Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния прогнозирования переформирований берегов водохранилищ 11
1.1 Классификация берегов водохранилищ 11
1.2 Факторы влияющие на переформирование берегов водохранилищ 16
1.3 Существующие методы прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ 25
1.4 Обоснование цели и задач диссертационного исследования 29
1.5 Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Математическое описание и алгоритмизация процессов переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ применительно к расчетам на ЭВМ 33
2.1 Переформирование абразионного берега на заданный срок 33
2.1.1 Описание и схема процесса абразии берега 33
2.1.2 Математическое описание абразионного берегопереформирования 37
2.1.3 Алгоритм расчета абразионного берегопереформирования .. 43
2.1.4 Рекомендации по назначению исходных данных 47
2.2 Предельное состояние абразионного берега 54
2.2.1 Описание и схема предельного состояния берега 54
2.2.2 Математическое описание предельного состояния берега... 54
2.2.3 Алгоритм построения профиля берега в предельном состоянии 57 2.3 Переформирование термоабразионного берега на заданный срок 59
2.3.1 Описание и схема процесса термоабразии берега 59
2.3.2 Математическое описание термоабразионного берегопереформирования 63
2.3.3 Алгоритм расчета термоабразионного берегопереформирования 69
2.3.4 Рекомендации по назначению исходных данных 73
2.4 Переформирование термоабразионного берега за один безледоставный период 76
2.4.1 Численная модель термоабразии берега водохранилища 76
2.4.2 Численное решение 84
2.4.3 Алгоритм расчета 86
2.4.4 Рекомендации по назначению исходных данных 88
2.5 Компьютерные программы для расчетов переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ 89
2.5.1 Программа «Берега» 89
2.5.2 Программа «Шторм» 90
2.6 Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3. Натурные измерения переформирований абразионных и термоабразионных берегов эксплуатируемых водохранилищ 94
3.1 Методы измерения береговых профилей и обработки результатов 96
3.2 Переформирование абразионных берегов Горьковского водохранилища 97
3.2.1 Условия переформирования берегов водохранилища 97
3.2.2 Количественные наблюдения абразионных берегов
водохранилища 100
3.2.3 Параметры переформирования абразионных берегов за период эксплуатации водохранилища 111
3.3 Переформирование термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища 112
3.3.1 Условия переформирования мерзлых берегов водохранилища 112
3.3.2 Количественные наблюдения термоабразионных берегов водохранилища 117
3.3.3 Параметры переформирования термоабразионных берегов за период эксплуатации водохранилища 124
3.4 Выводы по главе 3 125
ГЛАВА 4. Расчеты переформирований абразионных и термоабразионных берегов эксплуатируемых водохранилищ для верификации разработанных методов, программ для эвм и в практических целях 127
4.1 Принципы верификации 127
4.2 Верификация программы расчета переформирования абразионного берега на заданный срок 128
4.3 Тестирование программы расчета предельного состояния абразионного берега 140
4.4 Верификация программы расчета переформирования термоабразионного берега на заданный срок 142
4.5 Тестирование программы расчета переформирования термоабразионного берега за один безледоставный период. 152
4.6 Расчетные прогнозы переформирований берегов водохранилищ на последующий период 156
4.6.1 Прогноз переформирования абразионных берегов Горьковского водохранилища 156
4.6.2 Прогноз переформирования термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища 159
4.7 Выводы по главе 4 162
Заключение 164
Список сокращений и условных обозначений 166
Список литературы .
- Существующие методы прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ
- Алгоритм расчета абразионного берегопереформирования
- Переформирование абразионных берегов Горьковского водохранилища
- Расчетные прогнозы переформирований берегов водохранилищ на последующий период
Введение к работе
Актуальность темы исследования. После создания водохранилища в речной долине начинается переформирование его берегов, сложенных дисперсными породами. Процессом охвачены берега больших и средних водохранилищ в различных климатических зонах. Наибольшему переформированию подвержены абразионные (термоабразионные) берега. При протяженности береговой линии водохранилищ России около 76 тыс. км, 42 тыс. км из них – абразионные.
