Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА

ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

АВТОРЕФЕРАТ

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ МАКСИМАЛЬНИХ ВИТРАТ НА ОСНОВІ ПАРАМЕТРІВ РУСЛОВОГО ПРОЦЕСУ (НА ПРИКЛАДІ РІЧОК УКРАЇНСЬКИХ КАРПАТ)

05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія

КОРБУТЯК ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ

Рівне - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор географічних наук, професор

Будз Маркіян Дмитрович,

Національний університет водного господарства та природокористування,

професор кафедри водогосподарської екології, гідрології та природокористування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Хлапук Микола Миколайович,

Національний університет водного господарства та природокористування,

завідувач кафедри гідротехнічних споруд;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Томільцева Аліна Іванівна

Український науково-дослідний інститут водогосподарсько-екологічних проблем.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проектування, будівництво та експлуатація протипаводкових та берегозахисних споруд на річках Українських Карпат, а також інтенсивне використання водних ресурсів цього регіону та їх охорона вимагає відповідного наукового обгрунтування, зокрема для визначення максимальних витрат.

Досвід експлуатації об'єктів на гірських річках свідчить про недостатню ефективність та недовговічність багатьох типів споруд, що поряд із недоліками у їх конструюванні та будівництві, пояснюється недостатнім урахуванням особливостей розвитку руслових деформацій при виконанні захисно-регуляційних заходів (невдале компонування споруд без прогнозування розвитку деформацій та ін.); деформаціями ложа водотоків, які викликані виїмками алювію із заплав та русел річок (кар'єрні розробки).

Разом з тим розвиток теорії руслового процесу дає новий погляд на явища, які відбуваються у водному потоці, і дає нові можливості для визначення гідрологічних параметрів через вивчення основних енергетичних, геоморфологічних та фізико-географічних чинників формування різних типів русел. Розвиток регіональних методик для визначення гідрологічних характеристик особливо актуальний з огляду на складність отримання гідрометричної інформації в період проходження паводків та повеней.

Багатоманітність природних факторів, які визначають структурні і динамічні особливості гірських річок, недостатня їх вивченість, зумовлюють необхідність виконання подальших досліджень з окресленої проблематики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за проблемою дисертації виконувалися в межах плану науково-дослідних робіт кафедри водогосподарської екології, гідрології та природокористування Національного університету водного господарства та природокористування. Напрям наукових досліджень пов'язаний із науково-дослідними роботами з таких тем: "Наукові основи охорони та раціонального використання водних ресурсів малих річок", 1999 р., (№ державної реєстрації 0199U001925, шифр теми і-52); "Наукові основи розрахунків та прогнозування катастрофічних повеней з врахуванням регіональних умов їх формування", 2001 р. (№ державної реєстрації 0101U005465, шифр теми і-1), „Розробка методики розрахунку руслоформуючих витрат на гірських річках України”, 2006 р., (№ державної реєстрації 0106U006785, шифр теми Т-369).

Мета і завдання роботи. Метою роботи є вдосконалення методів розрахунку максимальних витрат шляхом використання параметрів руслового процесу у випадку відсутності даних гідрометричних спостережень.

Задачі досліджень, відповідно до вказаної мети, визначено наступні:

- проаналізувати морфологічні особливості прояву різних типів руслового процесу на річках Українських Карпат;

- виконати оцінку інтенсивності розвитку незворотних руслових деформацій під впливом кар'єрних розробок;

- на основі гідравлічних характеристик розробити критеріальні залежності для типів русел;

- на основі параметрів руслових утворень (мезоформ) розробити залежності для визначення руслоформуючих витрат води;

- дослідити зв'язок крупності наносів із середньою висотою водозбору;

- встановити зв'язок між швидкістю добігання хвилі паводку та типом руслового процесу водотоку;

Об'єкт дослідження - формування максимального стоку та руслових деформацій річок Українських Карпат.

Предмет дослідження - методи розрахунку максимальних витрат води при відсутності даних гідрометричних спостережень, руслові деформації річок Українських Карпат та їх руслоформуючі витрати.

Методи досліджень - натурні спостереження за русловими деформаціями; аналіз результатів спостережень за стоком на водомірних постах, аналіз картографічних матеріалів; використання сучасних методів обробки даних (математичні методи, геоінформаційні технології). Під час аналізу отриманих даних спостережень та замірів використовували результати теоретичних та лабораторних досліджень інших авторів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержано формулу для розрахунку швидкості добігання хвилі паводку залежно від типу русла та розрахункової витрати; формулу для визначення середньозваженого діаметра наносів для річок Українських Карпат залежно від середньої висоти та середньозваженого похилу водозбору; формули для визначення руслоформуючої витрати на основі лінійних параметрів мезоформ для різних типів руслового процесу.

2. Дано оцінку сучасного розвитку незворотних руслових деформацій під впливом кар'єрних розробок наносів річок; розроблено критеріальні залежності для типізації русел річок на основі гідравлічних характеристик.

