Гідроморфологічні аспекти пропуску паводкових витрат води гірськими руслами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гідроморфологічні аспекти пропуску паводкових витрат води гірськими руслами

Корбутяк В.М., асистент (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Пропонується типізація річищ за русловими процесами на основі питомої потужності річок. Вона дає можливість чітко виділити умови існування типів русел по території Українських Карпат, а також уточнити, використовуючи гідроморфологічний підхід, визначення швидкості добігання хвилі паводку.

The article is devoted to basing of a hydromorphologycal method for determination of flood lag velocity. Typification of river-beds on account of types of fluviomorphological process founding on rivers power density are offer.

Гідроморфологічні співвідношення, які відображають результат взаємодії потоку і русла, мають важливе значення при гідрологічних розрахунках, особливо в разі недостатності рядів спостережень. Одне із них - відношення ширини потоку В до його середньої глибини hсер. Це відношення змінне навіть під час проходження руслоформуючої витрати, оскільки русловий процес є дискретний, нестаціонарний. Тому про відношення В/hcep говорять, як про певну осереднену величину.

Як відомо, потік та змінне русло не можуть вивчатися окремо, їх слід розглядати як дві частини єдиної фізичної системи. Взаємодія цих елементів здійснюється за принципом зворотного зв'язку потік-русло [1,2,3,4].

З огляду на це очевидно, що пропускна здатність русел, швидкість пробігання паводкової хвилі визначаються гідравлічним опором, який залежить від гранулометричного складу наносів, відносної шорсткості (H/dcep), руслових форм, обрису долини річки. Названі фактори змінюються по довжині річки, формуючи при певному поєднанні відповідні типи русел [2]. Їх вивчення дасть можливість уточнити методи визначення розрахункових витрат.

І.А. Кузьмін [5] розглянув можливість типізації річок на енергетичній основі через величину потужності потоку на одиницю його довжини (питому потужність)

N = Q Н g / L = Q І g (1)

паводок гірський русло

де Q - середньобагаторічна витрата води, ?- питома вага води, Н/м3; Н- різниця рівнів води на ділянці довжиною L , І - ухил поверхні води

Величина Qg має розмірність Н/с. Для спрощення І.А. Кузьмін у своїй типізації, як характеристику потужності потоку, використав добуток QІ, виражений в м3/с. Зв'язок QІ із морфологічним параметром В.Г. Глушкова Г=/hcep продемонстрував, що зростання значення QІ зумовлює більший розвиток річки в глибину, ніж в ширину [5]. Типізація, запропонована І.А. Кузьміним, має суто якісний характер, але вона вказує на зв'язок між характером руслових переформувань та потужністю потоку.

Нами для отримання кількісних показників, які характеризували б зв'язок потужності із типами русел, взято вираз питомої потужності потоку N=QІ, м3/с, та відношення ширини русла до його глибини b/h, яке за дослідженнями В.М. Католікова та З.Д. Копаліані [6], впливає на коливання модуля поздовжньої швидкості, тим самим визначаючи розвиток мезоформ.

На основі гідравлічних характеристик, які відповідають руслоформуючій витраті, нами побудовано графік (рис. 1), який дозволив чітко виділити умови існування типів русел по території Українських Карпат, встановлених на основі польових досліджень, фізико-географічних та енергетичних критеріальних залежностей [7].

Кути нахилу прямих, які відповідають певним типам русел, характеризують їх різну здатність до пропуску паводкових об'ємів води. При розширенні русла його пропускна здатність падає, оскільки розширення русла супроводжується зменшенням глибини, і, відповідно, зростанням відносної шорсткості. Чим більша відносна ширина русла, тим більше його поперечний профіль відрізняється від гідравлічно найвигіднішого.

З рис. 1 можна зробити висновок, що якщо певний об'єм паводку через меандруючі ділянки русла буде проходити найдовший період часу, то ділянки річки із стиснутим та каналізованим типом русла цей самий об'єм пропустять за найменший час у порівнянні з ділянками з іншими типами руслових деформацій.

Різним видам русел відповідає різна транспортуюча, а, отже, і пропускна здатність русел. За даними І.В. Попова [1,2] найбільші питомі витрати донних наносів спостерігаються на ділянках річок з побічневим рельєфом дна та русловою багаторукавністю, найменші - у меандруючих річок. У такому ж напрямку зменшуються швидкості течії [1].

Отже, можна зробити висновок, що така ж тенденція характерна і для швидкості добігання паводкової хвилі Vдоб на ділянках річок.

Типізація гірських річок на основі залежності b/h=f(Qi), відомі постулати гідролого-морфологічної теорії руслового процесу [2] дозволяють обгрунтувати гідроморфологічний підхід при визначенні одного із основних параметрів формул максимального стоку - часу руслового добігання.

Побудова графіків залежностей Vдоб=f(Q) на основі даних натурних спостережень, виконаних інститутом "Львівдіпроводгосп", дала можливість виявити залежність швидкості руху паводкової хвилі від руслових процесів на ділянках річок. Різним типам русла відповідає різний нахил кривої V=f(Q), що означає різний приріст швидкості із ростом витрати (рис.2). Тобто приросту швидкості відповідає різна, залежно від типу русла, зміна площі поперечного перерізу.

