Evaluation of riverbed process parameters under conditions of a changing hydraulic regime

Introduction.

The authors address the development of river bed deformations under the influence of a water flow in conditions of a changing hydraulic regime and scroll-bar riverbed processes. The relevance of the publication is explained by the unavailability of reliable waterbed shape forecasting methods needed to ensure their normal ecological condition. Meanwhile, the analysis of the motion of solid particles is associated with the sediment flow rate at the level of saltation, and with hydraulic friction losses at the level of microforms. New dependences are proposed for the sizes of bedforms, depending on the parameters of a streamflow.

Materials and methods.

The influence of factors in the form of new dependencies has been proven on the basis of the study of recent and classical research works, an experimental study of the formation and development of the bottom relief in case of a change in the hydraulic regime of the streamflow.

Results.

The author has studied the reasons and conditions for the formation and development of bedforms at the initial stage of interaction between the flow and the riverbed, as well as the factors influencing the formation of the bottom relief which is initially smooth. Structural levels of the waterbed evolution process have been analyzed. The experimental data were analyzed to identify a universal correlation between the flow parameters and the height of the developing bottom microrelief elements, from which the resistance formula is derived that coincides with the Knoroz dependence for steepness of bedforms that complies with the Boussinesq dependence.

Conclusions.

The results of this study can be used to prognosticate the riverbed evolution process in case of changing hydraulic regimes of water flows in the waterbed, composed of erodible soil not only at the initial stage of formation of bedforms, but also in the course of the bottom relief development.

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.