УДК 627.222.5 На правах рукописи

ХОХЛОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗВИТИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЙ АБРАЗИОННЫХ И

ТЕРМОАБРАЗИОННЫХ БЕРЕГОВ ВОДОХРАНИЛИЩ

Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2017

2

Работа выполнена на кафедре гидротехнических и транспортных соору-

жений Федерального государственного бюджетного образовательного учре-

ждения высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-

строительный университет».

Научный руководитель: Соболь Илья Станиславович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО

«Нижегородский государственный архитектурно-

строительный университет», проректор по науч-

ной работе.

Официальные оппоненты: Кантаржи Измаил Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО

«Национальный исследовательский Московский

государственный строительный университет»,

и.о. заведующего кафедрой гидравлики и гидро-

технического строительства;

Михасек Андрей Александрович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО

«Самарский государственный технический уни-

верситет», доцент кафедры природоохранного и

гидротехнического строительства.

Ведущая организация: Акционерное общество «Проектно-

изыскательский и научно-исследовательский ин-

ститут «Гидропроект» им. С.Я. Жука» (АО «Ин-

ститут Гидропроект»).

Защита состоится «23» мая 2017 г. в 15 00

на заседании диссертационного

совета Д 220.043.13 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграр-

ный университет–МСХА имени К.А. Тимирязева», по адресу: 127550, г.

Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел/факс: 8 (499) 976-21-84.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке

имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный

университет – МСХА имени К.А. Тимирязева» и на сайте Университета

http://timacad.ru/.

Автореферат разослан «___» марта 2017 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук М.С. Палиивец

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. После создания водохранилища в

речной долине начинается переформирование его берегов, сложенных дисперс-

ными породами. Процессом охвачены берега больших и средних водохранилищ

в различных климатических зонах. Наибольшему переформированию подвер-

жены абразионные (термоабразионные) берега. При протяженности береговой

линии водохранилищ России около 76 тыс. км, 42 тыс. км из них – абразион-

ные.

Берегопереформирование вызывает изъятие из использования прибреж-

ных 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, про-

гнозирование переформирования их берегов приобретает важное прикладное

значение. Для локальных участков на базе прогноза осуществляется выбор аль-

тернативных методов снижения рисков при разрушении берега. Прогнозы бере-

говых процессов позволяют сократить экономический ущерб и не допустить

возникновения и развития чрезвычайных ситуаций.

Степень разработанности темы. Вопросам абразии и термоабразии бе-

регов водохранилищ посвящено много работ российских ученых. Ими был раз-

работан ряд методов прогнозирования берегопереработки, некоторые из кото-

рых 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 совершенствова-

ния и автоматизации методов прогнозирования переработки берегов водохра-

нилищ для повышения точности прогнозов.

Объектом диссертационного исследования приняты абразионные и

термоабразионные берега водохранилищ, а предметом исследования – методы

расчетов их переформирований в период эксплуатации.

4

Исследование велось в рамках научного направления кафедры гидротех-

нических и транспортных сооружений ННГАСУ «Взаимодействие гидроузлов

и водохранилищ с окружающей средой в сложных природных условиях» в со-

ставе АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам: «Ис-

следование процессов взаимодействия водохранилищ с основаниями и берега-

ми в сложных природных условиях», 2009-2011 гг., № гос. рег. 01201152861;

«Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных террито-

рий 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 авто-

матизации для выполнения на ЭВМ вариантных постворовых расчетных про-

гнозов переформирований абразионных и термоабразионных берегов проекти-

руемых и эксплуатируемых водохранилищ.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

– изучить, проанализировать и выбрать для развития и автоматизации ме-

тоды 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 термоабра-

зионных берегов водохранилищ в процессе их проектирования и эксплуатации;

– провести инструментальные измерения береговых профилей на боль-

ших водохранилищах, с помощью полученных натурных данных выполнить

верификацию и обосновать техническую эффективность разработанных моде-

лей и программ для ЭВМ;

5

– для охваченных натурными измерениями берегов водохранилищ вы-

полнить расчетные прогнозы переформирований на дальнейший период экс-

плуатации применительно к мониторингу береговой полосы.

