Теоретические и методологические основы изучения расчета и прогноза

Теоретические и методологические основы изучения, расчета и прогноза русловых процессов Католиков В. М. , Клавен А. Б. , Копалиани З. Д, Отдел русловых процессов

Основатели гидроморфологической теории руслового процесса И. В. Попов и Н. Е. Кондратьев

Проф. Б. Ф. Снищенко заведующий Отделом русловых процессов с 1969 по 2007 год

Главное здание Русловой лаборатории ОРП

Главный экспериментальный зал Русловой лаборатории

Постулаты гидроморфологической теории руслового процесса § Русловой процесс - это изменения в морфологическом строении речного русла и поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды. § Независимыми определяющими факторами руслового процесса являются сток воды, сток наносов и ограничивающие условия. § Внутренним содержанием руслового процесса является транспорт наносов, а внешней формой его проявления – морфологические преобразования речного русла и поймы. § Транспорт наносов имеет дискретный характер и осуществляется в виде дискретных целостных морфологических образований на четырех структурных уровнях: на уровне частиц (бесструктурный транспорт), и на уровнях микро-, мезо- и макроформ. § Состояние реки, при котором русловые и пойменные деформации находятся в полном соответствии с расходом наносов, называется состоянием динамического равновесия. § Выделяются циклические обратимые деформации и однонаправленные необратимые деформации.

Постулаты гидроморфологической теории руслового процесса § Кинематическая структура скоростного поля естественного турбулентного потока также имеет дискретный характер. § На каждом структурном уровне движение морфологических элементов в речном русле и их взаимодействие с дискретными структурами водного потока осуществляется по законам, соответствующим этому структурному уровню. § По форме перемещения отдельной частицы в водном потоке наносы делятся на взвешенные (транзитные) и донные (влекомые, руслоформирующие). Кроме механизма их перемещения донные и взвешенные наносы различаются источниками их поступления в речное русло и ролью в процессах руслоформирования.

Основные направления исследований русловых процессов Фундаментальные исследования и разработки § Развитие теории руслового процесса рек и разработка методов прогноза русловых и пойменных деформаций. § Исследование генезиса, условий существования, динамики и взаимовлияния форм транспорта донных наносов всех структурных уровней. § Разработка методов измерения и расчета расхода и стока донных и взвешенных наносов в речных системах при всех типах руслового процесса. § Исследование режима гидравлических сопротивлений при всех формах транспорта наносов (разработка методов прогноза уровней воды с учетом динамики речных русел и пойм, в том числе и прохождении паводков редкой повторяемости). § Исследование морфологии и гидравлики речных пойм разных типов и деформаций речных русел и пойм при наводнениях и катастрофических паводках. § Исследования русловой турбулентности. § Развитие теории и методики экспериментальных исследований процесса транспорта руслоформирующих наносов, гидравлического моделирования и методики лабораторного дела.

Основные направления исследований русловых процессов Прикладные исследования и разработки § Разработка методов расчета и прогноза характеристик транспорта донных руслоформирующих наносов на всех четырех структурных уровнях. § Натурные и лабораторные исследования русловых процессов рек на участках расположения инженерных объектов и сооружений на пространственных гидравлических моделях. § Гидролого-морфологическое обоснование крупнейших водохозяйственных мероприятий, проектируемых и находящихся в эксплуатации объектов народного хозяйства, связанных с гидрологическим режимом рек и пойм и процессами руслоформирования. § Исследование взаимодействия процессов руслоформирования с инженерными сооружениями и мероприятиями, охрана, восстановление и гидроморфологический мониторинг речных русел и пойм, создание методов управления русловым процессом. § Разработка нормативных руководств по учету руслового процесса для различных отраслей экономики страны.

Типизация руслового процесса ГГИ для равнинных рек для рек горно-предгорной зоны а) – горная пойменная многорукавность (пойменное блуждание); б) – долинное блуждание

Виды ограничивающих условий 1 2 3 4 5 6 Степень Характеристика формы проявления воздействия ограничивающего фактора Воздействие оказывается на меженное Наиболее русло водотока, которое пролегает в интенсивная коренных породах Узкая долина, стесняющая речной поток при прохождении половодий и Интенсивная паводков Чехол унаследованных аллювиальных отложений на дне речной долины, Интенсивная более крупных, чем современный аллювий Унаследованные аллювиальные 1)интенсивная формы рельефа, сформированные современным потоком при 2) умеренная прохождении экстремальных половодий и паводков 1)интенсивная Зоны аккумуляции наносов различного 2) умеренная генезиса 3) слабая Заболоченное дно долины 1) умеренная 2) слабая Руслоформирующий расход Во всем диапазоне Q В бровках паводочного русла В бровках русла 1) Q рфр≈Q экстрем 2) в бровках русла Во всем диапазоне Q 1) в бровках русла 2) Q рфр≈Q max 50 -30%

