CC BY
0
�хнического строительства и гидравлики, очистки сточных вод, улучшения экологического состояния водных объектов, технологии добычи и обогащения полезных ископаемых. Управление наносамив загрязненных водоемах позволяет восстановить их кислородный баланс и улучшить общее экологическое состояние. Изучение закономерностей влияния гидравлических режимов, создаваемых естественными и искусственными преградами на режим, транспорт и осаждение наносов, является актуальным направлением при решении обозначенных выше проблем. С этой целью и был заложен первый этап лабораторных исследований.
Исследования минерального и химического состава донных отложений имеют важное значение в разработке, усовершенствовании методик гидрогеохимических поисков полезных ископаемых и решении задач нормирования антропогенного воздействия на поверхностные и подземные водные объекты.
Цель исследований: оценка минерального и химического состава речных отложений в междуречье рек Ло и Кау (север Вьетнама) как причины и следствия процессов формирования геохимических аномалий в водных объектах.
Получены ориентировочные оценки расстояния переноса твердых частиц (до 34 км в период дождей) и среднего времени приближения к насыщению речных вод относительно кальцита (примерно 9,4 ч). Обоснован вывод о ключевой роли геохимических барьеров в формировании геоэкологических условий речного бассейна, в том числе снижении концентраций цинка, свинца и ряда других элементов в речных водах и донных отложениях на участках до 10-11 км [4, 5]. Комплексное воздействие гидрологических факторов в рассматриваемом районе проявляется в среднем на участках протяженности около 3-5 км, максимально - до 10-11 км. Длина реки Ло составляет 481 км, средний расход воды на рассматриваемом участке - 155 м3/с, площадь бассейна - 11254 км2.
Материалы и методы исследований. Лабораторные исследования были проведены в лаборатории гидравлики института мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова на кафедре гидравлики,
гидрологии и управления водными ресурсами. Первая серия экспериментов проведена осенью 2022 г. на стандартном лотке со следующими характеристиками: высота - 44 см, ширина -24,5 см; в лоток устанавливались ригеля с размерами 25 х 25 мм и 30 х 30 мм, 50 х 50 мм, расстояние между ригелями составляло 26 см. В качестве материала, имитирующего наносы с плодородным илом, использовалась кукурузная крупа со средней величиной фракции 0,7-1,2 мм как наиболее подходящая по характеристикам плотности и мехсоставу к наносам в реке Ло во Вьетнаме, где в диапазоне крупности наносов 0,15-1,5 мм режим осаждения частиц является переходным [5, 6]
Формально границы между влекомыми наносами и донными отложениями могут быть определены по формуле:
0,012 • о3
^вЬИт
К
(1)
где Dsbliш - предельный диаметр частиц неподвижной фракции, м; V - средняя скорость течения, м/с; h - средняя глубина потока, м. Однако очевидно, что при пространственно-временных изменениях водного стока, гидравлических характеристик потока и пространственных изменениях гранулометрического состава подстилающих и водовмещающих пород предельный диаметр донных отложений также меняется. При их изучении следует учитывать особенности геоморфологии, литологии и водного режима исследуемой территории, что отражено в ряде методических и нормативно-методических документов документов [6].
Средний диаметр взвешенных наносов принят в размере 0,8 мм. Коэффициенты шероховатости определялись обратным расчетом по формулам Маннинга и Шези при известных расходах. Транспортирующие способности потока определялись по расстоянию между ригелями (х3 - размеры ригеля; х4 - тип ригеля). Каждый фактор имеет допустимый диапазон значений. Например, расход воды не должен превосходить величины, обеспечивающие диапазон реальных скоростей в реке Ло в пересчете на модель, размеры ригелей выбраны из нагрузки наносов в пересчете с фактической нагрузки в реке Ло. Средняя мутность ориентировочно принята (при условии среднегодового значения) как 170 г/м3 [1.2]. Расстояние между ригелями было одинаковым по длине лотка. Естественные ригели имитировались как преграды из стволов дерева диаметром 25, 30,50 мм.
Эксперимент заключался в фиксировании изменения скоростей потока перед ригелями и после них и их влияния на осаждение наносов,
вызванного изменениями значений факторов. При планировании эксперимента внутри диапазона допустимых изменений значения каждого фактора (от ximin до ximax, i = 1,2,3,4) выбран ряд промежуточных значений: например, 4 возможных значения расходов [7]. Было запланировано 50 опытов. При этом сочетания значений факторов для каждого опыта задали случайным образом и получили так называемую таблицу планирования эксперимента.
Далее назначили период времени экспериментальной работы по режиму каждой строки таблицы - например, один день. В течение этого периода фиксируются скорости перед ригелямии после них и осаждение наносов. Усредненные за этот период, они заносились в таблицу в виде экспериментального значения величины у = Q / F или Q/М (масса наносов): у1, i = 1,...,50. Когда таблица была заполнена, все ее содержимое означало так называемые экспериментальные данные. Сама таблица называется таблицей экспериментальных данных и представляет собой таблично заданную функцию - зависимость скорости потока перед ригелями и после них/массы осаждения наносов у от изменения значений факторов x1, x2, x3, x4.
