ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ И ДОННЫХ НАНОСОВ В РУСЛАХ РЕК ПОДВЕРЖЕННЫХ ЗАРАСТАНИЮ ВОДНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

PECULIARITIES OF MOTION OF SUSPENDED AND BOTTOM SUPPLIES IN RIVER BEDS AFFECTED BY AQUATIC VEGETATION

Anastasia Zakharova

student, Department of Water Engineering Research, Russian State Hydrometeorological University,

Russia, St. Petersburg

Yulia Krylova

student, Department of Water Engineering Research, Russian State Hydrometeorological University,

Russia, St. Petersburg

Tatiana Vekshina

Scientific head, Candidate of technical sciences, Department of Water Engineering Research, Russian State Hydrometeorological University,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной статье поднимается проблема важности учета влияния растительности в русле реки на расходы и сток донных наносов в расчетных методиках. Описывается и объясняется процесс, показывающий, что скорость передвижениях наносов в руслах рек, зарастающих водной растительностью, выше, чем при свободном русле. Также приводятся измеренные натурные данные на реке Оредеже об изменении скорости течения при заросшем и выкошенном русле в одном створе, пробы на мутность. Полученные данные подтверждают теоретические предпосылки о значимости влияния зарастания.

ABSTRACT

In this article the problem raises of the importance of taking into account the influence of vegetation in the river bed on the discharge and runoff of bottom sediments in the calculation methods. A process is described and explained, showing that the rate of sediment movement in river beds overgrown with aquatic vegetation is higher than in a free bed. Also the measured data on the Oredezh River on the change in the flow rate with an overgrown and mown channel in one section, samples for turbidity are given. The obtained data confirm the theoretical assumptions about the significance of the effect of overgrowth.

Ключевые слова: наносы, растительность, влияние зарастания, сток наносов, скорость передвижения наносов.

Keywords: sediment, vegetation, effect of overgrowth, sediment runoff, sediment movement speed.

В последние годы участились катастрофические паводки, все больше возрастает антропогенное воздействие на бассейны рек. Оноявляется опосредованным и проявляется через перераспределение жидкого стока и, в частностиувеличение максимальных расходов воды и стока наносов [1, с.8].Наносы являются компонентом речной геосистемы и подразделяются на взвешенные и донные, которые в свою очередь подразделяются, согласно Н.Б. Барышникову, на влекомые (т.е. перемещающиеся в форме влечения, качения и сальтации) и в донно-грядовой форме перемещения[10, с.71]. Особые сложности при разработке расчетных методов создают донные наносы, так как режимы их перемещения могут существенно изменяться. Это зависит от мощности паводков и половодий, соотношения расходов донных наносов и транспортирующей способности потоков, крупности наносов и других факторов[3, с.30].

Большая потребность в сведениях орасходах и стоке донных наносов, в частности, при проектировании различных гидротехническихсооружений и проведении различных водохозяйственных мероприятий привела к интенсивнойразработке различных расчетных методик [5, с.242].Однако не одна методика не учитывает такой важный фактор, как влияние зарастания. Потребность же в повышении надежности учета стока воды и наносов приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов [2, с.232],[7, с. 173].

Множество водотоков, протекающих на территории России, зарастают водной растительностью. Ощутимому влиянию зарастания на движение потока подвержены малые и средние реки, которые составляют важнейшие элементы природных ландшафтов[6, с.145].Зарастание русел рек водной растительностью относится к процессам, протекающим в ландшафтной сфере, а они, как известно, развиваются под влиянием комплекса климатических, геоморфологических, гидрологических и гидродинамических факторов[4, с.19].Развитие водных растений играет вполне определенную роль в состоянии и эволюции речных экосистем[8, с.112].Растительное сообщество в ходе своего развития и жизнедеятельности меняет условия своего существования, подчиняясь естественным закономерностям[9, с.101].Однако можно отметить, что и растительность оказывает влияние на процессы, происходящие в речном русле, в частности на движение взвешенных и донных наносов.

Оказалась, что скорость передвижения наносов в руслах рек зарастающих водной растительностью выше, чем при свободном русле. Казалось бы, растительность должна препятствовать движению наносов, создавая подпорные явления в русле со всеми вытекающими последствиями, снижение средних скоростей потока, возникновение мертвых зон и т.д. Собственно так все и происходит, но только в первую треть вегетационного периода, пока водная растительность только начинает развиваться в русле реки, в дальнейшем возникают достаточно сложные схемы обтекания водной растительности потоком.В реальных условиях при зарастании русла в нем возникают обособленные зоны поперечного сечения, занятые растениями и свободные от них, что приводит к формированию сложной структуры течения. Поток расчленяется на обособленные струи с большими градиентами скоростей течения, при этом, кроме сил трения по дну, учитываются касательные напряжения на границах внутреннего расчленения потока[3, с.42].Так же надо отметить, и очень сложную схему распределения скоростей потока по глубине в заросшем водной растительностью русле реки.

Видовая совокупность водных растений очень многообразна, и природа нам оставляет максимум неопределенности в этом вопросе. Однако, несмотря на то, что растительный мир водных объектов достаточно разнообразен, одни и те же виды водных растений встречаются в разных географических зонах, с той лишь разницей, что в зонах более теплых водные растения того же вида будут крупнее, чем в более холодных зонах. Будет различаться так же и время вегетации, в более теплых районах это время будет более длительным, можно выделить общие закономерности и в видовом составе водных растений. В основном для всех видов характерно общее строение растения, тонкий стебель у корня, а развитие листьев происходит выше к водной поверхности, что дает потоку больше свободного пространства в придонной части поперечного сечения.