Научная новизна. Научную новизну работы составили следующие ее ре-

зультаты:

– усовершенствованные известные энергетические методы расчетного

прогнозирования переформирований абразионных и термоабразионных берегов

водохранилищ в части математического описания процессов с учетом нестаци-

онарности волновых и уровенных условий на водохранилищах и теплотехниче-

ских условий в берегах;

– составленные алгоритмы и программы реализации усовершенствован-

ных 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 бере-

гов Горьковского и Вилюйского водохранилищ на предстоящее десятилетие

эксплуатации, количественно подтвердившие ожидаемое замедление их абра-

зии и термоабразии.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая

значимость проведенного исследования заключается в осуществленном совер-

шенствовании инженерных методов прогноза переформирований абразионных

и термоабразионных берегов водохранилищ, разработке алгоритмов расчетов,

реализованных в программах для ЭВМ, верифицированных на натурных дан-

ных.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности

использования разработанных программ в проектирующих и эксплуатирующих

водохранилища организациях для целей прогнозов развития берегов и обосно-

вания 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 бе-

регами.

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 пе-

реработкой берегов эксплуатируемых водохранилищ, участии в экспедицион-

ных инструментальных исследованиях их современного состояния, в обработке

и анализе полученных результатов, в выполнении расчетных прогнозов перера-

ботки берегов исследованных водохранилищ.

Положения, выносимые на защиту:

– усовершенствованные энергетические методы расчетного прогнозиро-

вания переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохра-

нилищ на заданный срок и конечную стадию и их компьютерная реализация;

– полученные данные многолетних постворовых инструментальных

наблюдений за переформированиями берегов Горьковского и Вилюйского во-

дохранилищ;

– результаты составленных постворовых расчетных прогнозов перефор-

мирований берегов Горьковского и Вилюйского водохранилищ на предстоящее

десятилетие.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность по-

лученных научных результатов подтверждена соответствием их современным

научным представлениям о береговых процессах на водохранилищах, каче-

ственной и хорошей количественной сходимостью результатов компьютерных

прогнозов переформирований берегов усовершенствованными методами с ре-

зультатами 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.; Всероссий-

ской 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. Полу-

чено 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро-

ваны цель и задачи исследования, показаны научная новизна и достоверность

результатов, приведены сведения о теоретической и практической значимости

работы, ее апробации и положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит анализ современного состояния прогнозирова-

ния переформирований абразионных и термоабразионных берегов водохрани-

лищ и выбор методов расчетов для развития и автоматизации.

Представлена классификация берегов водохранилищ Д.П. Финарова, ко-

торой автор придерживался в диссертационном исследовании.

8

Показано, что наиболее интенсивно на водохранилищах разрушаются бе-

рега абразионной и термоабразионной генетических групп (рисунок 1).

Рисунок 1 – Осыпной абразионный левый берег Горьковского водохрани-

лища между с. Андроново и д. Вашуриха

Основными факторами, влияющими на характер и интенсивность пере-

формирования выделены: вызванное ветром волнение, колебания уровней воды

водохранилища, геологическое и морфологическое строение берегов, темпера-

турные условия (в криолитозоне).

Прогнозированием переформирований абразионных и термоабразионных

берегов водохранилищ занимались Ф.Э. Арэ, С.Г. Бейром, Н.Г. Вараза-

швилли, Е.С. Гоголев, Е.К. Гречищев, С.С. Григорян, В.М. Гуревич, В.К. Де-

больский, В.К. Епишин, А.И. Ермолаев, Г.С. Золотарев, И.И. Иванова. Л.Б.

Иконников, Е.Г. Качугин, Е.Н. Кондратьев, А.А. Каган, Д.В. Козлов, Н.В. Ко-

ломенский, Н.Ф. Кривоногова, В.Л. Максимчук, И.А. Печеркин, Г.М. Пуляев-

ский, Б.А. Пышкин, А.Л. Рагозин, Л.Б. Розовский, С.В. Соболь, И.С. Соболь,

С.В. Томирдиаро, Д.П. Финаров, А.Ш. Хабидов, Ю.А. Шур, В.Н. Экзарьян и

другие ученые. Ими разработан ряд прогнозных методов, подразделяемых по

теоретическому обоснованию выполняемых расчетов на энергетические, веро-

ятностно-статистические и методы геологического подобия. Некоторые из этих

методов включены в нормативные документы.

Выявлено, что рекомендованные нормами методы имеют недостатки,

ухудшающие оправдываемость прогнозов переработки берегов водохранилищ:

9

– методы в большинстве графоаналитические, расчеты и построения про-

филей берегов осуществляются вручную, математически процессы не описаны

или описаны недостаточно полно, вследствие чего затруднительна автоматиза-

ция расчетов и построений;

– они недостаточно учитывают уровенный режим водохранилищ в пери-

од нормальной эксплуатации, тем более в период заполнения, когда зачастую

наблюдается максимальная линейная переработка берегов;

– существующие методы ориентированы на получение среднегодовых

параметров берегопереработки и не учитывают изменчивость во времени фак-

торов, влияющих на характер и интенсивность берегового процесса, что за-

трудняет их применение для краткосрочных прогнозов.

