CC BY
111
УЕБТЫК
мвви
УДК 627.222
И.С. Соболь, Д.Н. Хохлов
ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»
МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА Е.Г. КАЧУГИНА ДЛЯ ВАРИАНТНОГО
КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОГНОЗА ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ АБРАЗИОННЫХ БЕРЕГОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РАВНИННЫХ
ВОДОХРАНИЛИЩ
Представлен метод Е.Г. Качугина, модифицированный для инженерных расчетов переформирования абразионных берегов водохранилищ на ЭВМ с целью обеспечения многовариантных постворовых прогнозов.
Ключевые слова: водохранилища, берега, абразия, прогноз.
Выбор альтернативных методов снижения рисков потери земель в береговой зоне водохранилищ зависит от своевременного достоверного прогноза переформирования берегов.
Прогнозы берегопереформирований на водохранилищах можно строить следующих видов:
перманентный прогноз, непрерывно продолжающийся в течение всего срока эксплуатации водохранилища;
вариантный прогноз, являющийся частным случаем перманентного прогноза; разовый, одновариантный прогноз, являющийся частным случаем вариантного прогноза.
Перманентный прогноз трудноосуществим по экономическим соображениям, разовый прогноз следует признать анахронизмом, а наиболее приемлемым для современной практики является вариантный прогноз.
Главная задача, которую ставит практика в направлении количественной оценки берегопереформирований на водохранилищах, — определение скорости отступания надводного берегового обрыва и величины отступания его на заданный срок.
Действующие правила [1] рекомендуют при прогнозировании использовать методы Е.Г. Качугина, Г.С. Золотарева, И.А. Печеркина и др. [2]. Из них метод Е.Г. Качугина относится к группе энергетических методов, основанных на предположении о том, что объемы переработки берега пропорциональны суммарной энергии волн, воздействующих на него. Этот метод шире других использовался при проектировании крупных водохранилищ в 1950—1980 гг., а его апробация, например, в условиях первых лет эксплуатации Чебоксарского водохранилища, показала, что во всех случаях расчетные величины размыва берега оказались близкими к фактическим с расхождением 4...19 % [3]. Поэтому метод Е.Г. Качугина [2] модифицирован в инженерную двумерную модель переформирования абразионного берега, поставленную на ЭВМ с целью выполнения вариантных постворовых прогнозов.
Модель имитирует процессы размыва и аккумуляции грунта в прибрежной зоне и решает задачу нахождения прогнозного профиля берега на заданный срок или до затухания абразии при образовании волноустойчивой береговой отмели.
Рассматривается сечение берега, нормальное к урезу воды в прямоугольных координатах х, г (рис. 1). Расчеты выполняются на 1 п.м берега. Алгоритм решения задачи нахождения прогнозного профиля абразионного берега с описанием процедур расчета математическими зависимостями состоит в следующем.
ВЕСТНИК
10/2012
ув2 % 'ув96 %
Рис. 1. Схема переформирования абразионного берега водохранилища
1. Задается исходная информация:
координаты поверхности берега в исследуемом створе хб, гб; коэффициент размываемости пород Кр, м3/кДж, зависящий от физико-механических свойств пород и особенностей структуры берегового откоса, назначается по аналогу, а на действующих водохранилищах при наличии данных наблюдений бере-гопереформирования - обратным пересчетом по формуле (13);
коэффициент аккумуляции Ка, определяемый по аналогам, а на действующих водохранилищах при наличии наблюдений за берегом в рассматриваемом створе — по натурным данным;
уклоны берегового обрыва и свала отмели /обр и /вл, первый из них принимается по аналогии с естественными надводными откосами в зависимости от состава и свойств породы, слагающей берег; второй — соответствует углу естественного откоса для грунта берега под водой;
крупность наносов в отмели 1, м, определяется по аналогам; повторяемости скоростей ветра за безледный сезон для наветренных румбов р.,, определяющихся по данным ближайшей к исследуемому берегу метеостанции; уровни воды обеспеченностью 2 и 96 % — г в2% г в96% [2]; отрезок времени, на который выполняется прогноз /пр, годы.
2. Определяются ветроволновые характеристики.
