К. В. Устойчивость русел рек и каналов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 143 с.
УДК 556.53.08 Н. И. Католикова,
MОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ИЗЛУЧИН НА НИЖНЕЙ КУБАНИ MORPHOMETRIC REGULARITIES OF THE FREE MEANDERING CURVES DEVELOPMENT DOWNSTREAM OF THE KUBAN RIVER
Целью настоящей работы является выявление и оценка зависимости морфометрических показателей русла при свободном меандрировании от изменений руслоформирующих условий на участках большой протяженности.
The purposes of this study is the identification and the estimation of morphometric measures offree meandering curves and their variations because of channel-forming factors changes on the extensive reach of river.
Ключевые слова: излучины, меандрирование, гидроморфологическая теория, русловые деформации, морфометрические характеристики.
Key words: bends, meandering, hydro morphological theory, bed deformations, channel data.
Государственный гидрологический институт
(Санкт-Петербург)
О ПРЕДСТАВЛЕНИЯМ гидромор- нию, увеличивая угол разворота. По мере уве-
фологической теории руслового личения угла разворота сползание излучин
процесса считается, что свободное замедляется, а форма их меняется (излучины
меандрирование развивается в широких реч- вытягиваются). При углах разворота, близких
ных долинах, склоны которых не ограничива- к 140°, в результате преимущественного раз-
ют свободное развитие плановых деформаций вития одного из плесов происходит разделе-
русла, а ход глубинных деформаций в много- ние плесовой ложбины и нарушение плановой
летнем плане тесно увязан с развитием плано- симметрии излучин. Развитие их завершается
вых деформаций. В общей схеме отмечается сближением подмываемых берегов смежных
также, что в начальной стадии развития, при излучин, расположенных выше и ниже по те-
углах разворота менее 90°, излучины свобод- чению, и прорывом образовавшегося между
ного меандрирования сползают вниз по тече- ними перешейка. В зоне прорыва возрастают