Практичне значення одержаних результатів. Виявлені закономірності формування рельєфу дна річок Карпат, отримані критеріальні залежності типів руслового процесу, уточнені параметри формули максимального стоку води та розрахунку транспорту наносів у структурній формі створюють надійну основу кількісної оцінки максимальних витрат і руслових деформацій в усіх задачах проектного обгрунтування будівництва та експлуатації водогосподарських об'єктів на річках Українських Карпат. Це дозволяє в цілому підвищити надійність роботи гідротехнічних споруд.

Результати досліджень використано під час розробки відомчого нормативного документа ВНД 33.5.5-14-03 “Інструкція по регулюванню та догляду за руслами річок Українських Карпат” та „Методики розрахунку руслоформуючих витрат на гірських річках України”.

Особистий внесок здобувача. Здобувач брав безпосередню участь у плануванні досліджень, виконанні натурних спостережень. Також виконав математичну обробку результатів досліджень.

Основні наукові положення, розроблені методики запропоновано та сформульовано особисто автором.

Апробація. Результати досліджень апробовані на наукових конференціях викладачів та співробітників НУВГП, м. Рівне, (2000-2004 рр.), з'їзді Географічного товариства України, м. Луцьк, (2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології і енергозбереження у дорожньому будівництві”, м. Київ (2001, 2004 рр.), науково-практичній конференції “Вплив руйнівних повеней та зсувних процесів на функціонування інженерних споруд”, м. Ужгород (2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні екологічні проблеми Республіки Татарстан”, м. Казань, (2002 р.), VI Всеросійському гідрологічному з'їзді, м. Санкт-Петербург, (2004 р.), Міжнародній науковій конференції „Гідроекологія річкових русел”, м. Київ, (2006 р.), Десятому Міжнародному симпозіумі з річкової седиментації, м. Москва (2007 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 13 наукових праць, у тому числі 4 статті у фахових виданнях, визнаних ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, 6 додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації - 157 сторінок, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 5 таблиць, 22 рисунки. Список використаних джерел складається із 125 найменувань, з них 14 іноземних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі „Сучасне уявлення про зв'язок гідрологічних та морфологічних характеристик річок” виконано аналіз літературних джерел, які присвячені питанням зв'язків гідрологічних та морфологічних характеристик річок.

Відомо, що всі природні процеси, які є в географічному середовищі, тісно пов'язані між собою і становлять єдиний комплекс взаємозв'язків. Очевидно, що узагальнення результатів виконаних досліджень закономірностей формування річкових русел має цінність не лише для розвитку окремого розділу гідрології - теорії руслового процесу, а й для подальшого розвитку методів інженерної гідрології, зокрема, для розрахунку максимальних витрат води. Русловий процес та формування максимальних витрат мають багато спільних факторів. Але конкретних рекомендацій для визначення характеристик максимального стоку з використанням положень теорії руслового процесу на сьогодні немає.

У другому розділі „Методика досліджень, оцінка точності даних. Фізико-географічна характеристика об'єкту досліджень” наведено обгрунтування задач роботи, вказано методи досліджень та дано характеристику умов формування паводків та твердого стоку річок Українських Карпат.

Виходячи з концепції єдності комплексу природних процесів, основна мета наших досліджень - розробка для регіону Українських Карпат залежностей, необхідних для визначення максимальних витрат, з використанням результатів теорії руслового процесу. У роботі використано поділ русел за типами руслового процесу, що вносить систематичність у масив даних, дозволяє відслідковувати зв'язок руслових умов із умовами на водозборі. Нами використано типізацію Бухіна М.Н., Базилевича В.А., Кафтана О.Н.

Для виконання окреслених нами задач досліджень було виконано ряд робіт, до складу яких входили попередні теоретичні опрацювання та натурні дослідження. Ці роботи включали в себе організацію та виконання натурного експерименту, співставлення та обробку великої кількості картографічного матеріалу, аналіз результатів досліджень та даних спостережень інших організацій та авторів. Значний внесок у вивчення руслового режиму річок Українських Карпат зроблено експедиційними дослідженнями О.Н. Кафтана, В.В. Онищука, О.М. Козицького, О.Г. Ободовського.

У роботі використано дані вимірювань параметрів мезоформ на 43 ділянках річок з різним типами руслового процесу. При цьому узагальнено дані по 139 замірах боковиків та 168 замірах плесових і перекатних ділянок. Використано результати гранулометричного аналізу руслових відкладів для 62 ділянок водпостів. Відомості про параметри звивин для меандруючих річок (довжина, крок, радіус) було отримано з крупномасштабних карт.

Дослідження динаміки та визначення деяких закономірностей розвитку руслових форм річок Українських Карпат виконували на основі натурних спостережень на дослідних ділянках у передгірській зоні, а також на основі теоретичного узагальнення раніше виконаних досліджень по типізації річок із залученням даних гідрометричних спостережень на річках Українських Карпат за багаторічний період. Ділянки виконання натурних спостережень за мезоформами та гранулометричним складом наносів показано на рис. 1.

Аналізу умов формування паводків на річках Українських Карпат присвячені роботи П.М. Лютика, М.І. Кирилюка, П.Ф. Вишневського, А.М. Бефані, С.М. Перехреста, О.Г. Іваненка, Я.А. Фоменка, М.В. Лаликіна, О.М. Мельничука, М.М. Сусідка, В.В. Вакалюка, О.Б. Лук'янець, А.В. Яцика, Є.Д. Гопченко, М.І. Ромащенка, Д.П. Савчука, А.І. Шерешевського та ін.

