CC BY
101
текает двумя (несколькими) рукавами, слабо связанными между собой лишь короткими поперечными протоками и разделенными цепью островов или пойменными массивами.
Метод малых возмущений позволяет показать, как континуум волн и вихрей в потоке «отображается» в размываемом русле в виде континуума русловых форм самых различных размеров, от ряби и рифелей до меандров и систем разветвлений рукавов рек. К. В. Гришанин [1, с. 47] полагает, что «неравномерный рост возмущений с различными длинами волн приводит к выделению доминирующей длины волны и тем самым преобразует широкий спектр возмущений скорости в узкополосный спектр возмущений поверхности дна». В некоторых случаях взаимодействие потока и русла приводит к сужению спектра русловых
образований относительно спектра структур потока — таково образование ультрамикроформ. В других случаях широкому диапазону размеров структур потока соответствует также широкий диапазон длин русловых форм — таковы микроформы и мезоформы. Для этих русловых образований объективно сложно найти однозначные связи с гидравлическими характеристиками потока. Третий вариант процесса — макроформы. Здесь взаимодействие потока и русла приводит к преобразованию широкого спектра возмущений скорости в узкий спектр возмущений поверхности дна, однако нелинейные эффекты приводят к значительному смещению «линий» этого спектра. При этом наряду с первым внутренним масштабом, глубиной русла появляется второй внутренний масштаб — ширина потока.
Список литературы
1. Гришанин К. В. Устойчивость русел рек и каналов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 143 с.
2. Картвелишвили Н. А. Потоки в недеформируемых руслах. — Л.: Гидрометеоиздат, 1973. — 279 с.
3. Маккавеев Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд-во АН СССР, 1955. —
346 с.
УДК 556.535.6 З. Д. Копалиани,
канд. техн. наук., ст. науч. сотр., Государственный гидрологический институт
(Санкт- Петербург);
М. М. Жук,
Государственный гидрологический институт
(Санкт-Петербург)
К ПРОБЛЕМЕ ОЦЕНКИ СТОКА РУСЛОВОГО МАТЕРИАЛА В РЕКАХ ON THE PROBLEM OF THE BED LOAD YIELD ASSESSMENT IN RIVERS
Предложен метод оценки стока донных наносов на основе использования стандартной гидрометрической информации, получаемой на гидрологической сети Росгидромета. Для четырех гидрометрических створов Нижней Кубани получены региональные зависимости для расчета расхода и годового стока донных наносов, а также многолетние кривые зависимости годового стока донных наносов от годового стока воды.
см
ж
у
Method of the bed load discharge assessment based on the conventional hydrometric measurements made on the state Hydrological network is proposed. Regional relationships for the computation of the bed load discharge and annual yield as well as multi-annual bed-load-water volume curves are derived for the lower Kuban River four sites.
Ключевые слова: речная гидравлика, сток руслового материала, расход наносов, гранулометрический состав, формы транспорта наносов.
Key words: river hydraulics, flow of bed material, sediment transport rate, granulometric composition, sediment transport shapes.
ОЦЕНКА стока руслового материала в реках является центральной проблемой современной речной гидравлики, теории руслового процесса и транспорта наносов в речных руслах, до сих пор не нашедшая удовлетворительного решения. Повышение надежности и эффективности природоохранных мероприятий и решения многочисленных и разнообразных задач, связанных с реками, напрямую зависит от качества и точности методов расчета характеристик стока руслового материала и русловых деформаций в речных системах в естественных и измененных хозяйственной деятельностью человека условиях. Это, прежде всего, такие задачи, как проектирование гидроузлов (темпы занесения и заиления водохранилищ и размывы русел в нижних бьефах ГЭС), проектирование, строительство и эксплуатация речных водозаборов, переходов различных коммуникаций через реки (ЛЭП, подводных переходов трубопроводов, мостовых переходов), реконструкция речных русел и пойм в различных целях (увеличение пропускной способности для борьбы с паводками, регулирование русел, спрямление излучин, перекрытие рукавов и т. д.), проектирование и эксплуатация речных карьеров для добычи строительного аллювия, проектирование судоходных прорезей для обеспечения судоходства, оценка объемов стока наносов и пляжеобразующего материала в устьях рек и др.
Решение проблемы оценки стока руслового материала в руслах рек упирается в необходимость решения более частной задачи — создание надежных методов расчета расхода донных наносов в реках. В работе [11] выполнен подробный обзор этой проблемы и дан анализ причин ее неудовлетворительного состояния. Показано, что около 200 расчетных методов, зависимостей и рекомендаций, разра-
ботанных к настоящему времени зарубежными и отечественными исследователями, при их практическом применении дают весьма противоречивые результаты, различающиеся в десятки и сотни раз. Перечисленные в работе [11] трудности (несогласованность терминологии, неоднозначность методов расчета форм и видов транспорта наносов, степени их подвижности и сортировки в процессе перемещения, отсутствие надежных данных измерений и недостаточный учет специфики равнинных и горно-предгорных, больших, средних и малых рек и др.) еще больше усугубляются при переходе к более общей задаче определения стока руслового материала в реках. Здесь дополнительные сложности связаны с необходимостью учета гидрологического режима реки — изменчивостью гидравлических характеристик и режима транспорта руслового материала для каждой фазы водности: межени, половодья, паводков, фаз подъема, пика и спада уровня (расходов) воды, их продолжительности и интенсивности, а также характеристик многолетних колебаний водного режима.
