Результаты исследования расходов влекомых наносовдля рек с гравийным руслом (на примере р.Томи).pdf Известно, что расходы донных наносов - важныйпараметр при исследовании русловых деформаций. Насовременном этапе их определяют либо по эмпири-ческим формулам, либо косвенными методами (пла-ны деформаций и т.п.) В своих исследованиях 2000 г.мы впервые попытались их измерить с помощью ба-тометра - сетки новой конструкции. Исследования этитолько еще начались, до осмысления их - далеко. Здесьмы хотели показать лишь первые их результаты, по-ставить вопросы и наметить пути их решения.1. ОПИСАНИЕ УЧАСТКА ИССЛЕДОВАНИЯРека Томь берет начало на западных склонах Аба-канского хребта.Равнинная часть бассейна отличается хорошо вы-раженными надпойменными террасами и поймой.Русло галечное, слабо деформирующееся. Участ-ки однорукавного русла сменяются участками с хоро-шо развитой сетью русловых и пойменных проток.Протока Светлая отделяется от основного русла на105 км от устья, а на 94 км они сходятся. В протокеможно выделить две слаборазвитые излучины: пер-вую в верхней части, в районе подмываемого берега ивторую выше старых карьеров, на 5-6 км от устьяпротоки, называемом в дальнейшем быстротоком.Остальные участки: верхняя часть протоки и разра-ботанные карьеры являются относительно прямоли-нейными.Рассматриваемый участок представляет собой ти-пичную пойму, сложенную аллювиальными отложе-ниями, частично нарушенную добычей гравия. Лишьна одном участке, между 6 и 8 км от устья протоки,вода подмывает берег, сложенный суглинистыми по-родами.Добыча гравия началась с 1983 г. Первоначальнобыла раскопана устьевая часть протоки, а затем вышедо протоки Крутовиха, которая впадает на 3 км от ус-тья, и выше. В этом году добыча гравия из русла про-токи велась на двух участках: между 4 и 5 км, нижевторой излучины и в верхней части на 7-8 км, вышепервой излучины. Протока Крутовиха очень сильнонарушена и полностью потеряла естественный вид.Это привело к увеличению ее пропускной способнос-ти. В меженный период связь с Калтайской протокой,на участке между излучинами отсутствует.Гидравлический режим протоки не однороден.Отработанные карьеры представляют собой в меженьнаиболее широкие (около 300 м) и глубокие (от 2 до-3,5 м) участки с низкими скоростями течения (0,2-0,25 м/с), мало изменяющимися по ширине и глубине(рис. 1).В верхней части протоки, где добыча гравия непроизводилась, в этот же период глубины не превы-шают 1-1,5 м, наблюдаются большие уклоны воднойповерхности, и ширина обычно не превышает 150 м.При этом максимальные скорости на стрежне дости-гают 1,5 м/с и значительно изменяются по ширине иглубине потока. Распределение скоростей приведенона рис. 2.Из-за русловой добычи гравия также утеряла ес-тественный вид береговая линия, став более изрезан-ной. Берега лишились естественной растительностии приобрели большую крутизну. В нижней части про-токи сильно изменилась конфигурация русла.0 . 3 0VM/C0.200.100 . 0 00 100 200 В м 300Рис. 1. Распределение средних скоростей течения в отрабо-танных карьерах1.50-VM/C1.00-0.50-0 . 0 0 -0 50 100 Вм 150Рис. 2. Распределение средних скоростей течения в верхней частиТакое различие скоростей течения потока, и, какбудет отмечено в дальнейшем, и гранулометрическо-го состава аллювия на таком коротком участке позво-ляет исследовать достаточно широкий диапазон фак-торов, влияющих на сток влекомых наносов2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙОтбор проб донных отложений для последующе-го их анализа обычно производится с помощью дно-черпателя ДЧ-0,025 или грунтоотборника ГР-91. Этиприборы широко применяются изыскательскими орга-низациями, но, по нашему мнению, искажают резуль-таты гранулометрического состава донных отложенийна реках с гравелистыми и галечными отложениями.Например, размеры ковша прибора ГР-91 составля-ют 70x55 мм, тогда как размеры частиц, наблюд аемыхв р. Томь, часто превышают эти значения. Что касает-ся дночерпателя, то его конструкционные особеннос-ти порой не позволяют захватить достаточного коли-чества донного материала для получения достоверныхсведений о крупности отложений - кромки ковшейскользят по крупной гальке, не захватывая более мел-кие частицы, часто происходит зажим частиц междуковшами, при этом дночерпатель не закрывается пол-ностью и в процессе подъема на поверхность частьпробы вымывается, особенно мелкие фракции. Ошиб-ка определения как среднего, так и действующего ди-аметра донных отложений в 1 мм при максимальнойкрупности в 70-80 мм дает погрешность определениярасхода донных наносов на вертикали по формулеГончарова [1] до 10%.