Энергетический подход к оценке эрозионно-транспортирующей способности водного потока на склоновом агроландшафте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чувашская государственная сельскохозяйственная академия, Чебоксары, Российская Федерация

Энергетический подход к оценке эрозионно-транспортирующей способности водного потока на склоновом агроландшафте

С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.В. Алексеев

Аннотация

Рассмотрены подходы к оценке эрозионно-транспортирующей способности водного потока на склоновых агроландшафтах. Современные подходы предполагают использование эмпирических и полуэмпирических формул, применение которых ограничено пределами опытов, на которых они основаны, определение переноса частиц на основании описательных (а не количественных) характеристик водотока и микрорусла, непрерывное изменение различных параметров потока и русла и не учитывают принципиальных особенностей гидравлики склонового стока. Считаем целесообразным использование энергетического подхода, который предполагает представление гидравлических потерь на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности, эрозионных процессов и транспортирование частиц, составляющих наносы, водотоком в виде гидродинамической характеристики водного потока, и определение транспортирующей способности потока по уравнению, анализ которого показывает, что при движении водного потока по подстилающей поверхности могут существовать три режима его эрозионно-транспортирующей способности. Проверка уравнения по результатам прецизионных экспериментальных исследований Вагенингенского университета показывает его высокую достоверность (98,4 %).

Ключевые слова: энергетический подход, гидродинамическая характеристика, водный поток, склоновые агроландшафты, уклоны гидравлических потерь, эрозионно-транспортирующая способность.

Annotation

The approaches on the assessment of erosion-transport capacity of water flow at slope agro-landscapes were considered. Modern approaches suppose to use empirical and semi-empirical formulas, which applying is limited by the experiment conditions, determine transport of particles on the base of descriptive (not quantitative) characteristics of water flow and micro-stream, measure persistently different parameters of flow and stream, and don't take into account the fundamental specifics of slope runoff hydraulics. We consider it is appropriate to use energetic approach which supposes to present hydraulic losses of water flow for overcoming the resistance of underlying surface, erosion processes, and transport of the particles making up sediments as hydrodynamic characteristic of water flow and determination of transport capacity of the flow by equation. The analysis of the equation shows that while water flow is moving over the underlying surface three regimes of its erosion-transport capacity can exist. Verification of the equation on the results of precise experimental studies of Wageningen University shows its high reliability (98.4 %).

Keywords: energetic approach, hydrodynamic characteristic, water flow, slope agro-landscapes, slopes of hydraulic losses, erosion-transport capacity.

При решении фундаментальных и прикладных гидравлических проблем управления водным потоком на склоновых землях особенно острым является вопрос о проектировании и оценке эффективности противоэрозионных технологий. Сложную научную задачу представляет собой определение зависимостей, которые связаны с переносом частиц, образующих наносы, от параметров водного потока.

Перенос частиц в склоновом водотоке состоит из переноса относительно крупных частиц, влекомых в придонном слое и взвешенных во всей толще потока. Используемые в настоящее время подходы к определению общего стока наносов для склонового водотока не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к процессам взаимодействия потока воды с подстилающей поверхностью. Основные причины заключаются в использовании эмпирических и полуэмпирических формул, применение которых ограничено пределами тех опытов, на которых они основаны [1-3]; определении переноса частиц на основании описательных (а не количественных) характеристик водотока и микрорусла [4, 5]; непрерывном изменении различных параметров потока и русла [4, 6].

Энергетические потери водного потока на перенос частиц связаны с режимом движения, интенсивностью переноса, шероховатостью подстилающей поверхности, потенциалом эрозионной стойкости почв и другими параметрами [7, 8]. Существенные изменения перечисленных параметров на склоновых агроландшафтах обуславливают то, что гидравлика склонового стока имеет свои принципиальные особенности [5, 9], например, по сравнению с процессами, связанными с транспортирующей способностью водного потока реки. Возникающие затруднения научного, методического и технического плана приводят к тому, что в настоящее время практичные методики учета наносов в гидравлических расчетах отсутствуют. Это ограничивает принятие управленческих решений при проектировании противоэрозионных мероприятий на склоновых агроландшафтах.