Существуют различные подходы к решению задачи оценки расхода и стока руслового материала в руслах рек при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений и измерений.
Наряду с данными измерений батометрами различных конструкций для определения расхода и стока донных наносов широко используется объемный метод, основанный на данных занесения наносами водохранилищ и отстойников руслоперегораживающих сооружений, карьерных выемок, совмещения карт и русловых съемок различных лет и дат съемок, эхолотирования русла с перемещающимися по дну русловыми микро- и мезоформами. Вопросы, связанные с методикой определения характеристик стока донных наносов пе-
Выпуск 2
Выпуск 2
речисленными методами, освещены в работах [4; 13; 14; 17; 19-22].
Часто величина стока донных наносов определяется как некоторая доля (в процентах) от общего объема стока наносов. При этом, указанное процентное соотношение назначается произвольно [17; 19-21]. В работе [10] предложена методика количественного определения соотношения расходов донных и взвешенных наносов в реках.
Метод оценки стока влекомых наносов на неизученных реках, предложенный в работах И. И. Алексееевского [1-3] в МГУ, вызывает существенные возражения, а количественные оценки стока влекомых наносов и соотношений стока влекомых и взвешенных наносов, полученные на основе этого метода для крупных рек России, в ряде случаев представляются сомнительными [3; 18]. Возражение вызывает принятая Алексеевским схематизация руслового рельефа с выделением пяти порядков гряд А, Б, В, Г, Д со смешением ме-зоформ и микроформ (активных и пассивных форм транспорта донных наносов). Определение морфометрических и гидравлических характеристик русла и геометрических и динамических характеристик руслового рельефа в этом методе производится косвенно через порядки водотоков, которые, в свою очередь, определяются далеко не однозначно, что вносит неопределенность в расчеты. Отсутствие самой процедуры выполнения расчетов (примеров) в публикациях И. И. Алексеевского и Р. С. Чалова [1-3; 18] не позволяет оценить достоверность этого метода и точность результатов расчетов.
Наиболее взвешенные оценки реального положения, сложившегося за последние 50 лет в научной литературе, освещающей различные аспекты проблемы оценки, расчетов и прогнозов расхода и стока руслового материала в речных руслах, представлены в фундаментальных трудах К. В. Гришанина [5-8].
Так, в отличие от чрезмерно оптимистичных оценок состояния этой проблемы в работах некоторых авторитетных зарубежных исследователей, являющихся авторами методов и формул, вошедших в соответствующий Национальный стандарт США, считающих возможным рассчитывать расход и сток дон-
ных наносов в реках с точностью до 15 % [23], Гришанину принадлежит наиболее трезвый, глубоко обоснованный анализ и ценные замечания о реальном положении дел и возможных путях терпеливого продвижения вперед знаний и методов количественной оценки расхода и стока донных наносов в реках. Так, в монографии [8], изданной в 1990 г., Гришанин отмечал: «Сегодня при применении формул расхода влекомых наносов к естественным потокам приходится встречаться с ошибками, исчисляемыми десятками, а иногда и сотнями процентов. Нам остается лишь терпеливо работать над совершенствованием методов расчета. На выполнение этой программы может уйти несколько десятилетий. Но даже когда она будет выполнена, точность расчета расхода наносов останется далекой от точности обычных инженерных расчетов. Большим успехом будет возможность рассчитывать расходы наносов в реках, ошибаясь менее чем в 1,5 раза».
Отправным моментом при выполнении данного исследования послужил часто повторяющийся в работах Гришанина тезис об актуальности и целесообразности развития региональных методов и формул расчета расхода руслового материала [6; 8]. В работе [6] Гришанин пишет: «Единственный возможный в настоящее время выход из этого положения состоит в создании и применении региональных формул расхода наносов. Эти формулы должны иметь максимально простую структуру и не содержать более одного-двух эмпирических параметров. Отражая в недифференцированной форме влияние всей совокупности местных условий, эти значения будут действительны лишь в пределах того участка реки, где сделаны измерения» и там же ниже: «Применение региональных формул есть, разумеется, временная мера, обусловленная недостатком наших знаний о транспорте наносов. Она не должна внушать пессимистического отношения к возможностям теории. Накопление региональных зависимостей может дать полезный материал для обобщений». Наряду с отмеченным, вторым отправным стимулирующим моментом для выполнения данного исследования послужил тот факт, что Гришанин во всех своих публикациях
в качестве наиболее обоснованного метода для расчета расхода донных наносов при грядовой форме транспорта донных наносов (основной форме транспорта руслового материала в реках) из множества существующих предложений неизменно рекомендовал зависимости ГГИ для скорости перемещения гряд, их высоты и расхода донных наносов начиная с 1979 г. (момента появления этого метода)
[11; 15; 16].