Берегопереформирование вызывает изъятие из использования прибрежных территорий, создает угрозу береговой инфраструктуре. Так, потери земель из-за абразии берегов водохранилищ Волжского каскада оценены в 35…39 тыс. га.
Учитывая возрастающую стоимость земель вокруг водохранилищ, прогнозирование переформирования их берегов приобретает важное прикладное значение. Для локальных участков на базе прогноза осуществляется выбор альтернативных методов снижения рисков при разрушении берега. Прогнозы береговых процессов позволяют сократить экономический ущерб и не допустить возникновения и развития чрезвычайных ситуаций.
Степень разработанности темы. Вопросам абразии и термоабразии берегов водохранилищ посвящено много работ российских ученых. Ими был разработан ряд методов прогнозирования берегопереработки, некоторые из которых включены в нормативные документы. Однако, известные методы обладают недостатками, ухудшающими оправдываемость прогнозов берегопереработки на эксплуатируемых водохранилищах и не дают желаемой точности прогнозов на проектируемых водохранилищах. Имеется необходимость совершенствования и автоматизации методов прогнозирования переработки берегов водохранилищ для повышения точности прогнозов.
Объектом диссертационного исследования приняты абразионные и термоабразионные берега водохранилищ, а предметом исследования – методы расчетов их переформирований в период эксплуатации.
Исследование велось в рамках научного направления кафедры гидротехнических и транспортных сооружений ННГАСУ «Взаимодействие гидроузлов и водохранилищ с окружающей средой в сложных природных условиях» в составе АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам: «Исследование процессов взаимодействия водохранилищ с основаниями и берегами в сложных природных условиях», 2009-2011 гг., № гос. рег. 01201152861; «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий», 2009-2010 гг., № гос. рег 01200902821; в составе Государственного задания Министерства образования и науки РФ «Экспериментальные и теоретические исследования поведения водохранилищ и плотин энергетических гидроузлов на эксплуатационной фазе жизненного цикла», 2012-2014 гг., № гос. рег. 01201256972.
Цели и задачи. Цель диссертационной работы заключалась в выборе наиболее приемлемых для инженерной практики методов, их развитии и автоматизации для выполнения на ЭВМ вариантных постворовых расчетных прогнозов переформирований абразионных и термоабразионных берегов проектируемых и эксплуатируемых водохранилищ.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– изучить, проанализировать и выбрать для развития и автоматизации методы расчетов переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ, наиболее приемлемые для инженерной практики;
– на базе выбранных методов сформулировать математические модели, разработать алгоритмы и программы для выполнения на ЭВМ вариантных по-створовых расчетных прогнозов переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ в процессе их проектирования и эксплуатации;
– провести инструментальные измерения береговых профилей на больших водохранилищах, с помощью полученных натурных данных выполнить верификацию и обосновать техническую эффективность разработанных моделей и программ для ЭВМ;
– для охваченных натурными измерениями берегов водохранилищ выполнить расчетные прогнозы переформирований на дальнейший период эксплуатации применительно к мониторингу береговой полосы.
Научная новизна. Научную новизну работы составили следующие ее результаты:
– усовершенствованные известные энергетические методы расчетного прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ в части математического описания процессов с учетом нестационарности волновых и уровенных условий на водохранилищах и теплотехнических условий в берегах;
– составленные алгоритмы и программы реализации усовершенствованных методов на ЭВМ для автоматизации расчетов;
– полученные натурные данные о переформированиях берегов Горьков-ского и Вилюйского водохранилищ за многолетние периоды, прошедшие от начала их эксплуатации;
– полученные расчетные прогнозные данные о переформированиях берегов Горьковского и Вилюйского водохранилищ на предстоящее десятилетие эксплуатации, количественно подтвердившие ожидаемое замедление их абразии и термоабразии.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в осуществленном совершенствовании инженерных методов прогноза переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ, разработке алгоритмов расчетов, реализованных в программах для ЭВМ, верифицированных на натурных данных.