Рассчитывается среднемноголетняя энергия волнения Е, кДж/м.п, по формуле [4, 5] Е = 33• 104Х^2 • Т • Ц • еоБф ., (1)
где h и xi — средние высота, м, и период, с, волн в системе, при действии ветра скоростью W,, определяются по известным зависимостям [6], являющимся аналитической основой действующих нормативных документов [7]; ф — наименьший угол между нормалью к берегу и волнообразующим направлением j-го румба; t ..— время действия, сут, ветра скоростью W,, и направлением j-го румба:
tjj = J ,сут, (2)
J 100
где p. — повторяемость действия ветра скоростью W .в направлении j-го румба, в процентах от продолжительности безледного сезона; Т — среднегодовая продолжительность безледного сезона, сут.
Назначается высота «рабочей волны» h , м, равной [2]
hp = 0,7 hcp, ' (3)
где h — среднее значение высот волн обеспеченностью 0,1 % в системе на каждом волнообразующем направлении с максимальной энергией, м.
о
Информационные системы и логистика в строительстве УЕБТЫК
_мвви
3. Определяются ординаты верхнего (ВПР) и нижнего (НПР) пределов размывающего действия волн хв, хн [2] с учетом сезонных колебаний уровней воды в водохранилище:
2в = 2ув2% + Ар/3;
Zн _ Zув96% hp .
(4)
4. Определяются координаты точек пересечения верхнего и нижнего пределов размыва с поверхностью берега в начальный момент времени (хв(/ = 0), хв и хн(/ = 0), хн).
5. Урез воды при ВПР (хв(0, хв) по горизонтали смещается в сторону берега относительно предыдущего положения на шаг координат йх.
6. Определяются координаты бровки берегового обрыва х6о(/), х6о(/):
х ^ _ гв + 1обрхв () - г + (б,+! - 2бг )/(хб,+! - хбг ) хбг ,
( г б г +! _ 2бг )/(хб1+^ _ Хб; ) + 1обр (5)
гбоО) = ^в + /обр (хв (*)- хбо(Г)).
7. Бровка свала отмели (х (?), х ) по горизонтали смещается в сторону акватории а шаг коорди ат йх.
8. Определяются координаты подножия свала отмели х (/), х (/):
х ^) _ гн +1свлхн () ~ гбг + (гбг+! ~ гбг У(хбг+! ~ хбг )хбг .
(гбг+! _ гбг ))(хбг+! _ Хбг ) + 1свл (6)
гсо ({) _ гн + 4вл (хн (г) - хсо ({)).
9. Определяются координаты точки пересечения поверхности отмели и исходной поверхности берега х (/), х (/):
г Г отм4 '' отм4 '
х (^) _ гн ~1отмхн () ~ гбг + (б!+! ~ гб! ■)/(xбi+! ~ хб!)хбг .
оТМ (бг+!" ^Км " Хб,) + Лобр ' (7)
готм ) _ гн + 4тм (хотм ) - хн )).
10. Проверяется выполнение баланса объемов разрушенного и аккумулированного в отмели грунта берега по выражению
КЦ) _ Ка ). (8)
Объемы разрушенного Ир(/), м3, и аккумулированного в отмели ^(0, м3, грунта по расчетной схеме определяются по формуле площади произвольного многоугольника, замкнутого ломаной линией без самопересечений, заданной своими вершинами в порядке обхода [8]
Ж (Г ) = 2
Z(xk + xk+1 )izk -zk-i)
, где xi - xn+1, zi - zn+1,
(9)
где к, п — порядковый номер и количество координат.
Массив координат, ограничивающих призму размыва, составляют точки: х (/); хотм(0; хв(), хв; хбо(/), хбо(); координаты поверхности берега в пределах призмы размыва х., х.; х (/), х (/).
Массив координат, ограничивающих призму аккумуляции, составляют точки: х (0, хотм(/); хн(/), хн. х (/), х (/); координаты поверхности берега в пределах призмы аккумуляции х., х..; х (/), х (/).
В случае невыполнения соотношения (8) задается новое положение отмели в пределах склона берега, цикл повторяется с п. 7 по 10.
11. Проверяются условия завершения счета: образование волноустойчивой по уклону отмели или достижение заданного срока прогноза / , годы.
