CC BY
38
УДК 532.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А. С. Кочкарева, Н.Р. Ахмедова
DETERMINATION OF ROUGHNESS COEFFICIENTS WHEN PERFORMING
HYDROLOGICAL RESEARCH
A.S. Kochkareva, N.R. Akhmedova
Аннотация. Основной гидрологической характеристикой, определяемой при выполнении инженерных изысканий, является расход. Один из важнейших показателей, влияющих на величину расхода - коэффициент шероховатости, который характеризует сопротивление русла потоку. В соответствии с нормативными документами, действующими на территории Российской Федерации, значение шероховатости принимается по визуальной характеристике русла, что носит субъективный характер и может привести к значительным ошибкам в расчетах.В данной работе представлены результаты анализа способов расчета коэффициента шероховатости на примере реки Лесной (г. Калининград).
Ключевые слова: шероховатость; коэффициент Шези; сопротивление речного
русла.
Abstract. The main hydrological characteristic, determined when performing engineering surveys, is discharge. One of the most important indicators affecting the flow rate is the roughness coefficient, which corresponds to the resistance of the channel to the flow. In accordance with the regulatory documents in force on the territory of the Russian Federation, the roughness value is taken according to the visual characteristics of the channel, which is subjective and can lead to significant errors in calculations. This paper presents the results of the analysis of methods for calculating the roughness on the example of the Lesnaya River (Kaliningrad).
Keywords: roughness; Shezy coefficient; riverbed resistance.
Введение
Целью исследования являлось определение коэффициента шероховатости расчётным методом и сравнение с нормативными значениями коэффициента шероховатости.
В гидравлических расчетах рек наиболее часто используют формулы, в которых основным параметром является коэффициент шероховатости русел -интегральная характеристика гидравлических сопротивлений речных русел. Он учитывается в формулах для определения коэффициента Шези.
Например, формула Н. Н. Павловского, которую применяют при гидравлическом радиусе 0,1 м<R< 5 м и шероховатости 0,011 <п<0,04 [1]:
RУ
С = -, (1)
п
где показатель степени у определяется по формуле:
у = 2,5^-0,13 - 0,75^(Тп-0,1), (2)
где п - коэффициент шероховатости.
Формула Р. Маннига является упрощенной формулой Н. Н. Павловского и широко используется при расчёте каналов, водотоков:
http://vestnik-nauki.ru
С =
Rl/6
(3)
Полуэмпирическая формула логарифмического типа И. И. Агроскина:
С = - + 17,72 •IgR,
(4)
Определение шероховатости русла, как правило, заключается в сопоставлении описательной характеристики русла и пойма, определенной по итогам натурных исследований и данных, приведенных в специально разработанных таблицах для определения шероховатости.
В настоящее время используются несколько таблиц, в частности, таблицы М.Ф. Срибного и И.Ф. Карасева, Дж. Бредли и В.Т. Чоу. В нормативном документе [2], коэффициент шероховатости п, рекомендуют принимать по таблице Б.12, где приводится описание русла и поймы (по И.Ф. Карасеву) [3].
Зачастую описательные характеристики русел и пойм в этих таблицах не совпадают, поэтому существует необходимость в выявлении закономерностей и приближенная оценка коэффициента шероховатости.
Определение коэффициента
шероховатости является актуальным вопросом, так как от данного показателя зависит одна из основных расчетных гидрологических
характеристик - расход воды в водотоке, необходимая для обоснования проектных решений при выполнении инженерных изысканий [4-7].
В работах [5-7] по данным наблюдений на гидрологических постах выполнены расчет эмпирических коэффициентов шероховатости для участков рек и оценка точности расчетов по различным формулам. Полученные в этих работах данные указывают на необходимость совершенствования методики определения коэффициента шероховатости.
Выполним более детальный анализ этого коэффициента, который, как уже указывалось, является интегральной характеристикой гидравлических сопротивлений речных русел.
Рисунок 1 - Бассейн реки Лесной
п
Исходные данные
Коэффициент шероховатости определялся для реки Лесной - малого водотока, расположенного в Калининградской области. В ходе рекогносцировочного обследования р. Лесной было определено четыре створа (рис. 1), которые имели различную характеристику русла по [1], М.Ф. Срибному, Дж. Бредли, В.Т. Чоу (табл.1).