Цель настоящего исследования состояла в разработке региональных зависимостей для расчета расхода и стока донных наносов (руслового материала, перемещающегося в грядовой форме) в гидрометрических створах нижней Кубани на основе использования стандартной информации, получаемой на гидрологической сети Росгид-
— --20.04-- -»--- 30.05
7.06-
11.06 ж 21.06
С1, ММ
Рис. 1. Гранулометрический состав донных наносов р. Кубань у г. Краснодара (в 60 м от П. Н. в. п.)
ромета: измеренных расходов воды, данных о крупности донных и взвешенных наносов, мутности и расходе взвешенных наносов.
По данным наблюдений Росгидромета, гранулометрический состав донных отложений на нижней Кубани изменяется существенно во времени и в пространстве, приспосабливаясь к внутригодовым изменениям
«тО
Рис. 2. Годовой сток воды р. Кубань у г. Краснодара, 1966 г.
Выпуск 2
Выпуск 2
гидрологических и гидравлических условий на различных участках и частях русла.
На рис. 1 в качестве примера представлены кривые гранулометрического состава проб донных отложений р. Кубань у г. Краснодара, взятых в 1966 г. в точке, отстоящей на 60 м от постоянного начала в створе гидрометрического поста за различные даты, соответствующие различным расходам воды в реке (см. рис. 2).
Как следует из рис. 1, на всех кривых можно выделить три участка с интервалом крупностей 0,05-0,20 мм; 0,20-0,50 мм и 0,50-
1,00 мм. Самая мелкая часть проб крупностью менее 0,20 мм на всех кривых составляет менее 5 %, за исключением пробы, взятой в начале половодья (20 апреля), когда она составляла 17 %. Значение диаметра 50 % обеспеченности для отдельных проб в различные даты меняется в пределах 0,32-0,40 мм, увеличиваясь по мере прохождения половодья. Доля крупных частиц (0,50-1,00 мм) в пробах донных отложений также закономерно увеличивается по мере прохождения половодья от 0 до 25 %. По данным измеренных расходов воды в гидрометрическом створе р. Кубань у Краснодара (50 измерений в 1966 г.), на рис. 3 нанесены кривые V=/(Н) максимальных и средних ско-
ростей потока в отмеченном поперечном сечении русла и неразмывающие скорости потока в этом сечении V0 = / (Н) для средних значений гранулометрического состава донных отложений d50 %, отобранных в различных частях русла в этом створе (11.06.1966 г.) в 60, 120 и 160 м от постоянного начала.
Как видно из рис. 3, значения скоростей потока при средних глубинах русла более
2,0 м, соответствующих расходам воды более 244 м3/с, всегда больше значений неразмывающих скоростей потока. Это означает, что большую часть года донные отложения в русле р. Кубань у г. Краснодара находятся в состоянии движения. Отмеченное наглядно иллюстрируется также нижними кривыми на рис. 2.
Значения неразмывающих скоростей потока для построения соответствующих кривых на рис. 3 определялись по формуле В. Н. Гончарова [16].
Основной формой транспорта песчаного материала, слагающего русло равнинных рек, как отмечалось, является грядовое движение донных наносов в виде гряд-микроформ донного рельефа. Это малоинерционные образования на дне речных потоков, формирующиеся в результате наличия в потоке крупномасштабных турбулентных вихрей длиной
V, У0, м/с
р. Кубань — г. Краснодар. 1966 г.
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
□ □
0 = О 1260 м3/с
♦ ♦ □ съ
□ ♦ □ ° о □ —" □ п ш □
»♦♦ °а °
1 ♦ ♦♦ < □ □
1 1 • 1 =^=ГТЗТГГГ
• — — —’ ; . _. 1 < 1 — Vo(dso\ = 0,34 мм) 60 м от ПН
1 1 1 1 1 2 — Уо(05о% = 0.12 мм)120 м от пн 3 — У0(<*50% ■ 0.60 мм) 160 м от ПН
• 1 1 1 -1
О и? 1с I 244 1
4 6 8
♦ V. Н (ер) □ V, Н (тах) -
10 12
.1 ----------2----------------3
Н, м
Рис. 3. Максимальные и средние скорости потока в поперечном сечении русла, по данным измеренных расходов воды и неразмывающей скорости потока
несколько глубин потока, соответствующие по размерам (длине) этим вихрям. Длина таких гряд-дюн составляет обычно 2,0-10,0 глубины потока, а их высота 0,08-0,20 глубины. Эти формы обычно соответствуют местному гидравлическому режиму (глубине, скорости) потока на данной вертикали или быстро перестраиваются и приходят в соответствие с изменяющимися гидравлическими характеристиками потока.
На основе многолетних измерений геометрических и динамических характеристик при грядовом транспорте донных наносов в руслах больших, средних и малых равнинных рек (более 20 рек), а также в лабораторных гидравлических лотках и на размываемых моделях речных русел (более 10 исследований) в ГГИ были получены обобщенные зависимости для определения высоты и скорости перемещения гряд установившегося профиля [15; 16].
По последним, уточненным данным [12] для высоты гряд можно принять НГ = 0,13Н (1).
Скорость их перемещения определяется зависимостью
СГ = 0,019^>3 (2).
