Транспорт наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период
На правах рукописи
ГРИЦУК Илья Игоревич
ТРАНСПОРТ НАНОСОВ ВОДНЫМИ ПОТОКАМИ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
Специальность
05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА 2008
Работа выполнена в Институте водных проблем РАН
Научный руководитель – доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Дебольская Елена Ивановна
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор
Боровков Валерий Степанович
– кандидат технических наук Верхоглядов Андрей Александрович
Ведущая организация – ОАО “Инженерный центр ЕЭС”–
филиал “Институт Гидропроект”
Защита состоится «23» июня 2008г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, аудитория 201.
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19.
Автореферат разослан «19» мая 2008г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, доцент
кандидат технических наук И.М. Евдокимова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Урбанизированные территории характеризуются необходимостью удаления загрязнений в больших объемах. Важную часть этих загрязнений составляют сбросы в водостоки, наносы, смываемые с городских территорий всех видов. В состав этих наносов входят как минеральные, так и органические составляющие. Существенной особенностью в России является то, что большая часть года приходится на отрицательные температуры воздуха. Это определяет состояние водного потока в каналах водостоков и городских реках. Имеется ввиду то обстоятельство, что водный поток кроме наносов в своем составе имеет значительное количество снеговой массы или шуги.
В настоящее время имеется значительное количество работ, в которых рассмотрены проблемы транспорта наносов как потоком без наличия в нем взвешенных наносов, так и потоком с большим их содержанием. Однако известно, что в процессах обмена в потоке существенная роль принадлежит физическим характеристикам водного потока, в частности турбулентной вязкости жидкости.
Наличие снеговой массы и шуги значимо изменяют указанные выше характеристики потока. В связи с этим меняется транспортирующая способность потока, что в отдельных случаях приводит к катастрофическим последствиям – заторам в каналах водостока. Имеются данные о возникновении таких ситуаций в Мосводостоке и в Санкт-Петербуржском водостоке. Более того, известны случаи возникновения таких катастрофических ситуаций в Канаде (Монреаль) и Норвегии (Тромсе).
Несмотря на то, что снеговая масса, отправляемая в водосток, предварительно растапливается, кинематическая вязкость жидкости значительно превышает обычные значения принимаемые в расчетах.
Это в существенной мере определяет способность потока переносить поступающие в водосток и городские реки наносы.
Таким образом рассмотрение переноса наносов в сооружениях, обеспечивающих комфортное состояние селитебных территорий является актуальной проблемой.
Постановка задачи
Поскольку транспорт наносов водными потоками на урбанизированных территориях осуществляется посредством переноса частиц, как в городских реках, так и в сооружениях водостока (причем часто городские реки по существу являются объектом водостока в закрытом коллекторе, как, например, реки Неглинка, Каховка, Хохловка и др. в городе Москве), то необходимо отдельное рассмотрение следующих процессов:
- Процессы переноса в условиях температуры воды близкой к 0С и содержащей некоторое количество снега (снежуры), шуги в различных условиях: открытый поток, поток покрытый льдом, напорный поток.
- Учитывая различные условия поступления наносов в водотоки, в сезоны: конец осени – начало зимы, зима, конец зимы – начало весны, необходимо рассмотреть эти особенности в отношении характера транспорта наносов. Здесь имеется ввиду перенос только донных наносов, а в условиях водостоков может иметь место дефицит наносов, перенос наносов только во взвешенном состоянии, также применительно к водостокам и транспорт как донных, так и взвешенных наносов в последних из отмеченных сезонов.
- Исключительно в зимний период также очевидна и, как будет показано ниже, отмечается наблюдениями, существенная изменчивость поступления в водотоки наносов в зависимости от интенсивности осадков в виде снега, продолжительности оттепелей. В связи с этим необходимы рассмотрения транспорта наносов в водотоках в условиях этой внутрисезонной изменчивости.
Цель
Целью выполненного исследования было выявление закономерностей формирования транспорта наносов в зимний период и разработка соответствующих моделей транспорта наносов на основе анализа существующих и полученных новых данных натурных и лабораторных исследований.
