Гидрологические расчеты. Расчет стока наносов. Селевые паводки (Часть II, Лекция 8)

1.

к.г.н., доц. Сикан Александр Владимирович
Российский государственный гидрометеорологический университет
Гидрологические расчеты
Часть II
лекция № 8
1

2.

Основные темы лекции:
1. Расчет стока наносов.
Состав и причины формирования твердого стока.
Внутригодовое распределение твердого стока.
Определение среднегодовой мутности рек при отсутствии
данных наблюдений.
Определение расходов взвешенных наносов при
различном объеме гидрометрической информации.
2. Селевые паводки
Селевой паводок – определение.
Причины возникновения селей.
Типы селевых потоков.
Основные виды противоселевых сооружений.
Количественные характеристики селей и методы их
расчета.
© А. В. Сикан РГГМУ
2

3.

Расчет стока наносов
Расчет стока наносов необходим в следующих случаях:
© А. В. Сикан РГГМУ
при расчете заиления водохранилищ;
при оценке и прогнозе глубин на судоходных реках;
при производстве мелиоративных работ;
при проектировании каналов;
при проектировании водозаборов.
3

4.

Причины формирования твердого стока:
Склоновая эрозия
Русловая эрозия
Ветровая эрозия (дефляция)
Состав твердого стока:
Взвешенные наносы
Влекомые наносы
Растворенные вещества
© А. В. Сикан РГГМУ
4

5.

© А. В. Сикан РГГМУ
Климатическ
ие факторы
• Эти факторы характеризуют
соотношение тепла и влаги,
определяют общую подготовленность
почв к эрозии и смыву.
Факторы
подстилающ
ей
поверхности
• Характер рельефа, тип почв,
растительный покров.
Антропогенн
ые факторы
5
• Распашка склонов, уничтожение
растительного покрова.
• Отложение речных наносов в
водохранилищах.
Факторы твердого стока

6.

Изменение стока наносов в течение года
Большая часть твердого стока
рек проходит в период
половодья и паводков.
Самых низких значений
твердый сток достигает в
период межени, когда река
переходит преимущественно
на грунтовое питание.
© А. В. Сикан РГГМУ
Средние многолетние месячные
расходы взвешенных наносов,
р. Оять – д. Акулова Гора.
6

7.

Количественные характеристики твердого стока
Мутность воды – количество наносов (в гаммах) на 1 м3 воды (г/м3)
Средняя многолетняя мутность рек Росси возрастает в европейской части
с северо-запада на юго-восток, а в азиатской с севера на юг.
Г.И. Шамов (1956 г) построил для территории бывшего СССР карту средней
многолетней мутности рек, где выделено 9 зон.
В первой зоне мутность менее 25 г/м3, в девятой более 5000 г/м3.
В 1972 г. К.Н. Лисициной была составлена новая карта мутности,
где выделено уже 13 зон.
В России набольшую мутность имеют реки бассейнов Нижней Волги
и Нижнего Дона, а также реки Северного Кавказа.
Самую большую мутность в России имеет река Аксай, протекающая
по территории Дагестана и Чечни. Ее средняя многолетняя мутность 6 500 г/м3, а
максимальная среднегодовая – 11 700 г/м3.
© А. В. Сикан РГГМУ
7

8.

Примеры рек с различной
мутностью
Слияния рек Кама (мутная) и Белая (голубого
цвета) в г. Агидель, Башкирия.
© А. В. Сикан РГГМУ
Место слияния рек Иртыш (мутный) и
Омь (прозрачная) в г. Омске.
8

9.

Определение среднегодовой мутности рек при отсутствии данных наблюдений
Среднегодовая мутность средних рек
определяется по картам средней
многолетней мутности или методом
интерполяции.
Среднегодовая мутность малых рек
определяется по формуле:
(1)
S 0 ,м K м S 0
S0 – средняя многолетняя мутность,
определенная по карте;
K м – переходный коэффициент, зависящий
от площади водосбора.
Фрагмент карты средней многолетней мутности
рек Донского района, г/м3
© А. В. Сикан РГГМУ
F, км2
2
5
10
50
100
500
Kм
40
20
13
5
3
1
9

10.

Расход взвешенных наносов (R) – количество взвешенных наносов
проходящее через поперечное сечение потока в единицу времени, кг/с.
При наличии данных наблюдений расчетный сток наносов
определяется по аналитической кривой обеспеченностей, параметры
которой (R0 , Cv , Cs) оцениваются по имеющемуся ряду.
Расход влекомых наносов (кг/с) обычно составляет примерно 5-15%
от общего расхода наносов.
© А. В. Сикан РГГМУ
10

11.

