Совершенствование методов природоприближенного восстановления малых рек
На правах рукописи
Гаврилюк Анна Александровна
Совершенствование методов природоприближенного восстановления
малых рек
Специальности: 05.23.07 – Гидротехническое строительство
05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2006
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки РФ,
Румянцев Игорь Семенович
Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор
Чалов Роман Сергеевич
кандидат технических наук, профессор
Беглярова Эвелина Суреновна
Ведущая организация: закрытое акционерное общество ПО
«Совинтервод»
Защита состоится 17 сентября 2007 г. в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, ауд. 201/1
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московский государственный университет природообустройства.
Автореферат разослан 26 мая 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Евдокимова И.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Напряженность современной ситуации на малых реках обусловливается резко возросшим отрицательным воздействием, направленным на них со стороны человека. В результате интенсификации процессов загрязнения, заиления и истощения вод на многих из них произошла дестабилизация экологической обстановки. Изменение условий формирования стока, гидрологического режима и сокращения водообмена привело к ухудшению гидробиологических и гидрохимических процессов. Для экологически безопасной и надежной стабилизации возникшей ситуации на малых реках необходимо применять такие методы, которые способствовали бы тому, чтобы река сама восстанавливала себя со временем. Одним из таких методов является природоприближенное восстановление с использованием живых растений. Сооружения, в которых одним из конструктивных элементов являются растения, способны образовывать эколого-механические природные комплексы, обеспечивающие стабилизацию природного равновесия. Применение живых растений в таких сооружениях должно основываться не только на их способности выполнять определенную биотехническую работу, но также и на способности работать в специфических условиях – в водотоках и на берегах рек во время паводков и половодий. Поэтому для разработки конструкций сооружений, отвечающих требованиям повышенной надежности, необходимо иметь достоверные данные по гидравлическим сопротивлениям древесно-кустарниковой и травянистой растительности, а так же знать особенности ее влияния на динамику и морфологию водного потока.
На современном этапе развития речной гидравлики учет коэффициента шероховатости водной и прибрежной растительности ведется по данным таблиц, вошедших в существующие нормативные документы. В связи с недоучетом влияния на этот коэффициент многочисленных факторов, использование этих таблиц в случае древесно-кустарниковой растительности является либо весьма затруднительным, либо во многих случаях вообще невозможным. Так как основными конструктивными элементами в природоприближенных сооружениях, как правило, являются деревья и кустарники, в основу настоящей работы было положено изучение гидравлических сопротивлений древесно-кустарниковой растительности пойм и ее влияния на распределение скоростей полых вод. Целью таких исследований является использование полученных данных при разработке гидротехнических мероприятий, направленных на регулирование и берегозащиту малых рек. Для того чтобы результаты, полученные в лабораторных условиях, были адекватными натурным, моделирование проводилось на основе реально существующей малой реки Черная Кабардино-Балкарской республики. Для восстановления одного из деградирующих участков этой реки в последствии были разработаны рекомендации по устройству инженерно-биологической посадки.
Цель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является разработка мероприятий по повышению экологической устойчивости речных экосистем, восстановлению участков рек, подвергшихся деградации, а также береговой защите от паводковых вод малых рек на основе применения древесно-кустарниковой растительности. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- исследовать распределение скоростей и режим движения речных потоков по поймам, заросшим древесной растительностью;
- установить зависимость изменения коэффициента гидравлического сопротивления по длине (коэффициента Дарси) от таких факторов, как число Рейнольдса, густота растительности, расположение растительности на пойме, форма поперечного сечения русла, ширина поймы;
- изучить особенности условий грядообразования на поймах, заросших кустарниковой растительностью;
- разработать методы противопаводковой защиты и рекомендации по повышению экологической устойчивости малых рек на основе полученных результатов исследований.
- разработать рекомендации по устройству защитных инженерно-биологических посадок, создаваемых в целях восстановления деградирующего участка малой реки Черная.
Научная новизна работы:
- проведена проверка существующих закономерностей коэффициента гидравлических сопротивлений по длине и распределению скоростей, позволяющая получить зависимости, пригодные для использования в повседневной практике;
- изучено влияние формы поперечного сечения на коэффициент гидравлических сопротивлений по длине пойм, заросших древесной растительностью;
- установлены особенности влияния изменения ширины поймы на коэффициент гидравлических сопротивлений по длине;
- определены закономерности изменения коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в зависимости от особенностей планового расположения древесной растительности на поймы;
- определены условия вторжения гряд на пойму, заросшую кустарниковой растительностью.
