Прогноз скоростного режима пойменного потока в пределах защитной дамбы польдера на примере Хотомельского перепуска

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 532.6: 626/627

Прогноз скоростного режима пойменного потока в пределах защитной дамбы польдера на примере хотомельского перепуска

В.Н. Карнаухов - канд. техн. наук; О.Г. Солтан - инженер

РУП «Институт мелиорации», г. Минск, Беларусь

Аннотация

В основу прогноза скоростного режима пойменного потока положен метод гидравлического расчета, основанный на теории движения жидкости с переменной массой. Рекомендуется как из условий расчета пропускной способности, так и из условий устойчивости сооружений, делить поток на отдельные фрагменты (русловой и пойменные) и учитывать их взаимодействие, отражающее особенности изменения в плане гидравлических и морфометрических характеристик поймы.

Annotation

The method of hydraulic calculation based on the theory of flow of fluid with variable mass is put in a basis of the forecast of a high-speed mode of an inundated flow. It is recommended, both from conditions of calculation of capacity, and from conditions of stability of constructions to divide a stream on fragments (channel and inundated) and to consider their interaction reflecting features of change of hydraulic and morphometrical characteristics of a bottom land in the plan.

В практике мелиоративного и водохозяйственного строительства накоплен определенный опыт гидравлического расчета сложных сечений при регулировании рек-водоприемников. Успешное применение таких расчетов возможно при наличии соответствующих условий, а именно - равномерного распределения шероховатости по ширине пойменного потока.

Поскольку в большинстве случаев при проектировании рек-водоприемников или инженерных сооружений противопаводковой защиты требуется определять гидравлический режим на поймах с растительным покровом, изменяющимся по плотности как по высоте (ярусность), так и по площади (лес, кустарник, болото, русла водотоков и др.), то в таких условиях необходимо учитывать неравномерность распределения в плане гидравлической шероховатости.

Как из условий расчета пропускной способности русл, так и из условий их устойчивости возникает необходимость деления потока на отдельные фрагменты (русловой и пойменные) и учета их взаимодействия, отражающего особенности изменения гидравлических и морфометрических характеристик по ширине поймы.

Цель настоящей публикации - познакомить читателей с методикой и результатами определения скоростного режима пойменного потока без проведения дорогостоящего физического моделирования на типичном примере проектирования перепуска паводковых вод р. Горынь в р. Ствигу (притоки р. Припять) в районе населенного пункта Хотомель Столинского района Брестской области.

Результаты исследований и их обсуждение

Рассматриваемый участок Хотомельского перепуска расположен в пойме р. Льва и ее притока р. Лесовая (рис. 1), на которой с левой стороны хозяйственным способом построена польдерная система площадью около 1,2 тыс. га с ограждающими дамбами, подлежащими реконструкции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема участка (придамбовой зоны) пойменной территории Хотомельского перепуска: 1 - территория под лугами и болотами; 2, 3, 4 - соответственно, занятая редкой, средней и густой ДКР; 5 - польдерная система; 6 - трасса дамбы с придамбовой полосой; 7 - границы фрагментов; 8 - расчетные створы; 9 - номера пикетов дамбы; 10 - прогнозируемые сосредоточенные потоки

Ширина пойменной территории перепуска на данном участке изменяется в пределах 2,5…8 км. Максимальные расчетные расходы воды весеннего половодья (в пределах 1040…1180 м³/с) и уровни воды в расчетных створах, расположенных в рассматриваемой зоне, приняты для условий пропуска максимума весеннего половодья 1%-й обеспеченности.

Современное состояние и изменение растительного покрова пойменных территорий перепуска типично для пойм равнинных рек и обусловлено, с одной стороны, природными факторами (русловые процессы, почвенно-климатические, гидрогеологические и др.), с другой - хозяйственной деятельностью человека (вырубка лесов и кустарников, сенокошение, выпас скота, осушение заболоченных участков и пр.). Большинство лугов возникло на месте господствовавших здесь ранее дубовых и черноольховых лесов после их вырубки, а существование луговой растительности поддерживается режимом сенокосно-пастбищного использования, с ослаблением и прекращением которого пойма быстро зарастает древесно-кустарниковой растительностью (ДКР).

Согласно поперечной зональности и вертикальной поясности поймы более четко выражены три комплекса растительных условий, или три экологические зоны: приречная, средняя и приматериковая. Эти зоны различаются между собой степенью напряженности аллювиального процесса, а следовательно, составом и строением аллювия, почвами, характером мезорельефа и растительным покровом. Наиболее важными для анализа и расчета гидравлических характеристик являются последние два фактора - рельеф и растительный покров.

Таксационное описание растительных ассоциаций по рассматриваемому участку поймы было предоставлено лесхозами по кварталам и выделам (более 500). Плотность размещения деревьев характеризовалась через сумму площадей сечений всех деревьев - абсолютную полноту, выраженную в квадратных метрах и представленную суммой площадей сечений деревьев на одном гектаре.

