ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ (НА ПРИМЕРЕ Р. ЧЕПЦА В РАЙОНЕ ПОС. БАЛЕЗИНО)

  • А.А. ТИУНОВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Характерными особенностями формирования русловых процессов является адаптация морфологии русла к характеру проходящих расходов воды. Формально ста- бильное русло реки может наблюдаться только при стабильности расходов воды, транспортировке взвешенных и влекомых наносов. В тоже время, большинство рек ха- рактеризуется существенной, внутригодовой и между годичной, изменчивостью стока. Поэтому существенный интерес представляет оценка изменения морфометрии русла к изменениям расхода воды на основе анализа русловых процессов в реальных естест- венных водотоках. Река Чепца, в районе населённого пункта Балезино, имеет аллювиальное русло, в составе которого преобладает песок (в основном средний песок D ~ 0,5 мм), таблица 1. В тоже время питьевое водоснабжение Балезино осуществляется из Реки Чепца. Практически каждый год после прохождения половодья у местных властей становится актуальной проблема водоснабжения поселка из-за того что русло заносится и мелеет. В связи с чем, перед нами встала задача оценки состояния русловых процессов на участке реки Чепца в районе водозаборных сооружении поселка Балезино. Целью работы является отработка современной технологии оценки и анализа русловых про- цессов при помощи гидродинамического моделирования. Для решения данной задачи нами сделана гидродинамическая модель участка р. Чепца, в районе пос. Балезино, которая построена в программном комплексе SMS v.11.1 с использованием модуля RiverFlow2D GPU, который позволяет имитиро- вать транспорт наносов. Рассматриваемый программный пакет SMS v.11.1 неоднократно нами использо- вался для решения самых актуальных задач, таких как: оценка зон затопления, скорост- ного и уровенного режимов при добыче нерудных строительных материалов (в реках Вятка [1], Сылва [2], в водохранилищах Воткинское и Нижнекамское); распространение загрязнения (в реках Вятка [3], Амур, в водохранилищах Клязьминское, Учинское, Кам- ское [4], Воткинское, Магнитогорское [5]); распространение теплового поля (Исетское и Камское водохранилища); изменение гидродинамики потока (слияние рек Чусовая и Сылва [6]); по защите берегов (р. Дон в районе г. Павловска [7]); транспорт взвешенных наносов (р. Кама - г. Пермь [8]). Для построения гидродинамической модели используется цифровая модель рельефа участка р. Чепца в районе пос. Балезино сделанная по материалам детальной эхолотной съемки р. Чепца летом 2017 г. Моделируемый участок имеет длину 2350 м и ширину от 140 до 320 м. Водозабор располагается в 1200 м ниже автодорожного моста через реку Чепца в районе пос. Балезино, рисунок 1. Для наиболее полного и эффек- тивного задания особенностей морфометрии рассматриваемого участка построена тре- угольная сетка, состоящая из 27546 элементов с характерной длиной ребра элемента 8 м, со сгущением сетки на интересующем нас участке до 4 м (участок от автодорожного моста и ниже). Для модельного расчета используются гидродинамические характеристики р. Чепца в районе пос. Балезино по характерному году соответствующему среднемного- летним характеристикам 50% обеспеченности и максимальному суточному расходу близкому к руслоформирующему, рисунки 2 и 3. В качестве характерного года был 26 ----------------------- Page 27----------------------- взят паводок 2013 г. Продолжительность расчета 60 суток, она охватывала как периоды подъема и спада весеннего половодья, так и летнюю межень. Так же в расчет брался Гранулометрический состав грунта реке Чепца в районе водозаборных сооружений пос. Балезино, таблица 1. Рис. 1. Морфометрия моделируемого участка р. Чепца, в районе пос. Балезино Рис. 2. Расход воды р. Чепца в районе пос. Балезино, паводок 2013 года Рис. 3. Уровень воды р. Чепца в районе пос. Балезино, паводок 2013 года 27 ----------------------- Page 28----------------------- Таблица 1 Физико-механические свойства грунтов Наименование Гранулометрический состав, мм выработки Песок Пыль Глина 2-1 1,0- 0,5- 0,25- 0,1- 0,05- 0,01- <0,002 0,5 0,25 0,1 0,05 0,01 0,002 р. Чепца в р-не водозаборных 9,80 3,97 48,08 25,80 5,20 4,30 1,43 1,43 сооружений, пос. Балезино Рис. 4. Карта схема поля изменения дна на участке р. Чепца в районе водозаборных сооружении пос. Балезино, в расчетное время 10 и 30 дней 28 ----------------------- Page 29----------------------- Расчеты показали, что вследствие специфических особенностей гранулометри- ческого состава донных отложений, русло р. Чепца в районе пос. Балезино характери- зуется высокой подвижностью. Наибольшая интенсивность изменения морфометрии русла наблюдается во вре- мя прохождения пика паводка. В фазе спада паводка интенсивность русловых процес- сов падает. А в меженный период их динамика значительно замедляется. В целом модельные расчеты достаточно хорошо воспроизводят отложение нано- сов в районе водозабора. Так намыв в районе водозаборных сооружений за период па- водка составляет порядка ~ 0,3 м. Это негативно скажется на деятельности водозабор- ных сооружений в долгосрочной перспективе 3-5 лет, что соответственно, приведет к проблеме с питьевым обеспечением пос. Балезино.