Формування паводків в Карпатах відбувається в складному процесі взаємодії гідрометеорологічних факторів та характеристик водозборів. Річковий стік формується в результаті волого- і теплообміну між підстильною поверхнею і атмосферою. Він залежить також і від цілого комплексу природних чинників. Грунтовні дослідження водного балансу Українських Карпат було виконано М.І. Кирилюком. У горах стік води формується в умовах зміни широтної зональності та висотної поясності. Вплив експозиції, крутизни та затінення схилів гірськими хребтами на розподіл кліматичних чинників зумовлює утворення різноманітних ландшафтів, які впливають на формування і структуру водного балансу.

Вивченню впливу на стік екологічного стану водозборів, ландшафтно-ценотич-ній оцінці стану долин річок та впливу на них господарської діяльності присвячені робити А.В. Яцика, А.І. Томільцевої, І.П. Ковальчука, О.В. Пилипович та ін.

На сьогодні при розробках залежностей для визначення максимальних витрат води доводиться враховувати лише вирішальні фактори стоку, особливо з огляду назабезпеченість гідрометричною інформацією про паводкові режими річок. У своїх дослідженнях ми використовуємо положення гідроморфологічної теорії руслового процесу, згідно з якими вся складність фізико-географічних умов формування стоку води знаходить своє відображення у руслових процесах на ділянках річок - процесах перевідкладання наносів під впливом потоку води.

Однією з інтегральних характеристик фізико-географічних, гідрометеорологіч-них чинників формування максимальних витрат є середньозважений діаметр наносів річок d_{cep зв.}, (оцінюється за формулою, , де d_i - середній діаметр і-тої фракції проби, P_i - доля цієї фракції). Для його визначення нами запропоновано формулу

d_{сер. зв} = kН_в І_в, (1)

де d_{сер. зв} - середньозважений діаметр наносів, мм; Н_в - середня абсолютна висота водозбору, м; І_в - середньозважений похил водозбору; k - емпіричний коефіцієнт, рівний 0,68 для річок Прикарпаття та 0,33 для річок Закарпаття.

Достовірність апроксимації за формулою (1) оцінена нами через коефіцієнт парної кореляції R², який становить 0,82.

У третьому розділі „Зв'язок гідрологічних та морфологічних характеристик русел річок Українських Карпат. Визначення руслоформуючих витрат” подано аналіз зв'язку гідрологічних та морфологічних характеристик русел річок та розглянуто питання визначення руслоформуючих витрат.

Аналіз матеріалів натурних обстежень річок Карпат з урахуванням існуючих типізацій руслового процесу дозволив виділити наступні типи руслових форм, які представлені на рис. 2. Найпоширенішим типом руслового процесу на річках Українських Карпат є стиснуті русла з обривистими берегами (протяжність таких русел становить 20,8% від сумарної довжини гідрографічної мережі Українських Карпат), далі незавершене меандрування (17,9%), стиснуті русла з нечітко вираженими берегами (13,2%), обмежене меандрування (12,6%), осередковий тип (12,2%), каналізоване русло (10,2%), вільне меандрування (8,5%), стиснуті русла з необмеженим надходженням наносів (4,6%).

Чергування ділянок русел з різними типами руслового процесу значною мірою визначається послідовною зміною по довжині річки крупності транспортованих донних наносів. При цьому характерне розташування типів руслового процесу в гірській зоні Карпат наступне: стиснуті русла з обмеженим надходженням наносів; стиснуті русла з необмеженим надходженням наносів; русла обмеженого меандрування; осередковий тип.

Після виходу річок з гір спостерігається тенденція до послідовного зменшення витрати та крупності транспортованих донних наносів. Тут спостерігаються наступні типи руслових форм: осередковий тип; незавершене меандрування; вільне меандрування; каналізовані русла. На багатьох Карпатських річках при виході з гір осередковий тип русел відсутній, їх змінює незавершене меандрування. Дослідження морфологічних особливостей різних типів руслового процесу підтверджують залежність умов протікання максимумів паводків від схем руслових деформацій.

Протягом останніх десятиліть суттєвого впливу на русловий режим, а, отже, і на умови формування максимальних витрат води, завдає господарська діяльність людини, в тому числі із видобутку річкових наносів для потреб будівництва. Вивченню впливу кар'єрних господарств Карпатського регіону на русловий режим присвячено роботи О.Н. Кафтана, В.В. Онищука, О.Г. Ободовського, Ю.С. Ющенка, О.М. Козицького та ін. Кар'єрними господарствами, котрі відбирають річкові наноси у кількостях, що перевищують природне надходження наносів з верхніх ділянок гідрографічної мережі здійснюється значне втручання у русловий режим річок. Воно спричиняє зниження відміток русла ріки, посилення інтенсивності ходу руслових переформувань, зумовлює пониження рівнів грунтових вод на прилеглих територіях, вихід з ладу захисних споруд та ін. Такі зміни русел обумовлюють при цьому і зміни умов проходження паводків та формування максимальних витрат води. Натурні спостереження за русловим режимом дозволили нам кількісно оцінити характер таких переформувань. За результатами вишукувань, виконаними на річках Стрий, Бистриця Надвірнянська, встановлено, що пониження відміток дна русла в районах діючих кар'єрів не припиняється з їхнім закриттям. Тенденція до пониження ложа русла зберігається, хоч і з порівняно меншою інтенсивністю. Порушення природної динамічної рівноваги призвело до зміни типу руслового процесу. Осередковий тип змінився на меандруючий тип русла. Штучно викликаний процес меандрування викликав цілий ряд народногосподарських проблем.

