Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований

Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований

Вывод:

Уклон при проектном уровне больше уклона при максимальном уровне на 0,000007.

7. Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода на исследуемом участке

7.1 Определение отметок максимального уровня

Отметки максимального уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле:

ZHmaxn = ZHmax1 - Zn,

где ZHmax1 – отметка максимального уровня воды на первом гидропосту;

Zn = Imax * Ln – падение на каждом километре при максимальном уровне;

Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра;

Imax – уклон при максимальном уровне.

7.2 Определение отметок проектного уровня по уклону водной поверхности

Отметки проектного уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле:

ZHпр. n = ZHпр. 1 - Zn,

где ZHпр. 1 – отметка проектного уровня воды на первом гидропосту;

Zn = Iпр * Ln – падение на каждом километре при проектном уровне;

Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра;

Iпр – уклон при проектном уровне.

7.3 Вычисление значений срезок на исследуемом участке

Вычисляются срезки по г/п

для первого поста H1 = Hmax 1 – Hпр 1;

для второго поста H2 = Hmax2 – Hпр 2.

Разница между H1 и H2 меньше 5 (1,53 < 5) (см. таблица 7.1), следовательно, срезка в верхнем сечении рассматриваемого участка определяется по формуле

HB = (H1 + H2) / 2

HB = (3,83 + 5,36) / 2 = 4,60 м

7.4 Определение отметок проектного уровня по значениям срезки, сравнение и анализ результатов

Определение отметок проектного уровня по значениям срезки производится по формуле:

ZHпр n = ZHmaxn - Hn,

где ZHmaxn – отметка максимального уровня воды каждого километра рассматриваемого участка;

Hn – срезка для каждого километра.

Расчеты:

1) =76 км; =77км; =78км; =79км; =80км; =81км;

2)

=0,000074*76*=5,624 м

=0,000074*77*=5,698 м

0,000074*78*=5,772 м

=0,000074*79*=5,846 м

=0,000074*80*=5,92 м

 м

3)

4) :

Z0 = 0,000081*76 * 103 = 6,156 м

Z1 = 0,000081 *77 * 103 = 6,237 м

Z2 = 0,000081 *78 * 103 = 6,318 м

Z3 = 0,000081*79 * 103 = 6,399м

Z4 = 0,000081 *80* 103 = 6,48 м

Z5 = 0,000081 *81* 103 = 6,561 м

5)Hпр: Zi = Zн - Zi

Z0 = 149,02 – 6,156= 142,864 м

Z1 = 149,02 –6,237 = 142,783 м

Z2 = 149,02– 6,318 = 142,702 м

Z3 = 149,02 – 6,399 = 142,621 м

Z4 = 149,02 – 6,48= 142,54 м

Z5 = 149,02 – 6,561 = 142,459 м

6)

Таблица 7.1 – Определение отметок проектного уровня

Вывод:

Расчёты таблицы сделаны верно, так как Hn = Zn.

7.5 Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода

По отметкам максимального уровня воды проводим линию свободной поверхности для максимального уровня, по отметкам проектного уровня проводим линию свободной поверхности для проектного уровня красного цвета (см. рисунок 7.1).

Вычисляем отметки дна на каждом километре рассматриваемого участка по формуле:

Zдна = ZHпр n – hn,

где ZHпр n – отметка проектного уровня, м;

hn – глубина по судовому ходу, м.

Отметки проектного уровня для промежуточных точек определяется пропорционально расстояниям.

Линия проектного дна проводим красным цветом по отметкам, полученным вычитанием минимальной гарантированной глубины hг из отметок проектного уровня:

Zпр дна = ZHпр n – hг

Zдна = ZHпр n – hn,

1)                Zдна 0 = 142,864 – 2,5 = 140,364 м

2)                Zдна 1 = 142,783-3,4=139,383 м

3)                Zдна 2 = 142,702-2,82=139,882 м

4)                Zдна 3 = 142,621-2,65=139,971 м

5)                Zдна 4 = 142,54-2,7=139,84 м

6)                Zдна 5 = 142,459-3,4=139,059 м

Zпр дна = ZHпр n – hг

1) Zпр дна 0 =142,864 – 1 =141,864 м

2) Zпр дна 1 =142,783– 1 = 141,783м

3) Zпр дна 2 =142,702– 1 = 141,702м

4) Zпр дна 3 =142,621– 1 = 141,621м

5)Zпр дна 4 =142,54 – 1 = 141,54м

6) Zпр дна 5 =142,459 – 1 = 141,459м

Вывод:

Землечерпательные работы на исследуемом участке не требуются, так как на протяжении участка отметки глубин дна не пересеклись с отметкой проектного дна.

