ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 432-438
= ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.537
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ РЕЧНОГО ПОТОКА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГИДРОУЗЛА1
© 2007 г. А. В. Котляков*, И. И. Грицук*, М. В. Дербенев*, Н. К. Пономарев**, С. А. Артемьев**, М. Н. Авсяников**, И. В. Лафи**
*Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 **Российский университет дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6 Поступила в редакцию 14.08.2006 г.
Анализируются результаты натурных исследований динамики течения реки Истры в нижнем бьефе гидроузла на протяжении 35 км. Приводятся данные о распределении скоростей течения в различных по морфометрии и по характеристикам донных отложений поперечных сечениях и при существенно различных расходах воды, а также об изменении уклонов водной поверхности. Даются оценки значений коэффициентов гидравлических сопротивлений.
В июне-марте 2005-2006 гг. сотрудниками Института водных проблем и Российского университета дружбы народов были проведены натурные исследования динамики течений, донных русловых форм и концентраций взвешенных наносов при различных объемах попусков на р. Истре в нижнем бьефе Истринского гидроузла.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ
Р. Истра протекает в Московской обл. и является левым притоком р. Москвы (бассейн Волги). Длина реки составляет 113 км, площадь бассейна 2050 км2. Средний расход р. Истры после создания Истринского гидроузла у в/п Павловская слобода составляет 12.2 м3/сек. На всем протяжении реки ширина В меняется от 15-30 (в верховье) до 40 м (в устье) и глубина И - от 0.2-0.3 м на перекатах, до 2-2.5 м в омутах и ямах, а также вблизи
устья. Средняя глубина реки по фарватеру И составляет от 0.5 в верховье до 1.2 м в устье.
Берега реки в верховье преимущественно крутые, но невысокие (высота до первой пойменной террасы - 2-3 м), ниже по течению характер берегов становится более разнообразным. Русло реки извилистое, сложено преимущественно песчаными фракциями (преобладают средне- и крупнозернистые), у берегов, где скорости течения минимальны, скапливается ил. В летний период почти на всем протяжении вдоль берегов русло реки зарастает водной растительностью, в мелких местах
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(гранты 06-05-651864237 и 05-05-79132).
водная растительность покрывает всю ширину русла.
Р. Истра относится к типично равнинным рекам с преимущественно снего-дождевым и частично подземным питанием, весенним половодьем (апрель-май) и летне-осенней меженью. После создания в верховье реки Истринского водохранилища, гидрологический режим Истры стал полностью определяться режимом работы гидроузла.
Характеристики Истринского гидроузла и основные параметры водохранилища представлены в табл.1.
Режим работы Истринского гидроузла - сезонный с пиком сброса воды в период весеннего половодья. Расход при сбросе воды в апреле-мае может достигать 15-20 м3/с и более (в отдельных случаях), при этом уровень воды в нижнем бьефе может повыситься на 2-3 м. Скорости течения в период паводкового сброса значительно возрастают. Во время летне-осенней межени расход воды из водохранилища колеблется в пределах 4-8 м3/с, что вызывает колебания уровня водной поверхности на 0.2-0.4 м. Скорости течения в этот период изменяются от почти нулевых (в застойных зонах у берегов) до 1 м/с на фарватере и в сужениях русла.
Зимой на р. Истре образуется ледяной покров, однако из-за того, что сброс воды из водохранилища осуществляется через донный водослив, вода в верховье реки не успевает охладиться до замерзания и часто бывает свободна ото льда на протяжении ~10 км. По этой же причине в летние месяцы вода не прогревается и температура воды летом в верховьях Истры не превышает 12-14°С. Во время поверхностных сбросов температура
воды возрастает до 17-18°С, что благоприятно влияет на развитие водной растительности.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДИКА, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Основная цель исследований - получение натурных данных динамики уровней водной поверхности, скоростей течения и транспорта взвешенных и донных наносов в нижний бьеф Истринского гидроузла в различные периоды попусков, включая зимний период (при наличии ледяного покрова), необходимых для верификации моделей неустановившегося потока в размываемом русле.
В задачи исследований входило изучение характеристик течения и колебаний уровня водной поверхности в нижнем бьефе при различных объемах попусков из водохранилища, влияния водной растительности и подводных препятствий на динамику и структуру водного потока и формирование рельефа дна по мере ее развития. Исследовались также особенности динамики течений в районе мостового перехода и на участках, потенциально опасных с точки зрения возникновения ледовых заторов и зажоров.
Методика исследований заключается в определении динамических характеристик течений при равномерном установившемся режиме и сравнении их с характеристиками течения при неустановившемся неравномерном режиме. Были проведены синхронные измерения уровней водной поверхности, скоростей течения, концентрации взвешенных наносов и отметок поверхности дна в трех створах по длине русла. При этом в зависимости от объема попуска расстояния между створами изменялись для оценки изменения скорости добегания волны попуска.
Исходя из этого в нижнем бьефе Истринского гидроузла на участке реки от 5 до 15 км ниже плотины были разбиты семь створов и один (ств. 8) был оборудован в п. Павловская Слобода ниже по течению, рядом со створом ФГУП "Мосводока-нал" (рис. 1). Характеристики основных створов представлены в табл. 2.