Уклон дна долины Зависимость типов руслового процесса от основных руслоформирующих факторов 1 - русловая многорукавность 2 - незавершенное меандрирование 3 – свободное меандрирование 4 – пойменная многорукавность Средний из годовых максимальных расходов воды, м 3/с

Карта типов руслового процесса рек бассейна р. Кубани

Экспериментальные исследования механизма формирования разных типов руслового процесса

Критериальные условия формирования побочней на равнинных реках

Расчет высоты микроформ – гряд (hг в м) При отсутствии данных о подвижности донных наносов для малых рек, сложенных из песчаного материала для средних и крупных равнинных рек: При наличии данных о глубине и cкорости потока в общем виде для малых и средних рек, сложенных из гравийно-галечного материала и крупного песка в диапазоне значений относительной гладкости потока 30 Н/d 15

Зависимость скорости движения гряд установившегося профиля от кинематических характеристик потока

Методы расчета параметров мезоформ Формулы: В. В. Ромашина З. Д. Копалиани В. М. Католикова

Расчет плановых смещений излучин меандрирующих рек Формула Н. Е. Кондратьева - величина перемещения береговой линии в поперечнике n; - наибольшая скорость перемещения береговой линии на участке - коэффициент скорости развития излучины T , где -угол разворота - период прогнозирования; - наибольшая глубина в данном поперечнике ; - наибольшая глубина на участке излучины Математическая модель В. И. Замышляева уравнение, описывающее поведение величины – угла наклона касательной к оси русла в выбранных декартовых координатах:

Расчет плановых смещений излучин меандрирующих рек § Система теоретических и эмпирических зависимостей для расчета плановых и глубинных деформаций речных излучин

Исследования турбулентной структуры речного потока в потоках с гладким шероховатым дном

Формулы для расчета пульсационных составляющих скорости осредненный по глубине размах пульсаций продольной компоненты актуальной скорости осредненные по времени и по глубине положительные и отрицательные значения вертикальной компоненты наибольшие осредненные по глубине положительные и отрицательные значения вертикальной компоненты осредненные по времени и по глубине положительные и отрицательные значения поперечной компоненты наибольшие осредненные по глубине положительные и отрицательные значения поперечной компоненты наибольшие значения размаха пульсаций продольной компоненты вблизи дна наибольшие положительные и отрицательные значения вертикальной компоненты в зоне (0, 15÷ 0, 40)H от дна наибольшие положительные и отрицательные значения поперечной компоненты в зоне (0, 10÷ 0, 30)H от дна

Форма движения наносов § устанавливается путём сопоставления гидравлической крупности частиц с характерными значениями вертикальной компоненты Если где u – гидравлическая крупность, наносы перемещаются в форме влечения по дну Если наносы перемещаются в форме сальтации вблизи дна Если сальтирующие частицы достигают середины глубины потока. Если наносы переходят во взвешенное состояние и распространяются на всю глубину потока.

Диаграмма форм транспорта донных отложений V*=(g. HI)0. 5

Экспериментальные исследования взаимодействия турбулентного руслового и подруслового потоков Исследования вскрыли физическую сущность и механизм трогания частиц на дне турбулентного потока Это позволяет принципиально по новому подойти к вопросу о расчете «неразмывающих» скоростей течений

Гидравлические сопротивления при грядовом строении дна §C/√g = 0. 78(v/v 0)0. 7(d/hг)0. 27 I-0. 5 C/√g = 4. 4(H/hг)0. 33μ 0. 33 I-0. 5 λ = 3. 28 I/[(v/v 0)1. 14(d/hг)0. 54] λ = 0. 1(H/hг) -0. 67μ-0. 67 I

Влияние формирования побочней на гидравлические сопротивления при руслоформирующем расходе воды Процесс формирования побочней при постоянном руслоформирующем расходе воды происходит без изменения общих гидравлических сопротивлений потоку. По мере роста побочней происходит увеличение доли сопротивлений, оказываемых побочнями, при согласованном уменьшении доли сопротивлений, оказываемых микроформами.