Определение расчетного стока наносов при наличии
короткого ряда наблюдений
При недостаточном периоде
наблюдений норма наносов
рассчитывается по формуле:
R0
Q0
Rср ,
Qср
Пример региональной зависимости
1)
2)
3)
Н = 100 м,
Н = 150 м,
Н = 300 м
Q0 – средний многолетний расход воды;
Qср и Rср – средние расходы воды и наносов
за период одновременных наблюдений .
Значения Cv и Cs определяются по
рекам-аналогам, или по
региональным зависимостям от
определяющих их факторов.
© А. В. Сикан РГГМУ
Зависимость коэффициента вариации среднегодового
стока взвешенных наносов от коэффициента вариации
среднегодового стока воды и средней высоты
водосбора для рек Донского района с F > 400 км2.
11

12.

Определение расчетного стока наносов при отсутствии
данных наблюдений
Для неизученных рек средний многолетний расход взвешенных наносов
можно определить по формуле:
S q F
R0 0 06 , кг/с
10
S0
– средняя многолетняя мутность воды (г/м3), определяется по карте или
интерполяцией;
q0
– средний многолетний модуль годового стока воды (л/с км2), определяется
по карте или интерполяцией;
F
– площадь водосбора, км2.
(1)
Значение Cv определяется по рекам-аналогам, или по региональным
зависимостям от определяющих его факторов.
Коэффициент асимметрии допустимо принимать: Cs = 2Cv
© А. В. Сикан РГГМУ
12

13.

Плотность донных отложении в зависимости от их состава
Средний многолетний
годовой объем наносов
(в м3):
R0* 31,5 10 3
WS
R 0 – средний многолетний
общий расход наносов, кг/с;
*
– плотность наносов, т/м3,
определяется по шкале ГГИ
в зависимости от состава
донных отложений.
© А. В. Сикан РГГМУ
Название грунта
ρ, т/м3
Илы тонкие
0,7 - 0,8
Илы
0,8 - 0,9
Илы с примесью песка
Пылеватые и мелкие пески
заиленные
Пылеватые мелкие и средние пески
заиленные
Средние пески заиленные
0,9 - 1,1
Мелкие пески
1,5 - 1,6
Средние пески
1,6 - 1,7
Средние и крупные пески
1,6 - 1,8
Пески с гравием
1,7 - 2,1
Гравий
1,8 - 2,1
Галька с гравием
2,0 - 2,4
1,1 - 1,2
1,2 - 1,3
1,3 - 1,5
13

14.

© А. В. Сикан РГГМУ
Селевые потоки
14

15.

Сель – стремительный поток большой разрушительной силы,
состоящий из смеси воды, минеральных частиц и обломков
горных пород, внезапно возникающий в бассейнах
небольших горных рек в результате дождей или таяния снега,
а также прорыва завалов и морен.
Главная особенность этих потоков –
высокая насыщенность обломочным
материалом, которая составляет от 10%
до 75% объема движущейся массы.
Сход селя сопровождается гулом и
вибрацией поверхности земли.
Последствия селя в Алма-атинской
области республики Казахстан
© А. В. Сикан РГГМУ
15

16.

Сели, широко распространены в
большинстве горных районов мира.
Сели разрушают населенные пункты,
предприятия, железные и
автомобильные дороги, линии связи и
электропередач, наносят большой
ущерб сельскохозяйственным угодьям.
Нередко прохождение селей
сопровождавшихся человеческими
жертвами.
© А. В. Сикан РГГМУ
Китай
Черногория
Южная Корея
16

17.

Зоны
Регионы
Селевые области
Районирование
селеопасных
территорий
России
© А. В. Сикан РГГМУ
17

18.

Причины возникновения селей
Ливневые затяжные дожди, вызывающие размыв склонов и русел.
Интенсивное снеготаяние, вызывающее сдвиг переувлажненных
снежных масс.
Интенсивное таяние снега и льда, вызывающее прорыв скоплений талых
ледниковых вод, обрушение морен и льда.
Извержения вулканов, сопровождающиеся спуском кратерных озер,
бурным таянием снега и льда.
Землетрясения силой 7-8 баллов и выше, вызывающие срыв грунтовых
масс со склонов.
Разрушение естественных озерных плотин, сопровождающееся
размывом русла прорывной волной.
Антропогенная деятельность.
© А. В. Сикан РГГМУ
18

19.

Селевые потоки обычно делят на два типа:
1. Грязекаменный поток –
смесь мелкозема, каменного материала
и ничтожного количества воды.
2. Водокаменный поток –
смесь воды и камней с ничтожным
количеством мелкозема.
Сель в поселке Аршан (Бурятия).
Характерные размеры селевых потоков:
Глубина 2-10 м
Ширина от 3-5 м до 50-100 м
Плотность селевой смеси 1,1-2,5 т/м3
Среднее время схода селя 1-4 часа
Скорость селевого потока от 1-2 м/с до 8-10 м/с
Максимальный размер перемещаемых обломков
от 2-4 до 8-10 м
© А. В. Сикан РГГМУ
Сель в Хунзахском районе Дагестана.
19

20.