Волноустойчивое состояние берега подчиняется условию
k-1
ВЕСТНИК 10/2012
I (Я < I , (10)
отм \ у - отм.пр '
где уклон волноустойчивой отмели /отм пр назначается по аналогам или определяется из эмпирического выражения (при нулевом градиенте вдольберегового потока наносов) [9]
. = А
-^отм.пр ^ d
(
Хл I
(11)
/свл
в котором А — коэффициент, равный 0,17 для надводной и 0,37 для подводной частей отмели; и — высота и длинна волны обеспеченностью 1 % на глубокой воде перед внешней границей отмели, м, определяемые аналогично п. 2. Достижение прогнозного состояния берега оценивается условием
Яр < и (12)
где t — время разрушения грунта берега W(t), годы, определяемое эмпирической зависимостью Е.Г. Качугина [2]
t = b
W (')
EK6 Kp
(13)
где Кб — коэффициент, учитывающий влияние высоты берега и степень размываемо-сти пород, численно равный средней высоте берега h6(t) в пределах призмы размыва, умноженной на эмпирический коэффициент С, принимаемый для легкоразмываемых пород равным 0,03 и для трудноразмываемых — 0,05, а при высоте берега более 30 м — равным 1,0
K6 = С • h6( 0, (14)
средняя высота берега h6(t) определяется выражением
h5(t) = ^£z6o(t) -z з j jn, (15)
где n — количество повторений основного цикла расчета (с п. 5 по 11); z6o(t) и ze — соответственно вертикальные координаты бровки обрыва берега и уреза воды при ВПР; b — коэффициент, учитывающий условия формирования и отложения прибрежных осадков, численно равен доле, которую будет занимать абразионная часть отмели от общей ее ширины, описывается зависимостью
b = Хотм(?) - Хв ft) . (16)
xH(t) - xB(t)
Если условия (10 или 12) не выполняются, то основной цикл расчета повторяется с п. 5 по 11.
12. Определяется величина отступания бровки берегового обрыва от первоначального уреза при ВПР L(t) (17), м, и скорость отступания бровки за прогнозный период V(t), м/год (18):
L(t) = xs(t = 0) -xO); (17)
V (t) = ^. (18)
t
Согласно описанному алгоритму составлен расчетный модуль для ЭВМ, объ-
единенный с ранее разработанной программой «Берега» [10]. Предусмотрена визу-
ализация выходных данных. Программа протестирована на материалах инструментальных наблюдений переформирования берегов Горьковского и Чебоксарского водохранилищ и использована при выполнении прогнозных расчетов абразии берегов
этих водохранилищ на предстоящее десятилетие [11].
1
VESTNIK
JVIGSU
Возможности метода иллюстрируются примером расчета переформирования левого берега Чебоксарского водохранилища у с. Юрино (рис. 2) при подпорном уровне 63,0 м БС. Берег здесь низкий, пологий, сложен песками мелкими и средней крупности, подвержен волновой абразии. Высота абразионного уступа достигает 10.. .11 м. Вдоль берега образовалась абразионно-аккумулятивная отмель, шириной от 30 до 55 м. На участке имеется 4 наблюдательных створа.
Рис. 2. План участка левого берега Чебоксарского водохранилища у с. Юрино (http:// geoportal.ntsomz.ru/)
Для данного участка на основании сведений о ветре метеостанции г. Козьмодемьянска определена среднегодовая энергия волнения. Коэффициент раз-мываемости породы берега найден подбором при использовании рассчитанной энер -гии ветрового волнения и результатов наблюдений (рис. 3). Исходные данные сведены в табл. 1. Прогнозные профили для створа № 8 представлены на рис. 3.
Табл. 1. Данные к расчету переформирования берега в створе № 8 у с. Юрино при подпорном уровне Чебоксарского водохранилища 63,00 м БС
Параметр Величина
Среднемноголетняя энергия волнения, тыс. кДж 298,8
Коэффициент размываемости пород, м3/кДж 0,0003
Высота рабочей волны, м 0,58
Верхний предел размыва (ВПР), м БС 63,90
Нижний предел размыва (НПР), м БС 62,30
Уклон прибрежного откоса, град 37
Уклон свала прибрежной отмели, град 27
Коэффициент аккумуляции 0,56
Установлено, что в первые 5 лет после наполнения водохранилища среднегодовая скорость отступания бровки берега составляла около 3,6 м/год, в последующие 25 лет — около 0,6 м/год, а по результатам расчетов на ближайшие 10 лет она составит 0,45 м/год. Снижение скорости абразии связано с увеличением ширины прибрежной отмели и ее выполаживанием. В настоящее время ширина отмели составляет 51 м при уклоне 0,03, через 10 лет прогнозируемая ширина отмели составит 59 м, уклон 0,026.