http://vestnik-nauki.ru -„„_„
ISSN 2413-9858
Таблица 1 - Характеристика русла
Характеристика русла
№ створе в ходе натурных по [2] по М. Ф. Срибному [3] Дж. Бредли [3] В. Т. Чоу [3]
исследований
1 Русло реки Речные русла, Реки и поймы, Малые Малые водотоки,
значительно значительно весьма значительно потоки очень заросшие
заросшее заросшие, с заросшие (со довольно с глубокими
промоинами и слабым течением), правильного омутами при
неровностями дна с большими и сечения: медленном
и берегов, глубокими немного движении
п = 0,08 промоинами, п = 0,08 травы, крупный кустарник на берегах п = 0,07 п = 0,07
2 Русло реки в Скалистые русла Русла Малые Малые водотоки
опавших больших и периодических потоки чистые
листьях, на средних рек. водотоков, сильно довольно прямолинейные
берегах растут Русла засоренные и правильного с полным
деревья, периодических извилистые. сечения: заполнением без
донные водотоков, Сравнительно немного перекатов или
отложения засоренные и заросшие, травы, глубоких омутов
представлены заросшие, неровные, плохо крупный при наличии
илистым п = 0,065 разработанные кустарник водорослей и
песком поймы рек на берегах камней
черного цвета. (промоины, кустарники, деревья, наличие заводей). Порожистые участки равнинных рек п = 0,065 п = 0,06 п = 0,05
3 На берегах Сравнительно Сравнительно Малые Малые водотоки
произрастают чистые русла чистые русла потоки чистые
деревья, русло постоянных постоянных довольно извилистые с
не заросшее. водотоков с водотоков в правильного омутами и
некоторыми обычных сечения: отмелями
неправильностями условиях,извилист немного п = 0,05
в направлениях ые, с некоторыми травы, мало
струй, неправильностями или совсем
неровностями дна в направлениях никакого
и берегов и струй или же кустарника
влечением прямые, но с п = 0,035
донных наносов неправильностями
п = 0,04 в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Незаросшие ровные поймы п = 0,04
4 Над руслом Сравнительно Сравнительно Малые Малыев одотоки
реки проходят чистые русла чистые русла потоки чистые
инженерные постоянных постоянных довольно прямолинейные
коммуникаци, водотоков с водотоков в правильного с полным
http://vestnik-nauki.ru
Характеристика русла
№ створе в ходе натурных по [2] по М. Ф. Срибному [3] Дж. Бредли [3] В. Т. Чоу [3]
исследований
берега, некоторыми обычных условиях, сечения: заполнением без
заросшие неправильностями извилистые, с немного перекатов или
травой и в направлениях некоторыми травы, мало глубоких омутов
деревьями, струй, неправильностями или совсем п = 0,033
наблюдаются неровностями дна в направлениях никакого
неровности и берегов и струй или же кустарника
дна. влечением донных наносов п = 0,04 прямые, но с неправ ильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Незаросшие ровные поймы п = 0,04 п =0,03
В расчётных створах проведены работы по определению некоторых характеристик русла, необходимых для определения коэффициента шероховатости (табл.2):
1. Определена средняя скорость потока.
2. Выполнено измерение продольных уклонов водной поверхности при помощи нивелира.
3. Выполнены замеры глубин, ширины русла.
Камеральные работы включали в себя обработку данных, полученных при проведении полевых исследований: по поперечным профилям, выполненным в системе автоматизированного проектирования AutoCAD, определены площади живого сечения, смоченные периметры. По известной скорости течения воды и площади живого сечения рассчитаны расходы (табл.2).
Таблица 2 - Исходные данные
Створ Уклон в створе Площадь живого сечения, м2 Скорость воды в створе, м/c Расход воды в створе, m3/c Коэффициент Шези, м°,5/с
1 0,00055 0,5375 0,002 0,001 0,17
2 0,00054 0,6287 0,022 0,014 1,9
3 0,00055 0,6872 0,080 0,055 7,9
4 0,00157 1,2503 0,096 0,12 4,7
Результаты и выводы
Коэффициенты Шези и шероховатости по данным натурных наблюдений на исследуемых створах, рассчитывались по формулам (1-4) в среде Excel (табл.3).
Таблица 3 - Значения коэффициентов шероховатости
Коэффициент шероховатости, п Створ 1 Створ 2 Створ 3 Створ 4
По формулам (1)-(2) 0,56 0,17 0,06 0,1
По формуле (3) 4,5 0,41 0,09 0,17
По формуле (4) 0,08 0,09 0,08 0,098
Анализ рассчитанных коэффициентов шероховатости для четырёх створов показал, что разница между результатами, полученными по формулам (1)-(4) значительная:
- наибольший размах в значениях наблюдается между результатами, полученными для 1 створа (Д=4,42), наименьший -для 3 створа (Д=0,03);
- наибольшая изменчивость шероховатости русла по течению наблюдается при использовании формулы Маннинга (Д=4,41), наименьшая - при расчете по формуле Агроскина (Д=0,018);
- значения коэффициента шероховатости, рассчитанные по формуле Агроскина, наиболее приближены к значениям из различных таблиц и практически не изменяются.