Щоб запобігти розвитку небажаних деформацій необхідно перейти до науково обгрунтованих норм видобутку наносів, а також в рамках розробки водогосподарських проектів виконувати розрахунки можливих змін типу руслового процесу після будівництва гідротехнічних споруд. Для цього нами було розроблено критерії типів русел для річок Українських Карпат на основі гідравлічних характеристик потоку, які зазнають змін внаслідок будівництва в руслах та заплавах річок. Також для умов Українських Карпат для розподілу русел за типами їх деформацій було апробовано критерій зародження боковиків, запропонований В.М. Католіковим

, (2)

де Fr - число Фруда, b, h_сер, I - відповідно ширина, середня глибина та середньозважений похил потоку.

Нами встановлено характерні для карпатських річок значення Fr та (b/h_cep)І :

· стиснуті русла з обмеженим надходженням наносів, стиснуті русла з необмеженим надходженням наносів Fr>0,5; (b/h_cep)І <0,4.

· каналізовані русла Fr = 0,3-0,6; (b/h_cep)І <0,1.

· русла обмеженого меандрування Fr = 0,3-0,5; (b/h_cep)І =0,1-0,3.

· русла незавершеного меандрування Fr = 0,16-0,3; (b/h_cep)І =0,06-0,13.

· русла вільного меандрування Fr < 0,16 та (b/h_cep)І <0,06.

· осередковий тип Fr = 0,25-0,3 та (b/h_cep)І =0,15-0,3.

Названі характеристики відповідають руслоформуючим витратам води.

Використання енергетичних та гідравлічних характеристик, що визначають розвиток хвильових явищ у кінематичній структурі потоку, як критеріїв типу руслових деформацій дозволило чітко розподілити русла за характером руслового процесу. Це підтверджує гіпотезу про визначальну роль хвильових явищ у потоці при формуванні русла, висунуту рядом вчених (О.Н. Кафтан, В.В. Онищук, З.Д. Копаліані, В.М. Католіков та ін.).

Виконання проектів із забезпечення екологічної рівноваги річок неможливе без визначення руслоформуючих витрат води. Питання визначення руслоформуючих витрат розглянуто у роботах М.А. Веліканова, М.І. Маккавеєва, В.В. Ромашина, З.Д. Копаліані, Р.С. Чалова, О.Н. Кафтана, О.Г. Ободовського, Н.І. Католікової та ін. Ми виконали розрахунки руслоформуючих витрат за методикою О.Н. Кафтана, доцільність застосування якої для регіону Українських Карпат підтверджено роботами В.В. Онищука, О.Г. Ободовського, О.М. Козицького, О. С. Коноваленко.

Для випадку відсутності даних гідрометричних спостережень за стоком води нами запропоновано методику визначення руслоформуючих витрат, яка грунтується на одному із принципів гідролого-морфологічної теорії руслового процесу - дискретності руслових перетворень. На думку М.Е. Кондратьєва, І.В. Попова, А.В. Карасьова, З.Д. Копаліані та ін. твердий стік є ключовим фактором руслових процесів, у якому проявляються ландшафтно-геологічні та гідрологічні умови басейну. Оскільки руслоформуюча витрата відповідає початку масового руху донних наносів у структурних формах, то параметри грядових руслових утворень відповідають гідравлічним руслоформуючим характеристикам. Витрати води менші від руслоформуючих суттєво не змінюють лінійних розмірів мезоформ, яких вони набули під впливом руслоформуючих витрат. Таким чином, для визначення руслоформуючих витрат можна використовувати зв'язки значень руслоформуючих витрат Q_р.ф. із лінійними розмірами руслових утворень (боковики, плесові та перекатні зони).

За результатами обробки даних натурних досліджень ми отримали залежності для визначення руслоформуючих витрат Q_р.ф. для різних типів руслового процесу. Для гірських ділянок русел формула на основі довжини боковика L_бок

Q_р.ф.=aL_бок^b , (3)

для русел з необмеженим надходження наносів а=1,18; b=1,12 (R²=0,85);

для русел з обмеженим надходженням наносів а=2,62; b=0,84 (R²=0,80).

Для передгірських ділянок русел формула на основі довжини перекату L_пер

Q_р.ф.=aL_пер^b, (4)

для осередкового типу а=12770; b= - 0,87 (R²=0,69);

для незавершеного меандрування а=0,01; b=2,64 (R²=0,71);

для вільного меандрування а=11,65; b=0,73 (R²=0,93);

для обмеженого меандрування а=10,1; b=0,75 (R²=0,57).