На основе этих зависимостей и очевидного равенства
дт = акГ СГ (3),
где: дт — расход донных наносов, а а — коэффициент формы гряд, равный 0,6, получена зависимость для расчета расхода донных
наносов в грядовой форме (в рыхлом теле) на заданной вертикали в виде [15; 16]
^т = 0,01кГ \¥тъ, м3/с. (4)
С целью обоснования метода оценки характеристик транспорта донных наносов (расхода и годового стока) на нижней Кубани в июле 2008 г. ГГИ был выполнен комплекс натурных исследований на различных участках и в ее дельтовых рукавах Кубань и Протока, в ходе которых измерялись геометрические характеристики гряд, глубины и скорости потока над грядами и гранулометрический состав наносов, слагающих эти гряды. Это дало возможность, используя приведенные выше зависимости (1)-(4), рассчитать характеристики грядового движения и расход донных наносов в форме гряд на участках нижней Кубани, где выполнялись натурные исследования. Результаты измерений и расчетные характеристики транспорта наносов на этих участках приведены в табл. 1. Как следует из табл. 1, гряды имеют повсеместное распространение на нижней Кубани, за исключением небольшого подучастка на р. Кубани 165,0-163 км при расходе воды 648 м3/с (17.07.2008 г). критерий подвижности донных наносов по неразмывающей скорости у/у0 в период производства полевых исследований (6-19 июля) везде имел положительное значение, то есть донные наносы перемещались в форме гряд с геометрическими и динамическими характеристиками, представленными в табл. 1.
Таблица 1
Диапазоны изменения измеренных и расчетных характеристик потока и структурного (грядового) транспорта донных наносов на нижней Кубани
Характеристики потока и гряд р. Кубань, 165-163 км от устья р. Кубань, 175-174 км от устья рукав Кубань, 106-105 км от устья рукав Протока, 105-104 км от устья
Дата измерений 17.07.08 19.07.08 8.07.08 10.07.08
Расход воды Q, м3/с 648 695 204 261
Количество гряд 52 53 14 17
Длина гряды /р м 6,00-19,0 7,00-26,50 7,00-14,0 14,0-25,0
Высота гряды Нр м 0,20-0,70 0,25-1,30 0,25-0,65 0,45-2,10
Глубина потока над грядой Н, м 4,10-7,80 2,30-7,90 3,9-5,0 3,40-6,30
Относительная высота гряд кГ/Н 0,03-0,10 0,04-0,25 0,06-0,13 0,10-0,33
а
Выпуск 2
Выпуск 2
Таблица 1 (Продолжение)
Относительная длина гряд /Г/Н 1,03-2,86 1,42-5,32 1,79-2,98 2,22-7,35
Средняя скорость потока над грядой V, м/с 0,52-0,81 0,75-0,83 0,81-0,83 0,43-1,02
Критерий подвижности частиц V/V0 0,86-1,23 1,21-1,44 1,33-1,43 1,29-1,63
Число Фруда Рг = у/ 0,08-0,09 0,09-0,16 0,12-0,13 0,12-0,15
Скорость движения гряд, м/сут 0,41-1,12 1,04-,85 2,06-3,30 2,32-4,15
Относительная скорость движения гряд V/CГ 62 400-102 400 13 350-67 400 21 00-34 000 15 700-27 200
Удельный расход донных наносов в форме гряд дт = 0,6кГ СГ, м3/сут*м 0,0-0,47 0,21-1,35 0,55-0,83 0,77-4,6
Выполненные измерения и расчеты, приведенные в табл. 1, дают основание, используя многолетние данные гидрологических измерений в гидрометрических створах нижней Кубани и зависимости (1)-(4), рассчитать характеристики стока донных наносов в указанных створах (расходы и годовой сток донных наносов) и установить зависимости для расчета годового стока донных наносов от объема годового стока воды.
В табл. 2 представлены данные измеренных в течение 1966 г. расходов воды на р. Кубань у г. Краснодара и соответствующие им расчетные величины расхода донных на-
носов, которые позволяют построить зависимость расхода донных наносов от расхода воды в этом створе в 1966 г. (см. рис. 4). В этом же году наблюдались и были измерены расходы воды в широком диапазоне их значений вплоть до 1830 м3/с (наибольший расход воды в реке после максимального расхода воды летнего паводка наблюдался в 2002 г.) В 1966 г. здесь было измерено 50 расходов воды.
Зависимость полного расхода донных наносов в м3/сут (в рыхлом теле) от расхода воды по данным измерений 1966 г. аппроксимируется формулой (рис. 4)
Qт = 0,0000002Q3 - 0,0002Q2 + 0,53Q - 39,0. (5)
От, м /сут
0/1966 А 6.04 Ж 18.06 0 29.06 <>11.08
О, М /С
Рис. 4. Зависимость полного расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у г. Краснодара, 1966 г.
Измеренные расходы воды и расчетные значения расхода донных наносов р. Кубань у г. Краснодара, 1966 г.