Для определения характеристик потока при равномерном течении на прямолинейном участке реки (360 м) с относительно ровным дном и классическим ковшеобразном поперечным сечением был оборудован опорный ств. 2. В 600 м ниже по течению были разбиты еще два створа: 3 - в местах развития водной растительности и 4 - в местах с подводными препятствиями, способствующими намыву грунта и образованию донных гряд. Остальные четыре створа (1 и 5-7) были оборудованы, на одной из крутых излучин в у дер. Бабкино и в районе Воскресенского монастыря.
На каждом из указанных створов проводились измерения скоростей потока на вертикалях, рас-
Таблица 1. Основные характеристики Истринского гидроузла и водохранилища
Параметр
Величина параметра
ГЭС и плотина Истринского г/у
НПУ, м 170
ФПУ, м 171
Длина плотины по гребню, м 487
Ширина плотины по гребню, м 6
Максимальная ширина по низу, м 130
Максимальная высота, м 25
Отметка гребня плотины, м 173
Максимальный расход воды через поверхностный водосброс, м3/с 550
Максимальный расход воды через ГЭС, м3/с 19
Истринское водохранилище Объем полный, млн. м3 Объем при УМО, млн. м3 Длина, км Ширина, км максимальная средняя Глубина, м
183 158.6 25
2
1.5
максимальная 19
средняя 4.8
Площадь зеркала, км2 33.6
положенных на расстоянии 2 м друг от друга (7-15 вертикалей в зависимости от ширины русла). На створах 2, 4 и 6 измерялись колебания уровня воды. На всех створах проводился отбор проб грунта для гранулометрического анализа. Измерения проводились при попусках с расходами воды 4, 6, 8, 9, 11, 13 и 14 м3/с.
Измерения скоростей течения проводились гидрометрическими вертушками ИСП-1, F-581B и ГР-99. Колебания уровня определялись по отметкам на водомерных рейках. Отбор проб донного материала осуществлялся дночерпателем А.С. Орлова. Гранулометрический состав наносов определялся путем ситового анализа. Профили поперечных сечений створов и их эволюция определялись путем эхолотирования. Распределение концентраций взвешенных наносов опреде-
\_/
/ \
1 2
3
4
5
Створ 2
Рис. 1. Схема расположения створов измерений на участке р. Истре. 1 - заболоченные берега, 2 - мост, 3 - пляж, 4 - контрольный створ измерений на фарватере, 5 - контрольная точка измерений у берега.
лялось с помощью наносонакопителей, разработанных в ИО РАН.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
По данным измерений были рассчитаны средние величины основных гидравлических характеристик потока при различных объемах попусков
для створов 1 и 6, по перепаду уровней водной поверхности между ними измерялись гидравлические уклоны (табл. 3).
На рис. 2 представлены зависимости подъема уровней воды, площадей живого сечения, изменения средних по живому сечению скоростей потока и уклонов водной поверхности I от изменения расхода воды в русле. Здесь Q0 = 4 м3/с - расход
Таблица 2. Характеристики основных створов измерений на р. Истре, при Q = 8 м3/с
Створ Расстояние от гид- Привязка опорной сваи левого Б, м к к "шах
роузла, км берега м
1 4.8 55°55'42.4 с.ш. 36° 51'21.9 в.д. 18.5 0.67 1.43
2 11.2 55°58'52.1 с.ш. 36°49'29.9 в.д. 18.8 0.49 1.28
3 11.4 55°55'38.8 с.ш. 36°51'12.3 в.д. 22.2 0.31 0.97
4 11.5 55°55'39.9 с.ш. 36°51'19.6 в.д. 23.7 0.54 0.92
5 11.9 55°55'28.8 с.ш.* 36°50'54.5 в.д.* 23.1 0.65 1.15
6 12.0 55°55'28.1 с.ш. 36°50'51.2 в.д. 16.4 0.48 1.07
7 12.05 55°55'27.7 с.ш. 36°50'49.8 в.д. 17.6 0.57 1.30
8 34.7 55°48'56.2 с.ш. 37°05'37.8 в.д. 29.8 0.54 1.27
воды при минимальном попуске, а У0 - средняя по живому сечению скорость потока при этом расходе воды.
На рис. 3 показаны примеры распределения скоростей течения на вертикалях, по которым были вычислены значения параметров к и а в логарифмическом (1) и степенном (2) представлениях распределения скоростей течения
и =
к к
и = й (г/к)0
(1) (2)
где й - средняя по глубине скорость потока, м/с; к - глубина потока, м; и* - динамическая скорость; к - параметр Кармана; г - ордината, отсчитываемая от условного дна потока, составляющая половину размера частиц слагающего дно материала.
Зависимости величин этих параметров от безразмерного соотношения А предложены в [1]
А =
1/3
ёй
,1/3'
„^ (3)
Рв^ к
где рв - плотность воды, р0 = (рн - рв), рн - плотность наносов; ё - средний размер частиц наносов; V - коэффициент кинематической вязкости (рис. 4).
* Правого берега.
Таблица 3. Основные гидравлические характеристики потока при разных объемах попусков
Q, м3/с к , м и, м/с 1 х 104 и* 102, см/с ё х 103 м
ё50 ё67 ё95
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.