Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по географии

Наносы в реках, озерах и водохранилищах в расширенном диапазоне размера частиц

Автореферат докторской диссертации по географии

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

 

Глава 2. Методы расчета транспорта влекомых наносов

Начало транспортирования наносов, лежащих на дне, обуславливается гидродинамическим воздействием потока на них. Пульсация скоростей турбулентного руслового потока приводит к пульсации гидродинамического воздействия на частицы. Поскольку пульсация скоростей подчиняется вероятностным закономерностям, то и взаимодействие потока с твердыми частицами на его дне является преимущественно вероятностным. Механизм транспорта влекомых наносов - наиболее трудоемкая для исследований часть современной теории турбулентного потока. Большое разнообразие параметров бассейнов водотоков в разных географических зонах приводит к очень широким диапазонам колебаний гидравлико- морфометрических параметров потоков и гранулометрического состава транспортируемых наносов.

Во второй половине 20 столетия масштабные исследования транспорта влекомых наносов равнинных рек, выполненных в отделе русловых процессов и лаборатории наносов ГГИ, привели к достаточно разработанной и стройной системе расчетов и измерений расходов мелкофракционных частиц (преимущественно песчаных фракций). На их основе были разработаны соответствующие методические рекомендации, реализованные в практических изысканиях и проектах.

Что же касается транспорта влекомых наносов более крупных размеров, то здесь до последнего времени существовали существенные недоработки. Теоретико-экспериментальные решения расчета транспорта таких наносов в основном опирались либо на динамический подход, при котором изучались процессы взаимодействия потока с твердыми частицами, включающими исследование сил, обуславливающих срыв частиц и дальнейшее их перемещение в турбулентном потоке (работы Леви- 1948, Шамова- 1959, Гончарова- 1962, Гришанина- 1979 и других); либо на вероятностный подход, основывающийся на определении вероятности срыва со дна и передвижения

14

частиц в турбулентном потоке (работы Эйнштейна- 1950, Великанова- 1962 и других).

Важнейшее место среди основных гидравлических факторов, оказывающих влияние на транспорт крупнофракционных наносов, занимает поле осредненных и пульсационных скоростей. В этой связи были выполнены теоретико-экспериментальные работы по анализу закономерностей распределения осредненных продольных скоростей по вертикали потока. При этом основное внимание было уделено исследованиям в придонной зоне, которая оказывает решающее влияние на транспорт наносов. В результате измерений скоростного поля в лабораторных лотках и на реках, расположенных в различных географических зонах: р. Черная Арагви, р. Салигет (Кавказ, Европа), р. Каскелен, р. Тоссор, р. Ала-Арча, р. Кашкасу - (Тянь-Шань, Азия), р. Когон - (Гвинея-Конакри, Африка), было получено более 100 эпюр распределения осредненных скоростей, которые были аппроксимированы соответствующими зависимостями. В таблице 1 приведены основные характеристики водотоков, на которых выполнялись исследования. В процессе полевых экспериментов проводились измерения продольных осредненных скоростей с большим количеством точек на вертикали (обычно более 15-ти).

Таблица 1 Основные гидравлико - морфометрические характеристики водотоков.

Створ	Ср. сконрость, м\с	Ср. глунбина, м	Поверхнос. уклон	Относительная шероховатость
р. Черная Арагви - устье	1.44-2.04	0.54-0.82	0.020	0.013-0.130
р. Салигет - п. Шатин	1.04-1.72	0.38-0.61	0.018	0.026-0.180
р. Каскелен - водозабор	0.84-1.93	0.51-1.11	0.027-0.029	0.018-0.370
р.Тоссор- устье Кодол	0.58-1.80	0.37-0.59	0.032	0.072-0.290
р. Ала-Арча-а устье р.Кашкасу	2.11-2.68	0.64-1.01	0.027-0.030	0.140-0.300
р.Когон - мост	0.50-1.52	1.08-3.04	0.004-0.009	0.009-0.030
р.Полометь-п.Яжелбицы	0.39-1.42	0.53-1.60	0.001-0.002	0.006-0.019

На основании анализа отклонений от эпюр, полученных в результате измерений, и анализа функций шероховатости в придонной зоне, автором предложена эллиптическая зависимость распределения осредненной скорости потока по глубине (1):

V=Vcp/(1-0.45 g yVC '/2)*((l-3g yVC Уг) * (l-0.45g Vc У (y/h)2)y\аа (1)

где V- осредненная скорость в точке, м\с; Vср- средняя скорость на вертикали, м\с; h -глубина на вертикали, м; ^-расстояние от поверхности потока, м; С -

1/9а 9

коэффициент Шези, м \с; g -ускорение свободного падения м \с.