При определении относительной полноты абсолютная полнота таксируемого древостоя сравнивается с суммой площадей сечений «нормального» насаждения. В таксационной характеристике яруса всегда показывается относительная полнота. Она может быть получена из соотношения сумм площадей сечений на один гектар таксируемого и «нормального» насаждения, то есть

, (1)

где Р - относительная полнота; G - абсолютная полнота, м²/га; G_н - сумма площадей сечений «нормального» насаждения, м²/га.

Под «нормальным» следует понимать такое насаждение, которое при данных форме, породе, возрасте и условиях произрастания является наиболее совершенным, то есть все силы природы использованы в предельной мере [1]. Площади сечений «нормальных» насаждений определялись по специальным таблицам, называемым таблицами хода роста [2].

После определения по таблицам площадей сечений «нормального» насаждения для каждого выдела из формулы (1) были найдены значения абсолютной полноты. Плотность размещения деревьев для каждого выдела была определена на основании данных измерений средних диаметров деревьев на выделах.

Данные о плотности подлеска и подроста, а также размещении болот на территории данного лесхоза содержались в таксационном описании. В нем также было выделено 3 вида подлеска (подроста): редкий, средний и густой.

Все имеющиеся данные о плотности древесно-кустарниковой растительности были ранжированы по группам, представленным графически на схеме (рис. 1) различными условными обозначениями. По результатам ранжирования для каждого выделенного типа были назначены пределы изменения коэффициентов гидравлической шероховатости (табл. 1).

Таблица 1. Коэффициенты шероховатости принятых групп растительности

Для условий равнинных рек половодья и паводки обычно имеют параметр нестационарности П_н, определяемый по формуле (2), в пределах П_н 0,5.

, (2)

где х - средняя скорость, м/с; ДQ - изменение расхода, м³/с за промежуток времени Дt, с.

По исследованиям Г.В. Васильченко [3] для таких условий дополнительным уклоном, возникающим вследствие влияния неустановившегося режима, можно пренебречь.

В связи с этим, потери напора и скоростной режим на коротких участках, соизмеримых с шириной паводкового потока, с достаточной точностью можно определять по формулам установившегося движения.

В первом приближении фрагменты потока назначались на основании анализа планового расположения растительных ассоциаций и рельефа местности. В первую очередь границы фрагментов по ширине потока совмещались с бровками водотоков и горизонталями резкого перепада высот макрорельефа. При наличии на пойме зон с различной степенью зарастания (луг или болото, ДКР различной густоты и др.) границы расчетных фрагментов дополнительно назначались по контурам преобладающих типов растительных ассоциаций согласно табл. 1.

Режим движения воды в пределах выделенных фрагментов потока принимался неравномерным. Для решения задач по гидравлическому расчету в таких условиях была применена методика, основанная на теории движения жидкости с переменной массой [4]. В данной методике расчет рекомендуется выполнять с применением уравнений (3)…(4)

Г.А. Петрова [5] для установившегося режима движения жидкости с переменным вдоль пути расходом, составленных для каждого фрагмента

(3)

, (4)

где Q - расход потока, м³/с; х - средняя скорость, м/с; d_хQ₁, d_хQ₂ - соответственно, присоединяющийся и отделяющийся элементарные расходы воды, м³/с; и₁, и₂ - проекция средних скоростей, присоединяющихся и отделяющихся масс воды на направление движения основного потока, м/с; - пьезометрический напор, м; ₀ - корректив количества движения; i_f - гидравлический уклон; х - направление движения основного потока; g - ускорение свободного падения, м/с².

Для совместного решения систем уравнений (3)…(4), записанных для каждого выделенного фрагмента, была разработана специальная программа для ПЭВМ. Программа позволяет рассчитать перепад кривой свободной поверхности потока между двумя расчетными створами, определить пропускную способность выделенных фрагментов на расчетном участке и средние продольные и поперечные скорости на их границах и в самих фрагментах. Объединение нескольких расчетных участков последовательно в единую задачу позволяет составить математическую модель участка пойменного потока любой сложности, что и было выполнено в данном случае.

Поскольку исходные данные по гидравлической шероховатости для выделенных зон изменяются в больших пределах, то для их уточнения в процессе расчетов проводилась адаптация математической модели к наблюдаемым гидравлическим характеристикам (табл. 1). В качестве опорных характеристик потока при уточнении коэффициентов гидравлической шероховатости приняты данные по отметкам уровней воды и расходам в замыкающих створах рассматриваемого участка.

По результатам предварительного расчета был проведен анализ распределения средних продольных и поперечных скоростей по всем выделенным фрагментам и выполнен прогноз возможности и мест формирования транзитных сосредоточенных потоков с повышенными скоростями (рис. 1).