Для дальнейшего развития методов долгосрочных прогнозов переформи-

рования абразионных берегов отобраны инженерные энергетические методы

Е.Г. Качугина и Е.Н. Кондратьева, поскольку они шире других использовались

при проектировании больших водохранилищ и рекомендованы нормативными

документами. Для долгосрочного прогнозирования развития термоабразионных

берегов было решено усовершенствовать энергетическую инженерную модель

С.В. Соболя, которая полнее других формализует и описывает береговой тер-

моабразионный процесс. Для выполнения краткосрочных прогнозов перефор-

мирования мерзлых берегов представилось целесообразным приложить к усло-

виям водохранилищ численный метод М. Ларсона и Н. Крауса, апробирован-

ный А.Ш. Хабидовым, чтобы получать результаты, пригодные в инженерной

практике.

Во второй главе представлены математическое описание и алгоритмиза-

ция процессов переформирований абразионных и термоабразионных берегов

водохранилищ, применительно к расчетам на ЭВМ.

Переформирование абразионного берега на заданный срок. Методы Е.Г.

Качугина и Н.Е. Кондратьева модифицированы в двумерную математическую

модель переформирования абразионного берега. Дискретность во времени аб-

разионного процесса позволила формирование профиля берега представить ин-

10

тегральным следствием отдельных хронологически последовательных дефор-

маций, вызванных волнением различной интенсивности при различных уров-

нях воды.

Рассмотрена деформация берега при стационарных волновых (Н – высота

волны; e – количество волновой энергии, поступающей к 1 пог. м внешнего

края отмели) и уровенных (zув – уровень воды) условиях в течение периода,

продолжительностью τ. Профиль берега (бер бер

,x z – его координаты) определя-

ется координатами отмели zотм, xотм, бровки берегового обрыва (xбо, zбо) и подно-

жия свала отмели (xсо, zсо):

отм

2 ув н

отм ув 0 ув 0 ув

,

α β .

z z

z z zbx x z z z z

B

(1)

где b – ширина отмели, как разность горизонтальных координат уреза воды xув

и бровки свала отмели xн, B – предельная ширина отмели, α0 и β0 – коэффици-

енты, зависящие от крупности материала, слагающего отмель. Отмель форми-

руется в границах действия волн (zув, zн). Верхняя граница совпадает с zув, ниж-

няя определяется глубиной размывающего действия волн:

н ув 2 2, 0,64 arsh(8,1 ).z z a a H H (2)

Время, необходимое на размыв грунта объемом wр и сопутствующее уве-

личение ширины отмели от bt до b

t+∆t, определяется по формуле Н.Е. Кондрать-

ева, записанной в виде:

р,

( )1

2

t t

р

t

wt

be

Bk

b

(3)

где kр – средневзвешенный коэффициент размываемости коренных и аккумули-

рованных грунтов. Построение профиля выполняется итерационно, повторени-

ем следующих операций: верхний край отмели смещается в сторону берега, по-

лучает координату ув ув в

t t tx x x , определяются бо бо

,t t t tx z ; варьируя

н

t tx ,

определяются координаты отмели по (1) и вычисляются объемы размытого и

аккумулированного (wа) грунта пока не выполнится балансовое условие:

11

а а р/k w w , (4)

в котором kа средневзвешенный коэффициент аккумуляции для коренных и ак-

кумулированных грунтов; вычисляется время ∆t по (3) и общее время t=t+∆t.

Критерием остановки итераций является условие τ .t

Методически прогноз состоит в следующем: прогнозный период разбива-

ется на интервалы, в течение которых уровень воды в водохранилище и интен-

сивность волнения постоянны, исключая периоды штилей и ледостава; для

каждого интервала последовательно строятся профили, формируемые волнени-

ем. Результатом прогноза будет профиль на момент окончания последнего ин-

тервала.

Иллюстрацией к изложенному может служить рисунок 3 (см. с. 18) с про-

гнозными профилями абразионного берега Горьковского водохранилища.