У четвертому розділі „Розрахунок максимальних зливових витрат води за відсутності даних гідрометричних спостережень з урахуванням руслового процесу” розглянуто умови проходження паводків, вплив типу русла на швидкість добігання та визначення максимальних зливових витрат з урахуванням руслових умов.

На формування максимальних зливових витрат, крім метеорологічних факторів (інтенсивність, тривалість, шар зливових опадів, площа зрошення), як відомо, значно впливають місцеві особливості водозбору (значення площі водозбору, його форма, геоморфологія, ступінь і характер залісненості, зарегульованості, та ін.) і річки ( довжина водотоку і його похил, кількість наносів, характер долини, та ін.). Найбільш раціональним методом розрахунку зливового стоку на сучасному етапі гідрологічних досліджень є генетичний метод, який враховує залежності між величинами зливового стоку та основними компонентами його формування. Одним із вирішальних чинників максимального стоку є швидкість добігання хвилі паводку.

Як відомо, гідроморфологічні співвідношення відображають результат взаємодії потоку і русла. Основне із них - відношення ширини потоку b до його середньої глибини h_сер. Пропускна здатність русел, швидкість добігання визначаються гідравлічним опором, який залежить від гранулометричного складу наносів, відносної шорсткості (h_сер / d_{cep. зв}), руслових форм, обрису долини річки. Названі фактори змінюються по довжині річки, впливаючи (поряд із характеристиками водозбору та гідрометеорологічними чинниками) на формування різних типів русел.

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

На основі гідравлічних характеристик, які відповідають руслоформуючій витраті, нами побудовано графік (рис. 3), який дозволив чітко виділити умови існування типів русел по території Українських Карпат, встановлених на основі натурних досліджень, фізико-географічних та енергетичних критеріальних залежностей.

Прямі, що показані на рис.3, осереднюють точки різних типів русел. Їх кути нахилу характеризують 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. 4 можна зробити висновок, що якщо певний об'єм паводка через меандруючі ділянки русла буде проходити найдовший період часу, то ділянки річки із стиснутим чи каналізованим типом русла цей самий об'єм пропустять за менший час порівняно до ділянок з іншими типами руслових деформацій. русловий карпати кар'єрний водозбор

Різним типам русел відповідає різна транспортуюча, а, отже, і пропускна здатність русел. Аналіз графіків залежності середньої швидкості V від витрати Q дав можливість виявити залежність швидкості добігання 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.4). Тобто приросту швидкості відповідає різна, залежно від типу русла, зміна площі поперечного перерізу.

Для апроксимації залежності V=f(Q) обрано логарифмічну функцію виду V = А ln(Q), де A - параметр типу русла, м/c, який для річок Українських Карпат (за нашими дослідженнями) змінюється в межах від 0,22 до 0,70. Як видно з рис. 4, 5 більші значення A відповідають більш стиснутим руслам.

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

Для визначення швидкості добігання хвилі паводку V_доб, м/с, для Карпатського регіону розроблено емпіричну формулу (5). У виразі під логарифмом використано частку Q/Q_р.ф., як показник висоти паводку

, (5)

де Q - розрахункова паводкова витрата, м³/с; V₀ =5,17А - швидкість добігання руслоформуючої витрати, м/с.

Параметр типу русла А, м/с, визначається за формулою (6).

Параметр типу русла А відображає наступні чинники:

1. Вплив форми поперечного перерізу русла та здатність пропуску руслом високих витрат води. Як видно з рис. 3, 4 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 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.

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 d_{cep. зв}.

Відомо, що зміна типів руслового процесу у загальному відповідає зміні висоти водозбору річки. Це також знайшло відображення у досить тісній залежності (R²=0,72) параметру типу русла A від d_cep.зв.

Використання для визначення A виразу, де g - прискорення вільного падіння, м/с², дало можливість отримати рівняння, яке відповідає принципу розмірності. Вираз характеризує потенціальну енергію зерен донних наносів, яка протиставляється кінетичній енергії потоку (рис. 5)

A =, (6)

де а=0,22 - регіональний коефіцієнт для Українських Карпат.

Також для визначення швидкості добігання на ділянці річки для Карпатського регіону можна застосовувати вихідну емпіричну формулу

V= А ln(Q), (7)

Запропонований метод розрахунку швидкості добігання хвилі паводку перевірено за фактичними швидкостями добігання 29 паводків, дані по яких отримано інститутом “Львівдіпроводгосп”. Результати розрахунку мають забезпеченість 25%-ної похибки у 89,7%.