Сравнительный анализ характеристик исследуемого русла показал, что значения коэффициентов шероховатости, определенные в исследуемых створах в ходе рекогносцировочного обследования, отличаются. В связи с тем, что составленные таблицы основаны на субъективности восприятия каждого автора, при сравнении описательных характеристик русел и пойм возникли некоторые трудности, так как они составлены по разным критериям,и в некоторых из них не учитываются важные факторы, влияющие на коэффициент шероховатости русла (рельеф дна, наличие растительности в водотоке и т.д.).Это свидетельствует о необходимости совершенствования таблиц или поиске принципиально новых подходов и решений проблемы оценки коэффициента шероховатости в речных руслах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мамедов А.Ш. О расчете коэффициента Шези речного потока // Природообустройство. 2011. № 3. С. 62-67.
2. Свод правил СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Москва: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. 75 с.
3. Барышников Н.Б. Гидравлические сопротивления речных русел:учебное пособие. Санкт-Петербург: Изд-во РГГМУ, 2003. 147 с.
4. Валл Е.В., Ахмедова Н.Р. К вопросу об оценке шероховатости естественного русла при выполнении гидравлических расчетов // Региональные проблемы природно-техногенных систем:сборник научных трудов. Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2020. С. 5-10.
5. Барышников Н.Б., Пагин А.О. Гидравлическое сопротивление речных русел // Журнал университета водных коммуникаций. 2010. № 2. С. 90-93.
6. Наумов В.А. Коэффициент шероховатости русла реки Писсы // Вестник науки и образования Северо-Запада России: электронный журнал, 2017. Т. 3. № 3. C. 1-7. [Электронный ресурс] URL: http ://ve stnik-nauki.ru/wp-c ontent/uploads/2017/09/2017-N3 -Naumov.pdf.
7. Наумов В.А. Эмпирическая зависимость коэффициента шероховатости русла реки Красной от чисел Фруда // Вестник науки и образования Северо-Запада России: электронный журнал, 2018. Т. 4. № 3. C. 89-98. [Электронный ресурс] URL: http://vestnik-nauki.ru/wp-content/uploads/2018/08/2018-N3-Naumov. pdf.
REFERENCES
1. Mamedov A.Sh. O raschete koeffitsienta Shezi rechnogo potoka [About calculating the Shezi coefficient of a river flow]. Prirodoobustroystvo. 2011. No 3. рр. 62-67.
2. Svodpravil SP 33-101-2003. Opredelenie osnovnyh raschetnyh gidrologicheskih harakteristik [Determination of the main calculated hydrological characteristics]. Moscow: GosstrojRossii, FGUP CPP, 2004.75 p.
3. Baryishnikov N.B. Gidravlicheskie soprotivleniya rechnyih rusel [Hydraulic resistance of
river channels]. Uchebnoeposobie. Saint-Petersburg: RGGMU Publ. 2003. 147 р.
4. Wall E.V., Ahmedova N.R. K voprosu ob otsenke sherohovatosti estestvennogo ruslapri vyipolnenii gidravlicheskih raschetov [To the question of an estimation of the natural round rughness at the performance of hydraulic calculations]. Regionalnyieproblemyiprirodno-tehnogennyihsystem: sborniknauchnyihtrudov. Kaliningrad: KGTU Publ. 2020. pp. 5-10.
5. Baryshnikov N.B., Pagin A.O. Gidravlicheskoe soprotivlenie rechnykh rusel [Hydraulic resistance of river channels]. Zhurnaluniversiteta vodnykh kommunikatsiy. 2010. No 2, pp. 90-93.
6. NaumovV.A. Kojefficient sherohovatost irusla reki Pissy [Roughness coefficient of the Pissa river bed]. Vestnik nauki i obrazovanija Severo-ZapadaRossii: elektronnyjzhurnal. 2017. V.3. No3. pp. 1-7. URL: http://vestnik-nauki.ru/wp-content/uploads/2017/09/2017-N3-Naumov.pdf.
7. Naumov V.A. Jempiricheskaja zavisimost' kojefficienta sherohovatosti rusla reki Krasnojot chisel Fruda [Empirical dependence of the roughness coefficient of river Krasnaya bed from Froude numbers]. Vestnik nauki i obrazovanija Severo-Zapada Rossii: elektronnyj zhurnal. 2018. V.4. No3. pp. 89-98. URL: http://vestnik-nauki.ru/wp-content/uploads/2018/12/2018-N4-Naumov.pdf.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кочкарева Анастасия Сергеевна Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, студент строительного факультета E-mail: ya.nst-395@yandex.ru
Kochkareva Anastasia
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Faculty of Civil Engineering
student
E-mail: ya.nst-395@yandex.ru
Ахмедова Наталья Равиловна Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, кандидат биологических наук, доцент кафедры водных ресурсов и водопользования E-mail: natalya.ahmedova@klgtu.ru
Akhmedova Natalia
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Water Resources and Water Use, E-mail: natalya.ahmedova@klgtu.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 236022, Россия, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 322. Ахмедова Н.Р.
8(4012)99-53-37
