АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЁТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОГО ПОТОКА В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ, ПОКРЫТЫХ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

​METHODS FOR CALCULATING HYDRAULIC PARAMETERS OF FLOW IN VEGETATED OPEN CHANNELS AND THEIR ANALYSIS

Ravshan Aminaddinovich Mamutov

Researcher, Research Institute of Irrigation and Water Problems,

Республика Узбекистан, г. Ташкент

Izzatbek Ergashbaevich Ortiqov

Doctoral Student, Research Institute of Irrigation and Water Problems,

Республика Узбекистан, г. Ташкент

Adkhambek Khaydar ugli Karshiev

Doctoral Student, Research Institute of Irrigation and Water Problems,

Республика Узбекистан, г. Ташкент

АННОТАЦИЯ

В статье выполнен анализ методов расчёта гидравлических параметров потока воды в открытых руслах, полностью или частично покрытых растительным слоем. Рассмотрены основные факторы влияния растительности на структуру потока, а также существующие теоретические и полуэмпирические зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления, поля скоростей и других параметров потока. Проведён анализ расчётных методов, предложенных для рек и ирригационных каналов, и дана оценка особенностей их применения.

ABSTRACT

The article presents an analysis of methods for calculating the hydraulic parameters of water flow in open channels fully or partially covered with vegetation. The main factors affecting the flow structure are considered, together with existing theoretical and semi-empirical relationships for determining the hydraulic resistance coefficient, velocity distribution, and other flow parameters. An analysis of calculation methods developed for rivers and irrigation channels is carried out, and the specific features of their application are evaluated.

Ключевые слова: открытое русло, растительный слой, поток воды, гидравлические параметры, коэффициент гидравлического сопротивления, поле скоростей, коэффициент шероховатости, число Рейнольдса, гидравлический уклон, ирригационные каналы.

Keywords: open channel, vegetation layer, water flow, hydraulic parameters, hydraulic resistance coefficient, velocity distribution, roughness coefficient, Reynolds number, hydraulic slope, irrigation canals.

Теоретические исследования гидравлических параметров водного потока, в том числе профиля скоростей по поперечному сечению потока, в руслах рек и каналов, полностью или частично покрытых растительным слоем, достаточно подробно изучены в работах Н.Б. Барышникова, Б.С. Боровкова, В.Г. Глушкова, Е.А. Леонова, А.С. Монина, Б.Ф. Снищенко, Г.Н. Петрова, А.М. Яглома и других учёных. Результаты теоретических исследований указанных учёных были экспериментально обоснованы натурными исследованиями, проведёнными А.С. Мониным и А.М. Ягломом. Движение водного потока в руслах, покрытых растительным слоем, имеет сложную структуру, и анализ и оценка данного процесса относятся к числу сложных научно-технических задач. В частности, в области границы между растительным слем на водный потоком на поток воздействуют силы сопротивления со стороны растительности, а также дна и стенок русла. Если предположить, что водный поток над растительным слоем движется аналогично потоку в обычных руслах, то нижнюю границу потока можно рассматривать как ограниченную верхней поверхностью растительного слоя. Однако в нижней части потока, ограниченной растительностью, скорость потока не равна нулю. Кроме того, нижняя граница потока, то есть дно русла, имеет динамический характер. Наряду с этим динамическая шероховатость верхней границы растительного слоя оказывает непрерывное влияние на структуру турбулентного движения потока [1, 2, 4]. Динамические факторы в области взаимодействия водного потока с растительным слоем вызывают волновые колебания растительного покрова, которые, в свою очередь, оказывают существенное влияние на структуру водного потока.

Рисунок 1. Схема движения водного потока в руслах, покрытых растительным слоем:

1 – поток воды над растительным слоем; 2 – поток воды в пограничной зоне растительного слоя; 3– элементы растительности; 4 – эпюра скоростей водного потока

Данные вопросы достаточно подробно изучены в работах В.М. Ляхтера и И.Н. Гурина. В частности, экспериментальными исследованиями установлено, что волновые колебания, возникающие в растительном слое, приводят к уменьшению сил трения и, как следствие, к увеличению скорости потока. Это объясняется тем, что направление распространения волн совпадает с направлением вектора скорости потока (см. рисунок).