Дата измерения Уровень ВОДЫ (см) над 0 поста Расход воды (м3/с) Средняя скорость течения V (м/с) Средняя глубина Н (м) Ширина реки В (м) Fr- Г Высота гряды /?Г = 0,13Я (м) Удельный расход донных наносов <7т-0,11 УИтРг3 (м3/с м) Полный расход донных наносов
4гн
qTB (м3/с) qTB (м3/сут)
6.04 108 175 0,64 2,58 106 0,13 0,335 0,000005 0,00052 45
4.05 345 723 1,11 4,19 156 0,17 0,545 0,000035 0,00539 466
10.05 263 490 0,95 3,95 131 0,15 0,514 0,000019 0,00250 216
27.05 369 812 1,16 4,38 160 0,18 0,569 0,000040 0,00645 557
29.05 394 844 1,11 4,68 162 0,16 0,608 0,000033 0,00530 458
30.05 356 735 1,07 4,34 158 0,16 0,564 0,000029 0,00463 400
7.06 334 659 0,98 4,3 156 0,15 0,559 0,000021 0,00323 279
10.06 432 968 1,16 5 166 0,17 0,65 0,000038 0,00627 541
11.06 441 1020 1,18 5,20 166 0,17 0,676 0,000040 0,00658 568
15.06 518 1260 1,26 5,8 171 0,17 0,754 0,000049 0,00834 721
17.06 589 1650 1,41 6,2 189 0,18 0,806 0,000074 0,01398 1208
18.06 615 1830 1,45 6,50 193 0,18 0,845 0,000081 0,01560 1348
21.06 444 964 1,05 5,6 164 0,14 0,728 0,000024 0,00393 339
29.06 318 585 0,81 4,7 153 0,12 0,612 0,000009 0,00141 122
7.07 424 900 0,98 5,6 164 0,13 0,728 0,000018 0,00298 257
9.07 452 997 1,04 5,8 166 0,14 0,754 0,000023 0,00376 325
12.07 367 746 0,93 5,00 160 0,13 0,65 0,000016 0,00249 216
20.07 462 1090 1,12 5,80 167 0,15 0,754 0,000030 0,00509 439
24.07 337 704 0,92 4,87 157 0,13 0,633 0,000015 0,00238 205
28.07 310 594 0,83 4,67 154 0,12 0,607 0,000010 0,00158 136
6.08 469 1110 1,13 5,90 167 0,15 0,767 0,000031 0,00523 451
11.08 303 617 0,85 4,73 153 0,12 0,615 0,000011 0,00171 148
30.08 261 422 0,64 4,72 140 0,09 0,614 0,000004 0,00050 44
31.08 240 409 0,63 4,16 158 0,10 0,541 0,000004 0,00057 49
й
к<х а>
Выпуск 2
При получении этой зависимости, как следует из табл. 2, для расчетов расходов донных наносов использовались осредненные значения глубин и скоростей потока по поперечному сечению русла.
Для доказательства правомерности такой процедуры на кривой (см. рис. 4) нанесены точки, отображающие результаты подробного расчета расхода донных наносов в поперечном сечении р. Кубань (по расходным книжкам) в 8 отсеках соответствующих поперечных сече-
Отметки дна, м БС
ний за различные даты и их суммирования по поперечному сечению. Совмещение поперечных профилей русла, соответствующих датам измерений 06.04; 18.06 и 11.08.1966 г. представлены на рис. 5.
Полученная зависимость полного расхода донных наносов от расхода воды (5) позволяет рассчитать ежедневные значения полного расхода донных наносов (рис. 6) и величину годового стока донных наносов (табл. 3).
---------------11.08
Расстояния, м
Рис. 5. Совмещенные поперечные профили русла р. Кубань у г. Краснодара (1966)
Рис. 6. Годовой сток воды и сток донных наносов р. Кубань у г. Краснодара
На рис. 7 представлены зависимости аналогичным образом за 1956, 1965, 1968 гг.,
полного расхода донных наносов от расхода по которым имелись данные измеренных рас-
воды р. Кубань у г. Краснодара, полученные ходов воды.
1600
1400 -1200
1000
£
^ 800 2
с*
600
400
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
О, м3/с
Рис. 7. Зависимость полного расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у г. Краснодара
Эти зависимости имеют вид: для 1956 г. —
бт = О,ОООО502 + 0,300 + 36; (6)
для 1965 г. —
0г=О,ОООЗе2+О,22е-4; (7)
для 1968 г. —
От; = О,ООО202 + 0,330 - 44. (8)
Рассчитанные на основе описанного выше метода значения годового стока донных наносов (в м3/год) за разные годы для гидрометрического створа р. Кубань у г. Краснодара представлены в табл. 3.