15

Важнейшее значение для исследования процессов срыва и начального движения частиц наносов имеет величина, так называемой интенсивности турбулентности потока - частное от деления среднеквадратичного отклонения актуальной скорости потока и средней скорости (Gy/V). В результате выполненных теоретических исследований и лабораторных экспериментов были получены две формулы для определения этой характеристики турбулентного потока-

GJV= 0.625* (g/MC)1/2 * (1 + 2*V/Vcp (y/h)1A),(2)

где M - эмпирический коэффициент, зависящий от коэффициента Шези и определяемый по приводимым в диссертации формулам, и

GJV=(0.045+0.125 d/h) (0.03+0.16 d/h) In (1-y/h),(3)

где dЧ средний диаметр донных наносов.

Зависимости были проверены по данным натурных измерений на р.Тоссор и по данным лабораторных измерений А.Б.Клавена, З.Д.Копалиани, И.К.Никитина и Н.И.Зайцева. Коэффициенты корреляции между измеренными и вычисленными значениями оказались равными 0.97 для зависимости (2) и 0.95 для зависимости (3), а средние относительные отклонения - 0.16 и 0.12 соответственно. Таким образом, данные зависимости могут быть рекомендованы для определения интенсивности турбулентности и среднеквадратичных отклонений продольных пульсационных скоростей. Полученные зависимости были использованы в дальнейших исследованиях транспорта влекомых частиц.

При построении модели транспорта влекомых наносов в рамках данной работы применен обобщенный динамико- вероятностный подход, позволявший учесть недостатки прежних теоретико-экспериментальных решений. В основе этой модели процессы срыва и перемещения наносов связываются с движением крупномасштабных элементов- вихрей, имеющих квазипериодический характер перемещения, что приводит к квазипериодическому характеру силового воздействия турбулентного потока на лежащие на дне частицы.

Для оценки массы частиц, находящихся в состоянии движения, необходимо учитывать геометрические размеры вихрей и закономерность распределения пульсационных скоростей. Выделив на дне потока площадку, равную проекции крупномасштабного вихря, можно определить ту долю из общей массы частиц, лежащих на поверхности этой площадки, которая будет находиться в состоянии движения. Для данного размера частиц ?/эта доля будет определяться вероятностью Yтого, что значения мгновенной скорости Vбудут превышать начальную скорость влечения частиц V0 .

Общая масса частиц диаметром dповерхностного слоя М, лежащих на площади дна, равной проекции крупномасштабного структурного элемента (с учетом коэффициента заполнения макроструи вихрем кт) будет равна

16

M0=km *lx*lz*pb*dа ,

(4)

где lx - продольный размер крупномасштабного вихря, lz - поперечный размер макроструи, рь - плотность донных наносов в естественном залегании, учитывающая как плотность самих частиц ps, так и характер их залегания (упаковку) в поверхностном слое русла.

Массу частиц находящихся в движении М дв за счет воздействия вихря можно определить с учетом вероятности срыва и поддержания движения частицы Y . При этом необходимо также учесть эффект экранирования частиц донных наносов от гидродинамического воздействия выступами шероховатости. Тогда

Mde = e*kn*lx*l*d*pb* Y ,(5)

где е - коэффициент экранирования частиц.

Влекомые по дну частицы перемещаются с некоторым отставанием от окружающего их потока, поэтому за пределы площадки вместе с крупномасштабным вихрем за время его прохождения Т над площадкой будет вынесена лишь некоторая часть пришедших в движение твердых частиц. Эта часть будет, очевидно, определяться отношением Ve/ VКср , где Vкср- средняя скорость движения крупномасштабного вихря, Ve - скорость влечения частиц наносов крупностью d. Масса частиц, вынесенных за пределы выделенной площадки в единицу времени, т.е. расход крупнофракционных наносов Pbz через поперечное сечение потока шириной lz будет равен

Ры = (Мдв/Т) *(VJVKcp).(6)