Практическая значимость результатов работы заключается в возможности использования разработанных программ в проектирующих и эксплуатирующих водохранилища организациях для целей прогнозов развития берегов и обоснования методов их защиты.
6 Методология и методы исследования. Для достижения поставленной
цели было применено математическое и численное моделирование абразии и термоабразии с верификацией моделей на натурных данных наблюдений за берегами.
Личный вклад автора заключался в постановке цели и формулировании задач диссертационного исследования, в совершенствовании, алгоритмизации и программировании энергетических методов прогнозирования берегоперефор-мирований на водохранилищах, в подборе архивных данных наблюдений за переработкой берегов эксплуатируемых водохранилищ, участии в экспедиционных инструментальных исследованиях их современного состояния, в обработке и анализе полученных результатов, в выполнении расчетных прогнозов переработки берегов исследованных водохранилищ.
Положения, выносимые на защиту:
– усовершенствованные энергетические методы расчетного прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ на заданный срок и конечную стадию и их компьютерная реализация;
– полученные данные многолетних постворовых инструментальных наблюдений за переформированиями берегов Горьковского и Вилюйского водохранилищ;
– результаты составленных постворовых расчетных прогнозов переформирований берегов Горьковского и Вилюйского водохранилищ на предстоящее десятилетие.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных научных результатов подтверждена соответствием их современным научным представлениям о береговых процессах на водохранилищах, качественной и хорошей количественной сходимостью результатов компьютерных прогнозов переформирований берегов усовершенствованными методами с результатами многолетних натурных инструментальных наблюдений.
Доклады о результатах диссертационного исследования были сделаны и одобрены на: научных конгрессах Международных научно-промышленных фо-
7 румов «Великие реки», г. Нижний Новгород, 2009, 2010, 2016 гг.; Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сиб-стрин), г. Новосибирск, 2010 г.; IX Международном симпозиуме по проблемам инженерного мерзлотоведения, г. Мирный, 2011 г.
Реализация результатов исследования осуществлена в процессе его проведения. Выполнено исследование и прогнозирование переформирования абразионных берегов озерной части Горьковского водохранилища для ФГУ «Управление эксплуатации Горьковского водохранилища», исследование и прогнозирование переформирования термоабразионных берегов Вилюйского водохранилища для Вилюйской научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения СО РАН.
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 16 научных работах, в том числе в 8 изданиях, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Берега», рег. № 2013612345.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 152 наименований, изложена на 188 страницах, включая 82 рисунка, 39 таблиц, 4 страницы приложений.
Существующие методы прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ
Единая классификация берегов водохранилищ необходима для сравнительного анализа их развития по большим территориям, а так же для выбора методов прогноза и схем защитных мероприятий [138]. Классификацией берегов водохранилищ в нашей стране занимались С.Л. Вендров, А.Д. Колбутов, И. А. Печеркин, Д. П. Финаров, Ф.С. Зубенко, Л.Б. Розовский, В.М. Широков, А.И. Ермолаев, А.А. Каган и др. На практике чаще других использовалась классификация Д. П. Фина-рова [128]. В ней берега, связанные общим ведущим процессом, развивающимся на склоне выше и ниже уреза воды, объединены по генетическим группам. В зоне умеренного климата это абразионная, абразионно-эрозионная, аккумулятивная, водно-гравитационная, биогенная и нейтральная генетические группы [128]. В условиях криолитозоны – термоабразионная, термокарстовая, термоденудационная и другие группы [28, 29]. В данной работе автор придерживается классификации Д.П. Финарова.