Основные виды противоселевых сооружений
© А. В. Сикан РГГМУ
20

21.

Селезадерживающие сооружения
План
Жесткое сквозное селезащитное
сооружение из стержневых элементов.
Гибкое селезащитное сооружение.
Общий вид
Жесткое сквозное арочное селезащитное сооружение ;
1– клинообразный блок, 2 – вертикальный стержень.
Продольный разрез котловины-уловителя.
Селезадерживающие сооружения, в зависимости от типа конструкции, должны
аккумулировать сель полностью или его твердую часть.
© А. В. Сикан РГГМУ
21

22.

Селепропускные сооружения
Селенаправляющие сооружения
(Селеспуск над автомобильной дорогой)
(Селенаправляющие шпоры)
Общий вид
План
1 – автомобильная дорога; 2 – селеспуск;
3 – селевое русло.
1 – селевое русло; 2 – защищаемая автомобильная
дорога; 3 – шпоры.
Селестабилизирующие сооружения
(Стабилизирующие запруды)
Назначение селезащитных сооружений:
Селепропускные – для транзита селевых потоков под или
над защищаемым объектом.
Селенаправляющие – для направления потока в
селепропускное сооружение или для предотвращения
подмыва защищаемой территории.
Селестабилизирующие – для снижения мощности
селевого потока и предотвращения его развития.
© А. В. Сикан РГГМУ
22

23.

Современные противоселевые сооружения
Объемное стержневое заграждение.
Сетка из колец ROCCO® и кольца
амортизаторы.
© А. В. Сикан РГГМУ
Селезадерживающая плотина
с пятью пропускными отверстиями.
Противоселевой барьер.
23

24.

Стационарные наблюдения на селеопасных участках
Пример расположения оборудования на участке мониторинга
Стационарные наблюдения
(мониторинг) на селеопасных
участках рекомендуется
осуществлять непрерывно, с
применением
автоматизированных систем.
1 – селевое русло; 2 – участок возникновения селей;
3 – водосбор селевого бассейна; 4 – река;
5 – автомобильная дорога; 6 – мостовой переход;
7 – селеудерживающее сооружение;
8 – метеорологическая станция; 9 – цифровая видеокамера;
10 – ультразвуковой датчик; 11 – геофон*;
12 – светофорная сигнализация.
* Геофон – приемник звуковых волн, распространяющихся в верхних слоях земной коры. Используется при сейсмической разведке.
24
© А. В. Сикан РГГМУ

25.

Количественные характеристики селей
Максимальный расход
селевого потока, м3/с
Средняя скорость
селевого потока, м/с
Максимальная
скорость селевого
потока, м/с
Общий объем селевого
паводка, м3
Qmax(с ) vс
vс ah n I m
vmax 1,8vс
W( c ) 0,5Qmax(с )T(с)
WТ W(с ) S ср
Обозначения:
h – средняя глубина потока, м;
I – продольный уклон русла на участке;
a, n, m – параметры, зависящие от типа селя;
– площадь поперечного сечения, м2;
T(c) – продолжительность селевого паводка, с;
Sср – средняя за паводок концентрация наносов;
Общий объем выноса
β
3
твердого
материала,
м
Приближенно оценить максимальный расход селевого
– коэфф. насыщенности селя, β = 0,05-0,5;
заторности, K = 3-5.
потока можно также по формуле Д. Л. Соколовского вKзат – коэффициент
Qmax(c ) Qmax(в ) (1 зат ) K зат
зависимости от максимального расхода воды:
© А. В. Сикан РГГМУ
25

26.

Вопросы для самопроверки
1. В каких случаях требуется расчет твердого стока?
2. Перечислите основные причины формирования твердого стока.
3. Что такое мутность воды, как она меняется на реках в течение года?
4. Как меняется норма мутности по территории России?
5. Как определить среднюю мутность при отсутствии данных гидрометрических
наблюдений ?
6. Как производится расчет твердого стока при различном объеме
гидрометрической информации ?
7. Что такое сель, перечислите основные типы селевых потоков?
8. Как ведется защита от селей?
9. Перечислите основные количественные характеристики селей и методы их
расчета?
© А. В. Сикан РГГМУ
26

27.

© А. В. Сикан РГГМУ
Конец лекции №8
Рекомендуемые материалы для изучения:
1. Владимиров А.М. Гидрологические расчёты: п. 15.
2. Горошков И.Ф. Гидрологические расчеты: п.12.
27