Також було виконано перевірку отриманої формули, як складової регіональної методики визначення розрахункових зливових витрат ВНД 33.5.5-14-03. Апробація за даними по 111 створах показала, що використання запропонованого способу визначення швидкості добігання хвилі паводку дозволило підняти забезпеченість 25%-го інтервалу похибок із 75 до 82%.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі визначення розрахункових значень максимальних зливових витрат води при відсутності або недостатності даних гідрометричних спостережень для річок Українських Карпат за рахунок використання даних натурних обстежень руслових утворень. Основні висновки за результатами виконаних досліджень зводяться до наступного:

1. Даних гідрометричних постів на річках Українських Карпат недостатньо для інженерно-гідрологічного обгрунтування гідротехнічного будівництва. Особливо це стосується передгірських ділянок, які характеризуються складними умовами розвитку планових і висотних деформацій русел. Оскільки репрезентативність рядів спостережень часто буває порушена під впливом кар'єрних розробок руслових відкладів або внаслідок руйнування водомірних постів високими паводками, то для оцінки значень максимальних витрат розроблено метод на основі вивчення руслових форм (мезоформ), які утворилися під дією максимальних витрат води.

2. Середньозважений діаметр наносів d_{сер. зв} є одним із інтегральних параметрів, який характеризує інтенсивність проходження максимальних витрат і їх руслоформуючий потенціал.

На основі даних натурних спостережень розроблено формулу (1) для визначення середньозваженого діаметра наносів залежно від значень середньої висоти водозбору та середньозваженого похилу водозбору.

3. Морфологічні особливості прояву різних типів руслового процесу впливають на формування максимальних витрат води, визначаючи при цьому різну швидкість добігання хвилі паводку.

4. На режим річок Українських Карпат суттєво впливають кар'єрні розробки річкових наносів. На основі натурних спостережень встановлено, що хід руслових деформацій, започаткований кар'єрними виробками продовжується і після їх закриття у вигляді залишкової деформації.

5. Запропоновано критеріальні графіки та залежності, що визначають межі, характерні для різних типів руслового процесу річок Українських Карпат, а саме: залежність (2) для типізації русел на основі гідравлічних характеристик; графіки залежності b/h_сер=f(QІ) для різних типів руслового процесу (рис. 3), які дозволяють вирішувати задачі у питаннях передбачення можливих змін загальної тенденції розвитку руслових деформацій під впливом річкових споруд та кар'єрних господарств. Крім того, використання характеристик, що визначають кінематичну структуру потоку, дозволило чітко розподілити русла за типами руслового процесу. Це підтверджує висновок про визначальну роль хвильових явищ у потоці при формуванні русла.

6. Розрахунки руслоформуючих витрат води для річок Українських Карпат доцільно здійснювати на основі методики О.Н. Кафтана. Забезпеченість руслоформуючих витрат за нашими розрахунками змінюється в межах від 13 до 60 % залежно від типу руслового процесу.

7. Для випадку відсутності даних гідрометричних спостережень нами запропоновано емпіричні формули для визначення руслоформуючої витрати. А саме: для гірських ділянок русел (стиснуті типи) залежність (3), отримана на основі довжини боковика L_бок; для передгірських ділянок річок (осередковий тип, обмежене, незавершене, вільне меандрування) залежність (4), отримана на основі довжини перекату L_пер.

8. Для визначення швидкості добігання хвилі паводку запропоновано емпіричні формули (5, 7), які можуть бути використані для водотоків із площею водозбору понад 100 км². Однією із переваг формул є незначна кількість змінних параметрів. Зокрема, у формулі не використовується значення середньозваженого похилу водотоку, встановлення якого часто має недостатню точність. Визначальними параметрами є значення розрахункової витрати та середньозважений діаметр наносів, як узагальнююча характеристика гідравлічного опору на ділянці.

9. Врахування руслового процесу при розрахунку швидкості добігання хвилі паводку дозволяє в цілому підвищити точність визначення розрахункових максимальних зливових витрат води.

10. Виробництву для регіону Українських Карпат пропонуються методи розрахунку максимальних витрат, удосконалені шляхом врахування пара-метрів руслового процесу, які встановлено за даними натурних спостережень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Корбутяк В.М. Динаміка руслових деформацій р. Бистриця Надвірнянська / В.М. Корбутяк // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво : зб. наук. праць. - Рівне, 2000. - Вип. 25. - С. 27-33.

2. Кафтан О.Н. Залишковий вплив закритих кар'єрів на хід руслових деформацій / О.Н. Кафтан, В.М. Корбутяк // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво : міжвідомчий науково-технічний збірник. - К. : НТУ, 2001. - Вип. 63. - С. 170-172. (Здобувач визначив інтенсивність розвитку незворотних руслових деформацій на ділянці р. Стрий (Ходовичі-Пісчани) після закриття кар'єрного господарства).

3. Корбутяк В.М. Вплив руслоформуючих витрат води на формування руслових утворень на річках Українських Карпат / В.М. Корбутяк // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2002. - Вип. 5(18), ч.5. - С. 63-70.

4. Кафтан О.Н. Гідродинамічні умови формування типів русел / О.Н. Кафтан, В.М. Корбутяк, В.В. Онищук // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2003. - Вип. 4(23). - С. 10-16. (Здобувач розробив критеріальну залежність для типізаці русел, встановив залежність параметрів макроформ із значенням питомої потужності водотоку).

