Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающий рек

Короткий опис

Содержание
Введение ______________________________________________4

Глава I. Режим зарастания речных русел___________________10

1.1 Гидробиологические условия, видовой состав и фазы развития водных растений________________________________10

1.2 Географические и гидробиологические закономерности распространения водной растительности____________________23

Глава П. Проблемы в оценке гидравлических сопротивлений и гидрометрического учета стока___________________________29

2.1 Современное состояние исследований гидравлических сопротивлений при зарастании русел______________________29

2.2 Параметр Великанова как системная характеристика гидравлических сопротивлений руслового потока____________48

2.3 Методы и задачи совершенствования гидрометрического учета стока зарастающих рек_____________________________51

Глава III. Гидравлические сопротивления зарастающих речных русел_________________________________________________62

3.1 Системно-климатические факторы и расчетная оценка гидравлических сопротивлений зарастающих русел___________62

3.2 Зонально-сезонная изменчивость и шкала коэффициентов шероховатости зарастающих русел_________________________79

Глава IV. Оптимизация гидрометрического учета стока зарастающих рек_______________________________________86

стр.

4.1 Регрессионно-гидравлическая модель учета стока в условиях зарастания русла________________________________86

4.2 Численные эксперименты по оптимизации и компьютерной технологии гидрометрического учета стока 91

Заключение____________________________________________103

Список использованной литературы_______________________108.
Введение

Введение

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 5760000 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 121 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 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.

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 2001г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002г., на научном семинаре отдела гидрологической сети и мониторинга ГТИ в июне 2003г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГТМУ. 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

1.1 .Гидробиологические условия и фазы развития водных растений

Зарастание рек - сложный процесс, развитие которого обусловлено совместным влиянием естественных и антропогенных факторов. Растительное сообщество в ходе своего развития и жизнедеятельности меняет условия своего существования, подчиняясь естественным закономерностям. Вместе с тем активная деятельность человека на водосборе реки вносит существенные коррективы в процессы развития травяной биомассы. Основные факторы, определяющие развитие водной растительности можно объединить в следующие группы:

• гидрологический режим реки

• термический режим

• естественный химический состав воды

• антропогенное воздействие

Гидрологический режим включает в себя характеристики жидкого и твердого стока, особенности морфологического строения участка реки, рельеф дна и характер грунтов, режим движения донных наносов и пр. В особые группы выделяются характеристики термического и химического стока, поскольку они в значительной мере определяют базовые условия произрастания водой растительности.

В рамках последней группы следует отдельно выделить антропогенную деятельность на водосборе и антропогенное воздействие непосредственно на русло реки. Человеческая

10

деятельность на водосборе влияет на изменение химического стока различных звеньев гидрографической сети. Мелиоративные, дорожные и другие работы изменяют режим питания реким. Непосредственное воздействие на русло реки влияет как на режим питания высших водных растений, посредством сброса в реку биогенов и других активных продуктов деятельности человека, так и изменяет местные морфологические особенности и русловой процесс на участке реки. Колебания водности рек сопровождается соответствующей реакцией экосистем, так что каждая фаза водного режима играет вполне определенную роль /51. Эти процессы особенно сложны на зарастающих реках. Развитие водолюбивой растительности в их руслах и долинах при определенных условиях - благоприятный фактор, при других - признак деградации речной системы и ухудшения качества воды. Современная система гидрологических наблюдений на реках, обеспечивая получение данных о водных ресурсах, режиме уровней и расходов воды, остается недостаточно ориентированной на контроль их экологических проявлений. В связи с этим особую важность приобретает повышение точности учета стока и определение водного баланса зарастающих рек с тем, чтобы адекватно оценивать и прогнозировать их состояние как элементов ландшафта. Именно в этом заключается одна из задач реализуемых в России мониторинга водных объектов и программ охраны окружающей среды.

Видовая совокупность водных растений очень многообразна, и природа нам оставляет максимум неопределенности в этом вопросе. Однако можно выделить четыре основные группы водной растительности, 161:

1) водноболотная группа,

и

2) воздушно-водная, сюда относится тростник, рогоз,

3) прикрепленные растения с плавающими листьями - это такие, как кувшинка, кубышка,

4) погруженная растительность - рдест, рогалистник.

Первые две группы образуют - гидрофиты, а третья и четвертая группы образуют - гедатофиты. Флора только цветковых водных растений (это высшие водные растения) на территории России насчитывает свыше 250 видов, принадлежащим к 40 семействам. Остановимся на наиболее распространенных семействах высшей водной растительности. К числу растений, погруженных в воду только нижней прикорневой частью, относятся представители семейства осоковых (Сурегасеае). У самого уреза воды протягиваются заросли осок (Сагех), которые в нашей стране насчитывают более сотни видов, глубже идет ситняг (Heleocharis) и еще глубже камыш (Scirpus). Камыш предпочитает иловатый глинистый грунт. Его зеленые, безлистные стебли, с бурым пучком соплодий наверху, крайне гибки и под ударами волн и порывами ветра пригибаются до самой воды.

Семейство злаков (Gramineae) чаще всего представлено на озерах и побережьях рек тростником (Phragmites), часто неправильно называемым «камышом» рис. 1.1. Заросли тростника с их высокими бурыми стеблями-соломинами, увенчанными лиловато-коричневыми метелками, широкой каймой располагаются на побережье многих водоемов до глубины 2-3 метров. В отличие от камыша, тростник лучше развивается на песчано-илистом или каменисто-песчаном грунте. В поймах больших рек юга (Кубань, Дон и др.) заросли тростника тянуться на большие пространства, образуя «плавни».

12

Рис. 1.1 Виды водных растений: 1 - рдест блестящий, 2 - рдест пронзеннолистный, 3 - рдест разнолистный, 4 - рдест длинный, 5 -рдест маленький, 6 - тростник.

п

Среди тростников нередко на водоемах средней и южной полосы России можно видеть темно-бурые плотные початки рогоза (Typha) - это представитель особого семейства рогозовых.

На топких илистых берегах водоемов обычны представители семейства Пастуховых (Alismataceae) - частухи (Alisma), стреголист (Sagittaria) и другие. Они имеют яйцевидные или стреловидные надводные листья и лентовидные подводные.

Пятью различными родами представлено у нас своеобразное семейство водокрасовых (Hydrocharitaceae). Широко распространен лягушатник (Hydrocharis morsus ranae), небольшие почковидные листья которого розетками по три — пять штук покрывают поверхность водоемов, быстро распространяясь с помощью вегетативных побегов - «усов».

Плавающим в некоторые периоды жизни растением является телорез (Stratiotes aloides) с острозубчатыми, как у алоэ, жесткими листьями. Быстро разрастаясь, он нередко заполняет водную толщу озер и стариц, способствуя их заболачиванию. В период цветения телорез всплывает к поверхности, затем снова погружается в глубь.

Пришельцем в Европу из Северной Америки является элодея (Elodea canadensis), так называемая «водная чума». Это растение, завезенное в 1836 году в Ирландию, размножаясь исключительно вегетативным путем, заселило водоемы Западной Европы, а с конца 80-х годов XIX века и Европейскую часть нашей страны до Урала включительно.

Крайне интересна биологией своего цветения валлиснерия (Vallisneria spiralis) - представитель семейства водокрасовых. Плавающие в маленьких лодочках чашелистников тычинки ее мужских цветов встречаются с женскими цветами, поднимающимися

14

к поверхности на длинной спирали и вновь после опыления уходящими под воду. Валлиснерия растет у нас в южных и дальневосточных водоемах.

Большое значение в жизни озер и рек имеют представители семейства рдестовых (Potamogetonaceae), которых у нас насчитывается до 40 видов (рис. 1.1). Все виды рдестов - растения погруженные, за исключением рдеста плавающего (Potamogeton natans), овальные листья которого лежат на поверхности воды. Зеленоватые колоски цветов все рдесты поднимают над водой. Растут рдесты обычно на глубине до 3-5 метров за поясом тростников и камыша, образуя в нижней литорали обширные подводные луга, в зарослях которых обильно развиваются моллюски, ракообразные, личинки насекомых и кормятся многие рыбы. В реках тянутся длинные плети рдеста блестящего (Potamogeton lucens) и рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatum).

Всем известны представители семейства кувшинковых, белые кувшинки (неправильно называемые «водяными лилиями») (рис. 1.2) и желтые кубышки. Их широко округлые листья лежат на поверхности воды за краем зарослей тростника или среди его стеблей, а между ними на таких же длинных и эластичных черешках распускаются изящные белые цветы у кувшинок, и более простые желтые у кубышек. После цветения крупные бутылковидные плоды на укорачивающихся черешках опускаются под воду.

15

Рис. 1.2 Белые кувшинки.

С водной средой связано столь значительное число растений, что не всегда можно провести границу между формами наземными и настоящими гидрофитами. Многие из наземных растений, например общеизвестные болотные незабудки (Myosotis palustris), легко переносят погружение в воду и могут длительно существовать в водной среде. Все водные растения характеризуются известными особенностями морфологии, связанными с приспособлением их жизни к воде. Многим из них свойственна разнолистность подводные их листья лентовидные узкие или же кружевные рассеченные, в то время как листья надводные имеют плотную цельную пластинку. Корневая система у многих погруженных в воду растений играет только роль якорей, удерживающих растение, в то время как усвоение растворенных солей производится всей поверхностью растения. Корневых волосков корни водных растений

16

не имеют. Часто отсутствует и древесинный слой стебля с сосудами, проводящими соли от корней вверх.

У растений, погруженных в воду, естественно, нет устьиц, у растений с плавающими листьями, как кувшинковые, устьица есть только на верхней стороне листа. В связи с недостатком освещенности в водной среде, хлоропласты не погружены в глубь листа, а лежат в его эпидермисе. В стеблях и листьях водных растений располагаются сильно развитые воздухоносные полости, которые уменьшают их вес, помогая им держаться в вертикальном положении.

Вертикальное или наклонное положение растительности связано так же с величиной скорости течения реки. Течение воды представляет собой один из основных факторов формирования и отбора речной флоры и распределения ее по местообитанию. Именно наличием течения обуславливается главное свойство обитателей текучих вод - реофилия (т.е. способность жизни в реке) 111. Течение действует на водные организмы трояким образом:

1) оказывает механическое давление;

2) обеспечивает постоянный приток пищи и кислорода и

3) быстро удаляет продукты распада и жизнедеятельности, а так же разносит семена и отростки, тем самым способствуя размножению водных растений.

У большинства водных растений соцветия находятся на поверхности воды и опыляются ветром или летающими над водою насекомыми. Однако имеются и такие растения, как, например, роголистник (Ceratophyllum), у которого пыльца находится во взвешенном состоянии в воде и пестики его опыляются под водой.

Для водных цветковых растений характерно значительное преобладание вегетативного размножения. Из маленького обрывка

17

Список литературы