Для апроксимації залежності Vдоб=f(Q) підходить логарифмічна функція виду V = А ln(Q), де A - параметр типу русла, який для річок Українських Карпат (за нашими дослідженнями) змінюється в межах від 0,22 до 0,70. Як видно з рис. 2 більші значення A відповідають більш стиснутим руслам.

Відомо, що інтенсивне зростання швидкостей води у руслі відбувається до встановлення глибини, яка відповідає руслоформуючій витраті Qр.ф.. Нашими дослідженнями та дослідженнями багатьох авторів встановлено, що у багатьох випадках руслоформуюча витрата проходить на межі виходу з бровки русла. Величина руслоформуючої витрати в створі за незмінних гранулометричних характеристик наносів залишається сталою. Подальше зростання витрати води не зумовлює значної зміни швидкості потоку.

Рис. 1. Графік залежності b/h=f(Qi) для різних типів руслового процесу

Рис.2. Криві V=f(Q) для різних типів руслового процесу

Рис. 3. Залежність параметру типу русла А від середньозваженого діаметра dcep за типами русел

Для визначення швидкості руслового добігання розрахункової витрати для Карпатського регіону розроблено емпіричну формулу (2). У виразі під логарифмом використано частку Q/Qр.ф., як показник висоти паводку

, (2)

де V- швидкість руслового добігання розрахункової витрати, м/с; Q - розрахункова паводкова витрата, м3/с; А - параметр типу русла, м/с, який визначається за формулою (3), V0 =5,17А - швидкість руслового добігання руслоформуючої витрати, м/с.

Вираз (2) дає коректні значення для Q >Qр.ф., що цілком прийнятно. Оскільки практичний інтерес при виконанні інженерних заходів на річках Карпат становлять максимальні витрати забезпеченістю менше 5%. Для річок Українських Карпат забезпеченість максимальних руслоформуючих витрат за нашими з О.Н. Кафтаном та В.В. Онищуком розрахунками складає від 45% до 55%.

Параметр типу русла А відображає наступні чинники:

1. Вплив форми поперечного перерізу русла (рис. 4) та здатність пропуску руслом високих витрат води. Як видно з рис. 1 та рис. 2, витрата 100 м3/с стиснутими руслами пропускається при більшій швидкості і, відповідно, меншій площі живого перерізу.

2. Зв'язок із шорсткістю русла. Зокрема руслам із більшими швидкостями (відповідно більшими А) відповідає крупніший гранулометричний склад наносів, що узгоджується із постулатом, який було сформульованим М.А. Велікановим [8], про мінімальну швидкість дисипації енергії у русловому потоці. Тобто потік витрачає для транспорту води та наносів рівно стільки енергії, скільки її необхідно при існуючих умовах в руслі та на водозборі.

Питання статистичної стабільності процесів стоку води та наносів вивчав К.В. Грішанін [1]. За його висловом „річковий потік та його русло являють собою, можливо, найдосконалішу із систем неорганічного світу, які мають властивість самоуправління”. Русло гасить свою потенціальну енергію, не виходячи при цьому за межі певного діапазону швидкостей потоку. Для формування статистично стабільного русла (тобто русла, яке перебуває в стані динамічної рівноваги), швидкості потоку з одного боку мають забезпечити транзит неруслових наносів, а з іншого - не повинні бути більшими того значення, яке зумовить масове винесення донного матеріалу.

Різні типи руслового процесу забезпечують можливості русла пристосовуватись до змін фізико-географічних та антропогенних умов шляхом формування різних поперечних профілів та зміною шорсткості русла як за рахунок зміни звивистості, формування донних гряд, так і за рахунок сортування донних наносів із зміною їх середньозваженого діаметру dcep.

Рис. 4. Типові поперечні профілі русел різних типів руслового процесу

Відомо, що зміна типів руслового процесу у загальному відповідає зміні висоти водозбору річки. Залежність середньозваженого діаметру наносів dcep, який оцінюється за формулою (di - середній діаметр і-тої фракції проби, Pi - доля цієї фракції) від висоти водозбору встановлена багатьма дослідженнями [2, 7, 9]. Це дозволило нам отримати досить тісну залежність параметру типу русла A від dcep (рис. 3).

Використання для визначення A функції

,

де g - прискорення вільного падіння, м/с2, dcep - середньозважений діаметр наносів, м, дає можливість отримати рівняння, яке відповідає принципу розмірності. Вираз характеризує потенціальну енергію зерен донних наносів, яка протиставляється кінетичній енергії потоку.