Достоверность результатов исследований обусловлена:
- применением в процессе исследований современных методик, соответствующих требованиям гидравлического моделирования;
- оценкой точности определения характеристик течения потока на основе вероятностно-статистического анализа;
- использованием в исследованиях современных аппаратуры и приборов.
Практическая ценность работы заключается в том, что зависимости, полученные в результате проведения обсуждаемых исследований, могут быть использованы при расчетном обосновании гидротехнических мероприятий, направленных на природоприближенное восстановление водных объектов, а также в целях повышения экологической устойчивости речных экосистем. Применение этих зависимостей даст возможность использовать простые, но эффективные методы защиты берегов от разрушения, снижать скорости течения на поймах в половодье, обеспечивать более плавное плановое распределение скоростей в период затопления поймы, и т. п.
Апробация полученных результатов.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России», проводившейся в Московском государственном университете природообустройства в 2004 году, а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» этого же образовательного учреждения.
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, иллюстрирована 42 рисунком и 8 таблицами. Список литературы содержит 101 наименование, в том числе 7 иностранных источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе описывается состояние изученности вопроса. Отмечается, что малые реки – наиболее распространенный и многочисленный вид водных объектов на Земле. Но в силу своих свойств и особенностей они легко подвергаются антропогенному воздействию, которое в конечном итоге приводит к утрате их внутренней способности к самоочищению и пересыханию. Одним из перспективных методов, дающих реке возможность самой восстановить себя со времен, является природоприближенное восстановление с применением живых растений. Использование «живых» растений в качестве строительных материалов в первую очередь основывается на их биотехнических свойствах и способности выполнять определенную биотехническую работу. В природоприближенном восстановлении чаще всего используются такие растений, которые исторически произрастают в условиях постоянного и переменного увлажнения и в водотоках.
Необходимость исследования гидравлических особенностей древесно-кустарниковой растительности связана в первую очередь с тем, что деревья и кустарники способны не только благоприятно воздействовать на поток, но и способствовать размыву берегов, создавать подпоры в русле, отклонять направление движения потока от его динамической оси и т.д. На практике учет гидравлических сопротивлений растительного покрова выполняется путем введения коэффициента шероховатости n и коэффициента гидравлических сопротивлений по длине (коэффициента Дарси). Применение таблиц по определению коэффициента шероховатости заросших пойм, вошедших во все нормативные документы, ввиду недоучета в них многих факторов и отсутствия единых количественных критериев, затруднительно, а во многих случаях и невозможно. Поэтому в основу настоящей работе были положены исследования коэффициента гидравлических сопротивлений по длине древесной растительности.
Исследованием гидравлических сопротивлений заросших русел, проводимым в натурных или лабораторных условиях, занимались Альтшуль А.Д., Асанова Д.А., Беновицкий Э.Л., Бессеребренников Н.К., Боровков В.С., Дмитриев А.Д., Долгушев И.А., Дудкин П.Я., Кудрявцев П.И., Кувен, Леонов Е.А., Маастик А., Натальчук Ю.М., Нгуен Тай, Савельев М.Л., Сепп М., Соколов Ю.Н., Хиль, Чоу В.Т., Штеренлихт Д.В. и др. Полученные этими авторами зависимости в некоторых случаях не учитывают влияние на коэффициент таких факторов, как плановое расположение растительности на пойме, ширина поймы и форма поперечного сечения русла.
При выборе того или иного вида растительности кроме коэффициента, необходимо также учитывать ее влияние на характер структуры течения и кинематические характеристики речного потока. В русле с поймой, покрытой растительностью, имеет место взаимодействие руслового и пойменного потоков как в случае пойм повышенной шероховатости. Изучением взаимодействия руслового и пойменного потоков в русле с двухсторонней поймой занимались Алышева Н.М., Барышников Н.Б., Гончаров В.Н., Дебольский В.К., Железняков Г.К., Ле Ван Киен, Селлин Р., Соколов В.А., Спицин И.П., Эгли М. и др. Так как многие речные русла имеют пойму только с одной стороны, большой интерес представляет изучение кинематического эффекта в руслах с односторонней поймой.