В работах ряда исследователей показано, что движение крупномасштабных вихрей в продольном направлении осуществляется со скоростью, близкой к средней скорости потока Vсри в пределах макроструй эти вихри движутся непрерывной цепочкой без заметных промежутков между ними, поэтому расстояние между центрами смежных вихрей можно принять равным среднему продольному размеру вихрей. Период движения вихрей определится из соотношения

T = lx/Vcp.(7)

В результате получаем выражение расхода однородных крупнофракционных наносов через поперечное сечение потока шириной / z

Pbz = e*km*lz*d*pb*Y*Vb.(8)

В диссертации подробно раскрывается содержание параметров, входящих в зависимость (8). Используются результаты выполненных автором исследованийа скоростногоа поля турбулентного русловогоа потока,а а также

17

работы К.И.Россинского- 1980, В.К.Дебольского- 1980, Н.И.Зайцева- 1985, Г.А.Петуховой- 1966 и В.В.Романовского- 1977. Важнейшим параметром формулы (8) является вероятность срыва и движения частиц Y, которая при предположении о нормальном законе распределения актуальных скоростей подчиняется зависимости

Y= 1/2 Ф,(9)

где Ф - интеграл вероятностей, зависящий от аргумента (Уо- V)/Gv.

При разнофракционном составе наносов расчет ведется с учетом среднего размера каждой фракции d, ее относительного содержания а в общем составе и различия высот выступов шероховатости. В результате расход наносов Ръ2 в пределах макроструи равен

Pbz=a*e*km*lz*d *pb * sumЪг*Уг (УгУ01*([гГог)П2 , (10)

i=l

где Vi- осредненная скорость потока на уровне движущейся частицы,^ и foi- коэффициенты динамического и статического трения, Ъ- величина, определяющая долю площади, занимаемой каждой фракцией наносов на поверхности дна, п - число всех транспортируемых фракций. Содержащийся в правой части этой формулы двучлен выражает Уъ (по В.В.Романовскому-1977).

При расчетах в пределах макроструи выполняется суммирование всех частных расходов влекомых наносов от фракции ?=1 до ?: = п. Общий расход наносов по створу определяется как сумма расходов по всем макроструям, в которых осуществляется транспорт наносов. При наличии информации об изменении гранулометрического состава донных наносов по ширине створа, значения плотности наносов в естественном залегании ръ и относительного содержания частиц по фракциям а{ определяются для каждой макроструи с учетом изменения состава наносов. Это позволяет увеличить точность расчетов. В этой связи, необходимо подчеркнуть, что для выполнения вычислений расходов влекомых наносов крайне важно наличие подробной исходной характеристики гидравлико - морфометрических параметров потока.

Была выполнена верификация расчетной схемы транспорта наносов автора по данным натурных измерений, выполненных при помощи разработанных в рамках данной работы средств. С этой целью в процессе полевых работ на р. Ала-Арча и р. Улаф одновременно с измерениями расходов наносов выполнялись измерения всех гидравлических характеристик, необходимых для расчетов по предлагаемой модели транспорта наносов. Для р. Ала- Арча результаты расчета сравнивались с данными измерений расходов наносов, полученные с помощью регистратора движения, на р. Улаф- с помощью удлиненного батометра с гибким дном. Для сравнения эффективности предлагаемого метода расчета были также проведены вычисления расходов влекомых наносов по формулам, рекомендуемым в Указаниях по расчету стока наносов, а именно по формулам Шамова-1952, Гончарова-1962,аа Россинского-1980,аа такжеаа поаа формуламаа Талмазы-1968,

18

Кромера-1985 и Эйнштейна-1950. Было выполнено сравнение для всех случаев, для которых проводились расчеты по предлагаемой в диссертации модели. Значения абсолютных величин средних относительных отклонений вычисленных расходов крупнофракционных наносов от измеренных, подтверждающие преимущество предлагаемой расчетной схемы, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения отклонений вычисленных по формулам расходов

крупнофракционных наносов от измеренных (N откл.) для р. Ала - Арча и р.

Улаф.___________________________________________________________

Объект	Шамов	Гончанров	Российнский	Талмаза	Кромер	Эйншнтейн	Автор
Ала-Арча 1	26.7	99.9	10.5	98.7	123.8	19.1	2.5
Ала-Арча 2	21.1	79.0	6.7	73.4	83.9	15.0	2.1
Улаф	3.6	16.2	2.0	3.2	15.3	1.8	0.4

Следует особо подчеркнуть, что р. Улаф находится в совершенно иной географической зоне, значительно севернее полярного круга. Условия формирования и транспортирования наносов на этой реке резко отличаются от условий рек горных систем, расположенных в южных широтах. В этой связи можно заключить об универсальности применения полученной формулы для различных физико-географических условий бассейнов.