8. Исследование скоростного режима русла

8.1 Определение средней и размывающей скоростей течения

В природе наблюдаются два режима течения жидкостей: ламинарный и турбулентный. Режим движения жидкости зависит от скорости течения и глубины потока. Турбулентный режим бывает установившимся и неустановившимся. Движение может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении средняя скорость течения в поперечном сечении русла определяется по формуле Шези

Vср. = ,

где С – коэффициент Шези;

R – гидравлический радиус, R = w / , м;

I – продольный уклон водной поверхности.

Коэффициент Шези зависит от шероховатости русла, глубины потока и от формы живого сечения. Для определения этого коэффициента используем формулу Маннинга:

С = R1/6 / n,

В приведенных формулах

n- коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:

n = kd1/6,

k - коэффциент по В. М. Макееву равен 0,03;

d – диаметр частиц донных отложений.

R=W/-гидравлический радиус, м (для равнинных рек гидравлический радиус равен средней глубине hср=W/B);

W-площадь поперечного сечения русла,;

-длина смоченного периметра русла, м;

В - ширина русла, м;

H - глубина потока, м;

dср - средний диаметр частиц донных отложений, мм.

Рассматривается участок р. Вилюй на 590 км:

Вычисляем площадь поперечного сечения русла по формуле

W = W1 + W2 + W3 + W4, м2;

Смоченный периметр в поперечном сечении русла определяется:

=508 м

Теперь необходимо выполнить:

1)                Определить коэффициент шероховатости русла;

2)                Определить значение гидравлического радиуса;

3)                Вычислить коэффициент Шези;

4)                Вычислить среднюю скорость течения;

5)                Построить поперечное сечение русла.

Расчеты:

1)                n = 0,03 * 0,481/6 = 0,0264;

2)                R = 477,3 / 508 = 0,94 м;

3)                С = 0,941/6 / 0,0264 = 37,482 м0,5/с;

4)                Vср. = 37,482 *  0,34 м/с

5)                см. рисунок 8.1.

Средняя скорость течения Vср на вертикали, отвечающая состоянию предельного равновесия донных частиц, когда отдельные частицы срываются с места и перемещаются, но общего движения наносов ещё нет, называется неразмывающей. Она является предельной скоростью, отвечающей началу сдвига отдельных частиц, т.е. скоростью начала влечения и может быть определена с помощью следующих зависимостей.

Формула В. Н. Гончарова, которая по данным исследований ЛИВТа даёт на песчаных перекатах наилучшие результаты

Vнр = 3,9 * (d * h / d95)0,2(d + 0,0014)0,3,

где h – глубина потока, м;

d – средний диаметр донных частиц, м;

d95 – диаметр частиц с обеспеченностью 95% по кривой гранулометрического состава, т.е. такой диаметр, который оказывается превзойдённым лишь у 5% частиц, м.

Vнр = 3,9 * (0,00048*1,91 / 0,00066)0,2 * (0,00048 + 0,0014)0,3 = 0,632 м/с

Скорость течения Vр, при которой движение донных наносов становится массовым, называется размывающей. Соотношение между размывающей и неразмывающей скоростями равно 1,30

Vр = 1,30 * Vнр, м/с,

Vр = 1,30 * 0,632 = 0,822 м / с

Вывод:

Средняя скорость меньше размывающей скорости (0,34 м/с < 0,822 м/с), следовательно размыва дна в потоке не будет.

8.2 Исследование влияния на речной поток центробежных сил инерции на поворотах русла

При изменении направления потока возникают центробежные силы инерции, направленные по нормали к криволинейным линиям тока. Они приводят к образованию поперечного уклона Iпоп, направленного от вогнутого берега к выпуклому, и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных к основному направлению стока вод.

Поперечный уклон определяется по формуле:

,

где r – гидравлический радиус (снимается с плана), м

Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла:

H = Iпоп * B,

где B – ширина русла, м

H =0,0000098 * 250 = 0,00245 м

Для определения величины поперечной составляющей скорости Vпоп. на вертикали, находящейся на повороте русла применяется формула К.И. Россинского и И.А. Кузьмина

Vпоп = [(1,53 * С2 * Vср * h) / (g * r)] * (y1/h)0,15 * [(y1/h)0,3 – 0,80], м/с,

где y1 – высота точки над дном, м;

h – глубина потока, м.