В настоящее время принято считать, что растительность, закрепляя подвижный материал речного ложа, исключает образование гряд. Однако Юрчук М. в результате лабораторных исследований впервые обнаружила явление грядообразования в руслах, заросших травянистой растительностью. Для природоприближенного восстановления практическую ценность представляют вопросы грядообразования на пойменных участках русел, покрытых кустарниковой растительностью, с целью защиты таких участков от «вторжения» гряд путем выбора необходимой густоты посадки и высоты защитных растений.
Во второй главе приведены методики экспериментальных исследований коэффициента, распределению скоростей и условиям грядообразования, проводимых на моделях с неразмываемым и размываемым руслом.
Экспериментальная установка для определения значений коэффициента и исследованию распределения скоростей была устроена таким образом, что давала возможность выполнить на ней жесткую неискаженную модель участка малой реки Черная, рис. 1. Это один из притоков р. Малка Кабардино-Балкарской республики, которая наиболее отвечает среднему типу малой равнинной реки. Установка представляла собой гидравлический лоток со стеклянными стенками шириной 1500мм и длиной 9000мм. В качестве рабочего был выбран прямолинейный участок длиной 2000мм, в пределах которого на пойме по различным вариантам размещались модели древесной растительности, рис 2. Пойма в соответствии с выбранным масштабом имела высоту 100 мм относительно дна лотка. Уклон русла был принят равным уклону естественного участка реки и равнялся 0,009.
Значения числа Рейнольдса и коэффициента гидравлических сопротивлений по длине определялись отдельно для русел и для пойм.
Reр = р h/… (1.) и Reп = п h/,… (2.)
р = 8gih/р… (3.) и п = 8gih/п,… (4.)
где р – средняя скорость потока в русле; п – средняя скорость потока на пойме.
В качестве переменных величин в наших экспериментах были приняты расход, форма поперечного сечения русла, ширина поймы и плановое расположение растительности на пойме. Исследования проводились при диапазоне расходов от 25 до 67 л/с, величины которых измерялись треугольным водосливом, расположенным в мерном баке. В работе рассматривались русла с прямоугольным и трапецеидальным поперечным сечением, с заложением откосов 1:2. Ширина поймы принималась равной 400, 550 и 700мм.
Определение значений коэффициента выполнялись по методики Зегжды А.П., для которой характерно установление равномерного режима в экспериментальном лотке. После установления равномерного режима в трех скоростных сечениях в начале, конце и середине рабочего участка с помощью гидрометрической вертушки Digitales Taschenanemometer TAD определялись средние скорости, по которым затем находили значения числа Рейнольдса и коэффициента.
Достоверность результатов исследований подтверждается оценкой точности измерений местных осредненных скоростей. Величина средней квадратической ошибки осредненной скорости у дна составила 0,57%, а вблизи поверхности – 0,51% при максимально допустимой ошибке 3%.
Для моделирования процесса вторжения гряд на пойму, покрытую кустарником, использовался заросший естественными ивовыми зарослями участок р. Черная, расположенный выше участка, подвергшегося деградации. Расчет модели для этого участка был выполнен как для искаженной модели с размываемым руслом. Выбор искаженных масштабов в первую очередь обусловливался трудностью создания в лабораторных условиях необходимой подвижности донных наносов, соответствующей естественному руслу.
Модель представляла собой участок русла с двухсторонней поймой, на рабочем участке которого устраивались модели куста со сплошным и прерывистым расположением в плане.
В качестве переменных величин в этом случае выступали расход и плановое расположение растительности на пойме.
По полученным скоростям в центральном сечении рабочего участка определялись средние скорости, при которых возможно вторжение гряд, а также зависимость этих скоростей от густоты кустарниковой растительности. По итогам визуального наблюдения определяли форму гряд.
В третьей главе приведены результаты исследования распределения скоростей в русле с поймами повышенной шероховатости, коэффициента и условий грядообразования.
