Экспериментальные исследования гидравлики потока и параметров транспорта донных наносов при неустановившемся движении воды
https://doi.org/10.21821/2309-5180-2024-16-2-181-196
Аннотация
В работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик течения воды и параметров транспорта наносов, выполненных в гидравлическом лотке с песчаным деформируемым дном при установившемся и неустановившемся режимах течения воды. Эксперименты проведены в гидравлическом лотке длиной 8,0 м и шириной 0,21 м, оборудованном устройствами для изменения уклона дна в диапазоне значений: прямым — до 0,025, обратным — до 0,015, а также для автоматического воспроизведения гидрографа стока по заданной программе. Диапазон расходов в экспериментах изменялся в диапазоне от 2,0 л/с до 6,0 л/с. В качестве руслового материала использовался кварцевый песок диаметром 0,1–0,3 мм. В работе определены значения и дана оценка интенсивности изменения основных характеристик речного потока при распространении волны попуска, включая характер изменения уровенного режима и уклонов свободной поверхности, а также режим скоростей течения воды. Изучены параметры транспорта влекомых наносов, в том числе длины и высоты донных гряд, скорости перемещения гряд и расход наносов. Выполнена статистическая обработка параметров грядового рельефа при установившемся и неустановившемся движении воды. Гидравлические исследования и численные эксперименты позволили выявить специфику движения наносов в условиях неустановившегося движения. Экспериментально подтверждено, что при неустановившемся движении воды транспорт наносов активизируется в моменты прохождения волны попуска воды. При этом основные параметры транспорта наносов — скорость перемещения гряд и расход наносов — возрастают по сравнению со стационарным движением воды.
Об авторах
Г. Л. ГладковРоссия
Гладков Геннадий Леонидович — доктор технических наук, профессор,
198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7.
П. С. Ржаковская
Россия
Ржаковская Полина Сергеевна — аспирант, ассистент,
198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7.
Р. В. Заварзин
Россия
Заварзин Руслан Витальевич — аспирант, младший научный сотрудник,
198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7;
198035, г. Санкт-Петербург, 2‑я линия В.О., 23.
Список литературы
1. Клавен А. Б. Экспериментальные исследования и гидравлическое моделирование речных потоков и руслового процесса / А. Б. Клавен, З. Д. Копалиани. — СПб.: Нестор-История, 2011. — 544 с.
2. Кондратьев Н. Е. Основы гидроморфологической теории руслового процесса / Н. Е. Кондратьев, И. В. Попов, Б. Ф. Снищенко. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 272 с.
3. Гладков Г. Л. Гидроморфология русел судоходных рек: монография / Г. Л. Гладков, Р. С. Чалов, К. М. Беркович. — 4‑е изд., стер. — СПб.: Изд-во «Лань», 2023. — 432 с.
4. Чалов Р. С. Русловедение: теория, география, практика / Р. С. Чалов. — М.: Изд-во ЛКИ, 2008. — Т. 1: Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления и условия формирования речных русел. — 608 с.
5. Чалов Р. С. Русловедение: теория, география, практика / Р. С. Чалов. — М.: КРАСАНД, 2011. — Т. 2: Морфодинамика речных русел. — 960 с.
6. Чалов Р. С. Структурные уровни и морфодинамическая классификация русловых разветвлений / Р. С. Чалов, С. Р. Чалов // Водные ресурсы. — 2020. — Т. 47. — № 3. — С. 259–271. DOI: 10.31857/S0321059620030049.
7. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков / К. В. Гришанин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 311 с.
8. Гришанин К. В. Гидравлическое сопротивление естественных русел / К. В. Гришанин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1992. — 182 с.
9. Belikov V. V. On the Effect of the Froude Number and Hydromorphometric Parameters on Sediment Transport in Rivers / V. V. Belikov, N. M. Borisova, T. A. Fedorova, O. A. Petrovskaya, V. M. Katolikov // Water Resources. — 2019. — Vol. 46. — Is. 1. — Pp. S20–S28. DOI: 10.1134/S0097807819070029.
10. Беликов В. В. Модели мелкой воды в задачах речной гидродинамики / В. В. Беликов, А. И. Алексюк. — М.: РАН, 2020. — 346 с.
11. Prokofyev V. A. Application of unified 3D hydro-thermal model of a reservoir for estimation of HPP construction influence on environment / V. A. Prokofyev // ICOLD, Proceedings of the International Symposium on Dams on changing word. — Kyoto, 2012. — Pp. 69–74.
12. Garibin P. Innovative proposals for providing navigable depths in the downstream of the Gorodetsky hydraulic unit on the Volga River / P. Garibin, G. Gladkov, K. Morgunov, M. Kolosov // AIP Conference Proceedings. — AIP Publishing, 2023. — Vol. 2476. — Is. 1. DOI: 10.1063/5.0103780.
13. Babi´nski Z. Hydromorphological conditions of the Lower Vistula in the development of navigation and hydropower / Z. Babi´nski, M. Habel // Acta Energetica. — 2013. — Vol. 4. — Pp. 83–96. DOI: 10.12736/issn.2300–3022.2013206.
14. Schoeneich M. An Integrated Approach to an Assessment of Bottlenecks for Navigation on Riverine Waterways / M. Schoeneich, M. Habel, D. Szatten, D. Absalon, J. Montewka // Water. — 2023. — Vol. 15. — Is. 1. — P. 141. DOI: 10.3390/w15010141.