В результате под действием движущейся массы воды,водная растительность сбивается в пучки, так называемые «куртины» и поток обтекает эти куртины, разбиваясь на несколько струй между ними. Эти струи, попадая в сжатое сечение, движутся с большими скоростями, в 1,5 – 2 раза превышая среднюю скорость потока и изначально частично освободившись от взвешенных наносов.

Таким образом, осветленные потоки врываются в «межкуртинное» пространство со скоростями много выше непередвигающей скорости и поднимают во взвесь более крупные частицы наносов, чем те, которые обычно переносятся потоком во взвешенном состоянии при свободном русле. Тем самым, увеличивая скорость передвижения донных наносов и переформировывая донные гряды.

Вместе с тем, нельзя утверждать однозначно, что если физико-географические условия бассейнов рек примерно одинаковы, то эта схема будет работать для всех зарастающих рек, и они будут одинаково подвержены зарастанию, так как на зарастание русла реки помимо географического положения и размеров водотока влияют очень многие факторы, однако общие закономерности в развитии водных растений и их влияния на движение взвешенных и донных наносов несомненно есть.

К работе над данной темой НИР была привлечена группа студентов третьего курса в рамках СНО. На базе РГГМУ в пос.Даймище нами были получены натурные данные измерений на реке Оредеж.

В научных целях были измерены скорости течения при заросшем русле между пучками растительности, так называемыми «куртинами», далее на тех же самых скоростных вертикалях измерялись скорости течения потока уже при выкошенном русле. В ходе эксперимента было установлено, что скорость течения потока между «куртинами» выше, чем при выкошенном русле на тех же скоростных вертикалях.На тех же самых вертикалях и в тех же точках были взяты пробы на мутность батометром-бутылкой, при заросшем русле и при выкошенном створе. После того, как были взяты пробы, их поставили на некоторое время, чтобы они отстоялись. Затем отстоявшиеся пробы отфильтровали с помощью прибора Куприна. Отфильтрованные пробы были высушены и взвешены на электронных весах. Пробы, взятые при заросшем русле, содержат большее количество наносов, чем пробы, взятые при выкошенной траве, что подтверждает наши теоретические предпосылки. Полученные данные представлены в таблице 1.

Таблица1.

Измеренные скорости течения при заросшем и выкошенном русле на р. Оредеж

При проектных изысканиях, как правило выкашивают расчетные створы, нарушая тем самым естественный режим движения водных масс и твердых частиц русла, при этом наносы будут аккумулироваться на участке выкоса, что приведет в дальнейшем к погрешностям расчетов. Эти погрешности из-за не учета влияния зарастания, будут особо значимы, например, при расчетах возможности размывов переходов трубопроводов, что может приводить к негативным последствиям при их эксплуатации.

Если учесть, что вегетационный период водных растений достаточно продолжительный, от 3 до 6 месяцев, в зависимости от климатических условий, то влияние на режим движения наносов в руслах рек, подверженных зарастанию, будет достаточно длительный. Так же необходимо отметить, что большое количество наносов смывается с корнями водных растений при их отмирании и срыве водным потоком в конце вегетационного периода. Так что растительность играет вполне значимую роль в перераспределении и характере движения твердых частиц грунта ложа, а движение наносов при зарастании русла подчиняется режиму вегетационного периода.

Список литературы:

1. Барышников Н.Б., Поташко Е.А., Скоморохова Е.М., Субботина Е.С. Антропогенное воздействие на пойменные процессы и гидравлику руслопойменных потоков // Учёные записки Российского государственного гидрометеорологического университета, № 22, 2011. –С. 7–12.
2. Большаков В.А. Информационные технологии в прикладных задачах гидравлики //Перспективы развития науки и образования: сборник научных трудов по материалам XXVII международной научно-практической конференции, 2018. – С. 231–233.
3. Векшина Т.В. Гидравлические сопротивления и учет стока зарастающих рек / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – СПб.: 2004. – 115с.
4. Векшина Т.В. Гидравлические сопротивления русел рек, зарастающих растительностью // Учёные записки Российского государственного гидрометеорологического университета, № 15,2010. – С. 19–26.
5. Векшина Т.В. Регрессионный анализ в современных методах гидрометрического учета стока // Образование и наука в России и за рубежом, №4 (Vol. 52), 2019 – С. 241–245.
6. Векшина Т.В., Большаков В.А. Математическая модель влияния зарастания на гидравлические сопротивления речных русел // Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право, вып. 3 (21),2017. – С. 145–147
7. Векшина Т.В., Большаков В.А. Оптимизация гидрометрического учета стока зарастающих рек // Перспективы развития науки и образования: сборник научных трудов по материалам XVI международной научно-практической конференции, 2017. – С. 173–175.
8. Векшина Т.В., Карасев И.Ф. Режим гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел // Труды Академии проблем водохозяйственных наук, вып. 9, 2003. – С.112–122.
9. Карасев И.Ф., Векшина Т.В. Расчетная оценка гидравлических сопротивлений русел зарастающих рек // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Т.245, 2006. – С. 101–108.
10. Коринец Е.М. Практические рекомендации по учету эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспортирующую способность руслового потока при формировании геоинформационной системы // Информационные технологии и системы: управление, экономика, транспорт, право,вып. 3 (21), 2017. – С. 71–75.