На основе полученных данных для каждого конкретного случая планового расположения растительности на пойме были построены изотахи и расчетные профили скоростей в относительных величинах. В случае отсутствия растительности максимальные скорости в русле располагались у свободной поверхности, скорости течения в прирусловой части поймы были несколько больше чем в областях более удаленных от бровки поймы. Наличие растительности способствовало значительному снижению поверхностных скоростей, что приводило к перемещению максимальных скоростей в русле вниз от свободной поверхности. Кроме того, максимальные скорости перемещались не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, в сторону поймы, рис. 3. Величина перемещения максимальных скоростей в русле зависела от величины шероховатости растительного покрова. Так, при расположение растительности на бровке поймы и сплошной полосой в центральной части поймы, максимальные скорости в русле смещались по направлению к пойме сильнее, рис. 3в, чем при расположение растительности на пойме с прерывистым расположением, рис. 3г. Таким образом смещение максимальных скоростей в русле было тем больше, чем больше было отношение nп/nр.
Значение максимальных скоростей в русле при наличии растительности не оставалось постоянным. С увеличением h/hр при Вп/Вр=0,36 и 0,58 максимальные скорости в русле уменьшались (где h – глубина воды на пойме, hр – высота модели дерева, Вп – ширина поймы, Вр – ширина русла). Совершенно иная картина наблюдалась при Вп/Вр=0,88 и h/hр=0,52, здесь средние скорости на вертикалях несколько увеличились.
Распределение скоростей на пойме и в русле в первую очередь зависело от схемы расположения растительности на пойме. Так при III схеме максимальные скорости располагались в центре русла, а при увеличении глубины при значениях Вп/Вр=0,58 и h/hр=0,28 растительность на пойме переставала влиять на распределение скоростей в русле. При Вп/Вр=0,88 такое расположение растительности не оказывало влияние на распределении скоростей в русле уже при h/hр=0,16. Наибольшее влияние на распределение скоростей в русле оказывала растительность, располагавшаяся на бровке поймы, схема IV.
Эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков при различных схемах расположения растительности на пойме был различным. Так наибольшие значения относительной величины Vп/Vср были при расположении растительности на пойме прерывистой полосой и наименьшие при расположении растительности сплошной полосой (где Vп – поверхностная скорость на вертикали, Vср – средняя скорость на вертикали). Растительность, расположенная на бровке поймы, имела меньшие значения Vп/Vср, чем растительность, расположенная сплошной полосой на пойме. С увеличением h/hр значения Vп/Vср увеличивались, рис.4. Увеличение ширины поймы приводило к увеличению скоростей в русле, и соответственно к увеличению значений Vп/Vср, которые достигли своего наибольшего значения при Вп/Вр=0,88 и h/hр=0,16. Анализ распределения скоростей в руслах с заросшими поймами позволил сделать вывод, что при Вп/Вр1 растительность, расположенная на пойме, оказывает влияние на распределение скоростей в русловом потоке.
Результаты исследований зависимости коэффициента от значений числа Рейнольдса, ширины поймы, формы поперечного сечения и планового расположения растительности на пойме показали нижеследующее. Увеличение числа Рейнольдса и значения Вп/Вр приводило к увеличению значений коэффициентов, рис. 5 и 6.
Влияние планового расположения растительности на пойме на значения коэффициента в первую очередь обусловливалось густотой растительности. Максимальные значения были получены при Вп/Вр=0,88 и густоте растительности N=8,57 шт/м2 (IV схема), рис. 7. Минимальные значения соответствовали Вп/Вр=0,36 с прерывистым расположением растительности при N=3,75 шт/м2 (III схема), рис.8. Растительность, располагавшаяся сплошной полосой на бровке, влияла на течение потока, как на пойме, так и в русле, поэтому значения коэффициента на пойме были меньше, чем при расположении растительности сплошной полосой по краю поймы. Растительность, расположенная на пойме в шахматном порядке при Вп/Вр=0,58 и Вп/Вр=0,88, имела большие значения коэффициента, чем при расположении сплошной полосой по краю поймы. Анализ полученных нами результатов показал, что с увеличением значений Вп/Вр при одной и той же схеме планового расположения растительности на пойме значения коэффициента уменьшаются.
Также необходимо отметить, что значения коэффициента заросших пойм были в 2-3 раза выше, чем для пойм свободных от растительности.
Анализ значений коэффициента в руслах с различными формами поперечного сечения показал, что в руслах с трапецеидальным поперечным сечением при прочих равных условиях значения коэффициентов больше, чем в руслах с прямоугольным поперечным сечением. Максимальная разница значений для рассмотренных форм поперечного сечения максимально доходила до 7%.