1)(y1/h) = V0,02 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,02)0,15 * [(0,02)0,3 – 0,80] = -0,017 м/с

2)(y1/h) = V0,2 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,2)0,15 * [(0,2)0,3 – 0,80] = -0,009 м/с

3)(y1/h) = V0,4 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,4)0,15 * [(0,4)0,3 – 0,80] = -0,002 м/с

4)(y1/h) = V0,6 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,6)0,15 * [(0,6)0,3 – 0,80] = 0,003 м/с

5)(y1/h) = V0,8 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,8)0,15 * [(0,8)0,3 – 0,80] = 0,008 м/с

6)(y1/h) = V1,0 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (1,0)0,15 * [(1,0)0,3 – 0,80] = 0,0126 м/с

Строим эпюру скоростей течения от действия центробежной силы (см. рис. 8.3: а).

8.3 Исследование влияния на речной поток отклоняющей силы вращения Земли

Из теоретической механики известно, что всякое тело, движущееся по поверхности Земли с некоторой скоростью, испытывает ускорение, называемое кориолисовым.

В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо под прямым углом к движению тела, а в южном – влево. Под её действием в реках северного полушария частицы воды отклоняются к правому берегу и создают превышение уровня воды у правого берега по сравнению с левым, а в южном-наоборот. Что, в свою очередь, приводит к возникновению в северном полушарии поперечной циркуляции с направлением поверхностных слоёв воды к правому берегу, а донных-к левому. Совместно с продольным течением жидкости поперечная циркуляция образуется в потоке спиралеобразное движение. В северном полушарии циркуляция направлена по часовой стрелке, если смотреть по течению, и осуществляется как на прямолинейных участках русла, так и на поворотах. На поворотах русла влево она складывается с циркуляцией, вызываемой центробежной силой, а на поворотах вправо она уничтожается, ослабляя действие более мощной циркуляции, имеющей противоположное вращение и возникающей под действием центробежной силы.

Рассматриваемая поперечная циркуляция наиболее интенсивно проявляется на больших реках в период половодья, так как и скорости течения и масса воды в этот период наибольшие.

Поверхность воды на прямолинейном участке потока устанавливается нормально к равнодействующей силы Кориолиса и силы тяжести.

Iк = (0,0001456 * Vср * sin) / g,

где  - географическая широта, на которой расположен исследуемый участок реки, в град. (в нашем случае  = 63° С. Ш.).

Iк = (0,0001456 * 0,34 * sin63°) / 9,8 = 0,0000045

Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла:

H = Iк * B,

где B – ширина русла, м

H = 0,0000045*250=0,001125

Для определения поперечной составляющей Vк скорости (на вертикали), возникающей под действием силы Кориолиса, К. И. Россинский и И. А. Кузьмин предложили следующую формулу

Vк = (2,65 * w * С2 * h * sin) * (y1/h)0,15 * [(y1/h)0,65 – 0,89], м/с,

где w – угловая скорость вращения Земли, выраженная в радианах в секунду

(w = 2 * p / (24 * 3600) = 0,0000728 рад/с)

1) (y1/h) = V0,02 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,02)0,15 * [(0,02)0,65 – 0,89] = -0,194 м/с

2) (y1/h) = V0,2 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,2)0,15 * [(0,2)0,65 – 0,89] = -0,183 м/с

3) (y1/h) = V0,4 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,4)0,15 * [(0,4)0,65 – 0,89] = -0,127 м/с

4) (y1/h) = V0,6 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,6)0,15 * [(0,6)0,65 – 0,89] = -0,069 м/с

5) (y1/h) = V0,8 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (0,8)0,15 * [(0,8)0,65 – 0,89] = -0,013 м/с

6) (y1/h) = V1,0 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin63°) * (1,0)0,15 * [(1,0)0,65 – 0,89] = 0,047 м/с

По полученным данным Vпоп и Vк строим эпюры Vпоп и Vк и суммарную эпюру поперечной циркуляции (от действия сил центробежной и Кориолиса) (см. рисунок 8.3).

8.4 Определение расхода воды и расхода взвешенных наносов в поперечном сечении русла

Для верхнего сечения исследуемого участка определяется расход воды и расход взвешенных наносов аналитическим методом.