A =, (3)

де а - регіональний коефіцієнт, який характеризує зміну крупності наносів з висотою, для Українських Карпат а=0,22

З метою отримання розрахункових залежностей для визначення dcep нами було досліджено його зміну з висотою по території Українських Карпат. Основним фактором, який впливає на формування стоку води та наносів є опади. За даними [10,11,12], добові опади понад 20 мм вже можуть спричинити паводки на всій території Українських Карпат. Інколи при попередній зволоженості бувають паводки і при менших опадах. На Прикарпатті середня кількість днів з опадами >0,1 мм становить 167 (175- в басейні Дністра, 156 - в басейні Прута), а з опадами понад 20 мм становить в середньому 7 днів (8 днів в басейні Дністра та 5 днів в басейні Прута). У відсотках паводкоутворюючі опади (>20мм) становлять 4% від загальної кількості днів з опадами. Для Закарпаття характерно в середньому 175 днів з опадами >0,1мм та 11 днів з опадами понад 20 мм, що відповідно становить 6% від річної кількості днів з опадами.

Очевидно, що такий розподіл опадів по схилах певною мірою зумовлює різне розташування для Закарпаття та Прикарпаття графіків залежностей середньозваженого діаметру наносів dсер, мм, від добутку середньозваженої абсолютної висоти водозбору Нводозб, м, на середньозважений уклон водозбору Іводзб (рис. 5).

Більша кількість днів з опадами на Закарпатті зумовлює більш рівномірне живлення річок наносами протягом року та краще їх сортування за неоднорідністю. В той же час точки діаметра крупності наносів відмостки русел D, мм, (рис.5) не утворюють окремих груп по макросхилах, оскільки на параметри відмостки крім максимальних опадів впливають характеристики потоку та русла.

Рис.5. Зв'язок крупності наносів із середньозваженою висотою водозбору та середньозваженим уклоном на водозборі

Слід зазначити, що використання як аргументу лише висоти водозбору при побудові функцій для dсер дає лише якісну картину зростання крупності із висотою. Якщо ж як аргумент виступає добуток середньозваженої висоти водозбору Нводозб на середньозважений уклон водотоку І точки утворюють більш виразну групу, але при цьому не виділяються окремі групи для Закарпаття та Прикарпаття.

Для Українських Карпат кількість опадів із висотою повільно зростає по всій території, крім однієї зони інверсії між висотами 500 м та 700 м, де кількість опадів зменшується. Однак вибірка по водозборах з названого діапазону показала, що зона інверсії опадів не впливає на зростання діаметру наносів та їх неоднорідність із висотою. Очевидно, що зменшення опадів приблизно на 100 мм/рік при досить значній (140-300 ‰) крутизні рельєфу на водозборі не відіграє вирішальної ролі.

Досить висока кореляція точок середньозваженого діаметру наносів з виразом НводозбІводозб (рис. 5) дозволяє за відсутності даних по гранулометричному складу наносів використовувати формулу

dсер = k Нводозб Іводозб (4)

де dсер - середньозважений діаметр наносів, мм; Нводозб - середньозважена абсолютна висота водозбору, м; Іводозб - середньозважений уклон водозбору; k - коефіцієнт, який рівний 0,68 для Прикарпаття та 0,33 для Закарпаття.

Залежність (4) може бути використана при визначенні руслоформуючих витрат води та визначенні швидкостей добігання у разі використання формули (2).

Незначна кількість змінних формули (2), надійність емпіричного матеріалу та достатнє фізичне обгрунтування сприяють досить високій точності розрахунків за наведеною формулою - інтервал похибок 15-20% має забезпеченість 95%.

Література

1. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков.-Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-311с.

2. Попов И.В. Деформации речных русел и гидротехническое строительство.-Л.: Гидрометеоиздат, 1960.-363 с.

3. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек.-Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-310 с. 6. В.М. Католиков, З.Д. Копалиани. Побочни в руслах рек: условия образования и их динамика // Водные ресурсы, 2001, том 28, №5, с. 579-586.

4. Бухин М.Н., Кафтан А.Н., Базилевич В.А. Основные типы русел рек Украинских Карпат. // Мелиорация и водное хозяйство, Киев, Урожай, 1974, вып.29, с. 74-85.

5. Великанов М.А. Динамика русловых потоков.- 3-е изд.- М.: ГИТТЛ, 1954-1955.- Т.1, 323 с. Т.2, 323 с.

6. Онищук В.В. Исследование влияния неоднородности несвязных грунтов, слагающих русла предгорных участков рек, на величины начальных скоростей влечения частиц наносов. - В сб. Научные исследования по гидротехнике 1974 г., Л., ВНИИГ, 1976, т.3, 110-112 с.

7. Перехрест С.М., Кочубей С.Г., Пєчковська О.М. Шкідливі стихійні явища в Українських Карпатах та засоби боротьби з ними.-К.: Наукова думка, 1971.-199 с.

8. Лютик П.М. Максимальные расходы и слои паводочного стока рек Карпат по материалам гидрометрических наблюдений и экспедиционных исследований. // Труды УкрНИГМИ, 1972, вып. 119, с. 3-18.

9. Мокляк В.И. Определение расходов по притоку воды в речную сеть. // Труды УкрНИГМИ, вып. 60, 1966, с. 3-12.

Размещено на Allbest.ru