Таким образом, на основании выполненных работ можно сделать вывод, что предложенный в диссертации метод расчета дает результаты, достаточно хорошо соответствующие данным непосредственных измерений. Метод может быть рекомендован для практического применения в широком диапазоне физико-географических условий формирования транспорта наносов.

Глава 3. Дифференцированная оценка переноса взвешенных наносов

При решении геоэкологических задач, связанных с проблемами загрязнения водных объектов требуется оценка объемов загрязняющих веществ, транспортируемых на поверхности твердых частиц. Для этого необходимо иметь информацию, прежде всего, о стоке взвешенных наносов в водотоках. Обусловлено это следующими причинами.

Информация о стоке влекомых наносов из водотоков в приемные водоемы требуется, в основном, для оценки и прогноза их занесения твердыми частицами. На процессы же загрязнения водоемов влекомые наносы, поступающие в них, серьезного воздействия не оказывают. Связано это с небольшими значениями площади поверхности и, следовательно, сорбирующей способности влекомых, как правило, крупнофракционных наносов, что не позволяет транспортировать на них какие-либо значительные загрязнения. При этом данная способность тем слабее, чем крупнее размер частиц и для условий горных рек, где сток влекомых наносов может составлять большие значения,

19

перенос ими загрязнений ничтожно мал по сравнению с переносом взвешенными частицами. Что же касается условий равнинных рек, то как показывают результаты исследований, сток наносов в них на 80-90 % определяется стоком взвешенных частиц, что также определяет их приоритет в переносе загрязнений.

Для оценки расходов взвешенных наносов необходимо опираться на натурные измерения, учитывая детальную разработанность методик их выполнения и достаточную точность. При этом, чем меньше крупность взвешенных наносов, тем большее значение они могут оказывать на процессы загрязнения приемных водоемов.

В самом деле, при уменьшении среднего диаметра частиц при переходе от одной фракции к другой, площадь удельной поверхности в единице объема изменяется практически на порядок. Так, площадь удельной поверхности шарообразных частиц при их плотной упаковке в единице кубического объема со стороной ребра равной 100 мм при диаметре 0.001 мкм составляет 3 141 592.6 м , что больше общей поверхности шарообразной частицы диаметром 100 мм в 100 млн. раз. Таким образом, мельчайшие частицы взвешенных наносов естественных водотоков способны переносить существенно больше сорбированных на их поверхности веществ.

Кроме того, необходимо отметить следующее. Частицы размерами от 1 мкм до 1 нм относятся к коллоидным системам. Вещества в коллоидном состоянии приобретают своеобразные свойства, связанные с тем, что значительная доля от всех молекул, находится на поверхности раздела фаз (например, между твердой и жидкой). При этом данные молекулы приобретают особенные свойства не только по своему положению в несимметричном силовом поле, но и по своему энергетическому состоянию. Происходит это в результате того, что создание новой межфазной поверхности требует затраты работы по разрыву связей, значительная часть которой накапливается в виде избыточной потенциальной энергии здесь же на межфазной границе. В результате особенность свойств этих молекул заключается в том, что они обладают избыточной свободной энергией. Таким образом, сорбционная способность мелких частиц твердых наносов к загрязняющим веществам резко возрастает. В сочетании с их увеличивающейся удельной поверхностью, делается понятной исключительная роль мельчайших фракций естественных наносов в переносе загрязняющих элементов в водотоках и концентрации их в толще донных отложений водоемов.

В этой связи, можно сделать вывод о том, что при решении широкого круга геоэкологических задач требуется оценка дифференциального стока взвешенных наносов с учетом их размеров, при этом наибольший интерес могут представлять частицы мельчайших фракций. Учитывая этот факт, автором были предприняты попытки выделения в общем стоке наносов частиц размером меньшим, чем 0.001 мм еще в 80-90-х годах прошлого столетия. Так, при постановке работ по исследованию серьезной геоэкологической проблемы, связаннойаа саа транспортомаа ртутиаа иаа другиха атоксикантоваа н поверхности

20

взвешенных частиц на различных створах р. Катунь (Алтай), были выделены частицы размера меньшего, чем 1 мкм.