Авторская модель, в отличие от известных моделей, применима для бере-

гов однородного и неоднородного строения, сложенных связными и несвязны-

ми грунтами, учитывает совместное влияние уровенного и волнового режимов

водохранилища на темпы берегового процесса; учитывает нестационарность

уровенного режима водохранилища в период эксплуатации, в том числе в пери-

од наполнения; с помощью модели возможен прогноз переформирования бере-

гов водохранилищ на краткосрочную перспективу.

Предельное состояние абразионного берега. Метод Н.Е. Кондратьева,

модифицирован в двумерную математическую модель предельного состояния

абразионного берега водохранилища. Рассмотрено сечение берега, нормальное

урезу воды, с координатами профиля xбер, zбер. Равновесный профиль берега

определяется координатами отмели, состоящей из криволинейного и прямоли-

нейного участков, бровки берегового обрыва и подножия свала отмели. Криво-

линейный участок располагается от уреза воды при НПУ до глубины размыва-

ющего действия волн (a2), координаты отмели на этом участке определяются

как:

12

отм

2 ув ув 2

отм ув 0 ув 0 ув

,

.α β ,

z z

z z z ax x z z z z

(5)

Прямолинейный участок, является продолжением криволинейного и распро-

страняется до нижнего предела размыва (zн), координаты отмели:

отм

ув 2 н2

отм ув 0 2 0 2 ув 2 0 2 0

,.

α β ( ) ( ),

z zz a z z

x x a a z a z a

(6)

Положение конечного профиля берега относительно первоначального по-

ложения определяется итерационно: повторяются операции построения профи-

ля берега и определения объема размытого Wр и аккумулированного в отмели

грунта Wа, критерием остановки итераций является условие (4). Введение ите-

рационного процесса послужило совершенствованию модели.

Переформирование термоабразионного берега на заданный срок. По

литературным источникам проанализирован термоабразионный процесс, выяв-

лено следующее: размыву мерзлого грунта должно предшествовать его оттаи-

вание; формирование отмели идет в условиях тепловой осадки ее основания;

размыв талого грунта аналогичен размыву в абразионном процессе.

Усовершенствована двумерная модель С.В. Соболя переформирования

термоабразионного берега водохранилища на долгосрочную перспективу. Учи-

тывая дискретность процесса, рассмотрена деформация мерзлого берега (хбер.м,

zбер.м) при стационарных волновых, уровенных и тепловых (температуры мерз-

лого берега θн и воды θв) условиях в течение периода, продолжительностью τ.

Температурное поле берега при переформировании не рассматривается с целью

упрощения расчетов. Оттаивание грунта в направлении берега при волнении

определяется уравнением:

н ф ф вни нимг тг

ни л сл тгмг ни

ни сл ни

θ θ α (θ θ )ξ ( ) 1λ λ ,

ρ ω α λπ

ξ (0) , 0,

d t

dt Q ba t

b t

(7)

где ξни, м – глубина оттаивания, ρлωQ – удельное тепло таяния грунта по объе-

му, θф – температура фазового перехода (вода - лед), амг, атг – коэффициенты

13

температуропроводности мерзлого и талого грунта, λмг, λтг – коэффициенты

теплопроводности мерзлого и талого грунта, α – коэффициент теплоотдачи, tни

– время оттаивания (формирования термоабразионной ниши), bсл – толщина

слоя талого грунта между водой и мерзлым грунтом. Оттаивание дна водохра-

нилища с учетом осадки талого грунта определяется уравнением:

н ф ф вд

мг тг

л дмг

д

θ θ θ θξ ( ) 1λ λ ,

ρ ω ξ (1 δ)π

ξ (0) 0, 0,

d t

dt Q а t

t

(8)

где ξд – глубина оттаивания, δ – относительная осадка оттаявшего слоя. Урав-

нение, определяющее тепловую осадку дна водохранилища s, записано в виде:

д

δ, (0) 0.ξ

dss

d (9)

Координаты размываемой части берега ограничены сверху zув, выше это

уровня берег предполагается мерзлым, нависающим в виде карниза над тер-

моабразионной нишей. Построение профиля выполняется итерационно: ув

t tx

получает координату ув в

tx x ; определяются wр, wа, Δt, t (операции аналогичны

таковым в абразионной модели); вычисляется глубина оттаивания грунта в

направлении берега ни

ξt t за время Δt по (7) и положение нулевой изотермы

ни нини(0) ξ ,t t t tx x xни(0) – её координата на начало формирования ниши; если

толщина талого грунта сл

t tb меньше шага смещения отмели ∆хв, грунт слоем

∆хв- сл

t tb не оттаял и не может быть размыт за ∆t, корректируется t с учетом от-

таивания грунта по (7); определяется напряжение σmax в заделке карниза мерз-

лого грунта нависающего над нишей:

карн ни

карн

max 2

0,006σ

c

t t t t

g M x

z z

, (10)

где Мкарн – масса карниза, карн

t tz и

ни

t tz – вертикальные координаты наружной и

внутренней поверхности карниза, в случае превышения σmax сопротивления

разрыву мерзлого грунта σр моделируется оседание карниза на отмель, оттаива-

14

ние осевшего грунта водой и формирование ниши начинается снова. Итерации

прекращаются при τ t , после чего вычисляется оттаивание и осадка основания

под внешним краем отмели по (8, 9). Принимается, что остальная часть отмели

оседает пропорционально вычисленной осадке и обратно пропорционально

расстоянию от н

t tx .

Методически прогноз аналогичен описанному для абразионного берега.

Предложенная усовершенствованная модель отличается от известной тем,

что применима для берегов однородного и неоднородного строения, сложенных

мерзлыми дисперстными грунтами, позволяет учитывать временные изменения

волновых и уровенных условий в водохранилище.

Иллюстрацией к изложенному может служить рисунок 6 (см. с. 20) с про-

гнозными профилями термоабразионного берега Вилюйского водохранилища.

Переформирование термоабразионного берега за один безледоставный

период. Разработана численная модель переформирования термоабразионного

берега водохранилища, сложенного песчаными отложениями, за безледостав-

ный период на базе совмещения модели трансформации дна прибойной зоны с

математическими зависимостями (7, 8, 9 и др.), описывающими оттаивание

грунта берега и дна, условия обрушения термоабразионной ниши.

Для описания размыва оттаявшего грунта берега использована разработка

М. Ларсона и Н. Крауса. С помощью уравнения сохранения массы (11), уста-

навливается связь между изменением глубин вдоль профиля берега (h) с гради-

ентами поперечных берегу расходов наносов (q):

h q

t x

, (11)

где х – координата вдоль профиля берега, t – время. Расход наносов предпола-

гается пропорциональным разности между фактической скоростью диссипации

волновой энергии и ее величиной при равновесном положении профиля. Урав-

нение решается численно, методом конечных разностей по явной схеме, на сет-

ке с фиксированным шагом ∆х. Шаг по координате ∆х принимался равным 0,2

м, шаг по времени Δt – равным продолжительности нескольких периодов волн.

15

Деформации профиля берега могут сопровождаться ситуациями, когда уклон

берегового откоса на локальных участках становится больше допустимого для

данного типа грунта. В этом случае моделируется обрушение талого грунта до

образования устойчивого уклона. На тех же временных шагах рассчитывается

глубина оттаивания берега ни

ξt t и положение нулевой изотермы ни

t tx , решая ко-

нечными разностями уравнение (7). Оттаивание и оседание дна моделируется

уравнениями (8, 9).

Иллюстрацией к изложенному может служить рисунок 5 (см. с. 19).

Для реализации вышеописанных авторских моделей разработаны алго-

ритмы и составлены программа «Берега», включающая расчеты переформиро-

ваний абразионных и термоабразионных берегов энергетическими методами на

заданные сроки и программа «Шторм» численного расчета термоабразии за

безледоставный период. Программа «Берега» зарегистрирована в Реестре про-

грамм для ЭВМ.

В третьей главе приведены результаты натурных измерений переформи-

рований абразионных и термоабразионных берегов эксплуатируемых водохра-

нилищ.

Выполнен сбор и обработка результатов режимных наблюдений за пере-

формированиями абразионных берегов Горьковского и термоабразионных бе-

регов Вилюйского водохранилищ соответственно в периоды 1959 – 1986 гг. и

1967 – 1985гг.. В 2009-2011 гг. экспедиционным порядком при участии автора

выполнена съемка современных профилей берегов в ряде восстановленных

створов. Надводный береговой уступ и прибрежная отмель с глубинами до 2,5

м измерялись при помощи электронного тахеометра, свал отмели – при помощи

акустического эхолота с маломерного судна. Посредством совмещения матери-

алов современной съемки с результатами измерений прошлых лет впервые

сформированы количественные натурные данные о динамике береговых про-

цессов за многолетний период эксплуатации водохранилищ (рисунок 2).