На основе полученных нами данных были выведены зависимости по определению числового значения п для различных схем планового расположения растительности на пойме, которые имеют следующий общий вид:
пII =10 а пI … (5.)
пIII =10 в пI … (6.)
пIV =10 с пI …, (7.)
где пII, пIII и пIV – значения коэффициента гидравлических сопротивлений по длине для II, III и IV схем планового расположения растительности на пойме, пI – значения коэффициента гидравлических сопротивлений по длине тех же пойм, но без растительности.
Для определения значений а, в и с нами был построен график, который может применяться в случае прямоугольных русел при II, III и IV схемах планового расположения растительности на пойме в диапазоне Вп/Вр = 0,36…0,88, Q = 1500…3500 л/с, Rе = 4000…30000 и Вр/Нп = 15 (Вр – в данном случае ширина русла вместе с поймой, Нп – высота поймы).
На основе линейной зависимости п от отношения Reп/Reкр (где Reкр= 580 – критическое значение, принятое для малых рек), были получены формулы для определения значений коэффициента, отвечающего определенной схеме планового расположения растительности на пойме:
II схема планового расположения растительности на пойме
при Вп/Вр = 0,36: п = 2,371*10 0,064Reп/Reкр… (8.)
при Вп/Вр = 0,58: п = 0,818*10 0,064Reп/Reкр… (9.)
при Вп/Вр = 0,88: п = 0,8316*10 0,064Reп/Reкр… (10.)
III схема планового расположения растительности на пойме
при Вп/Вр = 0,36: п = 1,208*10 0,049Reп/Reкр… (11.)
при Вп/Вр = 0,58: п = 0,640*10 0,049Reп/Reкр… (12.)
при Вп/Вр = 0,88: п = 0,951*10 0,049Reп/Reкр… (13.)
IV схема планового расположения растительности на пойме
при Вп/Вр = 0,36: п = 1,694*10 0,052Reп/Reкр… (14.)
при Вп/Вр = 0,58: п = 0,863*10 0,052Reп/Reкр… (15.)
при Вп/Вр = 0,88: п = 0,655*10 0,052Reп/Reкр… (16.)
Эти формулы могут применяться для прямоугольных русел, в случае II, III и IV схем планового расположения растительности на пойме в диапазоне Вп/Вр = 0,36…0,88, Q = 1500…3500 л/с, Rе = 4000…30000 и Вр/Нп = 15 (Вр – в данном случае ширина русла вместе с поймой, Нп – высота поймы).
Полученные нами зависимости 5…7 и 8…16 были сравнены с формулами других авторов.
Для сравнения процессов, протекающих в русле с поймами, заросшими кустарниковой растительностью была проведена серия экспериментов в руслах с поймами, свободными от растительности, результаты которых использовались в качестве фоновых. В случае русла с поймой без растительности хорошо просматривались размывы на бровке поймы. Размыв грунта на пойме также наблюдался и за пределами рабочего участка с заросшей поймой, так как здесь с уменьшением гидравлических сопротивлений увеличивались скорости, что приводило к размывам на этих участках.
В руслах можно было наблюдать мелкие грядовые образования, размеры которых были значительно меньше размеров русла. Так в русле с поймой без растительности имели место кучевидные гряды, которые располагались параллельными рядами, нормальными к направлению течения. При увеличении скоростей потока гряды разрастались в длину и ширину, меняли свою форму и перестраивались. Высота гряд колебалась от 0,5 до 1,2 см. При увеличении расхода образовывались гряды с гребнями, параллельными друг другу. Высота гряд по всей ширине русла была приблизительно постоянной 1,5-1,7 см. Гребни этих гряд были направлены под небольшим углом к направлению течения.
Растительность, расположенная сплошной полосой на пойме, способствовало образованию более устойчивых форм гряд. Сначала образовывались гряды с размытыми, не четкими контурами, которые затем приобретали более устойчивую форму. При этом наблюдался постепенный переход от параллельного расположения гряд к шахматному, в результате которого гребни гряд перекашивались, образовывая в плане зигзагообразную линию. При таком расположении высота отдельной гряды не оставалась одинаковой по всему фронту. Там, где ее гребень находился под прикрытием предыдущей гряды, высота гребня оказывалась наименьшей, в среднем 0,3 см. Напротив, у противоположного конца гребня, гряда имела наибольшую высоту, около 1,3 см. При этом высокие отметки гряд размещались поочередно то под одним, то под другим берегом русла.