Порядок выполнения работы:

1)                Вычисляются скорости течения воды в каждой из пяти точек на пяти скоростных вертикалях и определяются средние скорости на каждой вертикали ( см. таблицу 8.1.)

n - число оборотов лопасти вертушки в 1 секунду

n = N / t, об/с, где:

N – сумма оборотов лопасти вертушки, об

t – время измерения, с

Вычисляются скорости во всех точках на вертикалях по уравнению вертушки

v = a + b * n, м/с, где:

a и b – коэффициенты уравнения вертушки (a = 0,036; b = 0,755)

Средняя скорость на каждой вертикали вычисляется по формуле

Vср = 0,1 * (Vпов + 3 * V0,2 + 3 * V0,6 + 2 * V0,8 + Vдно), м/с

2)                Производится аналитическое вычисление расхода воды и площади живого сечения (по таблице 8.2)

Средние скорости течения между вертикалями определяются

viср. = (vср. i-1 + vср. i) / 2,

где vср. i-1 + vср. i – средние скорости на смежных вертикалях.

При этом для первой и последней частей живого сечения средняя скорость определяется умножением средней скорости на ближайшей вертикали на коэффициент, учитывающий распределение скоростей течения у берегов (в нашем случае принимаем коэффициент за 0,7).

Расходы воды через части живого сечения вычислим по формуле

qi = wi * viср., м3/с.

Общий расход воды определяется по формуле

Q = , м3/с.

Общая площадь живого сечения определяется по формуле

W = , м2.

3)                По полученным данным дополнительно вычислим:

а) среднюю скорость в живом сечении

Vср. = Q / W, м/с

б) среднюю глубину живого сечения

hср. = W * B, м,

где B – ширина русла.

Вычисление расхода взвешенных наносов аналитическим способом:

Порядок выполнения:

1)                Определяются мутность и единичные расходы взвешенных наносов в каждой точке отбора проб, затем вычисляются аналитическим способом средние единичные расходы наносов на каждой вертикали. При этом принимается, что пробы на мутность отбирались в тех же точках, в которых проводилось измерение скоростей течения. Вычисления производятся в таблице 8.3.

Величины мутностей в точках отбора проб r определяются делением весового количества наносов на объём пробы

, г/м3,

где P – вес наносов, г;

А – объём пробы, см3.

Единичные расходы наносов в точках  вычисляются по формуле:

 = v * , г/(м2*с),

где v – скорость течения в точке, м/с;

 - мутность в той же точке, г/м3.

Средний единичный расход наносов на вертикали определяются по формуле:

, г/(м2 * с)

2) По полученным данным аналитическим способом вычисляется общий расход взвешенных наносов по таблице 8.4:

Общий расход взвешенных наносов определяется по формуле:

R = , кг/с,

где ri – расходы наносов через части живого сечения между смежными вертикалями.

Средние единичные расходы наносов между вертикалями определяются по формуле

 = , кг/с,

где  - средние единичные расходы наносов на смежных вертикалях (см. таблица 8.3).

Для первой и последней частей живого сечения средний единичный расход определяется умножением среднего единичного расхода на ближайшей вертикали на коэффициент 0,7.

Расходы наносов через части живого сечения вычисляются по формуле

ri = wi *  / 103, кг/с

3) по полученным данным вычислим среднюю мутность в сечении

 = 1000 * R / Q, г/м3,

где R – расход взвешенных наносов, кг/с;

Q – расход воды, вычисленный аналитическим методом, м3/с.

Таблица 8.1 – Вычисление скоростей в точках живого сечения

Таблица 8.2 – Вычисление расхода воды аналитическим способом

Таблица 8.3 – Вычисление мутностей и единичных расходов взвешенных наносов в точках живого сечения

Таблица 8.4 – Вычисление расхода взвешенных наносов в живом сечении русла

Средняя мутность в сечении

 = 1000 * 7,11 / 307 = 23,15 г/м3

9. Анализ русловых переформирований

9.1 Построение сопоставленных планов

На планах выбираются одноимённые реперы или постоянные пункты плановой опорной сети и отметим их на координатной сетке, при этом они должны занимать одинаковое плановое положение относительно координатных осей. После этого переносятся изобаты, линия судового хода, судоходные прорези, линии урезов, знаки судоходной обстановки и т.д.