6Т1966 = 0,0000002 О3 - 0.000202 + 0,530 - 39
\ / \/ /
/ У /
вТ19б5 = О.ОООЗО2 + 0,220 - 4
\ у' У* г
У У У У* у'
впзбв = 0.000202 + 0,330 - 44
\ ' У У *
СТ1956 = 0,00005( э2 + о,зо- 1-36
72=^
Выпуск 2
Таблица 3
Характеристики стока воды и донных наносов в поперечных сечениях гидрометрических постов нижней Кубани
см
X
у
m
№ п/п Г идрометрический створ Годы измерений Характеристики стока воды Объем стока донных наносов GT, м3/год Объем стока донных наносов Gt, млн т/год Объем стока взвешенных наносов R, млн т/год % GT R.j
Средне- годовой расход воды, м3/с Среднемаксимальный и максимальный расходы воды, м3/с Годовой объем стока воды, км3/год
1 г. Краснодар 1912- 1973 405 1283 (2040/1932 г) 12,8 54 707 0.098
2 1956 469 13 700 14,8 68 875 0,123 9,74 1,3
3 1957 333 1060 10,5 48 029 0,086 6,02 1,4
4 1958 455 1220 14,3 65 928 0,118 8,83 1,3
5 1965 396 1350 12,5 57 440 0,103 9,46 1,1
6 1966 392 1840 12,4 58 642 0,105 8,2 1,3
7 1967 420 1060 13,2 63 793 0,114 11,67 1,0
8 1968 477 1130 15,1 63 521 0,114 9,15 1,2
9 1969 217 1080 6,8 16 479 0,030 3,78 0,8
10 1970 348 1090 11 27 018 0,049 5,68 0,8
11 1971 314 751 9,9 31 102 0,056 4,42 1,3
12 * О И о Н X 1930- 2005 374 1026 (1480/1966 г) 12,0 62 643 0,113
13 1956 487 1430 15,4 79 643 0,143 8,8 1,6
14 1965 358 1240 11,3 61 379 0,110 6,62 1,7
15 1966 352 1480 11,1 58 290 0,105 6,31 1,7
16 1968 447 1110 14,3 76 513 0,138 6,31 2,2
17 1970 335 1050 10,5 49 792 0,090 5,05 1,8
18 х. Зайцево колено 1957- 2005 180 417 (609/1959 г.)
19 1965 188 596 5,9 7808 0,014 2,81 0,5
20 1966 178 457 5,6 6186 0,011 2,52 0,4
21 1968 210 428 6,6 6133 0,011 2,3 0,5
22 1970 172 4,45 5,4 6856 0,012 1,61 0,7
23 1992 220 411 6,96 13 057 0,023 0,38 6,0
24 2002 274 883 8,6 33 282 0,060
25 ю & 1 а н 1 « о § л и 1945- 2005 178 488 (715/2004 г.)
26 1956 208 607 6,6 18 278 0,032 3,88 0,8
27 1959 145 629 4,6 10 895 0,020 2,37 0,8
28 1963 221 541 6,9 14 550 0,026 4,42 0,6
29 1966 160 676 5,1 15 137 0,027 3,12 0,9
30 1968 205 564 6,5 18 808 0,034 2,4 1,4
31 1969 81 444 2,55 5140 0,009 1,2 0,8
32 1992 261 525 8,2 17 521 0,031 3,06 1,0
33 1997 327 548 10,3 20 300 0,036
Измеренные расходы воды и расчет расхода донных наносов р. Кубань у х. Тиховского (1966)
Дата измерения Уровень воды (см) над 0 поста Расход воды (м3/с) Средняя скорость течения V (м/с) Средняя глубина Н (м) Ширина реки В (м) Fr- V Высота гряды /?Г = 0,13Я (м) Удельный расход донных наносов <7Т = 0,11 VhTFг3 (м3/с м) Полный расход донных наносов Дата измерения
JgH
qTB (м3/с) qTB (м3/сут)
11.04 90 163 0,51 3,5 92 0,09 0,46 0,0000017 0,000155 13
15.04 126 220 0,67 3,45 95,5 0,12 0,45 0,0000051 0,000483 42
21.04 220 437 0,91 2,8 171 0,17 0,36 0,0000191 0,003266 282
04.05 226 477 0,99 2,77 173 0,19 0,36 0,0000269 0,004654 402
24.05 174 349 0,88 2,36 168 0,18 0,31 0,0000182 0,003057 264
28.05 304 693 1,11 3,54 176 0,19 0,46 0,0000376 0,006619 572
30.05 314 723 1,12 3,65 176 0,19 0,47 0,0000384 0,006757 584
03.06 228 514 1,0 2,97 173 0,19 0,39 0,0000270 0,004679 404
13.06 398 920 1,17 4,36 180 0,18 0,57 0,0000418 0,00753 651
15.06 424 1000 1,14 4,83 181 0,17 0,63 0,0000358 0,006484 560
18.06 493 1343 1,3 4,8 215 0,19 0,62 0,0000608 0,013064 1129
21.06 476 1267 1,26 4,86 207 0,18 0,63 0,0000533 0,011031 953
23.06 380 884 1,08 4,6 178 0,16 0,60 0,0000296 0,005263 455
25.06 330 717 0,98 4,14 176 0,15 0,54 0,0000211 0,003719 321
30.06 270 586 0,92 3,66 174 0,15 0,48 0,0000175 0,003037 262
06.07 332 753 1,01 4,17 178 0,16 0,54 0,0000238 0,004228 365
09.07 364 862 1,08 4,46 179 0,16 0,58 0,0000300 0,005375 464
13.07 298 655 0,96 3,89 176 0,16 0,51 0,0000201 0,003533 305
20.07 378 911 1,12 4,54 179 0,17 0,59 0,0000344 0,006162 532
23.07 308 694 0,97 4,05 176 0,15 0,53 0,0000205 0,003609 312
06.08 350 871 1,12 4,37 178 0,17 0,57 0,0000351 0,006245 540
08.08 378 948 1,17 4,54 179 0,18 0,59 0,0000410 0,007338 634
11.08 240 469 0,81 3,34 174 0,14 0,43 0,0000110 0,00191 165
18.08 344 741 0,97 4,3 178 0,15 0,56 0,0000199 0,003542 306
22.08 266 535 0,84 3,65 175 0,14 0,47 0,0000121 0,002126 184
13.09 178 290 0,59 2,9 170 0,11 0,38 0,0000033 0,000564 49
й
к<х о>
Выпуск 2
На рис. 8 изображена зависимость годового стока донных наносов от объема годового стока воды р. Кубань у г. Краснодара. Она имеет вид
= 7023Жв - 34 994. (9)
Аналогично описанному выше были выполнены расчеты для участков русла р. Кубань у х. Тиховского, дельтового рукава у х. Зайцево, колена и дельтового рукава Прото-
ка у г. Славянск на Кубани (см. табл. 3).