ВЕСТНИК
10/2012
Прогнозное отступание бровки, L(55) = 42 м
Отм. м БС
75 Репер № 1
70 65
60 L
55
Расстояние от репера,м
0
70
Рис. 3. Результаты наблюдений и прогнозные профили левого берега Чебоксарского водохранилища у с. Юрино в створе № 8
Вывод. Апробация представленной модели показала ее пригодность для решения инженерных задач прогноза переформирования абразионных берегов водохранилищ с достаточно высокой степенью достоверности, особенно при определении расчетных параметров по данным натурных наблюдений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области (контракт № 50 от 19 октября 2011 г.) и в рамках НИР №7.4059.2011 «Экспериментальные и теоретические исследования поведения водохранилищ и плотин энергетических гидроузлов на эксплуатационной фазе жизненного цикла» по государственному заданию подведомственным Минобрнауки вузам на выполнение научно-исследовательских работ в 2012—2014 гг.
Библиографический список
1. СП 11-105—97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. / ПНИИИС. М. : Стройиздат, 2000.
2. П 30—75. Методические рекомендации по прогнозированию переформирования берегов водохранилищ. Л. : ВНИИГ им. Веденеева, 1975. 185 с.
3. Иконников Л. Б. Прогноз разрушения берегов при повышении уровня Чебоксарского водохранилища // Гидротехническое строительство. 1990. № 2. С. 11—13.
4. Рекомендации по оценке и прогнозу размыва берегов равнинных рек и водохранилищ для строительства / ПНИИИС. М. : Стройиздат, 1987. 72 с.
5. Рекомендации по размещению и проектированию рассеивающих выпусков сточных вод / Гидрологический институт госгидромета. М. : Стройиздат, 1981. 216 с.
6. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. 256 с.
7. СНиП 2.06.04—82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М. : Стройиздат, 1989.
8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М. : Наука, 1981. 720 с.
9. Максимчук В.Л. Рациональное использование и охрана берегов водохранилищ. Киев : Буд1вельник, 1981. 112 с.
10. Соболь И.С., Хохлов Д.Н. Автоматизация инженерных расчетов берегопереформирова-ний на водохранилищах криолитозоны // Проблемы инженерного мерзлотоведения. Материалы IX Международного симпозиума. Якутск : Изд-во института мерзлотоведения СО РАН, 2011. С. 115—120.
11. Анализ переформирования абразионных берегов Горьковского водохранилища за период 1957—2010 гг. с прогнозом на следующее десятилетие / С.В. Соболь, И.С. Соболь, Л.Б. Иконников, Д.Н. Хохлов // Гидротехническое строительство. 2011. № 12. С. 13—20.
Поступила в редакцию в июле 2012 г.
Об авторах: Соболь Илья Станиславович — кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
VESTNIK
JVIGSU
(ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), Россия, 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, (831) 430-4289; факс: (831)430-42-89, gs@nngasu.ru;
Хохлов Дмитрий Николаевич — аспирант, младший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), Россия, 603950, г. Н. Новгород, ул. Ильинская, д. 65, (831) 430-42-89; факс: (831) 430-42-89, gs@nngasu.ru.
Для цитирования: Соболь И.С., Хохлов Д.Н. Модификация метода Е.Г. Качугина для вариантного компьютерного прогноза переформирования абразионных берегов эксплуатируемых равнинных водохранилищ // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 281—288.
I.S. Sobol', D.N. Khokhlov
MODIFIED KACHUGIN METHOD OF ALTERNATIVE SOFTWARE-BASED PROJECTION OF THE PATTERN OF REORGANIZATION OF ABRASION SHORES OF WATER RESERVOIRS IN THE FLAT TERRAIN
Presently, effective regulations employed in the Russian Federation recommend the use of the methods developed by E.G. Kachuchin, G.S. Zolotarev, I.A. Pecherkin, etc. for the projection of patterns of reorganization of coastlines of water reservoirs. One of these methods, developed by E.G. Kachugin, belongs to the group of power methods based on the hypothesis that the amplitudes of destruction of the coast are proportionate to the total wave energy alongside the coastline. The Kachugin method was reworked into a computer-based two-dimensional engineering model of reorganization of the abrasion shore. The model generates alternative projections. It simulates the processes of washout and accumulation of soil in the coastal area and solves the problem of predicting the potential profile of the shore within a pre-set time period or until the abrasion is smoothed away in the course of formation of coastal shallows.