На поймах с прерывистым расположением растительности гряды напоминали очертания барханов, разрезанных и примкнутых срезанной стороной к стенке лотка. У берега тело гряды имело наивысшие отметки от 0,7 до 1,5 см, которые постепенно понижались к стенке лотка. Подвалье гряд было направлено под углом примерно 450 к направлению течения. Такая же картина наблюдалась и на поймах без растительности, но здесь гряды не имели таких ярко выраженных форм, их высота достигала 0,5 см.
Зависимость п.вт/п.ср (отношение поверхностной скорости к средней скорости на вертикали) от расхода показала, что при прерывистом расположении растительности отношение п.вт/п.ср меньше, чем при сплошном расположении растительности. При этом разница между скоростью вторжения гряд и обычной скоростью при увеличении шероховатости растительности уменьшалась. С увеличением h/hр отношение п.вт/п.ср увеличивалось.
В четвертой главе приведены рекомендации по устройству инженерно-биологических посадок, которые были нами разработаны на основе полученных результатов исследований, проведенных в рамках настоящей диссертационной работы:
- в связи с тем, что гидравлическое сопротивление пойм без растительности в 2-3 раза ниже, чем с растительностью, не рекомендуется во время ожидания половодий и паводков оставлять прибрежные участки без растительности на длительное время, а также проводить мероприятия по корчеванию больной растительности или расчистке мест для будущих береговых сооружений;
- так как максимальные скорости приходятся на центральную часть поймы, для предотвращения размывов именно здесь рекомендуется высаживать устойчивые в условиях быстрого течения породы древесной и кустарниковой растительности, такие как ольховые деревья и калина водная или черемуха;
- плановое расположение растительности на пойме – это тот фактор, влияние которого на поток может быть весьма разнообразным. Растительность с прерывистым расположением рекомендуется применять в тех случаях, когда нужно стабилизировать берега или в качестве временных посадок. Посадки со сплошным расположением растительности, оказывающие наибольшее сопротивление, лучше высаживать на бровке поймы. Здесь рекомендуется применять ольховые деревья или шелюгу, калину водную, крушину ломкую и слабительную, черемуху;
- зависимость коэффициента от ширины поймы дает возможность проектирования инженерно-биологических посадок для заданной ширины поймы и прогнозирования значения коэффициента при ее изменении. Так, например, в случае обрушения берега в паводок или половодье, рекомендуется «наращивать» такие берега с помощью густых сплошных посадок ивовых кустарников. «Наращивание» берега будет происходить за счет отложения в зарослях наносов, подаваемых со стрежня поперечной циркуляцией потока;
- полученные нами зависимости 5…7 коэффициента пойм с древесной растительностью от коэффициента тех же пойм, но без растительности можно использовать при устройстве различных берегозащитных сооружений. Зная исходное значение в случае отсутствия растительности можно подобрать такое расположение растений, которое способствовало бы наиболее эффективной защите берегов от разрушительного действия воды.
- полученные нами формулы 8…16 для определения по такой характеристике потока, протекающего через растительный слой, как число Рейнольдса можно использовать для гидравлических расчетов при проектировании в случае, когда заданы определенные значения числа Рейнольдса.