Влияние побочней и гряд на гидравлические сопротивления при расходах воды, меньших руслоформирующих Кривая z 0=f(Q) по данным экспериментов на 82 -метровом лотке при различных состояниях дна 1 - гладкое (безгрядовое дно), 2 - микроформы, 3 - побочни с микроформами, 4 - побочни без микроформ

Гидравлическая модель р. Иртыш с размываемым дном

Продольные профили дна и водной поверхности на схематической модели меандрирующей реки

Рекомендуемые формулы для расчета расходов донных наносов в реках и земляных каналах в руслах равнинных и горно-предгорных рек при грядовом и безгрядовом движении донных наносов Формула ГГИ: Формула Г. И. Шамова q. T= 0. 01 hг. VFr 3; м 3/c* м (1) h. Г = 0. 25 H; H<1 (2) h. Г = 0. 20 + 0. 1 H; H>1 h. Г = 0. 39 d(V/V 0)2. 5 Fr -3. 75 (3) V 0 = 3 H 0. 2(d+0. 0014)0. 3 h. Г = (0. 07 V/V 0 + 0. 02)H 15

При грядовом движении донных наносов: для малых равнинных рек для крупных предгорных рек Формулы: Зависимость Г. И. Шамова и ГГИ, региональные зависимости: Ю. М. Корчохи, Тимиревой-Классен К. В. Гришанина, А. Ф. Кудряшова, Мейер-Петера, Доу-Го-Женя, Цубаки и др. Qт=7γI 3/2(Q-Q 0)2 (Q 0/Q) 0. 25 /√gdmax 2. 5; кг/c В. В. Ромашина Qт=11232 ρ/ρт(Q-Q 0)1. 2/Q 00. 2 Qmx/(Qm-1)x м 3/сут Q 0=0. 067 √g(d 50/I)2. 5 для земляных каналов Формулы С. Х. Абальянца =0. 84 V 4 H-5/6; qт кг/с* м qт=0. 03 V 3(V-V 0)(Hd)-0. 25; кг/с* м ( условия слабого транспорта песчаного материала при малых числах Фруда: безгрядовый режим или рифели )

Создание методов оценки гидрологических и гидравлических характеристик неизученных рек на основе гидроморфологических зависимостей Зависимость относительной ширины русла B/h от расхода воды в бровках русла

Дальнейшее развитие методики моделирования движения донных наносов на размываемых пространственных моделях

Классификация инженерных сооружений и мероприятий по степени и форме их взаимодействия с русловыми процессами

Нормативные документы, разработанные в ОРП Рекомендации по размещению и проектированию рассеивающих выпусков сточных вод – М. , Стройиздат, 1981. ВСН 163 -83 «Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов)» . Рекомендации по учету деформаций речных русел при проектировании инженерных сооружений на реках зоны БАМ – Л. , Гидрометеоиздат, 1983. Рекомендации по прогнозу деформаций речных русел на участках размещения карьeров и в нижних бьефах гидроузлов – Л. , Гидрометеоиздат, 1988. МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ) ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ» СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки СТО ГУ ГГИ 08. 29– 2009

Разработка мероприятий по регулированию речного русла реки Иртыш в районе г. Ханты-Мансийска Цель исследований: обеспечение надежного функционирования речного порта г. Ханты-Мансийска, восточной автотрассы и автодорожного моста через р. Иртыш Лабораторные исследования руслорегулирующих мероприятий на пространственной модели р. Иртыша Разработан прогноз развития русла р. Иртыш на 50 -летний период

В. М. Лохтин, 1897 г. «Поменьше формул и побольше наблюдательности» Н. С. Лелявский «Несмотря на обширные работы многих математиков, гидродинамика не дала еще ни одной точной формулы, безусловно приложимой к практическим расчетам»

Н. Е. Кондратьев, 1972 г. Иногда под теорией понимают не полноту охвата явления логическими связями, а развитость математического аппарата. Но самой наукой математика остается лишь там, где кроме нет другой науки. В прочих же науках она только язык науки… Непонимание этого положения иногда приводит к развитию математического пустословия, которое не только существует, но и вызывает восхищение тех, кто склонен умиляться непонятному. Слабым местом современной теории руслового процесса является недостаточная изученность самого процесса и отсутствие основных формулировок, отражающих его сущность. Отсюда противоречия в разработке деталей, дискуссии по форме, при потере интереса к строгости исходных позиций. Отсюда же и несколько преувеличенный интерес к аппарату, которым подменяется теория.