В генетических группах выделяются генетические типы берегов (типы переформирования), являющиеся основной таксонометрической единицей классификации. Под типом берега понимается сочетание форм рельефа берегового склона, обладающего сходным геоморфологическим обликом, литологическим строением, историей происхождения склонов до затопления водохранилища и проявлением современных процессов [128].
Наиболее интенсивно разрушаются берега, относящиеся к абразионной и термоабразионной генетическим группам [37, 128, 138], тогда как остальные группы берегов могут оставаться относительно стабильными длительное время. Именно абразионные и термоабразионные берега требуют наибольшего внимания при изучении с точки зрения прогнозирования их перереформирований [128]. Абразионная генетическая группа. Абразия – процесс разрушения надводной части берега и подводного берегового склона под действием механической энергии волн [62]. Абразионные берега распространены на большинстве водохранилищ средней полосы России, их протяженность по отдельным водохранилищам составляет от 8,5% до 51,7% от протяженности береговой линии [12, 13, 71; 85].
В абразионную группу включены следующие генетические типы берегов: обвально-осыпной абразионный, осыпной абразионный, обвально-глыбовый абразионный, денудационно-абразионный, оползнево-абразионный, абразионно-суффозионный, абразионно-карстовый [128].
Осыпные абразионные берега формируются в легкоразмываемых породах (песках, супесях), которые в результате подмыва склона на урезе воды обрушают-ся в виде осов и осыпей. Затем продукты обрушения размываются волнением [43]. Типичные осыпные абразионные берега распространены на Горьковском (рисунок 1.1), Волгоградском, Цимлянском Новосибирском и др. водохранилищах [37, 64, 104].
Обвальные абразионные берега формируются в связных грунтах, преимущественно в глинах и суглинках. Действие волн на берег вызывает вынос грунта по мелким трещинам, в некоторых случаях образуются прибойные ниши. В результате создаются условия неустойчивости склона и возникают обвалы. Навалы обрушившегося грунта лишены структурных связей и легко размываются ветровым волнением [138]. Обвальные абразионные берега встречаются на Горьков-ском (рисунок 1.2), Чебоксарском, Камском, Воткинском и др. водохранилищах [34, 37, 64, 70, 89, 104, 132].
Часто на водохранилищах встречаются обвально-осыпные абразионные берега, на которых развиваются как обвальные, так и осыпные процессы [104].
Скорости отступания осыпных и обвальных абразионных берегов достигали 14-23 м/год в первые 5-10 лет после заполнения водохранилищ [37, 132, 138] и снижались до нескольких метров в год или долей метров в год в последующие годы [104]. Оползневые абразионные берега отмечаются на участках с высокими и крутыми склонами, сложенными чередованием глинистых и песчаных водоносных отложений. Причинами возникновения оползней на берегах водохранилищ являются абразионный размыв приурезовой части склона и увеличение его крутизны, снижение несущей способности пород берега из-за их растворения, размокания и движения грунтовых вод при колебании уровней воды [128]. Абразионно-оползневой тип переформирования распространен, например на правобережье волжских водохранилищ (рисунок 1.3) [33, 37, 64, 92].
Остальные типы берегов, входящие в абразионную генетическую группу, развиваются с незначительной интенсивностью, из за чего представляют меньший интерес для инженерной практики и в данной работе не рассматриваются.
Алгоритм расчета абразионного берегопереформирования
В результате изучения опубликованных материалов [41, 47, 61, 63, 64, 79, 85, 131, 144, 145] сформировано представление о процессе абразии берегов водохранилищ. Размыв абразионных берегов на водохранилищах осуществляется ветровыми волнами и связанными с ними течениями. Двигаясь над уменьшающимися глубинами прибрежной акватории, волны трансформируются, изменяя свою высоту и угол подхода к берегу. При достижении глубин, сравнимых с высотой волны, волны начинают разрушаться, вблизи уреза превращаются в накатывающийся на берег поток. Энергия обрушающихся волн расходуется на генерацию продольных и поперечных относительно берега течений, транспорт наносов, преодоление трения движущейся воды о дно. Захватываемый волновыми течениями грунт перемещается, вызывая деформации берега и подводного берегового склона [131].