Задачи
В задачи исследования входило:
- сравнительный анализ существующих методов расчета транспорта наносов в открытых потоках без наличия взвешенных, с большим их содержанием и дефицитом наносов;
- натурные исследования транспорта наносов в открытых потоках;
- экспериментальные исследования в лабораторных условиях, как в открытых, так и покрытых имитацией льда потоках;
- анализ формирования транспорта наносов в зимний период и разработка моделей для их расчета.
Научная новизна работы
Заключается в следующем:
- полученные новые данные натурных исследований процессов обмена и переноса в открытых потоках в зимний период;
- получены новые экспериментальные данные в лабораторных исследованиях в открытых и покрытых имитацией льда потоках;
- выявлены новые закономерности транспорта наносов в зимний период;
- разработаны модели транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период, учитывающие неравномерное и нестационарное поступление наносов с урбанизированных территорий.
Практическая значимость
Практическая значимость работы определяется возможностями применения полученных новых закономерностей и разработанных моделей к управлению водным режимом урбанизированных территорий в зимний период.
Достоверность результатов исследования
Достоверность результатов исследования подтверждается результатами натурных и экспериментальных исследований с использованием существующих апробированных методов измерений, использованием известных физических предпосылок, положенных в основу моделей, положительными результатами сравнения натурных и экспериментальных исследований.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в 2-х статьях (журнал Водные ресурсы), в тезисах на VI Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» Москва, 2004г., UNESCO IHP VI Workshop «Integrated urban water management in cold climate» Трондхейм, 2005г., «Маккавеевские чтения» Москва, 2006г., Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» Архангильск, 2007г., а так же в докладе на Десятом Международном Симпозиуме по речным наносам (10-th ISRS) Москва, 2007г.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 163 страницы, включая 38 рисунков и 26 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, основные аспекты ее содержания.
В первой главе дается аналитический обзор современных работ, посвященных транспорту наносов в открытых потоках, а также покрытых льдом. При этом особое внимание уделяется сравнению предложений для потоков, как с большим, так и небольшим (дефицит наносов) количеством наносов.
Проведенный анализ большого количества измерений в лабораторных лотках, реках и каналах показывает, что логарифмической или степенной формулами может быть хорошо описан профиль осредненной по времени скорости течений.
Перемещение воды на урбанизированных территория в реках и каналах подо льдом в зимний период можно рассмотреть как поток с изменяющейся в разной степени шероховатостью стенок. Главные особенности этих потоков изучал Б.А. Фидман в своих экспериментах в прямоугольной трубе. В этой трубе одна стенка имела утрированную шероховатость, а другая - гладкую поверхность. Из-за этого динамическая ось смещена относительно геометрической в сторону стенки у которой наименьшая шероховатость.
В исследовании Х.Т. Шена и Т.О. Хардена, показано, что для потока имеющего ледяное покрытие профиль скорости имеет следующий вид:
при Z < Z1, (1)
при Z Z1, (2)
где: 
– постоянная Кармана; 
– средняя по вертикали скорость потока с открытой поверхностью; 
– динамическая скорость, обусловленная донной шероховатостью; 
– напряжение трения на дне; 
,
; 
– уровень, на котором = 0; 
– параметр, характеризующий относительную шероховатость ледяного покрова и дна; 
и 
– отметки льда и дна соответственно. Определение параметра 
связано с некоторыми трудностями.
Для расчета распределения концентрации взвешенных наносов по глубине потока обычно применяются некоторые соотношения, которые были получены из экспериментов, а так же вводятся дополнительные осреднения, для замыкания полной системы уравнений типа уравнений Ф.И.Франкля.
В последнее время Ч.Т. Янгом было сделано обобщение практически всех зарубежных исследований транспорта наносов, включая грядовый режим движения наносов. Показано, что предпочтение отдается формулам для расчета общего расхода наносов, в которых наличие грядового режима учитывается коэффициентами сопротивления, вызванными существованием гряд.
В настоящее время существует большое количество различных формул для определения расхода наносов. Все формулы можно разбить на две группы: теоретические и полуэмпирические. Теоретические формулы получены либо из учета влекущей силы (касательное напряжение на дне), либо на основе использования статистической теорий движения наносов.
Несмотря на различные предпосылки и способы получения все формулы, как теоретические, так и эмпирические в явной или неявной форме дают зависимость расхода наносов от средней или динамической скорости потока в различных степенях.
, (3)
где: показатель степени 
меняется от 3 до 6.
Это, например, формулы Мейера-Петера, К.В. Гришанина, И.И. Леви для донных наносов, А.А Калинске и наиболее применяемая за рубежом формула Г.А.Эйнштейна.
В последнее время идеи взаимодействия между многочисленными взаимосвязанными факторами, определяющими транспорт наносов были развиты в работах Энгелунда и Хансена, Экерса и Вайта, Ван Рейна и Молинаса.
Во второй главе описываются натурные исследования открытых и покрытых льдом потоков.
В качестве первого объекта исследований был выбран 3-х километровый участок нижнего бьефа Чикинского гидроузла на реке Оредеж в Ленинградской области.
С целью получения натурных данных, описывающих динамику течений и позволяющих рассчитывать транспорт наносов на городских реках в январе-феврале 2005 г., на полигоне в нижнем бьефе Чикинского гидроузла проводились измерения скоростей течения, уровня водной поверхности, структуры, состава и динамики ледового покрова при различных попусках в нижний бьеф гидроузла. Измерения осуществлялись с использованием как стандартных, так и оригинальных гидрометрических приборов и методик.
Полученные данные измерений позволили определить время добегания волны попуска до первого створа (35 мин), изменение скоростей и колебания уровней воды. Увеличение скоростей течения произошло через 40 мин после начала попуска из водохранилища. Максимального значения – 0,4 м/с скорость течения достигла через ~3,5 ч, после чего началось ее постепенное уменьшение.
Измерения скоростей течения и уровней водной поверхности позволили рассчитать коэффициенты вертикального обмена.
Значения коэффициентов обмена в исследуемый период были порядка 10-2 м/с и возрастали в период подъема уровней воды, но интенсивно уменьшались даже во время незначительного спада уровней воды с периодом в 300 с. Отсюда следует важный вывод: при реализации расчетов по математической модели распространения примесей в водном потоке покрытом льдом или перед кромкой ледяного покрова следует рассматривать изменение коэффициента обмена во времени при подъеме и спаде уровней воды с различной дискретностью счета по пространственным координатам и по времени. В одном из рассмотренных случаях уменьшение уровня водной поверхности на 0,05 м привело к уменьшению коэффициента обмена вдвое, а повышение на ту же величину за тот же период дало незначительное увеличение коэффициента обмена.
Значения величины 
, характеризующей степень нестационарности потока, в условиях проведения натурных исследований показали, что все они превышают величину 104. Это свидетельствует о том, что расчет транспорта наносов следует вести с учетом нестационарности течения, т.е. по крайней мере на каждом шаге счета вводить определенную для данных условий критическую скорость потока, отвечающую началу перемещения частиц донного материала. Кроме того, при нестационарном режиме течений происходит существенное изменение параметров грядовой структуры русла, что приводит к изменению гидравлического сопротивления потока.
В качестве второго объекта исследований был выбран участок реки Истра в нижнем бьефе Истринского гидроузла.
Основной целью исследования было получение натурных данных динамики уровней водной поверхности, скоростей течения и транспорта взвешенных и донных наносов в различные периоды попусков, в нижний бьеф Истринского гидроузла, включая зимний период, т.е. при наличии ледяного покрова.
В задачи исследований входило изучение характеристик течения и колебаний уровня водной поверхности в нижнем бьефе при различных объемах попусков из водохранилища, влияние водной растительности и подводных препятствий на динамику и структуру водного потока и формирование рельефа дна по мере ее развития. Исследовались также особенности динамики течений в районе мостового перехода и на участках, потенциально опасных с точки зрения возникновения ледовых заторов и зажоров.
По данным измерений были рассчитаны средние величины основных гидравлических характеристик потока при различных объемах попусков. По перепаду уровней водной поверхности между створами определялись гидравлические уклоны. Были получены зависимости подъема уровней воды, площадей живого сечения, изменения средних по живому сечению скоростей потока и уклонов водной поверхности от изменения расхода воды в русле.
Анализ изменений основных гидравлических характеристик руслового потока показал, что увеличение расхода воды приводит к увеличению площади живого сечения в значительно большей степени, чем средней по сечению скорости потока. Было выявлено уменьшение уклона водной поверхности с увеличением расхода воды, что не соответствует формуле Шези-Маннинга. Это указывает на то, что формула Шези-Маннинга применима исключительно к потоку в каналах с призматическим поперечным сечением.
Актуальным остается вопрос адекватного определения динамической скорости потока. Как показано выше, эта адекватность по данным натурных исследований состоит в привлечении к анализу распределения скоростей течения по вертикали. Из описания распределения скоростей течения по вертикали по логарифмической и степенной формуле следует:
(4)
При этом параметры распределения 
и 
можно определять по соотношениям, предложенными в работах В.К. Дебольского и др., которые подтверждены данными настоящих натурных исследований.
Значения динамических скоростей течения, вычисленных по уклону водной поверхности и определенных из анализа распределения скоростей течения по глубине потока, могут различаться более чем в два раза. Важно отметить, что в створе, где происходит сужение потока, по сравнению со створом расположенном на прямолинейном участке реки, это различие больше.
Таким образом, выполненные натурные исследования динамики течений в нижнем бьефе Истринского гидроузла подтвердили возможность параметризации распределения скоростей течения по живому сечению потока.
В третьей главе описываются экспериментальные исследования транспорта наносов, которые были проведены в русловом лотке циркуляционного типа гидравлической лаборатории кафедры «Гидравлики и гидротехнических сооружений» Российского университета дружбы народов в 2006-2007 годах.
Первая серия экспериментов представляла собой исследование трансформации характеристик потока при стеснении поперечного сечения (модель опоры моста) как в открытом, так и покрытом льдом потоке.
Вторая серия экспериментов представляла собой исследование трансформации характеристик потока при различных состояниях имитации ледяного покрова.
Во всех экспериментах в качестве подвижного дна использовался песок крупностью от 0,315 до 1 мм.
В качестве имитации ледового покрытия использовался пенопласт длиной, равной длине рабочего участка лотка – 2м, шириной равной ширине гидравлического лотка 0,24м и толщиной 0,05м.
Во всех экспериментах, при которых изучались характеристики подледного потока, имитация ледяного покрова на первом этапе находилась на водной поверхности без каких-либо нагрузок, на втором этапе производилась пригрузка таким образом, что нижняя ее часть оказывалась под водой на половину толщины, а на третьем этапе нагрузкой достигалось полное затапливание покрытия.
В экспериментах кроме этого исследовалось влияние на характеристики потока закрепленного покрытия, имитирующего случаи вмерзания льда в берега и покрытия льдом всего русла реки или канала.
а) б)
в)
Рис. 1. Распределение скоростей течения в подледном потоке при стеснении.
Покрытие (модель льда) а) не притоплено; б) притоплено наполовину; в) полностью притоплено (-- – закрепленный лед; -- – незакрепленный лед)
На рис. 1 а), б) и в) показаны распределения скоростей течения в подледном потоке с моделью опоры моста как при свободно плавающей модели льда, так и при закрепленной (лед не погружен, погружен наполовину, погружен полностью). В данной серии экспериментов покрытие (модель льда) либо было не закреплено по краям, либо – закреплено. Эксперименты проводились при глубине потока 15 см. и при постоянном расходе воды. Скорости течений измерялись в середине по длине рабочего участка и в середине по ширине потока, в данном случае по середине опоры моста.
Наблюдения показали, что при прочих равных условиях (расход, грансостав грунта), в отличие от открытого потока, в потоке с покрытием при его нагружении под кромкой покрытия происходил размыв дна. Интенсивность размыва зависела от степени нагрузки. Результаты эксперимента были использованы при тестировании математической модели деформации дна в нестационарном подледном потоке.
Как можно видеть из этих графиков распределение скоростей течения по глубине потока существенно изменяется в зависимости от погружения покрытия в поток и от условий связи покрытия с берегами. Эти результаты позволяют скорректировать предложенные ранее рекомендации по описанию распределения скоростей течения в подледном потоке. Это особенно важно для расчета транспорта наносов, поскольку перенос определяется коэффициентами обмена, которые в свою очередь определяются распределением скоростей течения.
В четвертой главе представлены модели, разработанные для расчета транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период.
Основная концепция моделей для расчета и прогнозирования транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях заключается в следующем. На основе краткосрочных прогнозов метеорологической обстановки в регионе определяются осадки и температура воздуха. По этим данным рассчитывается сток воды и наносов с территории с помощью моделей, описывающих формирование стока. Эти модели [Л.С. Кучмент, В.Н. Демидов, Ю.Г. Мотовилов] включают в себя зависимости, по которым вычисляется слой стока воды и модель «кинематической волны». Далее используется модель, описывающая транспорт наносов, если ставится задача об определении динамики русла городской реки, или модель переноса наносов, если рассматривается транспортирующая способность потока в коллекторе водостока. В последнем случае в качестве начальных условий для наносов принимается количество песчано-гравийной смеси смываемой с городских дорожных покрытий.
Особенности транспорта наносов водными потоками в зимний период определяются прежде всего низкой температурой воды, наличием снежуры или ледовой шуги в потоке и возможностью формирования полунапорного или даже напорного потока в случае сформированного устойчивого ледяного покрова.
В связи с этим во-первых следует учитывать изменение коэффициента кинематической вязкости за счет низкой температуры воды по известному соотношению.
Вторая важная характеристика водного потока, транспортирующего наносы, это относительная плотность наносов.
Плотность воды незначительно изменяется с приближением температуры воды к 0°С. И это изменение существенно при поступлении в воду снега и формирования ледовой шуги.
Следующей важной особенностью транспорта наносов в зимний период является формирование полунапорного и напорного потоков.
Полунапорный водный поток формируется в условиях, когда устанавливается устойчивый ледяной покров возможно и небольшой толщины не скрепленный ни с берегами водотока, ни со стенками или опорами гидротехнических сооружений или мостов.
В этом случае существенно трансформируется распределение скоростей течения по глубине потока по сравнению с открытым потоком, определяемое формулами (5) или (6). В связи с этим изменяется и величина коэффициента вертикального обмена (турбулентной диффузии), которая и определяет перенос наносов водным потоком.
Распределение скоростей потока по его глубине при наличии плавающего ледяного покрова можно определять из следующих соотношений:
(от Z = 0 до Z = Zo), (5)
(от Z = Zo до Z = h), (6)
где: 
– средняя скорость потока; 
– вертикальные координаты; 
– ситовый размер частиц донных наносов; 
– глубина потока; 
– горизонт максимума скоростей течения.
Горизонт, где устанавливается максимум скорости течения, определяется из условия равенства максимальных значений скорости течения, рассчитанных по логарифмической или степенной формулам.
Напорный поток формируется когда имеет место существенное сцепление ледяного покрова с берегами водотока, со стенками гидротехнического сооружения или опорами моста.
В этом случае распределение скоростей течения по глубине потока можно рассчитывать по тем же формулам (1) и (2), но в формуле (2) границу скорости у ледового покрова следует принимать равной:
(7)
Рассмотренные закономерности формирования транспорта наносов водными потоками в зимний период предполагают разработку нескольких моделей транспорта наносов, каждая из которых отвечает определенному периоду поступления наносов в водоток.
В первый период, характеризующийся поступлением в водоток мелко дисперсной взвеси, которая транспортируется над не размываемым или слабо размываемым дном, перенос взвеси хорошо описывается упрощенным уравнение диффузии примеси, решение которого в одномерной постановке представляет собой распределение концентрации взвеси по глубине в виде:
, 
, (8)
где: 
– гидравлическая крупность частиц наносов; 
– коэффициент турбулентного обмена частиц наносов; 
– вертикальные координаты.
Адекватность этого соотношения натурным условиям было подтверждено данными натурных исследований, проведенных на р.Истре. Изменение коэффициента обмена в (8) по глубине можно аппроксимировать следующим приближением:
, (9)
где: 
– максимальное значение коэффициента турбулентного обмена частиц наносов; 
– глубина потока.
Здесь максимальное значение коэффициента обмена следует определять как раз из условия формирования собственно водного потока в зимних условиях (наличие снежуры и т.п.). Тем не менее по данным исследований на р.Оредеж для условий зимы вполне можно принять:
м/с (10)
Интегрирование (8) по глубине потока с учетом (10) приводит к выражению, позволяющему определить среднюю концентрацию взвеси:
(11)
Если рассматривается второй период, определяющийся поступлением в водоток наносов, состав которых соответствует перемещению их в придонной области, то придонную концентрацию взвеси можно определять по известному соотношению с подстановкой соответствующей толщины слоя переноса наносов, скорости переноса и гидравлической крупности наносов:
, где (12)
(13)
где: 
– параметр Кармана в логарифмическом законе распределения скоростей течения по глубине потока; 
и 
– плотность наносов и воды соответственно; 
и 
– донная и донная критическая скорости соответственно; 
– толщина слоя наносов.
На рис. 2 и 3 представлено обобщение различных экспериментальных данных по транспорту наносов [6], из которых оказалось возможным получить оценки коэффициента сплошности 
и толщины слоя транспорта наносов в долях размера частиц.
Рис. 2. Изменение коэффициента сплошности транспортируемых частиц в зависимости от относительной скорости потока
Рис. 3. Изменение толщины слоя транспорта наносов в долях размера их частиц в зависимости от относительной скорости потока
В отношении дефицитных форм объем транспортируемых ими наносов может быть определен с учетом зимних условий, т.е. в виде:
, (14)
, (15)
, (16)
где: 
– определяется по формуле (12); 
– коэффициент сплошности; 
– минимальный расход наносов; 
и 
– высота и скорость перемещения гряд и определяются по формулам для условий сплошности грядового движения наносов.
В третий период, в котором наносы в придонной области транспортируются сплошным слоем и толщина которого определяется количеством поступающих наносов, их составом и скоростью течения, начинают работать уравнения, предложенные К.И. Россинским и В.К. Дебольским, описывающие сальтирующее движение наносов с поправкой на зимние условия формирования водного потока:
, (17)
где:
, (18)
, (19)
где: 
– стандарт вертикальной составляющей пульсаций придонной скорости течения.
Определение количества транспортируемых водным потоком наносов, поступающих в коллекторы водостоков или в городские реки связано с установлением прежде всего объемов стока воды в различные подпериоды: осенне-зимний, зимний, весенне-зимний и весенний.
В осенне-зимний подпериод имеют место, как правило, осадки в виде дождя, дождя со снегом, снега, который довольно быстро стаивает. Сток воды поступает как в городские реки, так и в коллекторы.
Зимний подпериод характеризуется осадками в виде снега, который убирают только с проезжей части и тротуаров, а затем растапливают. Вода после механической чистки поступает в основном в коллекторы. Задернованная территория и территория, на которой расположены кустарники и деревья, остается почти везде покрытой снегом вплоть до таяния его в весенний подпериод.
В весенне-зимний подпериод возможны осадки в виде снега, снега с дождем. Кроме этого происходит частичное таяние снега на не убираемых от снега территориях. В связи с этим водный сток поступает как в коллекторы, так и в городские реки.
Тоже происходит в весенний подпериод, когда водный сток формируется за счет дождя и таяния снега.