В большинстве гидравлических расчетов полагают движение водного потока при установившемся балансе сил сопротивления и движущих сил равномерным [6]. Для определения сил сопротивления необходимы сведения о характеристике подстилающей поверхности определенного противоэрозионного мероприятия на водосборе. Экспериментальное определение параметров подстилающей поверхности [10-14], таких как потенциал эрозионной стойкости, коэффициент гидравлической шероховатости, плотность расположения растений и пожнивных остатков и другие, обеспечивает возможность получения информации о характере движения водотока для гидравлических расчетов водосбора.

При проектировании противоэрозионных технологий транспортирующую способность потока часто не учитывают.

Исследования влияния наносов на размыв микрорусла подтверждают, что в подавляющем большинстве случаев количество наносов в потоке меняет величину неразмывающей скорости [4]. Исследования в этом направлении позволяют установить не только определенные зависимости, но и раскрыть картину взаимодействия водного потока и микрорусла в динамике.

Воздействие внешних и внутренних сил сопротивлений, которые обеспечивают ускорение или торможение водного потока, на движущую среду можно представить в виде уравнения баланса действительного уклона и суммы уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности. С некоторым приближением без учета инфильтрации влаги в почву вследствие продолжительности процесса уравнение можно записать в упрощенной безразмерной форме [14-17]:

(1)

где - уклон подстилающей поверхности склона;

- сумма уклонов гидравлических потерь при движении водного потока по стокоформирующей поверхности;

- уклон гидравлических потерь на трение;

- уклон гидравлических потерь на размыв подстилающей поверхности склона;

- уклон гидравлических потерь на преодоление растительных элементов;

- уклон гидравлических потерь на преодоление волнистости поверхности;

- уклон гидравлических потерь на преодоление инерции потока;

- уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц;

- уклон гидравлических потерь на преодоление стокоформирующей поверхности.

Для анализа параметров водотоков можно, опираясь на уравнение (1), использовать графическое изображение зависимости изменения уклонов гидравлических потерь водного наносонесущего потока от скорости его движения, называемое гидродинамической характеристикой (рисунок 1).

Поскольку составляющие уравнения баланса уклонов обратно пропорциональны величине веса потока, то для использования гидродинамической характеристики водного наносонесущего потока следует масштаб оси ординат изменить пропорционально отношению:

(2)

где , - соответственно вес водотока с мутной или осветленной водой, Н;

, - соответственно масса водотока с мутной или осветленной водой, кг;

, - соответственно плотность водотока с мутной или осветленной водой, кг/м³.

Рисунок 1. Гидродинамическая характеристика водного наносонесущего потока

Исходя из этого на номограмме в левом квадранте (рисунок 1) через начало координат проходят прямые под углом, тангенс которого равен соотношению (2). Этими прямыми можно пользоваться для определения значения уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при различной мутности водного потока.

Значения, отмеченные над каждой прямой в верхней части левого квадранта, соответствуют соотношению в процентах:

(3)

где - концентрация, для плотного тела принята 1,65 [17].

При построении номограммы отношение плотностей для водотока с осветленной водой было принято равным единице, т. е. .

В работе М. А. Великанова [6] решена задача транспортирующей способности водного потока путем приравнивания работы силы тяжести к сумме работ сил сопротивления и взвешивания, а также определения критического состояния мутного потока. Например, для наносов русловых потоков плотность твердой фазы достигает 2,65 г/см³, а максимальное значение концентрации наносов приближается к 0,38.

Определение значения уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при заданной мутности водного потока производится следующим образом. Если требуется определить значение уклона гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц при некоторой равномерной скорости и концентрации = 20 %, в правом квадранте через точку, соответствующую скорости , проводится вертикаль до пересечения с кривой 1, определяющей основные потери водного потока на преодоление сил сопротивления без потерь на взвешивание твердых частиц. Из полученной точки А проводится горизонталь до пересечения с прямой, соответствующей концентрации наносов 0 % . Из полученной точки Б проводится вертикаль до пересечения с прямой, соответствующей концентрации наносов 20 %, получаем точку В. Через эту точку проводится горизонталь до пересечения с вертикалью, проложенной для скорости . Расстояние от полученной точки Г до точки А будет представлять для равномерного потока уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц.