При деформации берега обломочный материал смывается в сторону водоема и там откладывается, образуется береговой обрыв – клиф, постепенно отступающий в сторону суши [41]. Характерный профиль абразионного берега представлен на рисунке 2.1 [37].
Одновременно с отступанием абразионного берегового обрыва образуется прибрежная отмель, постепенно расширяющаяся в пределах размывающего действия волн и одновременно выполаживающаяся. Прибрежная отмель состоит из абразионной и аккумулятивной части. Абразионная часть состоит из коренных пород, аккумулятивная часть располагается на внешнем крае и состоит из
Характерный профиль абразионного берега [37] продуктов разрушения берега. По механическому составу осадки в аккумулятивной части отмели распределяются неоднородно. Значительная доля мелкого материала с крупностью менее 0,1 – 0,05 мм выносится за пределы отмели и откладывается либо на свале, либо далеко от берега. На всем протяжении отмели наблюдается убывание крупности откладывающегося материала в направлении акватории [37].
Ширина аккумулятивной части прибрежной отмели и объем отложившегося грунта зависит от количества разрушенных пород берега, от механического состава образующегося обломочного материала, энергии волнения, формы подводной части берега, наличия и характера вдольбереговых потоков наносов. На характер вдольберегового перемещения обломочного материала в значительной степени влияет конфигурации берега в плане. У выдающихся в водохранилище мысовидных участков берега, как правило, наблюдается отрицательный баланс наносов (объем отложившегося в отмели материала меньше объема размытого грунта), а у вогнутых участков, в устьях заливов и в условиях волновой тени – положительный [41].
При размыве берегов, сложенных глинистыми грунтами, обладающими большой прочностью, породы поступают в водохранилище после обрушения берега в виде обломков. Волны вызывают трение обломков друг о друга и, как следствие, полное истирание. Величина обломков (катунов) уменьшается в сторону акватории [37].
Размыв грунта возможен как в коренных грунтах берега, так и в аккумулированных в прибрежной зоне. В период заполнения водохранилища и при стоянии высоких уровней воды в период нормальной эксплуатации размывается, как правило, коренной грунт, откладываются наносы на поверхности отмели. При низких уровнях воды перестраивается прибрежная отмель [41].
Длительное воздействие волн с постоянными параметрами (высота, длина, период волны) на береговой склон при постоянном уровне воды приводит к выработке равновесного по отношению к данному воздействию профиля, который, начиная с некоторого момента времени, почти не изменяется [41, 47, 61, 64, 85, 131, 144, 145]. Равновесный профиль зависит от параметров волн, действующих на берег, и слагающих его грунтов. При любом изменении гидрометеорологической обстановки равновесие в береговой зоне нарушается и форма подводного берегового склона изменяется [4].
На берег в безледоставные периоды сменяя друг друга оказывают влияние волновые воздействия с различными параметрами и при различных уровнях воды. Каждое из этих воздействий может: выработать равновесный профиль (при длительном действии волн); выработать промежуточный профиль между начальным и равновесным (при недостаточно длительном действии волн для выработки равновесного профиля); либо не оказать никакого действия на берег (когда профиль берега устойчив к данному волновому воздействию) [49, 64, 85, 147].
Активизация разрушения берега наблюдается в период повышения уровней воды; IV – стадия динамического равновесия берега. Вырабатывается равновесный профиль по отношению к доминирующим динамическим режимам (волновой режим, режим хода уровня в течении года), присущим данному берегу [61]. Вол-ноприбойный поток достигает подножия надводного склона только во время редких и сильных штормов, но заметных разрушений уже не производит, шторм лишь формирует профиль равновесия в пределах прибрежной отмели. Надводный откос постепенно задерновывается [128].