В качестве примера нами была разработана инженерно-биологическая посадка для деградирующего участка малой реки Черная, протекающей на территории поселка Пришибо-Малка Майского района Кабардино-Балкарской республики. В результате чрезмерного выпаса крупного рогатого скота правый берег этой реки подвергся значительным эрозионным разрушениям. Паводки и половодья существенно дополнили отрицательное воздействие на этот участок. Проектирование инженерно-биологической посадки включало в себя следующее: оценку величины сил, действующих со стороны потока на пойму; обследование грунтов, слагающих берег, и определение их основных геотехнических характеристик; подбор растительных элементов, наиболее подходящих для данного района, и расчет посадки. В результате расчета по вышеприведенным формулам 5..10 был предложен вариант инженерно-биологической посадки, изображенный на рис. 9. С целью наибольшей защиты поврежденного участка от разрушительного действия паводков и половодий посадка насаждений осуществляется под углом 300 градусов по отношению к течению воды. Так как в нашем случае необходимо было «нарастить» берег, то инженерно-биологическая посадка включает в себя несколько полос из деревьев. Первую полосу в посадке занимают кустарниковые ивы, которые будут способствовать аккумуляции наносов у эродированного берега. В центральной части поймы, для которой характерны максимальные скорости потока, высаживаются устойчивые в условиях даже достаточно быстрого течения породы ольховых деревьев, что будет способствовать эффективному восприятию нагрузки от движущегося потока. Часть потока, отклоненная от ольховых насаждений, будет восприниматься со стороны русла деревьями ветлы, а с другой стороны деревьями черных тополей и ясеня. На бровке высаживаются кустарники шелюги и черемухи. Густые заросли шелюги будут способствовать накоплению наносов и в последствии принятию руслом его естественного положения. Посадка черемухи обеспечит закрепление пойменной бровки. На повышенных участках в зоне редкого затопления высаживаются насаждения калины обыкновенной. Для наиболее благоприятного произрастания деревьев расстояние между ними принимается 5 м в продольном направлении по течению реки и 6 м в поперечном направлении. Это делается в первую очередь для того, чтобы корневая система соседних деревьев не влияла отрицательно друг на друга.
Предложенный нами вариант инженерно-биологической посадки будет способствовать закреплению эродируемых грунтов и в последствии «наращиванию» эродируемого берега. Деревья и кустарники позволят снизить скорости на пойме в половодье и обеспечат плавное распределение скоростей в период ее затопления. Кроме того, подобранный видовой состав древесных и кустарниковых растений будет привлекать к себе насекомых и различные животные сообщества.
Так же в рамках этой главы рассмотрены вопросы применения полученных нами зависимостей 5…7 и формул и 8…16 в гидравлических расчетах, выполняемых при проектировании сооружений и их элементов, возводимых с использованием методов инженерной биологии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Выполненные в рамках настоящей диссертационной работы исследования распределения скоростей потока на поймах, заросших древесной растительностью, показали их существенное отличие от распределения скоростей на поймах без растительности. В случае отсутствия растительности распределение скоростей имело характер аналогичный тому, какой наблюдался в экспериментах Эгли М., Спицына И.П. и Ле Ван Киена. Здесь максимальные скорости в русле располагаются у свободной поверхности, скорости течения в прирусловой части поймы несколько больше чем в областях более удаленных от бровки поймы. В случае наличия древесной растительности на пойме нами впервые было обнаружено, что максимальные скорости в русле перемещаются как в вертикальном направлении, вниз от свободной поверхности, так и в горизонтальном направлении, в сторону поймы. Величина этого перемещения тем больше, чем выше значение nп/nр.
Выполненные нами исследования кинематического эффекта в руслах с заросшей поймой показали что, при Вп/Вр1 растительность, расположенная на пойме, оказывает влияние на распределение скоростей в русловом потоке. При этом средние скорости руслового потока с увеличением глубины сначала уменьшаются, а, затем, достигнув при определенном уровне наименьшего значения, начинают возрастать.
2. Результаты, полученные нами в рамках настоящей работы, позволили выявить следующие зависимости коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в случае пойм со II…VI схемой расположения древесной растительности на них.
Исследование зависимости коэффициента гидравлических сопротивлений по длине от числа Рейнольдса в руслах с заросшими поймами показало, что увеличение значений числа Рейнольдса приводит к увеличению коэффициентов на участках, покрытых растительностью.
Нами установлено, что в случае наличия растительности на пойме, значения коэффициента зависят не только от характера расположения каждого растительного элемента в определенной плановой схеме, но и от его расположения по отношению к бровке поймы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что нельзя в полной мере согласиться с мнениями тех авторов, которые попытались построить один общих график = f(Re) для открытых русел, независимо от особенностей их зарастания.
Проведенные нами исследования подтверждают вывод ряда авторов о том, что с увеличением густоты растительности значения коэффициента возрастают /12, 27, 39/.
Равным образом наши исследования показали, что увеличение ширины поймы в 0,5 раза при прочих равных условиях приводит к увеличению значений коэффициента в 1,5-2 раза.
Сравнение полученных данных для прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений, показывает, что форма русла в общем случае отражается на значениях коэффициента гидравлических сопротивлений по длине. Максимальная разность значений коэффициента для рассмотренных форм доходит до 7%. Однако если рассматривать относительную величину /0 (где 0 – коэффициент гидравлических сопротивлений по длине того же русла, но без растительности) при одинаковых параметрах зарастания русла, то она с изменением формы практически не меняется.