В табл. 4 приведены значения измеренных расходов воды и результаты расчета расхода донных наносов р. Кубань у х. Тиховского за 1966 г. Всего за этот год было измерено 55 расходов воды. Зависимость полного расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у х. Тиховского за 1966 г. приведена на рис. 9.
о 1966г. □ 11.04 0 18.06 + 21.06 ж 11-08 Д 27.10 0 29.11
Рис. 9. Зависимость расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у х. Тиховского
Она имеет вид 6т = 0,0002<22 + 0,486 - 47. (10)
Эта кривая также получена в результате использования определенных по поперечному сечению данных по глубине и скорости потока. Как следует из рис. 9, процедура осреднения и здесь оправданна, так как результаты подробных расчетов за различные даты (11.04; 18.06; 21.06; 11.06; 27.10; 29.11) по расходным книжкам также соответствуют кривой, изображенной на рис. 9.
На рис. 10 представлены зависимости полного расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у х. Тиховского за разные годы в с равнении с кривой 1966 г.
Полученные зависимости имеют вид: для 1956 г. —
6т = 0,000362 + 0,466 - 104; для 1965 г. —
6т = 0,0008<22 + 0,046 - 4; для 1968 г. —
(11)
6т = 0,000462 + 0,356 - 52; (13)
для 1970 г. —
6т = 0,000462 + 0,416 - 57. (14)
Зависимость годового стока наносов от объема годового стока воды р. Кубань у х. Ти-ховского имеет вид
Ждт = 2082Ж61’37. (15)
Для дельтового рукава р. Кубань — Протока у г. Славянск на Кубани был проведен аналогичный анализ для ряда лет с имеющимися данными по измеренным расходам воды.
На рис. 11 представлена зависимость расхода донных наносов от расхода воды за 1966 г., когда было измерено 55 расходов воды.
Она имеет вид
6т = 0,000262 + 0,266 - 9. (16)
Зависимость годового стока донных на-
носов от стока воды имеет вид
Ж = 3180Ж0,83
6т 6
Рис. 10. Зависимость полного расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань у х. Тиховского, 1966 г.
От, м3/сут
300
250
200
150
100
50
0
♦
От = 0,0002 О 2+ 0,260-9 ♦ у/♦ ♦/
♦ ♦ /
♦ V
п, ф ♦ ♦
♦ И ♦
100 200 300 400 500 600
700
О, м /с
Рис. 11. Зависимость расхода донных наносов от расхода воды р. Кубань, рук. Протока, г. Славянск-на-Кубани, 1966 г.
Аналогичные зависимости для 1966 г. (35 измеренных расходов воды) и ряда других лет были построены для дельтового рукава Кубань в гидрометрическом створе Зайцево Колено.
Однако для этого створа зависимость годового стока донных наносов от объема го-
дового стока воды получить не удалось, что, по-видимому, является следствием того, что здесь преобладают характерные для дельты аккумулятивные процессы.
В табл. 3 представлены также данные о соотношении среднегодового стока донных и взвешенных наносов на нижней Куба-
Выпуск 2
Выпуск 2
ни (г. Краснодар, х. Тиховский) и в дельтовых рукавах Кубань (х. Зайцево Колено) и Протока (г. Славянск-на-Кубани), полученные на основе данных измерений и выполненных выше расчетов. Как следует из последней графы табл. 3, во всех случаях годовой сток донных наносов составляет малую долю от годового стока взвешенных наносов.
Анализируя полученные результаты, необходимо отметить следующее.
1. Рассмотренные примеры оценки характеристик стока донных наносов относятся к случаю русла, сложенного из песка, находящегося в состоянии движения в течение всего года во всем диапазоне изменения расходов и уровней воды в реке.
2. В описанном выше методе принято допущение о постоянном соответствии геометрических и динамических характеристик гряд и соответственно расхода донных наносов состоянию динамического равновесия, что равносильно допущению о мгновенной перестройке гряд с изменением гидравлических характеристик потока. Метод учета инерционности при перестройке микроформ-гряд был предложен ранее в работе [9] с помощью параметра иин = у , где
/тф
Т = %г=%019Г-^ — период движения гряд, а тф — продолжительность фазы
водности, для которой оценивался инерционный эффект. На отмеченном допущении основана и принятая в предложенном методе расчета процедура интерполяции при использовании кривых, изображенных на рис.