Переход берега в стадию динамического равновесия и нахождение в ней возможны только при действии постоянных в течение длительного времени факторов (в основном гидрологических и метеорологических), влияющих на его формирование, при их изменении динамическое равновесие будет нарушено [128].
Описанное представление о протекании во времени процесса абразии берегов водохранилищ привело автора к выводу о том, что при совершенствовании избранных методов его расчета [42, 47] необходимо полнее учесть совместное влияние волнового и уровенного режимов водохранилища на темпы берегового процесса.
Переформирование абразионных берегов Горьковского водохранилища
Берега водохранилищ в области многолетней мерзлоты, сложенные мерзлыми рыхлыми породами, разрушаются под воздействием трех самостоятельных процессов [4]: термоабазии, термокарста и термоденудации. В результате изучения опубликованных материалов [2, 3, 4, 29, 53, 66, 74, 90, 91, 105, 111, 113, 139, 141, 142] сформировано представление о процессе термоабразионного разрушения берегов водохранилищ.
Термоабразия – разрушение мерзлого берега под совместным воздействием тепловой и механической энергии водной массы водохранилища [3, 4]. Мгновенное сопротивление мерзлого грунта разрыву [137] превышает давление, создаваемое при ударе ветровой волны о берег [56], поэтому непосредственное разрушение мерзлого берега механической энергией волны невозможно, размыву должно предшествовать оттаивание мерзлого грунта [113]. Процесс размыва оттаявшего грунта ветровым волнением принципиально не отличается от абразионного [4].
Характерный профиль термоабразионного берега представлен на рисунке 2.8 [113]. При внешнем сходстве его с профилем абразионного берега (см. рисунок 2.1) имеются и существенные различия [105].
С наибольшей интенсивностью теплообмен между мерзлыми породами и водой происходит при волнении у подножия берегового уступа, когда уже оттаявший грунт размывается вдольбереговыми и поперечными волновыми течениями, при этом вырабатывается термоабразионная ниша. Ниши, как правило, вырабатываются при сильных штормах и стоянии высоких уровней воды, о чем свидетельствуют результаты наблюдений на Вилюйском водохранилище, где наблюдались ниши глубиной до 4 м [50, 51].
Берег над нишей нависает в виде карниза. Углубление ниши приводит к его обрушению под собственным весом [126]. Обрушившиеся массивы мерзлого грунта оттаивают и размываются водой [2, 113], несколько предохраняя сам береговой уступ от оттаивания.
Из оттаявшего грунта формируется береговая отмель, она постоянно перестраивается за счет волнового воздействия и, по мере наращивания, выполажива-ется. При низких уровнях воды размыв отмели может приводить к образованию абразионных ступеней, количество которых на Вилюйском водохранилище в первые годы эксплуатации на отдельных участках доходило до 5 [50].
Характерный профиль термоабразионного берега водохранилища [113] Подводный береговой склон вместе с основанием водохранилища подвержены термокарсту [4, 113, 115, 134], при котором оттаивание мерзлых дисперсных грунтов с уменьшением пористости за счет отжатия талой воды приводит к оседанию поверхности. Решающими факторами, определяющими характер развития процесса, являются льдонасыщенность многолетнемерзлых грунтов, их про-садочность при оттаивании, глубина залегания и мощность [126]. Термокарст приводит к увеличению глубин воды над подводным береговым склоном и, в частности, над прибрежной отмелью, при этом снижая волногасящий эффект и препятствуя затуханию термоабразионного процесса.