5. Щодро О.Є. Катастрофічні розмиви, пов'язані із звальними течіями та їх зв'язок із геоморфологією / О.Є. Щодро, Л.А. Шинкарук, В.М. Корбутяк, В.М. Шитов // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво : науково-технічний збірник. - К. : НТУ, 2004. - Вип. 72. - С. 186-193. (Здобувач дослідив вплив геоморфологічних характеристик на катастрофічні розмиви).

6. Корбутяк В.М. Гідроморфологічні аспекти пропуску паводкових витрат води гірськими руслами / В.М. Корбутяк // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2007. - Вип.3(39), ч.2. - С. 92-101.

7. Річки гірські. Регулювання русел та догляд : ВНД 33-5.5-14-03. - Затверджено наказом Держводгоспу № 14 від 21.01.2003р. (Здобувач брав участь у розробці додатку А „Типи русел річок Українських Карпат” та додатку Б „Методика розрахунку максимальних витрат води нормативної забезпеченості „).

8. Методика розрахунку руслоформуючих витрат на гірських річках України. -Затверджено наказом Держводгоспу № 25 від 29.01.07, введ 01.02.07 (Здобувачем написано п. 3.1. „Максимальні витрати води”, виконано розрахунки руслоформуючих витрат води).

9. Україна та глобальні процеси: географічний вимір [матеріали VIII з'їзду Українського географічного товариства] / Міністерство освіти і науки, Українське географічне товариство [та ін.]. - Київ-Луцьк: Вежа, 2000. - Т.2. - 407 с. (Здобувач охарактеризував основні типи русел річок Українських Карпат).

10. Матеріали науково-практичної конференції „Вплив руйнівних повеней та зсувних процесів на функціонування інженерних мереж” : наукове видання (25-28 лютого 2002 р., м. Ужгород) / Закарпатська обласна адміністрація, Тов. „Знання” України [та ін.]. - Ужгород, 2002. - 89 с.

11. Проблемы русловых процессов эрозии и наносов: тезисы докладов VI Всероссийского гидрологического съезда. Секция 6. (28 сент. - 1 окт. 2004 г. Санкт-Петербург) / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. - Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 2004. - 136 с. (Здобувач виконав аналіз зв'язку параметрів мезоформ із значеннями руслоформуючих витрат).

12. Гидрофизические явления и процессы. Формирования и изменчивость речного стока, гидрологические и водохозяйственные расчеты : тезисы докладов VI Всероссийского гидрологического съезда. Секция 5 (28 сент. - 1 окт. 2004 г., Санкт-Петербург) / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. - Санкт-Петербург : Гидрометеиздат, 2004. - 246 с. (Здобувач виконав аналіз територіального розподілу максимальної інтенсивності водовіддачі).

13. Proceeding of the 10-th International Symposium on River Sedimentation. Volume 2. Effects of River Sediments and Channel Processes on Social, Economic and Environmental Safety. August 1-4, 2007, Moscow, Russia / M.V. Lomonosov Moscow State University [UNESCO, at al. ]. - Moscow, 2007. - 532 p. (Здобувач виконав аналіз зв'язків параметрів мезоформ із значеннями руслоформуючих витрат, розробив критеріальну залежність для типізацїі русел).

АНОТАЦІЯ

Корбутяк В.М. Вдосконалення методів розрахунку максимальних витрат на основі параметрів руслового процесу (на прикладі річок Українських Карпат). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Національний університет водного господарства та природокористування. - Рівне, 2008.

У роботі показана можливість використання вимірників руслового процесу для визначення максимальних зливових витрат. Зокрема, запропоновано формулу для визначення швидкості добігання розрахункової витрати на основі параметру типу русла. Встановлено зв'язок крупності наносів із середньозваженою висотою водозбору для Карпатського регіону. Обгрунтовано можливість використання значень руслоформуючих витрат для визначення розрахункових максимальних витрат. На основі обробки даних натурних спостережень отримано формули для визначення руслоформуючих витрат залежно від параметрів крупних руслових утворень для різних типів руслового процесу. На основі багаторічних натурних спостережень виконано оцінку розвитку незворотних руслових деформацій під впливом кар'єрних розробок річкових наносів. Запропоновано залежності для типізації русел на основі гідравлічних характеристик, які можуть бути використані для передбачення можливих змін типу руслового процесу ділянок Карпатських річок під впливом гідротехнічного будівництва.

Ключові слова: максимальні витрати, швидкість добігання, середньозважений діаметр наносів, руслоформуючі витрати, мезоформи, руслові деформації.

Корбутяк В.М. Усовершенствование методов расчета максимальных расходов на основании параметров руслового процесса (на примере рек Украинских Карпат). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Национальный университет водного хозяйства и природопользования. - Ровно, 2008.

В работе показана возможность использования измерителей руслового процесса для определения максимальных ливневых расходов. В частности, предложено формулу для определения скорости добегания расчетного расхода на основании параметра руслового процесса. Установлена зависи-мость крупности наносов от средневзвешенной высоты водосбора для Карпатского региона. Обоснована возможность использования руслоформи-рующих расходов для определения расчетных максимальных расходов. За результатами обработки данных натурных измерений получены формулы для определения руслоформирующих расходов в зависимости от параметров крупных русловых образований для разных типов руслового процесса. На основании многолетних натурных наблюдений выполнена оценка развития необратимых русловых деформаций под влиянием карьерных разработок речных наносов. Предложены зависимости для типизации русел на основании гидравлических характеристик, которые могут быть использованы для предусмотрения возможных изменений типа руслового процесса участков рек Карпатского региона под влиянием гидротехнического строительства.

