CC BY
51
II университета
'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации
УДК 556.537 В. И. Антроповский,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК
КРИТЕРИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФОНОВЫЕ ПРОГНОЗЫ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ РУСЕЛ РЕК
CRITERIA AND BACKGROUND FORECASTS OF THE RIVER CHANNEL REFORMATIONS
В статье приводится анализ возможности использования критериальных и гидроморфологических зависимостей, учитывающих тип речных русел и представленных в виде некоторых констант и критериев динамического подобия.
The analysis of the using possibility of criterial and hydromorphological relationships taking into account of the river channel type and presented as some constants and criteria of the dynamic similarity is presented in the paper.
Ключевые слова: переформирование русел, прогноз, руслообразующие факторы, речные русла, типизация, меандрирование.
Key words: beds reformation, forecast, bed-formation factors, river channels, typification, meandering.
CM ж и
ИНФОРМАЦИИ о переформированиях русел и пойм рек нуждаются практически все отрасли хозяйства страны, так или иначе связанные с использованием рек и водных ресурсов.
Естественные реки, как правило, находятся в состоянии, близком к состоянию динамического равновесия. Деформации при этом являются обратимыми, то есть определяются транзитом наносов. И прогнозы русловых переформирований могут составляться по ранее наблюдавшимся тенденциям в условиях сложившегося многолетнего режима жидкого и твердого стока. В естественных условиях изменения крупных русловых форм протекают медленно и проявляются в морфологии речных долин. Под влиянием хозяйственной деятельности интенсивность этих процессов может резко возрасти.
Нарушение состояния динамического равновесия возможно в случае изменений факторов руслообразования: водного режима, стока наносов, ограничивающих условий (выходы неразмываемых пород, изменение базиса эрозии, искусственные сооружения). Вследствие этого возникает необратимый процесс, состоящий в качественной перестройке реки. Происходит преобразование морфологического строения русла и поймы, возвращающее
реку в состояние динамического равновесия, что является проявлением ее саморегулирования. Количественные и качественные изменения в русловом процессе, вызванные нарушением естественного водного режима, могут распространяться на большие расстояния.
Так, в связи с регулированием стока, охватывающего нередко целые речные системы, возникает необходимость в оценке деформаций на участках длиной в десятки и сотни километров. В этих условиях прогноз может быть лишь фоновым, то есть характеризующим общие тенденции и определяющим только осредненные характеристики русловых процессов на большие сроки вперед.
Гидролого-морфологический подход, разработанный в ГГИ [5], позволяет при прогнозировании наряду с законами гидравлики учитывать и закономерности природной среды, в которой эти законы действуют. При этом подходе ставится и решается морфологическая задача — определение формы русла, типа руслового процесса, основных морфо-метрических и гидроморфологических характеристик в зависимости от существующего жидкого и твердого стока. Учет геоморфологической обстановки и режимных факторов, управляющих процессами, позволяет составлять долгосрочные прогнозы русловых пере-
формирований на больших по протяжению морфологически однородных участках рек. Гидродинамическое воздействие потока на размыв русел рек рассматривается при этом как внутреннее звено в причинно-следственных связях. Гидродинамические силы сами определяются условиями водного режима и действуют в среде, подчиненной законам геоморфологии. В этом заключается преимущество используемого подхода.
Составление фоновых прогнозов русловых переформирований при изменении одного или нескольких основных руслообразующих факторов (сток воды, наносов и ограничивающие условия) производится сравнительно недавно [1; 3; 5]. К настоящему времени известны примеры оценок изменения характера русловых деформаций, их интенсивности и параметров речных русел и потока для случаев регулирования, перераспределения и изменения стока под влиянием гидротехнических сооружений и крупных водохозяйственных мероприятий (как при увеличении, так и при уменьшении водности рек), а также в случае изменения положения базиса эрозии (уклона) реки [1; 3; 5]. Этот подход является перспективным и для решения задач, связанных с изменением стока рек вследствие возможного потепления климата. При этом в качестве основного инструмента используются критериальные и гидроморфологические зависимости, учитывающие тип речных русел.