Надводный уступ берега подвержен термоденудации – разрушению под воздействием тепловой энергии воздуха и солнечной радиации [4, 103]. Продукты оттаивания обнаженных на его поверхности сильнольдистых мерзлых пород, поступают к его подножию и берег приобретает наклонный (при полном термоденудационном разрушении) или наклонный с уступом в верней части (при не полном термоденудационном разрушении) профиль. Менее льдистые и более крупнозернистые породы не расплываются при оттаивании и в процессе термоденудации образуют крутые склоны с откосом близким к естественному для данного типа грунта. При интенсивной термоабразии в условиях волнения роль термоденудации несущественна, т.к. продукты оттаивания уступа смываются водой. Но если по какой либо причине интенсивность термоабразии снижается, отвесный береговой уступ продолжает отступать под действием термоденудации, постепенно вы-полаживаясь [30, 113]. Таким образом, формируемый этим процессом профиль берегового уступа может служить приблизительным индикатором скорости его отступания [4].
Изложенное представление о протекании во времени термоабразионного берегового процесса привело автора к выводу о том, что при совершенствовании избранного метода для его расчета [102, 108, 113] следует полнее учесть совместное влияние волнового и уровенного режимов водохранилища на интенсивность термоабразионного разрушения берега. 2.3.2 Математическое описание термоабразионного берегопереформирования
Двумерная инженерная модель переформирования термоабразионных берегов водохранилищ [114] в соавторстве с И.С. Соболем была модифицирована применительно к выполнению расчетов на ЭВМ [102, 108]. Дополнительно автором в модель добавлена возможность учета уровенного и волнового режимов в прогнозах термоабразии. Ниже модель описывается с учетом включенных в нее автором дополнительных нововведений.
Рассматривается сечение берега, нормальное урезу воды, записанное в прямоугольных координатах х, z, м (рисунок 2.9), профиль берега описывается координатами xбер.н, zбер.н.
Для расчетов переформирования термоабразионного берега требуются геологические, гидрологические и гидрометеорологические исходные данные в составе, указанном в параграфе 2.1.2. Кроме того, требуются данные для температурных расчетов. Геологические данные дополняются сведениями о температуре грунта берега, теплофизическими и прочностными характеристиками грунта, а гидрологические данные дополняются сведениями о температуре воды в водохранилище.
При описании термоабразионного переформирования используются обозначения, определенные в параграфе 2.1.2.
Термоабразионное разрушение берега. Действие на мерзлый берег водохранилища волнения с постоянными характеристиками, определенной продолжительности и при постоянном уровне воды математически описано следующим образом.
Поскольку процесс размыва оттаявшего грунта в целом аналогичен абразионному [4], их математическое описание аналогично (см. параграф 2.1.2) за исключением следующего. Размыву подвержен талый грунт, координаты размываемого профиля берега (xбер, zбер) определяются по 2.22
Расчетные прогнозы переформирований берегов водохранилищ на последующий период
Методика наблюдений за переработкой берегов на эксплуатируемых водохранилищах регламентирована [96]. Основными задачами наблюдений являются: сбор и анализ опубликованных и фондовых материалов наблюдений за берего-формирующими процессами и определяющими их факторами; рекогносцировочные обследования берегов водохранилища для детализации имеющихся материалов и выявления новых данных о факторах и современном развитие их переработки; стационарные наблюдения за переработкой берегов и определяющими ее факторами на ключевых участках и створах; анализ полученных материалов наблюдений; обоснование применяемых методик прогнозирования берегопереформиро-вания.
Эти задачи решены нами для двух больших водохранилищ: Горьковского и Вилюйского [1, 10, 14, 33, 35, 36, 68, 94, 95, 136, 151].