Если аналогичным образом выполнить построение для меньшей скорости , то можно определить уклон гидравлических потерь на взвешивание твердых частиц для неравномерного потока и уклон дополнительной инерционной составляющей баланса уклонов - уклон свободной энергии потока, которая в первую очередь расходуется на транспорт наносов, а оставшаяся ее часть может совершать работу по размыву микрорусла [2].

График позволяет решать и ряд обратных задач. Например, определять параметры транспортирующей способности потока, переносящего мелкие твердые частицы, когда среда в своей массе движется как единое целое [15]. Использование номограммы дает возможность осуществить обоснованный выбор концентрации наносов для заданных условий движения потока. Если необходимо определить скорость движения водотока при известном уклоне подстилающей поверхности и возможной концентрации наносов (рисунок 2), то построения для этого случая показаны линиями со стрелками. Водный поток, перемещаясь по склону с уклоном и с концентрацией наносов 20 %, может двигаться со скоростью . Дополнительно можно определить, какая часть энергии потока тратится на преодоление сопротивления движению потока за счет транспорта наносов и сопротивления стокоформирующей поверхности из общих гидравлических потерь .

агроландшафт водный гидравлика сток

Рисунок 2. Определение составляющих баланса уклонов по гидродинамической характеристике водного наносонесущего потока при известном уклоне подстилающей поверхности

Для определения массы наносов, сносимых со стокоформирующей поверхности водосбора, система уравнений, полученная по графику гидродинамической характеристики (рисунок 2), с учетом уравнения (3) при скорости , примет вид:

(4)

После преобразований системы уравнений (4) получается выражение:

или

(5)

Из выражения (5) определяется плотность движущегося потока, который насыщен частицами, составляющими наносы:

(6)

Таким образом, с учетом выражения (6) масса движущегося потока, насыщенного частицами, определяется по формуле:

(7)

где - элементарный объем движущейся жидкости, м³.

Разделив уравнение (7) на время , определяем способность потока к переносу самой жидкости и наносов:

(8)

где - расход движущейся жидкости, м³/с.

Для определения транспортирующей способности потока, или секундной массы почвы, переносимой потоком, из правой части выражения (8) вычитается произведение :

(9)

Анализ уравнения (9) показывает, что при движении водного потока по подстилающей поверхности могут существовать три режима его эрозионно-транспортирующей способности:

- режим, при котором увеличение потенциальной мощности водотока и потери мощности на преодоление сил сопротивления подстилающей поверхности и размыва почвы примерно одинаковы:

т. е. . Транспортирующая способность потока колеблется около нуля, при этом стокоформирующая поверхность может размываться, однако водный поток не переносит почву вследствие недостаточной его мощности. Рассматриваемый процесс возникает, как правило, после преодоления потоком водораздельной линии склона или в начальный период размыва микрорусла;

- режим при соотношении:

1

т. е. 1. Происходят транспорт частиц и размыв почвы водным потоком. Данный эрозионно-транспортирующий режим потока, как правило, проявляется на большей части склона, когда мощность потока достигает достаточных значений для преодоления сопротивлений подстилающей поверхности, размыва и транспорта почвы;

- режим при соотношении:

т. е. 1. Происходит аккумуляция наносов водным потоком. В расчетах для этого режима значения отрицательны, таким образом определяется интенсивность аккумуляции наносов, которая, например, проявляется в нижней части склона с меньшим уклоном, когда мощность потока недостаточна для размыва почвы и транспорта наносов.

Проверка полученной формулы (9) проводилась по результатам прецизионных экспериментальных исследований, проведенных группой ученых в лаборатории Вагенингенского университета и научно-исследовательского центра (Нидерланды) [18, 19]. Их лабораторные исследования наиболее точно копируют реальные условия движения потока и его взаимодействие с подстилающей поверхностью склонового агроландшафта. Главной задачей проведенных исследований являлось определение влияния гидравлических параметров на транспорт наносов при движении по подстилающей поверхности. В качестве гидравлических параметров определялись расход воды, средняя скорость потока, уклон подстилающей поверхности, которая была создана с помощью хорошо отсортированного песка по фракциям 0,230; 0,536; 0,719; 1,022 мм. Удельный расход воды, отнесенный к ширине лотка, менялся от 0,00007 до 0,00207 м²/с. Длина лотка достигала 3 м. Таким образом, имитировались все условия для достижения точного результата моделирования изучаемого процесса.