Для анализа характера изменения значений коэффициента шероховатости, полученного нами для случая Вп/Вр=0,88 при максимальной густоте растительности, наши данные сравнивались с результатами других авторов. Так в нашем случае коэффициент шероховатости равняется n = 0,090-0,110, по данным Срибного для пойм весьма значительно заросших – n = 0,080-0,100, по данным Чоу для пойм, покрытых густым ивняком – n = 0,110-0,200 /84, 89/. Таким образом, принятые для расчетов табличные значения коэффициента шероховатости, в силу своей неспособности учесть возможное многообразие планового расположения растительности на пойме, являются недостаточно точными.
В настоящей работе нами выведен ряд линейных зависимостей 5…7 для определения численных значений п применительно к различным схемам планового расположения растительности на пойме. Эти зависимости могут применяться для прямоугольных русел, в случае II, III и IV схем планового расположения растительности на пойме в диапазоне Вп/Вр = 0,36…0,88, Q = 1500…3500 л/с, Rе = 4000…30000 и Вр/Нп = 15 (Вр – в данном случае ширина русла вместе с поймой, Нп – высота поймы).
На основе линейной зависимости п от отношения Reп/Reкр, нами были получены формулы 8…16 для определения значений коэффициента п, отвечающего определенной схеме планового расположения растительности на пойме. Эти формулы могут применяться для прямоугольных русел, в случае II, III и IV схем планового расположения растительности на пойме в диапазоне Вп/Вр = 0,36…0,88, Q = 1500…3500 л/с, Rе = 4000…30000 и Вр/Нп = 15 (Вр – в данном случае ширина русла вместе с поймой, Нп – высота поймы).
3. Исследования скоростей вторжения гряд на пойму, заросшую кустарниковой растительностью, подтверждают выводы, сделанные Юрчук М., о том, что скорость вторжения увеличивается по мере увеличения густоты растительности. В нашей работе при hп/hр=0,3 разница между обычной скоростью и скоростью, при которой происходит вторжение гряд, достигает 20% (где hп – высота поймы, hр – высота растительности). При этом с увеличением значения hп/hр эта разница сокращается и уже при hп/hр=0,88 составляет 7%.
Проведенные нами исследования показали, что размеры и форма гряд в плане зависят от скорости, расхода и густоты растительности на пойме. Растительность, расположенная сплошной полосой на пойме, способствовала образованию более устойчивых форм гряд. Сначала образовывались гряды с размытыми, нечеткими контурами, которые затем приобретали более устойчивую форму. При этом наблюдался постепенный переход от параллельного расположения гряд к шахматному. На поймах с прерывистым расположением растительности гряды напоминали очертания барханов, разрезанных и примкнутых срезанной стороной к боковой стенке лотка.
4. На основе проведенных нами экспериментальных исследований разработаны общие рекомендации по применению древесно-кустарниковой растительности в инженерно-биологических посадках и установлен порядок их проектирования. В качестве конкретного примера использования этих рекомендаций нами была разработана инженерно-биологическая посадка растительности для восстановления деградирующего участка малой реки Черная, которая передана проектной организации ПМК «Минводхоз» г. Майского Кабардино-Балкарской республики.
Список опубликованных работ автором по теме диссертации
1. Гаврилюк А.А. Природоприближенное восстановление малых рек: «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала Россиии». Сборник научных трудов / Московский государственный университет природообустройства. М., 2004. – с. 161-163.
2. Румянцев И.С., Гаврилюк А.А. Гидравлическое обоснование природоприближенного восстановления малых рек: «Вопросы строительной механики, пожаробезопасности и расчет гидротехнических сооружений». Труды Московского государственного университет природообустройства, вып.2. М., 2004. – с. 166-168.
3. Гаврилюк А.А. К вопросу о значениях коэффициента гидравлических сопротивлений по длине в руслах с поймами, заросшими древесной растительностью // Естественные и технические науки. – 2006 – № 3. с. – 159 – 164.
4. Гаврилюк А.А. Гидравлические сопротивления в руслах малых рек с поймами, заросшими древесной растительностью // Мелиорация и водное хозяйство. – 2007 – № 3. с. – 31 – 32.