В вышеуказанных научно-исследовательских работах гидравлические параметры водного потока в пограничной зоне растительного слоя изучены недостаточно полно. В этой данной области на поток оказывают влияние геометрические параметры стеблей растительности, их плотность, видовой состав, возраст, ориентация относительно направления течения, а также гидравлические сопротивления, возникающие у стенок и дна русла [2, 5, 6,7].

Важные характеристики параметров водного потока в руслах рек, покрытых растительностью высотой до 1,5–2,0 м в периоды маловодья, достаточно подробно исследованы в работах Г.И. Швеца, Järvelä J., King Н., Wisjer Ch. и Valentina Boscolo. Подпор, возникающий под воздействием водной растительности, рассматривался как параметр относительной глубины потока, при этом исследована зависимость данной величины от формы русла, плотности распределения растительности, гидравлического сопротивления и ряда других факторов.

В исследовательских работах изучались имитационные модели динамики водных потоков, покрытых растительным слоем, в экспериментальных лотках. В ходе экспериментов исследовалось движение потока в зоне расположения стеблей водной растительности вблизи корневой системы. Установлено, что с увеличением уровня воды возрастает величина гидравлического сопротивления, создаваемого стеблями растений. Максимальные значения коэффициента гидравлического сопротивления наблюдаются при полном погружении стеблей растений в водный поток. При полном затоплении растительного слоя и формировании выраженного потока над растительным покровом происходит увеличение числа Рейнольдса, вследствие чего наблюдается снижение величины коэффициента гидравлического сопротивления.

В научной литературе исследованы научно-технические вопросы, связанные с полеганием водной растительности, при котором с увеличением уклона дна русла максимальные значения коэффициента гидравлического сопротивления смещаются в область малых чисел Рейнольдса. Вследствие прилегания водной растительности к дну русла её сопротивление движению потока существенно снижается [1,3,4,9,10].

В работах Ю.Н. Соколова и А.С. Головатюка достаточно подробно изучены поля скоростей водного потока в руслах рек и каналов, покрытых травянистой растительностью, в натурных условиях. Ими предложено следующее выражение для определения коэффициента шероховатости:

                                                    (1.1)

где:  коэффициент шероховатости растительного слоя,  поправочный коэффициент, зависящий от высоты растительности,  число Фруда,  гидравлический уклон.

В научной литературе для определения коэффициента шероховатости в области растительного слоя рекомендуется следующее выражение [1,3,10]:

                                              (1.2)

где:  диаметр стебля растительности, м,  высота растительности, м,  относительная толщина растительного слоя,  число Рейнольдса.

В работах В.Т.Чоу и А. Найта для определения коэффициента гидравлического сопротивления в ирригационных каналах, покрытых водной растительностью, предложено следующее выражение [10]:

                                           (1.3)

где::  коэффициент гидравлического сопротивления,  коэффициент лобового сопротивления,  относительная густота растительности,  - гидравлический диаметр канала (dh = 4A/P, где P — периметр смачиваемости).

К настоящему времени закономерности гидравлического сопротивления в ирригационных каналах с высокими значениями коэффициента шероховатости достаточно подробно изучены в работах О.М. Айвазяна, Г.В. Железнякова, Н.Б. Барышникова, А.А. Маастика, К. Рабковой, И.Ф. Карасёва, В.С. Боровкова, Ю.М. Альтшуля, С.Х. Абальянца, А.Я. Слободкина, Д.В. Штеренлихта, М.М. Овчинникова, А.Л. Радюка, А.П. Сидорова, С.А. Яхонтова, В.Т. Чоу, В.С. Алтунина, Ю.А. Ибад-Заде и других учёных. В частности, О.М. Айвазяном для расчёта коэффициента сопротивления в ирригационных каналах с большими значениями коэффициента шероховатости была предложена следующая формула [1,4,5,6,9]:

                                    (1.4)

где:

λ — коэффициент гидравлического сопротивления; 0,260 —эмпирический коэффициент, пропорциональный высоте шероховатости русла; I — гидравлический уклон, который для каналов в земляном русле принимается равным уклону свободной поверхности потока; R — гидравлический радиус; 0,016 —эмпирическая постоянная

Коэффициент гидравлического сопротивления λ — это безразмерная величина, характеризующая потери энергии потока из-за трения о стенки и дно русла.