Выявлению и получению критериальных характеристик (зависимостей), необходимых для составления прогнозов, способствовало появление типизаций речных русел [5; 7; 8]. Основа современных типизаций заложена в работах К. И. Россинского и И. А. Кузьмина, которые выделили прямолинейные (слабоизогнутые), извилистые и разбросанные русла и установили главные черты их деформаций: периодическое расширение в первых, развитие излучин-меандр во вторых и блуждание в третьих.
В нашей стране наиболее разработанными и получившими распространение являются типизация русловых процессов ГГИ (предложенная Н. Е. Кондратьевым и И. В. Поповым) и типизация МГУ (авторы Н. И. Маккавеев и Р. С. Чалов), типизация разработанная
университета водных коммуникаций
в Российском университете дружбы народов Н. А. Ржаницыным и др. Типизация ГГИ в последующем была расширена И. Ф. Карасевым, который к семи типам динамического равновесия русел (выделенных Кондратьевым и Поповым) добавил два типа русел из классификации А. В. Караушева: русла с глубинной эрозией и русла с необратимой аккумуляцией.
За рубежом известны типизации Л. Б. Леопольда и М. Г. Вольмана, С. Читале, Д. Сай-монса, П. Бондуранта. Типизация русловых процессов по Бондуранту, официально принятая в США Проблемным комитетом по наносам при секции гидравлики Американского общества гражданских инженеров, мало отличается от типизации русловых процессов ГГИ.
Первый критериальный график построили американские исследователи Л. Б. Леопольд и М. Г. Вольман. Они установили, что меандрирующие реки переходят в прямолинейные и разветвленные русла при определенном сочетании уклонов и средних из максимальных годовых расходов воды. Близкая зависимость с учетом рек Чехословакии получена Я. Балеком и В. Коларжом, а для рек Германии — И. Целлером.
И. И. Якунин первым из отечественных ученых обратил внимание и оценил по достоинству график Леопольда и Вольмана. Он же ратовал за разработку подобного графика для рек СССР с использованием типизации русел ГГИ и за применение такого рода зависимостей при составлении прогнозов русловых переформирований рек с зарегулированным стоком [9]. Критериальный график для участков рек СССР с различными типами русловых процессов построен В. В. Ромашиным [6].
В последующем в результате рассмотрения многочисленных связей морфометри-ческих и гидравлических характеристик с определяющими факторами были установлены закономерности разграничения типов русловых процессов [1-3; 5; 8]. Сделан вывод о том, 1 что на графиках, соответствующих исходной информации, точки довольно четко группиру-^16® ются по типам русловых процессов, если хотя бы по одной из осей откладывать уклон или выражение, содержащее его. Графики строились на двуосной логарифмической клетчатке, поскольку разделяющие линии представляют
университета водных коммуникаций
см ж и
собой степенные зависимости. Выражая разделяющие линии аналитически (с помощью одного из вариантов метода наименьших квадратов), получаем систему зависимостей, определяющих переход свободного меандри-рования в незавершенное и незавершенного в русловую и пойменную многорукавность [3].
Критериальные зависимости типов речных русел, представленные в графическом виде, по своей сущности напоминают известные в физике диаграммы фазовых превращений (кривые фазовых переходов) веществ в природе. Примером может служить известная диаграмма фазовых превращений воды (в виде жидкости, пара и льда), где определяющими факторами являются давление и температура. Таким образом, критериальные значения сочетаний основных руслоформи-рующих факторов представляют собой динамические комплексы, определяющие фазовое состояние русловых процессов.
В качестве примера можно отметить наличие критериальных значений некоторых энергетических характеристик, являющихся следствием ранее установленных критериальных значений средней скорости потока (соответствующих средним паводочным расходам воды): V ~ 1,20—1,30 м/с при переходе свободного меандрирования в незавершенное и vср ~ 2,00-2,10 м/с при переходе незавершенного меандрирования в многорукавное русло [3].
Так динамическая скорость потока
V *= д/^р/, отличающаяся от средней скоро-
й _уср _ (1Д5)2 _ п ппя ным меандрированием 'V _ ^ - ^ ~и,иио
м примерно в 2,5 раза меньше скоростного
напора на границе незавершенного меандри-рования с русловой и пойменной многорукав-
ностью Т\ =
(2,05)
! 0,214 м.