15. Исследования неустановившегося движения воды на реке Свири в зимних и летних условиях / Глав. упр. гидрометеорол. службы при Совете Министров СССР. Гос. ордена Трудового Красного Знамени гидрол. ин-т; Под ред. канд. техн. наук Н. Е. Кондратьева и канд. техн. наук В. А. Урываева. — Л.: Гидрометеоиздат, 1963. — 252 с.
16. Розовский И. Л. Неустановившееся движение водного потока ниже гидроэлектростанций и его влияние на русло / И. Л. Розовский, Е. В. Еременко, В. А. Базилевич. — Киев: Наукова думка, 1967. — 276 с.
17. Грушевский М. С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах / М. С. Грушевский. — Л: Гидрометеоиздат, 1982. — 288 с.
18. Graf W. Unsteady flow and its effect on sediment transport / W. Graf, L. Suszka // Proceedings, 21st IAHR Congress. — Melbourne, Australia, 1985. — Pp. 540–544.
19. Graf W. H. Fluvial hydraulics. Flow and transport processes in channels of simple geometry / W. H. Graf. — Wiley, 1998. — 692 p.
20. Mrokowska M. M. Impact of unsteady flow events on bedload transport: A review of laboratory experiments / M. M. Mrokowska, P. M. Rowiński // Water. — 2019. — Vol. 11. — Is. 5. — Pp. 907. DOI: 10.3390/w11050907.
21. Wang L. Bed load sediment transport and morphological evolution in a degrading uniform sediment channel under unsteady flow hydrographs / L. Wang, A. Cuthbertson, G. Pender, D. Zhong // Water Resources Research. — 2019. — Vol. 55. — Is. 7. — Pp. 5431–5452. DOI: 10.1029/2018WR024413.
22. Muste M. Revisiting hysteresis of flow variables in monitoring unsteady streamflows / M. Muste, K. Lee, D. Kim, C. Bacotiu, M. R. Oliveros, Z. Cheng, F. Quintero // Journal of hydraulic research. — 2020. — Vol. 58. — Is. 6. — Pp. 867–887. DOI: 10.1080/00221686.2020.1786742.
23. Гладков Г. Л. Гидравлика потока и параметры транспорта наносов при неустановившемся движении воды в нижних бьефах гидроузлов на судоходных реках / Г. Л. Гладков, В. М. Католиков, П. С. Ржаковская // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. — СПб.: Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова, 2023. — С. 24–43.
24. Гладков Г. Л. Гидравлические характеристики речного потока и условия транспорта наносов в нижнем бьефе гидроузла / Г. Л. Гладков, П. С. Ржаковская // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 3. — С. 344–358. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-3-344-358.
25. Gladkov G. Hydraulics and bedload in unsteady flow: Example of the Volga River / G. Gladkov, V. Katolikov, P. Belyakov, P. Rzhakovskaya, V. Zamyshlyaev // International Journal of Sediment Research. — 2024. DOI: 10.1016/j.ijsrc.2024.01.004. [In Press, Corrected Proof].
26. Bombar G. Experimental and numerical investigation of bed-load transport under unsteady flows / G. Bombar, Ş. Elçi, G. Tayfur, M. Ş. Güney, A. Bor // Journal of Hydraulic Engineering. — 2011. — Vol. 137. — No. 10. — Pp. 1276–1282. DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943–7900.000041.
27. Bombar G. Effects of Flow Unsteadiness on the Transport of Bimodal Bed Material / G. Bombar, A. O. Aksoy, M. Ş. Güney // Turkish Journal of Civil Engineering. — 2023. — Vol. 34. — Is. 6. — Pp. 99–128. DOI: 10.18400/tjce.1226516.
28. Lee K. T. Experimental investigation of bedload transport processes under unsteady flow conditions / K. T. Lee, Y. L. Liu, K. H. Cheng // Hydrological processes. — 2004. — Vol. 18. — Is. 13. — Pp. 2439–2454. DOI: 10.1002/hyp.1473.
29. Petrovskaya O. A. On the relationship of bed load transport with the Froude number / O. A. Petrovskaya, G. L. Gladkov // Water Resources. — 2022. — Vol. 49. — Is. 1. — Pp. 88–97. DOI: 10.1134/S0097807822010134.
30. Гладков Г. Л. Транспорт наносов в реках: зависимость параметров донных гряд от определяющих факторов / Г. Л. Гладков, П. В. Беляков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 1. — С. 52–63. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-1-52-63.
31. Гришанин К. В. Теория руслового процесса / К. В. Гришанин. — М.: Транспорт, 1972. — 216 с.
32. Костюченко А. А. Метод выполнения и обработки измерений для определения параметров донных гряд / А. А. Костюченко, Р. В. Заварзин // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. — СПб.: Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова, 2023. — С. 151–164.
33. Заварзин Р. В. Измерения расхода донных наносов, перемещающихся в грядовой форме: экспериментальное исследование косвенных методов измерений / Р. В. Заварзин, О. А. Петровская // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. — СПб.: Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова, 2023. — С. 213–231.
Рецензия
Для цитирования:
Гладков Г.Л., Ржаковская П.С., Заварзин Р.В. Экспериментальные исследования гидравлики потока и параметров транспорта донных наносов при неустановившемся движении воды. Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2024;16(2):181-196. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2024-16-2-181-196
For citation:
Gladkov G.L., Rzhakovskaya P.S., Zavarzin R.V. Experimental studies of flow hydraulics and bedload transport parameters in unsteady flow. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova. 2024;16(2):181-196. (In Russ.) https://doi.org/10.21821/2309-5180-2024-16-2-181-196