Из формулы (1.4) следует, что эффициент гидравлического сопротивления λ, в значительной степени зависит от гидравлического уклона I. Данное выражение отражает из соответствующей функциональной зависимости, установленную О.М. Айвазяном.

Исследованиями установлено, что значения коэффициента гидравлического сопротивления, полученные по формуле О.М. Айвазяна, отличаются от значений, получаемых по известным зависимостям А.Д. Альтшуля, Маннинга и Н.Н. Павловского, примерно в 2–2,5 раза [7,8].

Полуэмпирические зависимости, предложенные А.П. Зегджа, И.И. Агроскиным и А.Д. Альтшулем, применимы не только для квадратичной области сопротивления, но и для переходной области гидравлических сопротивлений [7].

В работах В.С. Боровкова, Ю.В. Брянской и М.А. Волынова предложены зависимости для расчёта основных гидравлических параметров водного потока в руслах рек, частично покрытых водной растительностью [2]. В частности, в работе М.А. Волынова показана зависимость средней скорости потока от параметров донной поверхности русла и высоты растительного покрова:

                                                (1.5)

где:  — средняя скорость потока, м/с;

h — высота водного потока (или глубина), м;

i — гидравлический уклон.

В результате выполненного анализа: можно сделать следующие выводы.

При определении поля скоростей по поперечному сечению водного потока в руслах, покрытых водной растительностью, необходимо учитывать высоту водной растительности, а также диаметр и высоту её стеблей.

При определении параметров водного потока требуется учет водной растительности в пределах гидрометрического створа. В противном случае погрешность расчётов гидравлических параметров потока по предлагаемым зависимостям может достигать 25–30 %, вследствие чего расчётные зависимости становятся неадекватными реальным условиям.

Существующие методы расчёта гидравлических параметров водного потока в руслах, покрытых водной растительностью, разработаны преимущественно для рек и ирригационных каналов. В связи с этим изучение научно-технических вопросов, связанных с расчётом динамики потока и гидравлических параметров в открытых коллекторно-дренажных сетях, в настоящее время является актуальной задачей гидравлики открытых русел.

Список литературы:

1. Барышников Н.Б., Симанович А.В. Влияние глубин и формы сечения на гидравлические сопротивления речных русел// Четырнадцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов.- Уфа, 2009.-С.58-59.
2. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. JL: Гидрометеоиздат.-2009.-286с.
3. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек.-Jl.: Гидрометеоиздат .-1981.-311с.
4. Маастик А.А. Исследование сопротивления движению воды в открытых призматических руслах.-Тарту.:Эстония.-2019.-29с.
5. Карасёв И.Ф. Диффузионно конвективная модель турбулентности и гидравлические характеристики русловых потоков // Метеорология и гидрология, М.: Гидрометеоиздат, 2013.-№9.-с.69-78.
6. Карасёв И.Ф. Русловые процессы при переброске стока.-Л.: Гидрометеоиздат .-2005.-288с.
7. Альтшуль А.Д. Основные закономерности равномерного течения воды в каналах. Изв. АН СССР №5.-1956.-с.85-94..
8. Альтшуль А.Д. Сравнение формул без коэффициентов шероховатости для определения средней скорости течения воды в реках. \\ Гидротехническое строительство. №1.-1983 .-с.41 -42.
9. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных рус-лах.-Л. :Гидрометеоиздат.-1981 .-240с.
10. Чоу В.Т.Гидравлика открытых каналов / пер. с англ. канд. техн. наук И.В. Филимоновой; под общ. ред. проф. А.И. Богомолова. — М.: Стройиздат, 1969. — 464 с.