The model testing has proven its efficiency in solving the engineering problems of projecting the line of reservoir abrasion shores with a high degree of reliability.
Key words: water reservoirs, abrasion, forecast, coastline, washout.
References
1. SP 11-105—97. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Chast' II. [Construction Regulations 11-105—97. Engineering and Geological Surveys for Construction. Part II]. Moscow, Stroy-izdat Publ., 2000.
2. P 30—75. Metodicheskie rekomendatsii po prognozirovaniyu pereformirovaniya beregov vo-dokhranilishch. [P 30—75. Methodological Recommendations concerning Projection of the Reservoir Shore Reformation]. Leningrad, 1975, 185 p.
3. Ikonnikov. L.B. Prognoz razrusheniya beregov pri povyshenii urovnya Cheboksarskogo vodokhra-nilishcha [Projections concering Destruction of Coasts Caused by the Water Level Increase of the Cheboksary Reservoir]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1990, no. 2. pp. 11—13.
4. Rekomendatsii po otsenke i prognozu razmyva beregov ravninnykh rek i vodokhranilishch dlya stroitel'stva [Recommendations concerning Assessment and Projection of the Washout Pattern of Plain Rivers and Reservoirs for Construction Purposes]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 72 p.
5. Rekomendatsii po razmeshcheniyu i proektirovaniyu rasseivayushchikh vypuskov stochnykh vod [Recommendations concerning Position and Design of the Scattering Outflow of Effluents]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1981, 216 p.
6. Krylov Yu. M., Strekalov S.S., Tsyplukhin V.F. Vetrovye volny i ikh vozdeystvie na sooruzheniya [Wind Waves and Their Effects on Buildings]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1976, 256 p.
7. SNiP 2.06.04—82*. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooruzheniya (volnovye, le-dovye i ot sudov) [Construction Norms and Regulations 2.06.04—82*. Loads and Effects on Hydraulic Structures (Wave, Ice, and Vessels)]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1989.
8. Bronshteyn I.N., Semendyaev K.A. Spravochnik po matematike dlya inzhenerovi uchashchikh-sya vtuzov [Handbook of Mathematics for Engineers and Students of Technical Universities]. Moscow, Nauka Publ., 1981, 720 p.
9. Maksimchuk V. L. Ratsional'noe ispol'zovanie i okhrana beregov vodokhranilishch [Rational Use and Protection of the Coastline of Water Reserviors]. Kiev, Budivel'nik Publ., 1981, 112 p.
10. Sobol' I.S., Khokhlov D.N. Avtomatizatsiya inzhenernykh raschetovberegopereformirovaniy na vodokhranilishchakh kriolitozony [Automation of Engineering Designs of the Coast Reformation in the Reservoirs of the Cryolite Zone]. Proceedings of the 9th International Permafrost Engineering Symposium]. Yakutsk, 2011, pp. 115—120.
ВЕСТНИК 10/2012
11. Sobol' S.V., Sobol' I.S., Ikonnikov L.B., Khokhlov D.N. Analiz pereformirovaniya abrazionnykh beregov Gor'kovskogo vodokhranilishcha za period 1957—2010 gg. s prognozom na sleduyushchee desyatiletie [Analysis of Reorganization of Abrasion Shores of the Gorky Reservoir for the Period of 1957—2010 and the Forecast for the Next Decade]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2011, no. 12, pp. 13—20.
About the authors: Sobol' Il'ya Stanislavovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya St., N. Novgorod, 603950, Russian Federation; +7 (831) 430-42-89; gs@nngasu.ru;
Khokhlov Dmitriy Nikolaevich — postgraduate student, Junior Researcher, Nizhniy Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya St., N. Novgorod, 603950, Russian Federation; +7 (831) 430-42-89; gs@nngasu.ru.
For citation: Sobol' I.S., Khokhlov D.N. Modifikatsiya metoda E.G. Kachugina dlya variantnogo komp'yuternogo prognoza pereformirovaniya abrazionnykh beregov ekspluatiruemykh ravninnykh vo-dokhranilishch [Modified Kachugin Method of Alternative Software-based Projection of the Pattern of Reorganization of Abrasion Shores of Water Reservoirs in the Flat Terrain]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 281—288.