Собраны сохранившиеся фондовые и имеющиеся в открытом доступе материалы наблюдений за переработкой берегов названных водохранилищ и влияющих на нее факторов [39, 54, 73, 100]: по Горьковскому водохранилищу – при содействии предприятия «Противокарстовая и береговая защита», по Вилюйскому – при содействии Вилюйской научно-исследовательской мерзлотной станции института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук (ВНИМС ИМЗ СО РАН). Материалы, представляющие собой профили берегов водохранилищ в исследуемых створах на различные моменты времени, построенные в одной системе координат, привязанные к грунтовым реперам на местности, были переведены в цифровой вид с созданием векторных изображений профилей берегов. В 2009-2012 гг. проведена съемка современных береговых профилей. При съемке надводных частей профилей использовался электронный тахеометр SOKKIA SET 630 R. Промеры подводных частей велись однолучевым эхолотом NaviSound 110 с маломерного судна. Координатная привязка осуществлялась приемником Topcon GB 1000 через GNSS. Увязка эхолота и GNSS-приемника, а также накопление и обработка данных проводились при помощи портативной ЭВМ [110]. В тех случаях, когда не удавалось явным образом зафиксировать положение створа ввиду утраты грунтовых реперов, осуществлялась его привязка с помощью GNSS-приемника и сохранившихся материалов магистральных теодолитных ходов. Обработка полученных данных велась в специализированных пакетах программ, таких как Credo Dat, Topkon Tools, MS Excel, AutoCad.
Работы по съемке береговых профилей Горьковского водохранилища были организованы ННГАСУ и проводились в 2009 и 2010 гг. экспедиционной группой кафедры гидротехнических сооружений под руководством к.т.н., доцента И.С. Соболя при непосредственном участии автора и при участии на начальном этапе канд. геогр. наук Л.Б. Иконникова [14].
Работы по съемке береговых профилей Вилюйского водохранилища были проведены И.С. Соболем совместно с автором в 2011 г. при организационном содействии начальника ВНИМС ИМЗ СО РАН, канд. техн. наук С.А. Великина [10].
К оцифровыванию материалов привлекались магистранты ННГАСУ. Итоги работ изложены в коллективных публикациях их участников [1, 10, 14, 33, 35, 36, 68, 94, 95, 151], а так же в публикации автора [136].
Горьковское водохранилище на р. Волге имеет от г. Рыбинска до устья р. Елнати (337 км) русловую часть, ниже до плотины Нижегородской ГЭС (90 км) – озеровидное расширение. Площадь водохранилища 1591 км2, его озерной части – 1008 км2.
Длина береговой линии водохранилища составляет 2168 км. Абразионных берегов – 631 км, из них в рыхлых аллювиальных, флювиогляциальных, моренных отложениях – 449 км, в плотных глинах, глинистых брекчиях, полускальных породах – 182 км; аккумулятивных берегов – 10 км; нейтральных берегов – 947 км; берегов, формируемых русловыми процессами, – 580 км [13].
Берега Горьковского водохранилища сложены различными формами рельефа. Древние отложения Татарского яруса Пермской системы, состоящие из переслаивающихся уплотненных песков, тонкозернистых песчаников, мергелей и глин залегают почти на всем правобережье озерной части водохранилища. Пески, как правило, сильноглинистые, залегают линзообразно. Глины плотные, редко пластичные. Мощность толщи достигает 50 м. Поверхность толщи, как правило, сильно размыта, ее высота над НПУ водохранилища от 0 до 20 м. Часто грунты нарушенной структуры, трещиноватые, в том числе из-за оползневых подвижек [37].
На левобережье распространены породы четвертичной системы, делювиальные, флювиогляциальные и аллювиальные отложения, покрывающие коренные склоны слоем толщиной 7-15 м. Отложения сложены аллювиальными мелкими песками, переходящими к низу в средние и крупные. Под ними могут залегать моренные суглинки, супеси и глины с галькой и валунами.
Заполнение Горьковского водохранилища было начато в 1955 г., в 1956 г. средний уровень воды в водохранилище был на 3 м, а максимальный уровень на 2 м ниже НПУ., в 1957 г. водохранилище было впервые наполнено до проектных отметок [37].
Нормальный подпорный уровень водохранилища 84,0 м БС, уровень мертвого объема 82,0 м БС. Колебания уровня в безледоставный период за счет регулирования стока составляют 0,2-0,4 м. В период навигации уровни поддерживаются не ниже минимального навигационного уровня 83,6 м БС. Зимой, со второй половины декабря до начала наполнения водохранилища, уровень воды может