Литература

  1. Гидродинамическое моделирование реки Вятки в среднем течении: постановка задачи, результаты / Лепихин А.П., Любимова Т.П., Ляхин Ю.С., Тиунов А.А., Богомолов А.В., Перепелица Д.И., Паршакова Я.Н. // Водное хоз-во России: проблемы, технологии, управление. - 2013. - № 3. - С. 16-32.
  2. Лепихин А.П. Анализ и обоснование возможных схем защиты г. Кунгура от наводнений / А.П. Лепихин, Д.И. Перепелица // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. - 2007. - № 2. - С.80-93.
  3. The risk of river pollution due to washout from contaminated floodplain water bodies during periods of high magnitude floods / Lyubimova T., Lepikhin A., Parshakova Y., Tiunov A. // Journal of Hydrology. - 2016. - V. 534, march 01. - P. 579-589.
  4. Особенности организации рассеивающих водовыпусков для отведения избыточных рассолов в водные объекты / А.В. Богомолов, А.П. Лепихин, А.А. Тиунов, Т.П. Любимова, Я.Н. Паршакова // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. - 2016. - № 2. - С. 72-86.
  5. Отработка возможных схем снижения воздействия ОАО «ММК» на магнитогорское водохранилище на основе вычислительных экспериментов / А.П. Лепихин, Ю.С. Ляхин, А.А. Тиунов, О.Ф. Дробный, И.Е. Вахромеев // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. - 2014. - № 5. - С. 85-96.
  6. Formation of the density currents in the zone of confluence of two rivers / Lyubimova T., Lepikhin A., Konovalov V., Parshakova Ya., Tiunov A. // Journal of Gydrology. - 2014. - V. 508. - P. 328-342.
  7. Богомолов А.В. Использование численных гидродинамических моделей для оценки эффективности проектных решений по защите берегов (на примере реки Дон в районе города Павловска) / Богомолов А.В., Лепихин А.П., Тиунов А.А. // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. - 2014. - № 1. - С. 50-57.
  8. К проблеме оценки последствий крупномасштабной добычи нерудных строительных материалов на поверхностные водные объекты / Лепихин А.П., Любимова Т.П., Лепешкин С.А., Тиунов А.А., Паршакова Я.Н., Перепелица Д.И. // Водное хозяйство России: Проблемы, технологии, управление. - 2014. - № 3. - С. 108-119.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи