Транспорт наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период (стр. 3 )

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 [, , ] 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:

м²/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.