На рис.4 представлена качественная иллюстрация изменения расхода воды 
, удельного расхода наносов 
и средней концентрации взвешенных наносов 
по месяцам для одного из коллекторов водостока.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1
Рис. 4. Характерные изменения расходов воды Q, донных gT и взвешенных S наносов в водостоке по месяцам
За начальные значения Q0 и S0 приняты соответственно измеренные минимальные значения расходов воды и измеренные значения концентрации взвешенных наносов в октябре. Все остальные величины определялись по результатам расчетов. Измеренные величины были любезно предоставлены Мосводостоком.
Как можно видеть из этого графика, действительно имеет место разделение условий формирования транспорта наносов по подпериодам зимнего сезона.
При этом транспорт преимущественно во взвеси характерен для февраля, движение наносов в грядовом режиме имеет место в апреле, сплошное влечение наносов в виде монослоя отмечается в сентябре, дефицитные донные формы скорее всего образуются в октябре-ноябре, а перенос наносов в форме гряд, сплошного влечения монослоем уже по грядам и во взвешенном состоянии происходит в декабре и марте месяцах.
Именно это и является главной особенностью транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях.
Для каждого подпериода, характеризуемого определенными условиями формирования транспорта наносов необходимо применять для расчета их расхода следующие соотношения, соответствующие модели процесса.
I. Движение наносов во взвешенном состоянии.
Общая концентрация взвешенных наносов
, (20)
где: 
– средняя по величине скорость потока, либо открытого, либо покрытого льдом, которая определяется в соответствии с принятыми формулами распределения скоростей течения по глубине потока; 
– гидравлическая крупность наносов определяется в соответствии с размерами частиц по формулам.
, (21)
где: 
– относительная плотность частицы; 
объем частицы; 
коэффициент сопротивления частицы (В.К. Дебольский, В. Граф); 
площадь частицы, нормальная к направлению ее перемещения.
Общий расход наносов:
(22)
II. Транспорт наносов в виде монослоя определяется по формуле (17), а 
и 
могут быть определены по формулам (18) и (19) соответственно. Стандарт вертикальной составляющей пульсации скоростей течения 
в зимний период уменьшается примерно на половину по сравнению с летними температурами воды. В условиях наличия ледяного покрова наоборот эта величина увеличивается в два раза по отношению к обычно принятым значениям.
, (23)
где: 
– вертикальная координата отсчитываемая от дна потока; 
– глубина потока.
III. Транспорт наносов в виде гряд определяется по формуле (24), а высота 
и 
– скорость смещения гряды могут быть определены по апробированным зависимостям (В.К. Дебольский, З.Д. Копалиани).
(24)
IV. Транспорт наносов в виде дефицитных форм определяется по формуле (14), а 
и 
могут быть определены по формулам (15) и (16) соответственно. 
– определяется по формуле (12). 
и 
– высота и скорость перемещения гряд и определяются по формулам для условий сплошного грядового движения наносов.
V. Транспорт наносов в виде гряд, движения монослоем по верховому склону гряды и перемещение наносов во взвеси рассчитывается суммированием результатов расчета по формулам (20-22).
При этом нужно учитывать, что гидравлическая крупность частиц и количество переносимых наносов в придонной области, рассчитывается для зимних условий, т.е. принимается во внимание температура воды близкая к нулю градусов, а концентрация в придонной области вычисляется по (12) так же с учетом зимних условий водного потока, как открытого, так и покрытого льдом.
Для каждого подпериода, характеризуемого определенными условиями формирования транспорта наносов необходимо применять для расчета их расхода следующие соотношения, соответствующие модели процесса представленные в работе.
Важно отметить, что размыв дна приводит к увеличению, а аккумуляция наносов к уменьшению величины критического расхода воды.
Динамика стесненного ГТС русла под ледяным покровом определяется величиной расхода воды не превышающего критическое значение, то есть то, которое приводит к разрушению ледяного покрова, определяемого выражением:
, (25)
где: 
– равномерно-распределенная нагрузка (кг/м); 
– ширина опор; 
– ширина пролета; 
Разрушение ледяного покрова в створе ГТС происходит в середине створа, чему соответствует схема разрушения плиты с заделкой и опорами.