16

Рисунок 2 – Результат наблюдений за переформированием левого берега

Горьковского водохранилища на участке №1 в створе 6ГМО

На Горьковском водохранилище в озеровидной части были выполнены

измерения профилей берегов на 4 участках в 14 створах. Наибольшие скорости

переработки берегов выявлены в первые годы после заполнения водохранили-

ща, средняя скорость отступание бровки берегового обрыва в 1957 -1962 гг. на

различных участках составила от 4 до 18 м/год. С течением времени берегопе-

реработка замедлялась, причиной этому являлись образующиеся под действием

волнения прибрежные отмели, их ширина на участках отложения наносов до-

ходит до 129 м. В настоящее время скорости переработки берегов составляют

от 0,2 до 1,0 м/год. За период эксплуатации берег отступил на 45 – 69 м.

На Вилюйском водохранилище выполнены измерения профилей берегов

на 7 участках в озеровидных расширениях. В первые годы эксплуатации водо-

хранилища скорость переработки доходила до 2,4 м/год, в настоящее время

снизилась до 0,27 – 0,5 м/год. Линейная переработка берегов за период эксплу-

атации составила от 28 до 38 м.

Наиболее значительные объемы переработки берегов на водохранилищах

приурочены к участкам, сложенным легкоразмываемыми песчаными грунтами,

либо к наиболее широким акваториям, отличающимся интенсивным волнением.

В четвертой главе представлены результаты верификации усовершен-

ствованных методов, разработанных программ для ЭВМ и выполненных рас-

четных прогнозов берегопереформирований на Горьковском и Вилюйском во-

дохранилищах.

17

Для верификации программы расчета переформирования абразионных

берегов на заданный срок использовались результаты наблюдений на опытных

береговых створах Горьковского водохранилища. Первоначальное положение

поверхности берега в створах, коэффициенты аккумуляции, характерные укло-

ны берегового обрыва и свала отмели определялись по наблюденным профи-

лям. Данные о ветровом режиме были приняты среднемноголетние, данные по

уровенному режиму определены для периодов заполнения и нормальной экс-

плуатации. Коэффициенты размываемости коренных и аккумулированных в

отмели пород, характерные уклоны отмели на урезе и на глубине размывающе-

го действия волн варьировались в пределах рекомендованных нормами значе-

ний.

Расчетами получены профили берегов на моменты времени, по которым

имеются наблюденные профили (рисунок 3), хронологические графики отсту-

пания бровки берегового обрыва от НПУ и увеличения объема размытой поро-

ды (рисунок 4).

Тем же порядком выполнена верификация программы расчета перефор-

мирования термоабразионных берегов на заданный срок, для чего использова-

ны результаты наблюдений за берегопереформированием на Вилюйском водо-

хранилище. Температурные условия берега и воды приняты по материалам

натурных наблюдений. Результаты расчетов сходны с данными натурных

наблюдений, максимальная абсолютная ошибка определения отступания бров-

ки берегового обрыва от НПУ – 2,5 м, относительная ошибка определения объ-

ема размытого грунта – 18%.

Выполнено тестирование программы расчета переформирования мерзло-

го берега за один безледоставный сезон по результатам наблюдений перефор-

мирований песчаного берега Вилюйского водохранилища. Расчеты выполнены

для двух случаев волновых условий: в первом случае они определены по сред-

немноголетним сведениям о ветре; во втором в расчет добавлялся шторм с

обеспеченностью скорости ветра 25%. На рисунке 5 расчетом получены профи-

ли берега на конец безледоставного периода. Результаты расчета вполне сопо-

18

ставимы с опубликованными данными натурных наблюдений в части глубины

термоабразионных ниш, объемов разрушений берега, приуроченности

наибольших разрушений к периоду шторма.

Рисунок 3 – Профили берега на различные моменты времени для створа

6ГМО на левом берегу Горьковского водохранилища, полученные расчетом,

совмещенные с наблюденными профилями

Рисунок 4 – Рассчитанные и наблюденные хронологические графики от-

ступания бровки берегового обрыва от уреза НПУ (R, м) и увеличения объема

размытой породы (Wр, м3) для различных вариантов исходных данных для

створа 6ГМО на левом берегу Горьковского водохранилища

19

Рисунок 5 – Профили берега Вилюйского водохранилища на участке №6

в створе №2 в течение расчетного безледоставного периода для среднемного-

летних волновых условий (а) и с включением в расчет шторма (б)

Выполнен расчетный прогноз переработки берегов озерной части Горь-

ковского водохранилища. Данные для расчетов определены при верификации,

срок прогнозирования 5 и 10 лет, начало прогнозирования 2010 год. Результаты

расчетов проиллюстрированы прогнозными профилями на рисунке 6.

