Оценка параметров руслового процесса в условиях изменения гидравлического режима

Введение.

Рассматривается развитие русловых деформаций под действием водного потока в условиях изменения гидравлического режима при ленточно-грядовом типе руслового процесса. Актуальность публикации обусловлена тем, что до настоящего времени нет надежного метода прогнозирования формирующегося и развивающегося рельефа русел водотоков с целью поддержаниях их в нормальном экологическом состоянии. Между тем рассмотрение движения твердых частиц на уровне сальтации связано с расходом наносов, на уровне микроформ - с гидравлическими потерями на трение. Предложены новые зависимости для размеров донных форм, зависящих от параметров руслового потока.

Материалы и методы.

На основе изучения современных и классических научных работ, экспериментального исследования формирования и развития рельефа дна при изменении гидравлического режима водотока подтверждено влияние действующих факторов в виде новых зависимостей.

Результаты.

Исследованы причины, условия возникновения и развития донных форм на начальном этапе взаимодействия потока и русла, а также факторы, влияющие на процесс образования рельефа дна от ровного первоначального его состояния. Проанализированы структурные уровни руслового процесса. На основе анализа экспериментальных данных получено универсальное соотношение между параметрами потока и высотой развивающихся элементов донного микрорельефа, из которого следует формула сопротивления, совпадающая с зависимостью Кнороза при крутизне донных форм, согласующейся с зависимостью Буссинеска.

Выводы.

Результаты данного исследования могут быть использованы при прогнозировании руслового процесса в условиях изменения гидравлического режима водного потока в русле, сложенном размываемым грунтом, не только на начальном этапе формирования донных форм, но и при развивающемся донном рельефе.

1. Cao L., Wang S., Peng T., Cheng Q., Zhang L., Zhang Z. et al. Monitoring of suspended sediment load and transport in an agroforestry watershed on a karst plateau, Southwest China // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2020. Vol. 299. P. 106976. DOI: 10.1016/j.agee.2020.106976

2. Wang Z., Li C., Li Z., Yuan R., Cao D. Daily suspended sediment concentrations and load variability in karst watersheds // Journal of Hydrology. 2022. Vol. 606. P. 127467. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2022.127467

3. Davey A. J.H., Bailey L., Bewes V., Mubaiwa A., Hall J., Burgess C. et al. Water quality benefits from an advice-led approach to reducing water pollution from agriculture in England // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2020. Vol. 296. P. 106925. DOI: 10.1016/j.agee.2020.106925

4. Чалов Р. С., Камышев А. А. Морфодинамика и гидроморфология речных русел как разделы учения о русловых процессах // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2020. Т. 84. № 6. С. 844-854. DOI: 10.31857/S2587556620060047

5. Григорьев И. И., Рысин И. И. Опыт применения беспилотного летательного аппарата в исследованиях эрозионных и русловых процессов // Тридцать пятое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов : докл. и краткие сообщения. 2020. С. 85-87.

6. Wenng H., Barneveld R., Bechmann M., Marttila H., Krogstad T., Skarbøvik E. Sediment transport dynamics in small agricultural catchments in a cold climate: A case study from Norway // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2021. Vol. 317. P. 107484. DOI: 10.1016/j.agee.2021.107484

7. Королева К. С., Потапов И. И. О развитии донных форм, возникающих при набегании осветленного турбулентного потока на несвязное дно // Прикладная механика и техническая физика. 2022. Т. 63. № 1 (371). С. 80-88. DOI: 10.15372/PMTF20220111

8. Зиновьев А. Т., Дьяченко А. В., Кошелев К. Б., Марусин К. В. Моделирование и наблюдения русловых процессов на реках Сибири на примере реки Обь у города Барнаула // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2021. Т. 4. № 1. С. 126-136. DOI: 10.33764/2618-981X-2021-4-1-126-136

9. Cao L., Liu S., Wang S., Cheng Q., Fryar A. E., Zhang L. et al. Factors controlling discharge-suspended sediment hysteresis in karst basins, southwest China: Implications for sediment management // Journal of Hydrology. 2021. Vol. 594. P. 125792. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2020.125792

10. Гончаров В. Н. Динамика русловых потоков : учебник для гидрометеорол. вузов и ун-тов. Л. : Гидрометеоиздат, 1962. 374 с.