Далее для расчета расхода наносов используется выражение критической скорости потока в его придонной области.
Скорость течения в его придонной области подледного потока можно определить из следующего соотношения:
, (26)
где: 
– есть функция отношения толщины ледяного 
покрова к глубине потока 
и размеров частиц, слагающих дно русла 
:
(27)
Тогда расход наносов 
, перемещающихся по дну сплошным слоем определится согласно (12) и общий размыв определится введением времени прохождения расхода воды до того, как его величина превысила критическое значение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты настоящих исследований сводятся к следующему:
- Показаны существенные различия в формирование стока наносов на урбанизированных территориях в зимний период по сравнению с таковыми на речных бассейнах вне урбанизированных территорий.
- Выделены подпериоды зимнего периода, условиям в которых должны адекватно отвечать модели для расчета транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях.
- Впервые выявлены закономерности переноса наносов водными потоками в зимний период, которые учитывают как особенности изменения в этот период физических характеристик водного потока и частиц наносов, так и формы транспорта наносов.
- Полученные новые экспериментальные и натурные данные по динамике течений и транспорту наносов в открытом и покрытом льдом (имитацией ледяного покрова при проведении экспериментов в лабораторных условиях) водных потоках дают возможность существенно скорректировать известные ранее соотношения, предложенные для расчета расхода наносов переносимых водным потоком при различных условиях поступления воды и наносов в водные объекты (коллекторы водостока, городские реки) в зимний период.
- Впервые установлено, что для городских рек использование соотношений для расчета гидравлических сопротивлений на основе Шези-Маннинга приводит к значительным погрешностям. В связи с этим предложен метод расчета гидравлических сопротивлений по параметрам скоростей течения.
- Предложены новые расчетные модели для различных потоков, включая стеснение потока, полунапорный и напорный потоки, а также потоки при наличии ледяного покрова.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Грицук, И.И. Транспорт наносов на урбанизированных территориях [Текст] / И.И. Грицук // VI Конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». – Москва, 2004. – С. 335-336.
- Griсuk, I.I. The especial hydraulic conditions of sediment transport at urban territories are under cold climate (snow-sediment mixture, ice, frazil etc.) [Text] / I.I. Griсuk // UNESCO IHP VI Workshop «Integrated urban water management in cold climate». – Trondheim, Norway, 2005. – Р. 67-68.
- Котляков, А.В. Натурные исследования динамики речного потока в нижнем бьефе гидроузла [Текст] / А.В. Котляков, И.И. Грицук, М.В. Дербенев, Н.К. Пономарев, С.А. Артемьев, М.Н. Авсяников, И.В. Лафи // Водные ресурсы. – 2007. – №4, Т.34. – С. 432-438.
- Котляков, А.В. Натурные исследования частично покрытого льдом потока в нижнем бьефе гидроузла во время прохождения волн попусков [Текст] / А.В. Котляков, М.А. Мордасов, Д.И. Исаев, В.А. Иванов, И.И. Грицук, Д.В. Шилов // Водные ресурсы. – 2007. – №5, Т.34. – С. 554-559.
- Грицук, И.И. Исследования динамики речного потока в нижнем бьефе гидроузла [Текст] / И.И. Грицук, В.К.Дебольский // Маккавеевские чтения. –Москва, 2007. – С. 21-25.
- Грицук, И.И. Динамика стесненного ГТС русла под ледяным покровом [Текст] / И.И. Грицук, В.К. Дебольский, Н.К. Пономарев // Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России». – Москва, 2007. – С. 11-12.
- Gricuk, I.I. Transformation of sediment transport parameters by non-uniform stream at parts of the cross-sections contraction of alluvial stream [Text] / I.I. Gricuk, V.K. Debolsky, N.K. Ponomarev // Proceedings of the tenth international symposium on river sedimentation «Effect of river sediments and channel processes on social, economic and environmental safety». – Moscow, 2007. – Р. 131-136.