4, 7, 9, 12, 14.
Есть основание полагать, что в промежутки времени перестройки гряд установившегося профиля с изменением гидравлических характеристик (глубины и скорости потока) зависимость расхода донных наносов от этих характеристик подчиняется той же закономерности, что и в условиях движения гряд установившегося профиля. На правомерность такого допущения указывает пригодность многих формул для
расхода донных наносов, полученных без учета грядового движения наносов и для случая их грядового движения [11]. Можно считать, что при получении формул расхода донных наносов на основе учета геометрических и динамических характеристик гряд установившегося профиля подход, связывающий расход донных наносов с параметрами гряд, используется лишь как методический прием, дающий возможность точнее обнаружить связь между гидравлическими характеристиками потока и расходом донных наносов как объема руслового материала, перемещающегося при установившемся (не меняющемся) профиле гряд со строго фиксируемой высотой и скоростью их перемещения. Этот вопрос требует дальнейшей проработки и вполне может быть прояснен с помощью специально поставленных лабораторных экспериментов.
3. Предложенный метод оценки характеристик стока донных наносов в дальнейшем может быть распространен и на более сложные случаи, когда донные наносы в реке движутся не в течение всего года, а только в отдельные фазы водного режима (горно-предгорные реки).
4. Отмечая приближенный характер предложенного метода и результатов расчета, основным выводом по выполненному исследованию следует считать демонстрацию принципиальной возможности оценки характеристик стока донных наносов в реках, ограничиваясь данными лишь стандартных наблюдений на гидрологической сети Росгидромета.
5. При отсутствии данных стационар -ных наблюдений годовой сток руслового материала по предложенной методике может быть рассчитан на основе эпизодических измерений гранулометрического состава донных отложений и расходов воды и наносов в исследуемом створе реки в различные фазы водного режима (10-20 измерений в году). Для установления зависимости годового стока донных наносов от объема годового стока воды ЖдТ = / (Жд ) необходимо выполнение таких эпизодических измерений в течение трех и более лет.
Список литературы
1. Алексеевский Н. И., Гайкович А. Б. К расчету стока влекомых наносов на неизученных реках в период межени // Метеорология и гидрология. — 1978. — № 8. — С. 96-102.
2. Алексеевский Н. И, Борсук О. А., Лодина Р. В. Изменение механического состава и форм перемещения влекомых наносов в различных звеньях русловой сети // Тр. V Всесоюз. гидрологического съезда. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — Т. 10. — С. 161-167.
3. Алексеевский Н. И. Формирование и движение речных наносов. — М.: Изд-во МГУ, 1988. — 202 с.
4. Боголюбова И. В. Результаты полевых исследований и расчет стока влекомых наносов р. Мзымты // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1968. — Вып. 156. — С. 39-63.
5. Гришанин К. В. Теория руслового процесса. — М.: Транспорт, 1972. — 214 с.
6. Гришанин К. В. Устойчивость русел рек и каналов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. —143 с.
7. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 341 с.
8. Гришанин К. В. Основы динамики русловых потоков. — М.: Транспорт, 1990. — 320 с.
9. Копалиани З. Д. Расчеты характеристик руслового рельефа и обратимых русловых деформаций на реках трассы БАМ // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — Вып. 275. — С. 91-104.
10. Копалиани З. Д. О соотношении расходов донных и взвешенных наносов в реках. Гидрофизические процессы в реках и водохранилищах. — М.: Наука, 1985. — С. 143-147.
11. Копалиани З. Д., Костюченко А. А. Расчеты расхода донных наносов в реках: сб. работ по гидрологии. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. — № 27. — С. 25-40.
12. Костюченко А. А., Копалиани З. Д. Особенности руслового процесса и стока донных наносов малых рек // Докл. VI Всерос. гидрологического съезда. — М.: Метеоагенство Росгидромета, 2006. — С. 44-49.
13. Методические рекомендации по измерению и расчету стока влекомых наносов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 39 с.
14. Романовский В. В., Капитонов Н. М. Методика и погрешности измерения расхода влекомых наносов по параметрам гряд // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат. — Вып. 283. — С. 93-108.
15. Снищенко Б. Ф., Копалиани З. Д. О скорости движения гряд в реках и лабораторных условиях // Тр. ГГИ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — Вып. 252. — С. 20-37.
16. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов) ВСН 163-83. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 142 с.
17. Хмаладзе Г. Н. Вынос наносов реками черноморского побережья Кавказа. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978. — 168 с.
18. Чалов Р. С. Русловедение. Теория, география, практика. — М.: Изд-во МГУ, 2007. — Т. 1. — 607 с.
19. Шамов Г. И. Заиление водохранилищ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1939. — 139 с.
20. Шамов Г. И. Речные наносы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1959. — 378 с.
21. Manual on Sediment Management and Measurement // WMO Operational Hydrology Report. — Geneva, 2003. — № 47. (WMO № 948). — 158 p.
22. Measurement of river sediments // Operational Hydrology. — Geneva, 1981. — № 16 (WMO № 561).
23. Yang C. T. Sediment Transport. Theory and Pranke. — The Mc Craw Hill Companies, 1пс.,
1996. — № 9. — 395 p.
Выпуск 2