На планах подписываем названия населённых пунктов, пристаней, перекатов, проток, притоков, островов; укажем направление течения (см. рисунок 9.1).

9.2 Построение совмещённых планов

Относительно постоянных точек плановой опорной сети проводятся линии берега, нулевые изобаты и изобаты гарантированной глубины. Совмещение планов по большему числу изобат не рекомендуется, т.к. этим полнота анализа не повышается, а чтение таких планов осложняется. При этом, чтобы удобнее выполнять анализ русловых деформаций, съёмки разных лет оформляются разными цветами, и изобаты гарантированной глубины рисуются пунктирной линией, а нулевые изобаты – сплошной линией. По расположению изобат определяются зоны размыва и намыва, которые заштриховываются в соответствии с условными обозначениями, представленными на чертеже (см. рисунок 9.2).

9.3 Анализ русловых деформаций

На затруднительных участках, в особенности в разветвлённых руслах, анализ многолетних русловых переформирований имеет определяющее значение для выбора варианта конкретного улучшения. На основе такого анализа определяется ведущий берег, а также выбирается направление судового хода и трассы.

При анализе переформирований русла необходимо не только зафиксировать его определённые изменения, но также выявить причины этих изменений и их закономерности. Анализ переформирований на затруднительном участке проводится по возможности в две стадии:

1)       выявление общих тенденций развития русла на участке за длительный период времени;

2)       детальный анализ переформирования отдельных элементов русла за последние два года.

На основе анализа в первом приближении определяется ведущий берег или ведущие берега.

Анализ сопоставленных планов съёмок проводим с помощью координатной сетки, которая даёт возможность исследовать для меандрирующих русел за интервал времен скорости размыва вогнутых и намыва выпуклых берегов; для русел побочневого типа определяется скорость перемещения побочней и осерёдков; на разветвлённых участках устанавливается зависимость интенсивности развития рукавов во времени.

По совмещённым планам устанавливаются:

1)       недеформирующиеся части русла;

2)       части русла, деформирующиеся примерно с одинаковой интенсивностью и в одном направлении;

3)       части русла, деформации которых систематически меняются по интенсивности и по направлению;

4)       интенсивность размыва вогнутых и нарастания выпуклых берегов, особенно в меандрирующих руслах, а также характер развития этого процесса во времени;

5)       средние скорости движения побочней и осерёдков, особенно на участках с побочневым русловым процессом.

При наличии данных геологического строения участка совмещённые и сопоставленные планы анализируются одновременно с изучением геологического строения берегов русла и поймы, т.к. разница в многолетних переформированиях затруднительных участков является, главным образом, следствием двух факторов: особенностей планового очертания русла и геологии поймы.

В результате анализа сопоставленных и совмещённых планов устанавливаются общие тенденции развития русла по его длине, определяются направление и интенсивность деформаций по частям участка, даётся описание и размеры зон размывов и намывов правого и левого берегов.

Анализ сопоставленных планов

На участке 1064-1066 км по правому берегу на повороте увеличивается зона размыва, по левому берегу зона намыва. Осерёдок на 1066,7-1067,3 км смещается ниже по течению на 25 – 30 метров. Скорость перемещения осерёдка около 25-30 м/10 лет, аналогичная скорость при размыве и намыве берегов осерёдка; А также на 1069,5-1070,3 км. увеличивается зона размыва по левому берегу, а на правом берегу происходит намыв берега.

Анализ совмещённых планов

На участке 1071-1073 км берега не деформировались, а на всех остальных участках происходит деформация берегов примерно с одинаковой интенсивностью. А именно 1064-1066 км по правому берегу образовалась зона размыва, а по левому зона намыва и на 1069,5-1070,3 км по левому берегу зона размыва, по правому зона намыва.

Заключение

Мы провели анализ русловых деформаций по сопоставленным и совмещённым планам, построили продольный профиль по оси судового хода, исследовали скоростной режим участка съёмки и сделали анализ экологического состояния рассматриваемого участка реки с учётом влияния господствующих ветров.

Список используемой литературы

1)                Шамова В.В. “Методические указания по курсовой работе для студентов специальности КИОВР гидротехнического факультета “Водные изыскания и исследования”, НГАВТ, г. Новосибирск – 99

2)                Шамова В.В., Бортникова К.С. “Альбом планов участков реки Вилюй. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине “Русловые изыскания”, НГАВТ, г. Новосибирск - 08

Страницы: 1, 2