Определено, что можно ожидать отступание бровки берегового обрыва

по разным створам от 0,5 до 4,5 м за пятилетний период и от 0,9 до 8,5 м за

десятилетний. Скорости переработки берега за те же периоды составят 0,1 –

0,9 м/год и 0,08 – 0,80 м/год. При этом возможная потеря земель по бере-

гам Горьковского водохранилища за счет абразии в период 2010-2020 гг. со-

ставит 5,0 – 56,8 га/год, имея в виду, что протяженность абразионных бере-

гов – 631 км.

20

Выполнен расчетный прогноз переработки термоабразионных берегов

Вилюйского водохранилища (рисунок 7). Ожидаемая линейная переработка

берега за пять лет составит по отдельным створам от 1,2 до 2,1 м при скорости

от 0,24 до 0,42 м/год. За десять лет величина линейной переработки составит от

2,3 до 4,0 м, а ее скорость уменьшится до 0,22 – 0,38 м/год. При протяженности

термоабразионных берегов в 320 км, ежегодные потери прибрежных земель

составят от 7,0 до 13,4 га.

Рисунок 6 – Прогнозные профили берега Горьковского водохранилища в

створе 6ГМО на 5 и 10 лет от 2010 года

Рисунок 7 – Прогнозные профили берега Вилюйского водохранилища на

участке №6 в створе №1 на 5 и 10 лет от 2011 года

21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного диссертационного исследования по развитию и

автоматизации энергетических методов расчетов переформирований

абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ позволили сделать

следующие выводы.

1. Проектирование и эксплуатация долинных водохранилищ в районах

умеренного климата и многолетней мерзлоты требуют прогнозирования

переформирования их берегов, особенно абразионного и термоабразионного

типов, подверженных наибольшим разрушениям. Существующие методы

прогнозов, разработанные преимущественно несколько десятилетий назад,

отстают от современных требований.

2. Выполнено развитие отобранных для практического применения

известных энергетических расчетных методов: инженерные методы расчета

абразии Е.Г Качугина – Н.Е. Кондратьева и расчета термоабразии С.В. Соболя

модифицированы в двумерные математические модели постворовых

берегопереформирований на долгосрочную перспективу с учетом

нестационарности волновых и уровенных режимов на водохранилищах;

численный метод М. Ларсона и Н. Крауса расчета абразии морских берегов на

краткосрочный период штормовой погоды дополнен расчетами

теплотехнических процессов и распространен на термоабразионные берега

водохранилищ.

3. С целью автоматизации усовершенствованных расчетных методов

составлены алгоритмы и прикладные программы для ЭВМ «Берега» и «Шторм»

на языке «Object Pascal» в среде разработки «Borland Delphi 7.0».

4. Проведена инструментальная съемка современных профилей

абразионных берегов Горьковского (в 14 створах) и термоабразионных берегов

Вилюйского (в 5 створах) водохранилищ. В результате совмещения материалов

современной съемки с результатами измерений прошлых лет впервые

сформированы количественные натурные данные о динамике береговых

процессов за многолетние периоды эксплуатации водохранилищ.

22

5. На базе материалов многолетних инструментальных натурных

наблюдений за переработкой берегов Горьковского и Вилюйского

водохраниищ выполнена верификация разработанных моделей и программ для

ЭВМ, достигнута хорошая сходимость результатов расчетов и наблюдений.

6. Выполнены расчетные прогнозы развития абразионных берегов

Горьковского и термоабразионных берегов Вилюйского водохранилищ на

ближайшее десятилетие. Если средние скорости отступания береговых обрывов

на Горьковском водохранилище за 2000-2010 гг. составляли 0,44 м/год, а на

Вилюйском водохранилище за 1967-2011 гг. 0,38 м/год, то в последующее

десятилетие они уменьшатся до 0,30 м/год вследствие затухания процессов

берегопереформирования.

7. Результаты диссертационной работы доведены до практического

применения, апробированы и могут быть рекомендованы при исследовании,

проектировании и эксплуатации водохранилищ.

8. Дальнейшие исследования будут направлены на дополнение авторских

математических моделей переформирования термоабразионных берегов водо-

хранилищ расчетами изменения температурного состояния берега и дна водо-

хранилища с течением времени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хохлов, Д. Н. Развитие аналитического описания переформирования

мерзлых берегов водохранилищ в криолитозоне / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов //

Приволжский научный журнал. – 2010. – № 1. – С. 72–80.

