Актуальность темы
.
Ежегодно с наступлением лета десятки тысяч водотоков, протекающих на территории России, зарастают водной растительностью. Развитие водной растительности нередко приводит к вредным последствиям: быстрому заилению и обмелению рек, каналов и водохранилищ, заболачиванию речных пойм, ухудшению качества воды, затруднению водоснабжения. И это далеко не полный список негативных последствий. Для примера приведем данные Б. В. Веригина /1/ по Новомосковской ГРЭС, где зарастание водоема-охладителя составляло всего 10% его площади, это вызывало снижение вакуума по машинному залу на 0,5%, что влекло за собой недовыработку 5 760 000 квт/час электроэнергии в год.
Значительный ущерб зарастание наносит водному хозяйству и мелиорации. При зарастании каналов затрудняется осушение и орошение вследствие уменьшения пропускной способности каналов. Так, например, по данным Д. С. Алиева /2/ при зарастании скорость течения воды в каналах, а значит, и их пропускная способность снижаются в 3−4 раза против проектной.
Во многих случаях убытки, приносимые зарастанием в естественных условиях равнинных, болотистых рек, вообще не поддаются сколько-нибудь полному учету. Зарастание рек сопровождается подпором уровня воды, который нередко достигает по данным различных авторов /3,4,6 и др./ 0,4−0,8 м, а иногда и 1,5 м, что в естественных условиях равнинных рек ведет к заболачиванию пойменных земель /Зи др./.
В этих условиях одной из важнейших предпосылок оценки влияния зарастания рек на экологическое состояние природных территорий, биоценоз ландшафтной и водной среды является оценка пропускной способности зарастающих русел или, конкретно, характеристик их гидравлических сопротивлений.
Наряду с этим, осложняется и гидрометрический учет стока. В результате зарастания русел уменьшаются скорости течения, появляются «мертвые зоны», косоструйность потока, искажаются эпюры скоростей* по глубине и ширине потока. Соответственно, зарастание приводит к нарушению однозначной устойчивой зависимости расхода воды от уровня. Отсутствие однозначной связи расходов и уровней на зарастающих реках вынуждает производить более частые измерения расходов воды, что, в конечном счете, усложняет и значительно удорожает учет стока.
Современная практика гидрометрического учета стока основана на методическом руководстве, разработанным почти пол века назад /4/. Согласно содержащимся в нем рекомендациям, для получения сколько-нибудь надежных данных, необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений, что находится в явном несоответствии с экономическими требованиями настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета стока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов, а так же для проектных и водохозяйственных нужд.
Цели и задачи исследования.
Цель исследований заключается в количественной оценке коэффициентов шероховатости для русел рек, подверженных зарастанию, и разработке методики гидрометрического учета стока зарастающих рек, применительно к новым компьютерным технологиям в режимном и оперативном вариантах. В качестве объекта исследований служили зарастающие реки Европейской территории России (ЕТР).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности на ЕТР, а так же особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.
2. Выявить определяющие факторы и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки при зарастании.
3. Получить расчетную формулу для коэффициентов шероховатости в зависимости от системно-зональных гидрологических факторов.
4. Оценить гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации для различных рек ЕТР.
5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.
6. Разработать методику и алгоритмы автоматизированного учета стока зарастающих рек для внедрения их компьютерной технологии в гидрологическую сеть.
Методика исследований и исходный материал.
В качестве исходного материала использовались данные наблюдений на гидрологической сети Росгидромета, результаты ь собственных наблюдений автора и материалы ГГИ.
Решение поставленных задач проводилось путем регрессионно-статистической обработки гидрометрических данных и численных экспериментов, выполняемых на ПЭВМ. В работе использованы так же результаты исследований различных авторов в области гидробиологии, гидравлики и гидрологии. Реализация моделей для различных вариантов исследования и статистическая оценка надежности полученных результатов производилась на персональном компьютере в среде Delphi и Excel.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками результатов и сравнительными характеристиками с независимой натурной информацией.
Научная новизна и практическая значимость.
1. В ходе диссертационного исследования впервые были получены зависимости, позволяющие количественно оценивать гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведутся гидрометрические наблюдения, эта задача решается непосредственно на основе предложенного уравнения, параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды.
2. Предложены расчетные формулы для решения той же задачи, при отсутствии гидрометрических данных на неизученных реках.
3. Представлена таблица коэффициентов шероховатости для неизученных зарастающих рек в различные периоды вегетации и для различных зон ЕТР, с использованием только их количественных характеристик. А.
4. Разработана новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.
5. Использование предложенной методики учета стока при зарастании дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности характеристик стока.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2001 г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002 г., на научном семинаре отдела гидрологической сети и мониторинга ГТИ в июне 2003 г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГГМУ.
А*.
Некоторые аспекты диссертационной работы вошли в учебное пособие, составленное на кафедре гидрометрии РГГМУ.
По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в печати.
Разработанные методики предполагается включить в Наставление для гидрологической сети Росгидромета, выпуск 6, часть III.
1.Режим зарастания речных русел.
Основные результаты диссертационных исследований получены впервые. В отличие от существующих, они опираются на объективные физические и статистические подходы к интерпретации гидрометрических данных, что отвечает задачам дальнейшего прогресса в решении сложных задач гидравлики и гидрометрии зарастающих рек.
Заключение
.
1. Зарастание речного русла, как фактор гидравлических сопротивлений, в отличие от шероховатости самого ложа, зависит от ландшафтно-климатических условий. Вместе с тем, гидравлические сопротивления речных русел подвержены сезонным изменениям. Именно сезонная изменчивость составляет основную черту гидравлических сопротивлений зарастающих русел. В таком случае, нельзя признать состоятельными существующие шкалы и таблицы для оценки шероховатости русла при зарастании рек, в которых не учитывается ни климатическая зона, ни сезон, ни порядок (площадь бассейна) реки. Казалось бы, без учета этих факторов подобные шкалы и таблицы теряют всякую определенность, тем не менее, они составляют неотъемлемую часть современных руководств и курсов речной гидравлики. Устранение этого существенного недостаткаактуальная проблема гидравлической науки. Ее решение составило основное содержание диссертационной работы.
2. До последнего времени ни теория, ни лабораторные эксперименты пока не дают решения всего комплекса задач, относящихся к гидравлическим сопротивлениям зарастающих речных русел. В связи с этим оказалось целесообразным использовать непосредственно результаты регулярных гидрометрических наблюдений, выполняемых на гидрологической сети Росгидромета. Их ценность заключается в том, что они проводятся на единой методической основе и в течение всего годового гидрологического цикла, в том числе в период летне-осенней межени, к которому и приурочено зарастание речных русел.
3. На постах гидрологической сети измеряются уровни, расходы и температура воды, но, как правило, не выполняются измерения уклонов свободной поверхности J, и тем более не оцениваются коэффициенты шероховатости п. Зато получаемые гидрометрические данные позволяют определить параметр Великанова т3, который приобретает значение важнейшей характеристики гидравлических сопротивлений.
Величина т3 для зарастающих русел зависит от фазы развития водных растений. С одной стороны, т3 уменьшается по мере увеличения массы растений, а с другой — увеличивается, из-за их старения, полегания и срыва. Эти процессы происходят хронологически закономерно, так что изменение т3 может быть представлено в виде некоторой функции времени, имеющей однотипную аналитическую структуру в разные годы и для различных рек, если время от начала вегетации Т выражено в долях от общей продолжительности периода зарастания русла.
Параметры этой функции устанавливаются по совокупности измерений расходов воды и их элементов за время зарастания русла методом наименьших квадратов. Соответствующие расчеты выполнены нами более чем для 50 гидрометрических створов малых и средних рек, расположенных в северной, центральной и южной зонах Европейской части России. На этой основе получены расчетные формулы для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих рек при отсутствии гидрометрических данных. Задача решалась с использованием закономерностей изменения гидроморфологических характеристик речных систем, предложенных Н. А. Ржаницыным.
4. В структуре речных систем, каждая отдельно взятая река, рассматривается как звено — поток фиксированного порядка N. С нарастанием его от истоков к устью, а сами порядки определяются водностью реки. Если сток не изучен, эти характеристики ставятся в соответствие площади водосбора.
Другим определяющим фактором служит повышение температуры воды сверх ее порогового значения (8°С). Именно эти два критериальных комплекса- (гидролого-гидраграфический и зонально-климатический) положены в основу формул, позволяющих количественно оценить гидравлические сопротивления в фазу наибольшего развития водных растений.
Их положительная черта заключается в том, что они опираются на общие сведения, которые содержатся в изданиях водного кадастра и банках данных современных геофизических информационных систем.
Проверка полученных зависимостей выполнена применительно к характерным речным бассейнам Севера, Центра и Юга ЕТР, данные по которым не использовались при их выводе. Средние отклонения по всей совокупности составляют 25%, а наибольшие достигают не более 60%. Для практики такой диапазон вполне допустим, так как он отвечает характеристикам точности гидравлических расчетов даже в более благоприятных условиях движения потока, чем в зарастающем русле.
5. Предложенные формулы получены в результате перехода от собственно гидравлических характеристик зарастающих русел к соответствующим ландшафтно-климатическим факторам, что позволяет использовать их для оценки гидравлических сопротивлений зарастающих русел в различных климатических зонах. На этой основе рассчитана шкала характерных значений коэффициентов шероховатости: максимальных, осредненных за период вегетации и по фазам — весеннюю, летнюю и осеннюю в зависимости от порядка реки и средневегетационной температуры воды.
Шкала отражает значительную изменчивость коэффициентов шероховатости по сезонам в среднем в 1,5−2 раза, и в тех же пределах максимальные значения превосходят средние, что свидетельствует о нерепрезентативности существующих в речной гидравлике описательных характеристик сопротивлений зарастающих русел безотносительно к климатическим зонам, порядкам рек и сезонам вегетационного периода.
В совокупности система приведенных в диссертации расчетных зависимостей позволяет преодолеть ту неопределенность, которая заключена в современных шкалах коэффициентов шероховатости, основанных лишь на качественно-описательных оценках.
6. Представленные в диссертации зависимости выведены из достаточно обоснованных физических предпосылок и большого объема статистических данных, и поэтому обладают необходимой общностью для применения в других зонах России. Естественно, при этом следует ожидать меньшей надежности расчетов, и вопрос об их уточнении должен составлять задачу специальных исследований.
7. Предложена новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова гп3, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии ведения Государственного Водного Кадастра.
Использование этой методики дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности получаемых характеристик.
Наряду с режимным учетом стока (вычислением ежедневных расходов воды по истечении года), предложены алгоритмы для получения оперативных данных о водности рек для службы гидрологических прогнозов, оценки экологического состояния и мониторинга водных объектов в течение вегетационного периода.