Ключевые слова: максимальные расходы, скорость добегания, средневзвешенный диаметр наносов, руслоформирующие расходы, мезоформы, русловые деформации.

Korbutyak V.M. Improvement of calculation methods of maximum runoff determination by parameters of fluviomorphological process. - Manuscript.

Thesis for an academic degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.23.16 - Hydraulics and engineering hydrology. - National university of water management and natural resources, Rivne, 2008.

The dissertation is dedicated to theoretical generalization and new methods of solving of scientific task of determination of calculation maximum cloud-burst water discharge values under missing or insufficiency of hydrometric observational data for river of Ukrainian Carpathians. Designing, construction and maintenance of flood-control and coast-protecting structures, heavy using of the Ukrainian Carpathians water resources and its preservation require corresponding scientific ground. Experience of structures operation on Carpathians rivers point to low efficiency and short life span of many types of structures, that is explained by failure to take account of features of riverbed deformations development at flood-control and coast-protecting works (incorrect composition without forecasting of deformations development), riverbed deformations caused by quarrying of river sediments from flood-lands and riverbeds.

At the present day evolution of fluviomorphological process theory gives new point of view on phenomena, that takes place in water flow. It opens up possibilities for determining hydrologic parameters by studying of main energetic, morphological and physiographical factors, that effect on forming of different riverbed types. Developing of regional methods of hydrologic characteristics determination is especially actual with relation to complexity of realization of hydrometric observations during high water period on mountain rivers.

The necessity of further inquiry of distinguished problems is caused by variety of natural factors, that determine structural and dynamic peculiarities of mountain rivers. These factors not adequately explored at present day.

The object of our investigations is the process of forming of maximum runoff and riverbed deformations on the rivers of Ukrainian Carpathians. The subject of our investigations are methods of calculation of maximum water discharges in case of missing or insufficiency of hydrometric observational data; fluviomorphological process of Ukrainian Carpathian rivers and their riverbed formative water discharges. The main methods of our investigations - in-situ observation of riverbed deformations, analysis of hydrometric observational data, analysis of cartographic sources, using of present-day methods of data processing (mathematical methods, geoinformation technologies). Analysis of obtained data was executed with using of results of in-situ measurements, theoretical and laboratorial investigations of other authors. Scientific newness lies in using of in-situ measurements data of riverbed formations for determining maximum water discharges. In particular, formula for determination of lag velocity by parameter of riverbed type is offered. Relation of weighted average value of riverbeds sediment diameter with weighted average value of drainage area altitude for Carpathians region was obtained. Possibility of using of bed-formation discharges for distinguishing of calculated values of maximum downpour water discharges is supported. Formulas for determining of value of bed-formation water discharge by riverbed forms linear parameters have being received. Relations based on hydraulic characteristics for typification of riverbeds, which can be used for forecasting of possible riverbed deformations on Carpathians Rivers, are offered. Estimation of evolution of riverbed deformation under the influence of quarrying alluvial sediment is accomplished, based on data of long-term observations. Basic conclusions by results of fulfilled researches come to next.

Data of hydrometric observations on mounting and submounting sections of rivers are not enough for engineering-hydrological support of hydraulic construction. Hydrometric station damaging by high water, changes of riverbed capacity under influence of quarrying out of alluvial sediment causing deranging of representativeness of observational series. Therefore studying of parameters of riverbed forms, created under influence of floods is useful for subsequent determination of values of maximum water discharges.

Weighted average value of riverbed sediment diameter is one of the main parameters, that characterizes channels conditions of floods passing. Peculiarities of bedload transport regime and water runoff effect on determining conditions of high water discharges forming. Quarrying of river sediment directly effects on regime of rivers. It is discovered that developing of channel deformations, caused by sediment excavation, keep on in the form of residual deformation. Energetic characteristics, that determine kinematic structure of stream, used as criteria of shaping of structural riverbed forms, allowed to separate channels by their types definitely. That can be used for foreseeing of possible changes of general scheme of riverbed deformations under hydraulic constructions and quarrying of river sediment influence.

Lag velocity of flood surge is one of the main parameters of genetic formulas for determining of maximum water discharges. Calculations of maximum runoff with taking into account of fluviomorphological process allowed to increase an accuracy of determination of values of maximum water discharges in the whole.

Exposed regularities of forming of Carpathian rivers bottom topography, obtained criterion of functional dependences of riverbed types, specified parameters of formula of maximum water discharge and calculation of bedload sediment transport in structured form create reliable ground for quantitative assessment of maximum water discharges and riverbed deformations for all tasks of design and operation of water-management systems on the Ukrainian Carpathian rivers. That allows to raise reliability of hydraulic structures in the whole.

Key words: high flow, lag velocity, weighted average value of riverbed sediment diameter, bed-formation water discharge, riverbed forms, channel deformations.

Размещено на Allbest.ru

...