Применяя уравнение (9), получили следующее выражение для определения расхода наносов по четырем задаваемым уклонам (таблица 1):

где - удельный расход водного потока, отнесенный к его ширине, м²/с;

- ширина водного потока, м.

Совмещение полученных зависимостей с результатами экспериментальных исследований представлено на рисунке 3.

Таблица 1. Характеристики транспортирующей способности для разных уклонов

Рисунок 3. График зависимости расхода наносов R_s от удельного расхода воды q

Довольно полный анализ применяемых формул проведен коллективом авторов под руководством Н. Б. Барышникова, а также подробно рассмотрено более 200 формул З. Д. Копалиани [1]. Условно формулы гидравлики разделены на девять групп по определенным параметрам или признакам. Аналогичная работа проведена Н. И. Маккавеевым [3], который установил строго закономерные соотношения между гидравлическими элементами потока и твердым расходом. Однако рассмотренные в трудах эмпирические зависимости имеют ограниченный диапазон применения и в основном используются для рек и небольших речек.

Проведен анализ полученного выражения (9) и известных эмпирических формул для определения стока наносов по исследованиям, осуществленным группой ученых в лаборатории Вагенингенского университета и научно-исследовательского центра в 2012 г. (таблица 2).

Таблица 2. Анализ эмпирических формул для определения стока наносов [1, 3, 20, 21]

Примечание - - расход воды, при котором начинается размыв; - коэффициент, определяемый особенностями почвы, растительности и другими географическими факторами; - коэффициент уравнения.

Выводы

Для оценки эрозионно-транспортирующей способности водного потока на склоновом агроландшафте использован энергетический подход. Гидравлические потери на преодоление сопротивлений подстилающей поверхности, эрозионные процессы и транспортирование частиц, составляющих наносы, водотоком представлены в виде гидродинамической характеристики водного потока. Раскрыты основные принципы ее построения по широко известным результатам экспериментальных исследований. На основании аналитических исследований получено выражение для определения транспортирующей способности водного потока. Анализ полученного выражения позволил выделить три режима эрозионно-транспортирующей способности водного потока при движении по подстилающей поверхности. Представлено сравнение результатов теоретических исследований, проведенных авторами, с результатами известных экспериментальных исследований, осуществленных в различных лабораторных и полевых условиях.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 13-05-97048-р_поволжье_а).

Список литературы

1 Формулы и методы для расчета расходов донных наносов [Электронный ресурс] / Н. Б. Барышников, Ю. А. Демидова, А. О. Пагин, А. Б. Соколов // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета: науч.-теор. журн. - СПб.: Изд-во РГГМУ, 2009. - № 11. - С. 16-23. - Режим доступа: http:elib.rshu.ru/files_books/pdf/11-2.pdf.

2 Влияние наносов на эродирующую способность мелководных потоков [Электронный ресурс] / Г. А. Ларионов, Н. Г. Добровольская, З. П. Кирюхина, Л. Ф. Литвин // Эрозия почв и русловые процессы. - М., 2003. - Вып. 14. - С. 34-45. - Режим доступа: http:makkaveev-lab.narod.ru/SEFP-14.pdf.

3 Маккавеев, Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне / Н. И. Маккавеев. - М.: Географический факультет МГУ, 2003. - 355 с. - ISBN 5-89575-063-Х.

4 Мирцхулава, Ц. Е. Основы физики и механики эрозии русел / Ц. Е. Мирцхулава. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 303 с.

5 Швебс, Г. И. Теоретические основы эрозиоведения / Г. И. Швебс. - Киев - Одесса: Вища школа, 1981. - 219 с.

6 Великанов, М. А. Динамика русловых потоков: в 2 т. / М. А. Великанов. - М.: Гостехиздат, 1954-1955.