Для детализации полученных результатов на участке, непосредственно примыкающем к дамбе, была выделена придамбовая зона в пределах от напорного откоса дамбы до первого водотока (р. Льва и р. Лесовая), схема которой представлена на рис. 1. В придамбовой зоне для более полного учета влияния растительных ассоциаций, планового положения дамбы и придамбового канала дополнительно были назначены промежуточные расчетные створы и расчетные фрагменты. Для детального анализа продольных скоростей придамбовая полоса шириной около 25 м была разделена на три фрагмента (рис. 2): 1 - от уреза до подошвы дамбы, 2 - от подошвы дамбы до наружной бровки придамбового канала и 3 - оставшаяся часть полосы.

Недостающие граничные условия для выделенных фрагментов принимались по результатам предварительного расчета всего участка. Расчет распределения продольных скоростей в придамбовой зоне проводился по методике, изложенной выше. В таблице 2 приводятся результаты расчета средних продольных скоростей для трех выбранных фрагментов потока придамбовой полосы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Поперечное сечение придамбовой полосы: 1, 2 и 3 - номера фрагментов

Таблица 2. Распределение продольных скоростей в придамбовой полосе

1. Поскольку распределение естественной растительности по площади мозаично и изменяется в больших пределах, от луговых угодий до густого леса, то условие равномерности распределения гидравлической шероховатости по пойме в плане не соблюдается.

2. При назначении расчетных фрагментов следует учитывать поперечную зональность и вертикальную поясность поймы, в которой более четко выражены три комплекса растительных условий, или три экологические зоны: приречная, средняя и приматериковая. Эти зоны различаются между собой степенью напряженности аллювиального процесса, а следовательно, составом и строением аллювия, почвами, характером мезорельефа и особенным растительным покровом.

3. Как из условий гидравлического расчета пропускной способности и уровенного режима, так и из условий расчета устойчивости дамб обвалования и русл водотоков возникает необходимость деления потока на отдельные фрагменты (русловой, пойменные и придамбовые) и учета их взаимодействия, отражающего особенности изменения гидравлических характеристик всего потока по ширине поймы.

4. Движение воды в пределах фрагментов следует считать неравномерным в связи с наличием изменений их морфометрических параметров и расходов по длине. Поэтому для решения таких задач следует применять теорию движения жидкости в условиях неравномерного режима с переменной массой по длине потока.

5. Поскольку исходные данные по коэффициентам гидравлической шероховатости для выделенных зон изменяются в больших пределах, то для их уточнения в процессе расчетов необходимо проводить адаптацию математической модели к наблюдаемым гидравлическим характеристикам в замыкающих створах.

6. По результатам предварительного анализа распределения средних продольных и поперечных скоростей по фрагментам делается вывод о наличии транзитных сосредоточенных потоков с повышенными скоростями и трасс их формирования. Для уменьшения объемов расчетов уточняющий расчет проводится только для зон повышенной опасности.

Например:

из анализа эпюр продольных и поперечных скоростей по фрагментам следует, что для рассматриваемого случая при пропуске максимальных расходов в придамбовой зоне возможно формирование транзитного сосредоточенного потока с повышенными скоростями на участках между пикетами 10…20, где по условиям расположения растительности и планового положения дамбы, предполагаемый транзитный сосредоточенный вдоль дамбы, поток может сомкнуться с транзитным потоком, приуроченным к реке Лессовая, и со временем усилить свое размывающее воздействие на напорный откос дамбы;

из анализа представленных уточненных эпюр продольных скоростей по придамбовой зоне следует, что в придамбовой полосе при пропуске максимальных расходов прогнозируется формирование на отдельных участках потоков с повышенными скоростями (до 0,8 м/с), для уменьшения влияния которых на устойчивость напорного откоса дамбы (с учетом волнового воздействия) следует предусмотреть специальные лесотехнические и инженерные мероприятия.

Библиографический список

1. Лесная таксация [Текст]: уч. пособие / А.Е. Колосова, Е.С. Мурахтанов. - Л.: Изд-во ВЗЛТИ, 1960. 291 с.

2. Справочник таксатора [Текст] / В.С. Мирошников, О.А. Трулль, В.Е. Ермаков [и др.]; под общ. ред. В.С. Мирошникова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Минск: Ураджай, 1980. 360 с.

3. Мелиорация и освоение поймы Припяти [Текст] / А.Е. Волков, В.Ф. Московиченко, Ф.М. Козлов [и др.]. - Минк: Ураджай, 1982. - 248 с.

4. Карнаухов, В.Н. Метод расчета кривой свободной поверхности воды в руслах сложного сечения в условиях неравномерного установившегося режима движения жидкости с переменной массой [Текст] // Мелиорация и охрана окружающей среды. - Минск, 1989. - С. 112-123.

5. Петров, Г.А. Гидравлика переменной массы [Текст]. - Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1964. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru