Исследование экологического состояния участка реки и анализ русловых переформирований (стр. 5 из 7)

Вычисляем отметки дна на каждом километре рассматриваемого участка по формуле:

Z_дна =ZH_{пр n} – h_n,

где ZH_{пр n} – отметка проектного уровня, м;

h_n – глубина по судовому ходу, м.

Отметки проектного уровня для промежуточных точек определяется пропорционально расстояниям.

Линия проектного дна проводим красным цветом по отметкам, полученным вычитанием минимальной гарантированной глубины h_г из отметок проектного уровня:

Z_{пр дна} = ZH_{пр n} – h_г

Z_дна = ZH_{пр n} – h_n,

1) Z_{дна 0} = 142,864 – 2,5 = 140,364 м

2) Z_{дна 1} = 142,783-3,4=139,383 м

3) Z_{дна 2} = 142,702-2,82=139,882 м

4) Z_{дна 3} = 142,621-2,65=139,971 м

5) Z_{дна 4} = 142,54-2,7=139,84 м

6) Z_{дна 5} = 142,459-3,4=139,059 м

Z_{пр дна} = ZH_{пр n} – h_г

1) Z_{пр дна 0} =142,864 – 1 =141,864 м

2) Z_{пр дна 1} =142,783– 1 = 141,783м

3) Z_{пр дна 2} =142,702– 1 = 141,702м

4) Z_{пр дна 3} =142,621– 1 = 141,621м

5)Z_{пр дна 4} =142,54 – 1 = 141,54м

6) Z_{пр дна 5} =142,459 – 1 = 141,459м

Вывод:

Землечерпательные работы на исследуемом участке не требуются, так как на протяжении участка отметки глубин дна не пересеклись с отметкой проектного дна.

8. Исследование скоростного режима русла

8.1 Определение средней и размывающей скоростей течения

В природе наблюдаются два режима течения жидкостей: ламинарный и турбулентный. Режим движения жидкости зависит от скорости течения и глубины потока. Турбулентный режим бывает установившимся и неустановившимся. Движение может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении средняя скорость течения в поперечном сечении русла определяется по формуле Шези

V_ср. =

,

где С – коэффициент Шези;

R – гидравлический радиус, R = w /

, м;

I – продольный уклон водной поверхности.

Коэффициент Шези зависит от шероховатости русла, глубины потока и от формы живого сечения. Для определения этого коэффициента используем формулу Маннинга:

С = R^1/6 / n,

В приведенных формулах

n- коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:

n = kd^1/6,

k- коэффциент по В. М. Макееву равен 0,03;

d – диаметр частиц донных отложений.

R=W/

-гидравлический радиус, м (для равнинных рек гидравлический радиус равен средней глубине hср=W/B);

W-площадь поперечного сечения русла,

;

-длина смоченного периметра русла, м;

В - ширина русла, м;

H - глубина потока, м;

dср - средний диаметр частиц донных отложений, мм.

Рассматривается участок р. Вилюй на 590 км:

Вычисляем площадь поперечного сечения русла по формуле

W = W₁ + W₂ + W₃ + W₄, м²;

Смоченный периметр в поперечном сечении русла определяется:

=508 м

Теперь необходимо выполнить:

1) Определить коэффициент шероховатости русла;

2) Определить значение гидравлического радиуса;

3) Вычислить коэффициент Шези;

4) Вычислить среднюю скорость течения;

5) Построить поперечное сечение русла.

Расчеты:

1) n = 0,03 * 0,48^1/6 = 0,0264;

2) R = 477,3 / 508= 0,94 м;

3) С = 0,94^1/6 / 0,0264 = 37,482 м^0,5/с;

4) V_ср. = 37,482 *

0,34 м/с

5) см. рисунок 8.1.

Средняя скорость течения V_срна вертикали, отвечающая состоянию предельного равновесия донных частиц, когда отдельные частицы срываются с места и перемещаются, но общего движения наносов ещё нет, называется неразмывающей. Она является предельной скоростью, отвечающей началу сдвига отдельных частиц, т.е. скоростью начала влечения и может быть определена с помощью следующих зависимостей.

Формула В. Н. Гончарова, которая по данным исследований ЛИВТа даёт на песчаных перекатах наилучшие результаты

V_нр = 3,9 * (d * h / d₉₅)^0,2(d + 0,0014)^0,3,

где h – глубина потока, м;

d – средний диаметр донных частиц, м;

d₉₅ – диаметр частиц с обеспеченностью 95% по кривой гранулометрического состава, т.е. такой диаметр, который оказывается превзойдённым лишь у 5% частиц, м.

V_нр = 3,9 * (0,00048*1,91 / 0,00066)^0,2 * (0,00048 + 0,0014)^0,3 = 0,632 м/с

Скорость течения V_р, при которой движение донных наносов становится массовым, называется размывающей. Соотношение между размывающей и неразмывающей скоростями равно 1,30

V_р = 1,30 * V_нр, м/с,

V_р = 1,30 * 0,632 = 0,822 м / с

Вывод:

Средняя скорость меньше размывающей скорости (0,34 м/с < 0,822 м/с), следовательно размыва дна в потоке не будет.

8.2 Исследование влияния на речной поток центробежных сил инерции на поворотах русла

При изменении направления потока возникают центробежные силы инерции, направленные по нормали к криволинейным линиям тока. Они приводят к образованию поперечного уклона I_поп, направленного от вогнутого берега к выпуклому, и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных к основному направлению стока вод.

Поперечный уклон определяется по формуле:

,

где r – гидравлический радиус (снимается с плана), м

Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла:

H = I_поп * B,

где B – ширина русла, м

H =0,0000098 * 250 = 0,00245 м

Для определения величины поперечной составляющей скорости V_поп. на вертикали, находящейся на повороте русла применяется формула К.И. Россинского и И.А. Кузьмина

V_поп = [(1,53 * С² * V_ср * h) / (g * r)] * (y1/h)^0,15 * [(y1/h)^0,3 – 0,80], м/с,

где y1 – высота точки над дном, м;

h – глубина потока, м.

1)(y1/h) = V_0,02 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,02)^0,15 * [(0,02)^0,3 – 0,80] = -0,017 м/с

2)(y1/h) = V_0,2 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,2)^0,15 * [(0,2)^0,3 – 0,80] = -0,009 м/с

3)(y1/h) = V_0,4 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,4)^0,15 * [(0,4)^0,3 – 0,80] = -0,002 м/с

4)(y1/h) = V_0,6 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,6)^0,15 * [(0,6)^0,3 – 0,80] = 0,003 м/с

5)(y1/h) = V_0,8 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,8)^0,15 * [(0,8)^0,3 – 0,80] = 0,008 м/с

6)(y1/h) = V_1,0 = [(1,53 * 37,482² * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (1,0)^0,15 * [(1,0)^0,3 – 0,80] = 0,0126 м/с

Строим эпюру скоростей течения от действия центробежной силы (см. рис. 8.3: а).

8.3 Исследование влияния на речной поток отклоняющей силы вращения Земли

Из теоретической механики известно, что всякое тело, движущееся по поверхности Земли с некоторой скоростью, испытывает ускорение, называемое кориолисовым.

В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо под прямым углом к движению тела, а в южном – влево. Под её действием в реках северного полушария частицы воды отклоняются к правому берегу и создают превышение уровня воды у правого берега по сравнению с левым, а в южном-наоборот. Что, в свою очередь, приводит к возникновению в северном полушарии поперечной циркуляции с направлением поверхностных слоёв воды к правому берегу, а донных-к левому. Совместно с продольным течением жидкости поперечная циркуляция образуется в потоке спиралеобразное движение. В северном полушарии циркуляция направлена по часовой стрелке, если смотреть по течению, и осуществляется как на прямолинейных участках русла, так и на поворотах. На поворотах русла влево она складывается с циркуляцией, вызываемой центробежной силой, а на поворотах вправо она уничтожается, ослабляя действие более мощной циркуляции, имеющей противоположное вращение и возникающей под действием центробежной силы.

Рассматриваемая поперечная циркуляция наиболее интенсивно проявляется на больших реках в период половодья, так как и скорости течения и масса воды в этот период наибольшие.

Поверхность воды на прямолинейном участке потока устанавливается нормально к равнодействующей силы Кориолиса и силы тяжести.

I_к = (0,0001456 * V_ср * sin

) / g,

где

- географическая широта, на которой расположен исследуемый участок реки, в град. (в нашем случае = 63° С. Ш.).