Транспорт наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период (стр. 1 )

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

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

– кандидат технических наук

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 Москва, ул. Прянишникова, аудитория 201.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Московском государственном университете природообустройства Москва, ул. Прянишникова,.

Автореферат разослан «19» мая 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент

кандидат технических наук

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:

1.  Процессы переноса в условиях температуры воды близкой к 0ºС и содержащей некоторое количество снега (снежуры), шуги в различных условиях: открытый поток, поток покрытый льдом, напорный поток.

2.  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.

3.  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 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 и , 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 t = 0; – параметр, характеризующий относительную шероховатость ледяного покрова и дна; и – отметки льда и дна соответственно. Определение параметра связано с некоторыми трудностями.