2. Хохлов, Д. Н. Возобновление долгосрочных инструментальных наблюде-

ний за переформированием абразионных берегов Горьковского водохранилища

/ С. В. Соболь, И. С. Соболь, Л. Б. Иконников, Д. Н. Хохлов // Приволжский

научный журнал. – 2010. – № 2. – С. 40–47.

23

3. Хохлов, Д. Н. Анализ переформирования абразионных берегов Горьков-

ского водохранилища за период 1957-2010 гг. с прогнозом на следующее деся-

тилетие / С. В. Соболь, И. С. Соболь, Л. Б. Иконников, Д.Н. Хохлов // Гидро-

техническое строительство. – 2011. – № 12. – С. 13–20.

4. Хохлов, Д. Н. Модификация метода Е. Г. Качугина для вариантного ком-

пьютерного прогноза переформирования абразионных берегов эксплуатируе-

мых равнинных водохранилищ / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Вестник МГСУ.

– 2012. – № 10. – С. 281–288.

5. Хохлов, Д. Н. Экспедиционные исследования переформирования берегов

вилюйского водохранилища в криолитозоне / С. А. Великин, И. С. Соболь, Д.

Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. – 2012. – № 4. – С. 9–15.

6. Хохлов, Д. Н. Результаты инструментальных наблюдений и адаптивного

прогноза термоабразии берегов Вилюйского водохранилища / С. А. Великин, И.

С. Соболь, С. В. Соболь, Д. Н. Хохлов // Гидротехническое строительство. –

2013. – № 6. – С. 2–8.

7. Хохлов, Д. Н. Разработка и испытание двумерной цифровой модели тер-

моабразии берега водохранилища за один безледоставный период / Д. Н. Хох-

лов // Приволжский научный журнал. – 2015. – № 3. – С. 31–40.

8. Khokhlov, D. N. Results of instrument observations and adaptive prediction of

thermoabrasion of banks of the Vilyui reservoir / S. A. Velikin, I. S. Sobol', S. V.

Sobol', D. N. Khokhlov // Power Technology and Engineering. – 2013. – V. 47, № 4.

– P. 249–254.

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ:

9. Программа для инженерных прогнозов переформирования берегов водо-

хранилищ (Берега) : свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ / И.

С. Соболь, Д. Н. Хохлов. – № 2013612345 ; зарегистр. в Реестре программ для

ЭВМ 25.02.13.

Статьи в отраслевых научных изданиях:

10. Хохлов, Д. Н. Возобновление долгосрочных наблюдений за пере-

формированием берегов Горьковского водохранилища / Л. Б. Иконников, И. С.

24

Соболь, Д. Н. Хохлов // Труды конгресса международного научно-

промышленного форума «Великие реки – 2009». – Нижний Новгород : ННГА-

СУ, 2009. – С. 119–120.

11. Хохлов, Д. Н. Современное состояние абразионных берегов Горь-

ковского водохранилища / Д. Н. Хохлов // Сборник научных трудов аспирантов

и магистрантов. Технические науки. – 2010. – Т. I. – С. 244–248.

12. Хохлов, Д. Н. Развитие абразионных берегов Горьковского водо-

хранилища на современном этапе / Л. Б. Иконников, И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов

// Труды конгресса международного научно-промышленного форума «Великие

реки – 2010». – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2010. – С. 101–104.

13. Хохлов, Д. Н. Результаты инструментальных исследований пере-

формирования абразионных берегов Горьковского водохранилища / Л. Б.

Иконников, И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Всероссийская научно-техническая

конференция, посвященная 80-летию НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск : [б.

и.], 2010. – 5 с. (рукопись)

14. Хохлов, Д. Н. Автоматизация инженерных расчетов энергии ветро-

вого волнения на водохранилищах / Д. Н. Хохлов // Сборник научных трудов

аспирантов и магистрантов. Технические науки. – 2011. – Т. I. – С. 206–209.

15. Соболь, И. С., Хохлов, Д. Н. Автоматизация инженерных расчетов

берегопереформирований на водохранилищах криолитозоны / И. С. Соболь, Д.

Н. Хохлов // Проблемы инженерного мерзлотоведения : материалы IX Между-

народного симпозиума. – Якутск : Изд-во института мерзлотоведения СО РАН,

2011. – С. 115–120.

16. Соболь, И. С., Хохлов, Д. Н. Развитие и автоматизация энергетиче-

ских методов расчетов переформирования абразионных берегов водохранилищ

/ И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Труды конгресса международного научно-

промышленного форума «Великие реки – 2016». – Нижний Новгород : ННГА-

СУ, 2016. – С. 100–104.