Цель обработки экспериментальных данных заключается в том, чтобы эту табличную, аналитически неизвестную зависимость между переменной у и переменными x1, x2, x3, x4 представить в виде математической модели, то есть уравнения, которое «достаточно точно» согласовывало бы расчетные и табличные значения отклика объекта у: например, у = а1х1 + а2х2 + а3х3 + а4х4.
Эксперимент заключается в фиксировании объема осевших наносов, параметров оседания и длины пути их трансфера, вызванного изменениями значений факторов. Он был спланирован таким образом, чтобы получить максимальное количество информации при минимальных затратах средств и времени. Плотность наносов составила 720 г/л (кг/м3), объемная масса наносов- 1, 4 л/кг(м3/т).
Результаты и их обсуждение. В лабораторном опыте для каждого эксперимента
Таблица. Планирование эксперимента Table. Planning an experiment
определялась скорость воды при подходе к преграде как расход, деленный на площадь поперечного сечения.
Были построены графики зависимости скорости от величины полного осаждения для ригелей 25 х 25 мм, 30 х 30 мм и 50 х 50 мм как искусственных, так и естественных форм (рис. 1).
Также были получены графики зависимости скорости от величины осаждения наносов для каждой зоны ригелей. Получен график зависимости величины осаждения наносов и от распределения скоростей в образующихся вихревых потоках (рис. 2).
Все вычисления произведены в комплексе Math Card 15 и Solidworks [8, 9]. При статистической обработке использовались две выборки полученных результатов по планированию эксперимента: осаждение наносов при устройстве искусственных и естественных ригелей разных размеров.
Шп X1 X2 X3 X4 y
1 X18 X22 X33 X47
2 X11 X29 X34 X44
50 X17 X23 X36 X45
Рис. 1. Результаты эксперимента по осаждению наносов:
кривая 1(4)-естественные ригеля и искусственные ригеля размером 25 х 25 мм;
кривая 2(5) — естественные ригеля и искусственные ригеля размером 30 х 30 мм; кривая 3(6) — естественные и искусственные ригеля размером 50 х 50 мм Fig. 1. Results of the sediment deposition experiment: curve 1(4) - natural crossbars and artificial crossbars 25 х 25 mm in size;
curve 2(5) natural transoms and artificial crossbars 30 х 30 mm in size; curve 3(6) - natural and artificial crossbars (50 х 50mm) in size
Л)
Б)
Рис. 2. Результаты статистической обработки скоростей в вихревых потоках вблизи ригелей:
а) ригель 30 мм с вертикальной составляющей; б) ригель 25 мм без образования вертикальной составляющей при скорости 0,3 м/с Fig. 2. Results of statistical processing of velocities in vortex flows near crossbars: a) 30 mm deadbolt with a vertical component; b) 25 mm deadbolt without vertical component formation at a velocity of 0.3 m/s
Выводы
В результате выполненных модельных лабораторных гидравлических исследований определены область и направление решения гидравлических задач, связанных с управлением
осаждения насосов, обеспечивающих возможность формирования гибких, подвижных дамб перегородок для накопления наносов в заданных частях русла реки в целях решения названных выше проблем транспорта наносов с плодородным илом во Вьетнаме.
На базе полученных предельных линий токов в канале вблизи ригелей выявлена связь их с зонами осаждения наносов, которая подчиняется расчету для означенных условий эксперимента. Форма и размеры рассмотренных ригелей незначительно влияют на формирование зон осаждения наносов в диапазоне скоростей 0,1.. .0,3 м / с. Вертикальная составляющая начинает образовываться при скорости 0,3м/с в зоне влияния ригеля с размером 30 мм.
Статистический анализ показал, что для достижения эффективного осаждения наносов в заданной области при рассмотренных естественных и искусственных ригелях диапазон скоростей (расходов) потока должен находиться в пределах 0,3.1 м/с с образованием вертикальной составляющей. На основании гидромехани-ко-гидравлического подхода транспорта наносов с использованием теории турбулентных восходящих вихревых потоков вблизи естественных и искусственных ригелей по трансформации осред-ненных скоростей выявлены области применения этой технологии. Она может использоваться при распространении защиты для формирования русла реки, возможности сохранения режима наносов при изменении гидрологических параметров речного стока и обеспечения сохранности условий хозяйствования и экосистемы в нижнем течении реки Ло.
Для правильной оценки эффективности данного метода необходимо продолжить заложенный лабораторный эксперимент и сравнить эффективность конкурирующих вариантов, особенно при разных форме, конфигурации и расположении ригелей для формирования гибких подвижных плотин и зон осаждения наносов.
Список использованных источников
1. Нгуен К.З., Глазунова И.В. Вопросы при исследовании транзита наносов с плодородным илом для речных бассейнов // Инновации в природообустройстве и защите в чрезвычайных ситуациях: Материалы IX Международной научно-практической конференции, Саратов, 27-28 апреля 2022 г. Саратов: ООО «Амирит», 2022. С. 57-61. EDN КВБШР.