Следует отметить, что бассейн р.Катунь занимает 23% территории всего Алтайского края и отличается разнообразием физико-географических условий. Поэтому для самой реки характерен очень большой разброс гидравлико -морфометрических характеристик, которые приведены в таблице 3 .

Таблица 3

Пределы изменения гидравлико - морфометрических характеристик на

некоторых створах р.			атуни.
Створ	Глубина, м		Скорость, м \с		Уклон, %0	Ср. мутнность, г\м	Расход
	сред	макс	сред	макс			воды, м \с	взв. наносов, кг\с
п.Анос	2.0-4.6	6.0	1.0-3.1	4.0	0.5-1.0	6-800	360-2400	2-180
п. Пня	2.9- 7.5	12.0	1.2- 3.3	5.3	0.7-1.6	7-800	190-2300	3-170

В процессе выполнения этих работ, выяснилось, что значительная доля ртути, сорбированной на поверхности транспортируемых наносов, переносится мельчайшими частицами. То же самое отмечалось и для других токсикантов. Для выделения и дифференциации таких наносов был использован метод последовательного фильтрования проб воды через мембранные ядерные фильтры. Использовались мембранные ядерные фильтры с размерами пор 5, 1 и 0.5 мкм, что позволило выделить частицы в диапазонах 5-1, 1-0.5 и мельче 0.5 мкм. Затем на фильтрах определялось содержание ртути и других токсикантов на частицах наносов. Таким образом, удавалось выделить частицы размерами менее 1 мкм, имеющих наибольшую удельную поверхность и играющих важнейшую роль в процессе переноса химических веществ. Гранулометрические анализы взвешенных веществ были выполнены на всех фазах водного режима р. Катунь. Это позволило достаточно надежно оценить сток взвешенных наносов по фракциям за каждый год исследований и в отдельные периоды лет, а также получить связи относительного содержания отдельных фракций взвешенных наносов с расходами воды. В качестве примера можно привести данные по оценке стока взвешенных наносов по фракциям по результатам измерений, выполненных автором на р. Катунь - п. Анос за 1989 г. (таблица 4).

Таблица 4 Сток взвешенных наносов по фракциям на створе р. Катунь - п.Анос.

?/,??	1-0.5	0.5-0.2	0.2-0.1	0.1-0.05	0.05-0.01	0.01-0.005	0.005-0.001	0.001-0.0005	0.0005-0.0001
Сток, млн. т	0.022	0.206	0.157	0.132	0.684	0.284	0.180	0.094	0.046
Сток,%	1.2	11.4	8.7	7.3	37.9	15.7	10.0	5.8	2.5

21

Как показали проведенные исследования, несмотря на то, что взвешенные наносы мельчайших фракций (мельче 0.001 мм) составляли в данном случае чуть более 8% от общего объема твердого стока, их роль в переносе сорбированной на их поверхности ртути была определяющей.

Таким образом, можно констатировать, что важнейшее значение при решении частных геоэкологических задач, связанных с оценкой степени воздействия поступающих взвешенных наносов на процессы загрязнения приемных водных объектов имеет информация об их гранулометрическом составе. До последнего времени, анализ фракционного состава взвешенных частиц, как отмечалось, осуществлялся только до размеров 1 мкм, однако, более мелкие частицы представляют значительно больший интерес при решении геоэкологических задач. В этой связи, необходимо констатировать, что на современном этапе развития методики геоэкологических исследований наиболее актуальной проблемой в развитии методов изучения транспорта взвешенных наносов, является исследование стока, дифференцированного по размерам частиц и расширение диапазона гранулометрического состава анализируемых частиц.

То же можно сказать о взвешенных наносах в водоемах. В целом методика наблюдений и измерений параметров взвешенных наносов при проведении гидрологических и геоэкологических исследований в реках, озерах и водохранилищах в настоящее время достаточно проработана. Однако актуальным представляется исследование мелкомасштабной составляющей в общем гранулометрическом составе частиц, поскольку существовавшие до последнего времени методы обработки проб ограничивались определенным нижним пределом размеров частиц, что, как выяснилось впоследствии, не является достаточным. Такого рода исследования диктуются необходимостью более глубокого проникновения в особенности механизмы транспорта и отложения наносов и переноса загрязнений на них.

Поскольку методическая основа таких разработок является единой, эти вопросы рассмотрены в следующей главе диссертации.

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по географии