Для отбора проб донных отложений нами приме-нялось достаточно простое устройство в виде ковшашириной 15 см с сетчатым мешком вместо заднейстенки. Ячея такой сетки не превышает 0,25 мм, по-этому минимизируются потери при извлечении про-бы со дна. Несколько измененным был и механизмзабора пробы - ковшом снимался слой аллювия пло-щадью около 300 см2 (15x20 см) и толщиной 2-4 смв зависимости от гранулометрического состава оп-ределенного визуальным способом. При больших глу-бинах приходилось прибегать к помощи водолазов.Крупность отложений определялась ситовым мето-дом. Здесь также возникают трудности с определе-нием диаметров частиц крупнее 10 мм, а в донныхотложениях Томи они имеют преимущество. Дело втом, что стандартный набор сит имеет наибольшийдиаметр в 10 мм. При расчетах наиболее важны сред-ний (50% обеспеченности) и действующий (5% обес-печенности) диаметры, которые являются основны-ми характеристиками крупности и определяются покривым непревышения, причем последний из них - вправой части кривой, которая оказывается наименееосвещенной данными ввиду крупности донных отло-жений. Авторам пришлось использовать подручныесредства для более точного обоснования кривых гра-нулометрического состава отобранных проб.Анализ распределения крупности донных отложе-ний по протоке Светлой подтверждает, что наиболь-ший средний диаметр наносов соответствует верти-калям с наибольшими средними скоростями теченияводы. Значит, от берегов к стрежню происходит зако-номерное увеличение средней крупности. В бывшихкарьерах средний диаметр мало меняется по ширинеи не превышает 10-20 мм. В местах, пока не подвер-женных разработке, он не менее 15 мм, а на стрежнедостигает 35 мм (рис. 3.).Зависимость действующего диаметра от скоростейтечения воды менее однозначна, но в целом подтвер-ждает зависимость. В карьерах он в среднем 20-40 мм,а на нетронутых участках 35-60 мм.Распределение среднего диаметра по длине про-токи показывает уменьшение его вниз по течению от25 до 7 мм, аналогично ведет себя действующий диа-метр от 45 до 25 мм (рис. 4.).Это объясняется вымыванием наиболее мелкихфракций в верхней части протоки, где наблюдаютсявысокие скорости течения около 1 м/с в межень, и ихотложением в карьерах, ще в этот же период наблю-40d мм3020100\НИ> сняя ч а с т ь »\4--50 100 150 200 В м 25080d мм6040200в ;рхняя часть%0 10- средний диаметр20 В м зо-действуюи|1й диаметрРис 3. Распределение гранулометрического состава донныхотложений по ширине50d мм4030201003 4 5-средним диаметр н6 7 L.KM 8-действующий диаметрРис. 4. Распределение крупности донных отложений по длинепротокидаются низкие скорости 0,2-0,3 м/с. Это является про-явлением формирования профиля динамического рав-новесия, при резком увеличении площади живого се-чения.3. ИССЛЕДОВАНИЯ СТОКА ВЛЕКОМЫХНАНОСОВОпределение стока влекомых наносов задача оченьсложная и до настоящего времени не существует уни-версальной методики, дающей приемлемые результа-ты с ошибкой менее 50% [3].В то же время знание стока влекомых наносов не-обходимо, так как определяет максимально допусти-мый объем выборки песчано-гравийной смеси из руслаза один год при заданном условии ее минимальноущербной добычи. Также возможность оценки стокавлекомых наносов позволяет прогнозировать занесе-ние судоходных прорезей и русловых карьеров.Для наблюдений за влекомыми наносами, сотруд-никами лаборатории гидравлики ТГУ в этом году, быласоздана ловушка оригинальной конструкции. Онапредставляет собой жестяное корыто, длиной 35 см ишириной 16 см, высотой боковых стенок 8 см. Вмес-то задней стенки натянута сетка, передняя стенка от-сутствует и имеет небольшой наклонный выступ. Дляудобства установки сверху сделана деревянная ручка,а для удержания ловушки ог сноса к ней прикрепле-ны четыре груза.Еще более десяти лет назад на кафедре гидроло-гии проходили испытания батометров трех типов: ба-тометр-сетка, вакуумный батометр и ведро-отстойник.Однако тогда батометр-сетка занижал расход влеко-мых наносов, из-за уменьшения скоростей течения,вызванного сопротивлением сетки, что также вызы-вало размыв грунта у входа в батометр и приводило кпрекращению поступления материала. Вакуумныйбатометр также не был доведен до практического ис-пользования, а ведро-отстойник, хорошо показавшийсебя и позволяющий работать при глубинах до 3 м, внастоящее время требует восстановления.