2. Фам Чонг Тиен. Канонические весовые системы в теории пространств бесконечно дифференцируемых и голоморфных функций: Дис. канд. физ. - мат. Наук. Ростов-на-Дону, 2013.
3. Хецуриани Е.Д. Научно-технологическое обустройство водозаборных сооружений оросительных
References
1. Nguyen K.Z. Issues in the study of the transit of sediment with fertile silt for river basins / K.Z. Nguyen, I.V. Glazunova // Innovations in environmental management and protection in emergency situations: Materials of the IX International Scientific and Practical. conf. Saratov, April 27-28, 2022. Saratov: AmMt LLC, 2022. P. 57-61. - EDN KBRDYP.
2. Pham Chong Tien. Canonical weight systems in the theory of spaces of infinitely differentiable and ho-lomorphic functions, topic of the dissertation and abstract on the Higher Attestation Commission of the Russian Federation 01.01.01, candidate of physical and mathematical sciences. Fam.. ..Rostov-on-Don, 2013.
систем на юге России: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Саратов, 2022.
4. Барсукова М.В., Глазунова И.В., Король Т.С., Лагутина Н.В. Экологическая безопасность сельского хозяйства и сельскохозяйственной продукции - реальные шаги // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия «Естественные и технические науки». 2020. № 8. С. 7-10. DOI: 10.37882/2223-2966.2020.08.02. EDN PPPVNJ.
5. Кирейчева Л.В., Глазунова И.В. Природные сорбенты для детоксикации загрязненных почв // Плодородие. 2008. № 6(45). С. 44-46. EDN KUCNMH.
6. ГОСТ 17.1.5.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/7884.
7. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.
8. Найгерт К.В., Редников С.Н. Технологии управления расходными характеристиками потока посредством изменения реологических свойств рабочих сред // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сери «Машиностроение». 2016. Т. 16, № 2. С. 52-60. DOI: 10.14529/engin160206. EDN WBOWFF.
9. Патент № 2634166 РФ, МПК F15B21/06. Магни-тореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы с гидравлическим мостиком (варианты)/ Найгерт К.В., Редников С.Н. № 2015139197; заявл. 18.08.20144; опубл. 24.10.2017. EDN KMETUW.
Критерии авторства
Глазунова И.В., Редников С.Н., Нгуен Кхань Зуи выполнили практические и теоретические исследования, на основании которых провели обобщение и написали рукопись. Имеют на статью авторское право и несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляет об отсутствии конфликтов интересов Статья поступила в редакцию 09.04.2023 Одобрена после рецензирования 28.08.2023 Принята к публикации 28.08.2023
3. Khetsuriani E.D. Scientific and technological arrangement of water intake structures of irrigation systems in the south of Russia 01/06/02 - Reclamation, reclamation and land protection. Abstract of the dissertation for the degree of doctor of technical sciences... Saratov, 2022.
4. Barsukova M.V., Glazunova I.V. Environmental safety of agriculture and agricultural products - real steps / M.V. Barsukova, I.V. Glazunova, T.S. Korol, N.V. Lagutina // Modern science: actual problems of theory and practice. Series: Natural and technical sciences. 2020. No. 8. P. 7-10. -DOI 10.37882/2223-2966.2020.08.02. - EDN PPPVNJ.
5. Kireicheva L.V., Glazunova I.V. Natural sorbents for detoxification of contaminated soils // Fertility. 2008. No. 6(45). P. 44-46. - EDN KUCNMH.
6. GOST 17.1.5.01-80 Nature conservation. Hydrosphere. General requirements for sampling of bottom sediments of water bodies for pollution analysis https://internet-law.ru/gosts/gost/7884
7. Schenk X Theory of engineering experiment Author: Publishing house: Mir, 1972.
8. Naigert K.V., Rednikov S.N. Technologies for controlling flow characteristics of flow by changing the rheolo-gical properties of working media / K.V. Naigert, S.N. Rednikov // Bulletin of the South Ural State University. Series: Mechanical engineering. 2016. T. 16, no. 2. pp. 52-60. -DOI 10.14529/engin160206. - EDN WBOWFF.
9. Naigert K.V., Rednikov S.N. Patent No. 2634166 RF, IPC F15B21/06. Magnetorheological drive of direct electromagnetic control of the flow characteristics of the upper circuit of a hydraulic system with a hydraulic bridge (options): No. 2015139197: application. 08/18/2014: publ. 10/24/2017 / K.V. Neigert, S.N. Rednikov. - EDN KMETUW.
Criteria of authorship
Glazunova I.V., Rednikov S.N., Nguyen Khanh Zuy carried out practical and theoretical studies, on the basis of which they carried out a generalization and wrote the manuscript. Glazunova I.V., Rednikov S.N., Nguyen Khanh Zuy have copyright on the article and are responsible for plagiarism. Conflict of interest
The authors declare no conflicts of interest. The article was received by the editor on 09.04.2023 Approved after peer review 28.08.2023 Accepted for publication 28.08.2023