11. Iseya F. An experimental study of dune development and its effect on sediment suspension // Environ. Res. Centr. Pap. 1984. Vol. 5. Pp. 1-56.

12. Мирцхулава Ц. Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. М. : Колос, 1967. 179 с.

13. Díaz-Sanz J., Robert S., Keller C. Parameters influencin.run-off on vegetated urban soils: A case study in Marseilles, France // Geoderma. 2020. Vol. 376. P. 114455. DOI: 10.1016/j.geoderma.2020.114455

14. Гришанин К. В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 181 с.

15. Pradeep A., Nair B. G., Suneesh P. V., Satheesh Babu T. G. Enhancement in mixing efficiency by ridges in straight and meander microchannels // Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 2021. Vol. 159. P. 108217. DOI: 10.1016/j.cep.2020.108217

16. Ma L., Pan C., Liu J. Overland flow resistance and its components for slope surfaces covered with gravel and grass // International Soil and Water Conservation Research. 2022. Vol. 10. Issue 2. Pp. 273-283. DOI: 10.1016/j.iswcr.2021.08.003

17. Хамитов М. С., Прокофьев В. А., Бакановичус Н. С. Математическое моделирование русловых процессов с прогнозом развития на десять лет // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2022. Т. 12. № 2. С. 138-148. DOI: 10.28999/2541-9595-2022-12-2-138-148

18. Porter R., Marangos C. Water wave scattering by a structured ridge on the sea bed // Ocean Engineering. 2022. Vol. 256. P. 111451. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.111451

19. Норкулов Б. Э., Сейтимбетов А. М., Вохидов О. Ф.У., Курбанов А. И., Жамалов Ф. Н. Анализ русловых процессов в нижних бьефах плотины // Национальная ассоциация ученых. 2021. № 68-2. С. 32-36.

20. Чалов Р. С., Чернов А. В., Михайлова Н. М. Опасность русловых процессов на реках России: критерии оценки, картографирование, региональный анализ // Географический вестник. 2021. № 1 (56). С. 53-67. DOI: 10.17072/2079-7877-2021-1-53-67

21. Боровков В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 285 с.

22. Дебольский В. К., Зайдлер Р., Массель С. Динамика русловых потоков и литодинамика прибрежной зоны моря. М. : Наука, 1994. 302 с.

23. Копалиани З. Д., Гендельман М. М. Русловой процесс и гидравлические сопротивления // Проблемы современной гидрологии: к 70-летию образования ГГИ. Л. : Гидрометеоиздат, 1989. 326 с.

24. Косиченко Ю. М. Обобщение данных по шероховатости русел каналов в земляном русле и облицовке // Экология и водное хозяйство. 2020. № 2 (05). С. 155-168. DOI: 10.31774/2658-7890-2020-2-155-168

25. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 272 с.

26. Знаменская Н. С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 239 с.

27. Алексеевский Н. И., Евстигнеев В. М., Михайлов В. Н. и др. Закономерности гидрологических процессов / под ред. Н. И. Алексеевского. М. : ГЕОС, 2012. 733 с.

28. Боровков В. С., Остякова А. В. Сальтационное движение частиц в потоке малой мутности // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2005. № 1 (39). С. 33-37.

29. Брянская Ю. В., Маркова И. М., Остякова А. В. Гидравлика водных и взвесенесущих потоков в жестких и деформируемых границах. М. : Изд-во АСВ, 2009. 263 с.

30. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М. : Наука, 1981. 448 с.

31. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М. : Мир, 1972. 381 с.

32. Остякова А. В. Гидравлическое сопротивление речного русла на начальной стадии формирования рельефа дна // Научное обозрение. 2016. № 1. С. 259-265.

33. Torres W. F., Jain S. Aggradation and degradation of alluvial-channel beds // IIHR report. 1984. No. 274. 135 p.