При создании ловушки были учтены недостаткибатометра-сетки. Поэтому для устранения сопротив-ления на входе в ловушку, создаваемого сеткой и про-являемого на 2-3 ее длины, она имеет длинный ста-билизирующий корпус. Ячея сетки также не превы-шает 0,25 мм.Методика применения ловушки проста и сводится кее правильной установке на дне по оси патока, при этомопределяется время нахождения ловушки на дне в ра-бочем состоянии. Обычно ловушка стоит 5-10 минут,при этом ведутся параллельные наблюдения за скорос-тями воды на различных горизонтах (придонном, сред-нем и поверхностном). При незначительных глубинахустановка ловушки производится а пешем порядке, впротивном случае приходится прибегать к помощи во-долазов, ныряющих с лодки. При этом с лодки измеря-ются скорости. Для плановой стабилизации лодки прискорости более 1 м/с, необходимо использовать два тя-желых якоря или более крупное судно, чем моторнаялодка. В перспективе, необходимо создать систему ус-тановки ловушки при больших глубинах, позволяющуюобходится без помощи водолазов.Пойманные наносы взвешиваются и подвергают-ся гранулометрической обработке. Определяетсяудельный расход наносов на единицу ширины, изме-ряемый в кг/(схм).По результатам гранулометрической обработкипойманных проб в прямолинейной верхней части про-токи определены их средний и действующий диамет-ры. Анализ зависимости среднего диаметра влекомыхнаносов от среднего диаметра донных отложений по-казывает, что средний диаметр донных отложенийнесколько больше, чем у пойманных. Причем наиболь-шая разнищ наблюдается у наиболее крупных фрак-ций. Для действующих диаметров, 5% обеспеченнос-ти, эта зависимость выражена еще ярче.У мелких фракции, менее 8 мм, наоборот наблю-дается большее содержание в пойманных пробах, чемв донных отложениях. Это говорит о дефиците мел-ких фракций, вымываемых в первую очередь при боль-ших скоростях течения. Именно это является причи-ной высокой прозрачности воды на рассматриваемыхучастках, в отличие ог карьерных участков, на кото-рых происходит отложение вымытых частиц.Наблюдения за влекомыми наносами проводилисьв два этапа при разных расходах, что позволило подо-брать две эмпирические формулы, дающие возмож-ность рассчитать сток влекомых наносов при различ-ных расходах в верхней части протоки Светлой, пу-тем линейной интерполяции.При подборе формулы было сделано допущение,что скорость воды, измеренная в 10 см от дна, близкак сдвигающей скорости наносов (точное определениекоторой пока затруднено) при соответствующих па-раметрах потока и крупности наносов. Это предполо-жение вызвано необходимостью расчета стока влеко-мых наносов лишь по измерениям скоростей теченияи гранулометрическому анализу донных отложений,и основано на взаимодействии между потоком и сла-гающим его руслом. С накоплением материалов и про-ведением лабораторных исследований, возможно, бу-дет применяться срывающая скорость.Структура формулы подобрана расчетным путеми является теоретически обоснованной К.В. Гриша-ниным [2], но с указанным выше допущением:G= а (4V ср - V дон)' V ср3 »d (V1 )/где G - удельный расход влекомых наносов (кг/см);d - средний диаметр пойманных наносов в мм, опре-деляется по зависимости от среднего диаметра дон-ных отложений; V^ - средняя скорость на вертикали,м/с; Удон- скорость на расстояние 10 см от дна, м/с;а - эмпирический коэффициент, отражающий неуч-тенные факторы и погрешности.Разница (V - Удок) характеризует скорость дви-жения наносов. Сомножитель V^3 отражает то, чточисло движущихся частиц (коэффициент динамичес-кой сплошности) пропорционально кубу средней ско-рости потока.Подобранные коэффициенты и вид полученныхзависимостей приведен на рис. 5. Здесь X=(V - Удон)V 3#d, а коэффициенты уравнения регрессии отража-ют эмпирический коэффициент а.Наибольшие ошибки формула дает для мелкихпроб, у которых велика доля потерь при их сборе иобработке. В остальных случаях полученные ошибкиявляются приемлемыми.Остается неопределенным вопрос о различии ко-эффициентов при изменении расхода воды в протоке.Ответ может быть дан лишь при накоплении больше-го объема данных и окончательной отработке методи-ки измерения стока влекомых наносов предлагаемымспособом. Пока до конца не уточнено и влияние сет-ки на изменение скорости - проверить это можно лишьв лабораторных условиях при наличии соответствую-щих приборов.у = 0.0007Х у = 0.00004Х-0 5 10 15 х 20 При Q=98 мЛ3/с при Q= 200 мл3/сРис. 5. Зависимость расхода влекомых наносов от скоростей воды исредней крупности наносов

Скачать электронную версию публикации