Получены критериальные зависимости вида: 1 /4в = А1о , обоснование которых содержится в работе К. В. Гришанина [4]. В случае постоянного или слабоменяюще-гося уклона коэффициент Шези здесь растет пропорционально корню квадратному из скоростей. Значение же уклона меняется от одного участка к другому обратно пропорционально корню квадратному из ширины русла:
■Л
В данной работе уклон водной поверхности I заменен более устойчивой характеристикой — уклоном дна долины I При этом резко увеличивается число гидростворов, по которым оказалось возможно использовать данные при получении критериальных зависимостей. Интересно, что одно и то же значение ширины В наблюдается при уклонах долины I примерно в 3,5 раза больших на границе многорукавных и незавершенно меандрирующих русел по сравнению с уклонами на границе свободного и незавершенного меандрирования.
Получены критериальные зависимости вида: Н = А(В1 )ь. Эти зависимости являются
сти делителем ^, может быть представлена более надежными по сравнению с полученны-
для указанных переходов выражениями
и
2,0-2,1
Удельная кинетическая энергия потока
Е _ а<2 _«УСР
2g(o 2ё
2
, а еще лучше выражение
17 уср
кин = — , являющееся скоростным напором
Н также имеют критериальные значения.
При этом получается, что скоростной напор на границе русел со свободным и незавершен-
ми ранее [3]: Нср = А10ь. Этого и следовало ожидать, исходя из выражения для касательной силы, приведенной к единицы длины реки Т = уВН I, имеющей постоянные значения на границах перехода русловых процессов из одного типа в другой [3]. Оказалось, что при одном и том же значении произведения (В!0 ) средние глубины при переходе незавершенного меандрирования в русловую и пойменную многорукавность в два раза больше, чем имеют место при переходе свободного меандри-рования в незавершенное.
Показано [2], что критериальные характеристики руслового процесса: средняя ско-
рость течения, касательная сила, приведенная к единице длины потока, и удельная мощность потока, могут быть представлены в виде про-
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
изведения некоторых констант и критериев динамического подобия. Область применения критериальных характеристик расширяется.
Список литературы
1. Антроповский В. И., Минаева Г. Н. Фоновый прогноз переформирования перекатов на р. Вилюе в условиях зарегулированного стока // Тр. ГГИ. — 1974. — Вып. 216. — С. 52-64.
2. Антроповский В. И. Связь характеристик руслового процесса с критериями динамического подобия // Динамика русловых потоков: межвуз. сб. науч. тр. — Л.: Изд-во ЛПИ (ЛГМИ), 1987. — С. 96-102.
3. Антроповский В. И. Гидролого-морфологические закономерности и фоновые прогнозы переформирования русел рек. — СПб., 2006. — 216 с.
4. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 311 с.
5. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 272 с.
6. Ромашин В. В. Типы руслового процесса в связи с определяющими факторами // Тр. ГГИ. — 1968. — Вып. 155. — С. 56-63.
7. Россинский К. И., Кузьмин И. А. Речное русло // Гидрологические основы речной гидротехники. — М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950. — С. 52-97.
8. Чалов Р. С. Морфодинамика русел равнинных рек / Р. С. Чалов [и др.]. — М.: ГЕОС, 1998. — 228 с.
9. Якунин И. И. Применение гидроморфологических зависимостей к оценке переформирований русла р. Иртыша под влиянием регулирования стока // Тр. ГГИ. — 1961. — Вып. 88. — С. 4-58.
10. LeopoldL. B., Wolman M. G. River-channel patterns: braided, meandering and straight // U. S. Geolog. Surv. Prof. Paper. — № 282-B.
УДК 556.537: 551.435.11 А. Ю. Сидорчук,
д-р географ. наук, ст. науч. сотр., Московский государственный университет
им. М. В. Ломоносова
МЕТОД МАЛЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ТЕОРИИ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА METHOD OF SMALL PERTURBATIONS IN THE CHANNEL PROCESS THEORY
Методом малых возмущений проведен анализ начальной неустойчивости потока и размываемого дна на основе уравнений плановой гидравлики, записанных в криволинейной ортогональной системе координат с учетом эффектов динамического давления и поперечной циркуляции. Получены области неустойчивости донных волн пяти основных типов и теоретические зависимости размеров этих волн от гидравлических характеристик потока. Сравнение теории с эмпирическими данными по иерархическому комплексу русловых форм в реках и больших лотках показало возможность использования метода малых возмущений для создания теоретической классификации руслового рельефа.