Положения гидро-морфологической теории, вызывающие острые дискуссии в научной среде § Понятие дискретности и структурности процесса транспорта руслоформирующих наносов § Типизация руслового процесса § Проблема гидравлических сопротивлений в речном потоке § Методика расчета расхода донных наносов и его учета при математическом моделировании § Методология физического моделирования, отличающаяся даже основным объектом моделирования (русловые формы и их динамика в Русловой лаборатории ОРП и русловой поток в других научных гидравлических лабораториях § Роль и назначение математических моделей в исследованиях русловых процессов и в проектировании гидротехнических сооружений

А. Раудкиви, 1999 г. «… агрессивно наступает рынок математических моделей по проблеме русел с подвижным дном. Модельеры преимущественно являются специалистами по программированию и компьютерам с ограниченными знаниями в области физики процессов, происходящих в руслах с подвижными границами. Но красочный продукт компьютерного искусства производит гипнотизирующее воздействие на многих заказчиков особенно из управленческой среды. Конечная продукция при этом не является вкладом ни в компьютерную науку, ни в понимание физики процессов на границе раздела двух сред: потока и подвижного русла. Вызывает озабоченность, что во всем мире сегодня так мало людей занимается исследованием этой сложной и увлекательной проблемы»

Задачи дальнейших фундаментальных исследований § Развитие теории руслового процесса рек и разработка методов прогноза русловых и пойменных деформаций § Исследование генезиса, условий существования, динамики и взаимовлияния форм транспорта донных наносов всех структурных уровней § Исследование режима гидравлических сопротивлений при всех формах транспорта наносов § Разработка и усовершенствование гидроморфологических зависимостей в качестве метода оценки гидрологических и гидравлических параметров речных систем § Исследование процессов руслоформирования и транспорта донных наносов в реках, находящихся под активным воздействием ограничивающих факторов или в неравновесных состояниях § Развитие теории и методики экспериментальных исследований процесса транспорта руслоформирующих наносов, гидравлического моделирования и методики лабораторного дела

Задачи дальнейших прикладных исследований § разработка новых и усовершенствование инженерных методов расчета характеристик руслового процесса, § создание нового поколения нормативных документов по учету руслового процесса при различных видах инженерной деятельности в руслах и на поймах рек. § разработка рекомендаций по охране гидроморфологического состояния водных объектов и их водоохранных зон, рекомендаций по охране, восстановлению и рекультивации речных русел и пойм

Задачи интеграции достижений теории руслового процесса и ее прикладных аспектов с другими дисциплинами § гидрометрия (учет динамики речных русел при организации гидрометрических работ и переход от «створной» гидрометрии к гидрометрии морфологически однородных участков; § гидрофизика (русловые аспекты речных наводнений); § экология (рекомендации по оценке воздействия различных видов инженерной деятельности на морфологическое состояние речных русел и процессы руслоформирования в них и исследования гидроморфологических условий обитания и нереста ихтиофауны в речных руслах, в том числе исследования взаимодействия руслового и подруслового потоков как условий созревания икры и нагула молоди); § гидрохимия (исследование процессов переноса различных загрязнителей речным аллювием в процессе дискретного и структурного транспорта руслоформирующих наносов); § теория формирования и расчеты стока (создание гидроморфологических методов расчета характеристик стока при отсутствии данных наблюдений); § климатология (изучение чувствительности гидрографической сети и речных русел к изменениям климата)

Задачи обеспечения охраны гидроморфологического состояния водных объектов (речных систем) § Разработка общих и региональных рекомендаций по учету руслового процесса рек при организации мониторинга состояния дна и берегов водных объектов (гидроморфологического мониторинга) и мониторинга их водоохранных зон. § Разработка и нормативное закрепление в Водном кодексе РФ положения об охране и допустимых формах использования речных пойм с учетом их естественной динамики и роли в гидрологическом режиме рек. § Разработки рекомендаций по определению планового положения береговой линии с учетом естественных процессов руслоформирования

Задачи интеграции достижений теории руслового процесса и ее прикладных аспектов с функциями Росгидромета § Создание на базе региональных УГКС системы специализированного гидрометобеспечения изыскательских и проектных организаций в области учета руслового процесса при проектировании гидротехнических и водохозяйственнных объектов и мероприятий различных отраслей экономики при научнометодической помощи и нормативном обеспечении ГГИ

Спасибо за внимание