7 Abrahams, A. D. Effect of saltating sediment on flow resistance and bed roughness in overland flow / A. D. Abrahams, G. Li // Earth Surf. Proc. Land. - 1998. - Vol. 23. - P. 953-960. - DOI http:dx.doi.org/10.1002/(SICI)1096-9837(199810)23:10%3C953::AID-ESP915%3E3.3.CO;2-S.

8 A sediment transport equation for interrill overland flow on rough surface / A. D. Abrahams, G. Li, C. Krishana, J. F. Atkinson // Earth Surf. Proc. Land. - 2001. - Vol. 26. - P. 1443-1459. - DOI http:dx.doi.org/10.1002/esp.286.

9 Штеренлихт, Д. В. Гидравлика: учеб. для вузов. В 2-х кн. Кн. 2 / Д. В. Штеренлихт. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 367 с.

10 Васильев, С. А. Безразмерный показатель для оценки гидравлических потерь на трение в руслах разной шероховатости / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. И. Максимов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2011. - № 5. - С. 40-42.

11 Васильев, С. А. Определение эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях / С. А. Васильев, И. И. Максимов, В. В. Алексеев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - № 4. - С. 31-34.

12 Результаты экспериментальных исследований гидрофизических и эрозионных свойств почв на территории СХПК «Труд» Батыревского района Чувашской Республики / С. А. Васильев, И. И. Максимов, Е. П. Алексеев [и др.] // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И. Я. Яковлева. - 2013. - Вып. 4(80), Ч. 2. - С. 39-45.

13 Васильев, С. А. Теоретические предпосылки аналитического определения смоченного периметра стокоформирующей поверхности / С. А. Васильев, А. Ю. Пагунов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета имени И. Я. Яковлева / Серия: Естественные и технические науки. - 2012. - № 4(76). - С. 47-50.

14 Пат. 2292539 Российская Федерация, МПК(7) G 01 N 19/02, G 01 M 10. Способ определения гидравлических потерь на трение / Максимов И. И., Васильев С. А., Максимов В. И.; заявитель и патентообладатель Чувашская гос. сельскохозяйственная акад. - № 2005124192/28; опубл. 27.01.07, Бюл. № 3.

15 Боровков, В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях / В. С. Боровков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 285 с.

16 Васильев, С. А. Совершенствование методики и технических средств оценки для проектирования противоэрозионных технологий на склоновых землях: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.01 / Васильев Сергей Анатольевич. - Чебоксары, 2006. - 17 с.

17 Максимов, И. И. Прогноз эрозионных процессов, техника и технология для обработки склоновых земель: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.20.01 / Максимов Иван Иванович. - Чебоксары, 1996. - 37 с.

18 Effect of hydraulic parameters on sediment transport capacity in overland flow over erodible beds / M. Ali, G. Sterk, M. Seeger, M. Boersema, P. Peters // Hydrol. Earth Syst. Sci. - 2012. - Vol. 16. - P. 591-601. - DOI http:dx.doi.org/10.5194/hess-16-591-2012.

19 Ali, M. Sediment transport capacity for soil erosion modelling at hillslope scale: an experimental approach: Ph.D. thesis / Ali M. - Wageningen: Wageningen University, The Netherlands, 2012. - 120 p.

20 Малые реки как наиболее уязвимое звено речной сети [Электронный ресурс] / Г. П. Бутаков, А. П. Дедков, А. Н. Кичигин, В. И. Мозжерин, В. Н. Голосов, А. Ю. Сидорчук, А. В. Чернов // Эрозионные и русловые процессы. - М., 1996. - Вып. 2. - С. 56-70. - Режим доступа: http:makkaveev-lab.narod.ru/Aros-Chanel-1996.pdf.

21 Формы проявления эрозионно-аккумулятивных процессов на малых речных водосборах / Г. П. Бутаков, О. П. Ермолаев, В. И. Мозжерин, И. П. Ковальчук, Л. Ф. Литвин, А. Ю. Сидорчук, А. В. Чернов // Эрозионные и русловые процессы. - Луцк, 1991. - С. 19-42.

Размещено на Allbest.ru