CC BY
38
2002
Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра
Том 130
А.С.Третьяков, А.В.Шишаев (Амурское бассейновое водное управление, Хабаровское отделение ТИНРО-центра, г. Хабаровск)
РАСЧЁТ ПЛОЩАДИ ЗАИЛЕНИЯ ДНА ПРИ ПРОКЛАДКЕ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ В ПЕРИОД ОТКРЫТОГО РУСЛА
При подсчёте ущерба, нанесенного экосистеме водотока при прокладке трубопровода, кабеля или других линейных сооружений в период открытого русла, часто необходимо более точно знать площадь заиления дна водотока. В существующей "Временной методике оценки ущерба, наносимого рыбным запасам в результате строительства, реконструкции и расширения предприятий, сооружений и других объектов и проведения различных видов работ на рыбохозяйственных водоёмах" (1990), по которой подсчитывается ущерб рыбному хозяйству, не приведены математические расчёты площадей заиления дна русла в зависимости от расхода воды, скорости течения, ширины, глубины, характера грунта и других гидрометрических и гидравлических характеристик водотока (Временная методика ..., 1990), поэтому, как правило, сотрудниками рыбохо-зяйственных научно-исследовательских и проектных организаций или по согласованию с органами охраны природы и рыбохозяйственными организациями институтами биологического профиля площади заиления дна при производстве работ на водоёмах оцениваются экспертно исходя из практического опыта без глубокой методической (математической) проработки этого вопроса. Авторами была предпринята попытка на основе уравнения А.В.Караушева (Караушев и др., 1973) оценить площадь заиления дна водотока при производстве работ в русле реки.
Для вычисления концентрации взвешенных веществ, изменяющейся вдоль транспортирующего их потока вследствие частичного осаждения на дно, А.В.Караушевым предложено уравнение баланса взвешенных веществ для участка реки:
В (и + к) L
S = S + ^ - S ) ехр--в-, (1)
вз тр * н тр' г ^ 7
где и - средняя гидравлическая крупность взвешенных частиц, м/с; L -расстояние от выпуска до расчётного пункта, м; Вв - средняя ширина водотока, м; к - некоторый параметр, зависящий от гидравлической крупности наносов, скорости течения и коэффициента Шези; О - расход воды в водотоке, м3/с; Sвз - концентрация взвешенных веществ в воде водоёма на расстоянии L от источника загрязнения, мг/л; S - концентрация взвешенных веществ, отвечающая транспортирующей способности потока по отношению к этим взвешенным веществам, мг/л; Sн -концентрация взвешенных веществ в точке загрязнения, мг/л.
1207
Транспортирующая способность водотока принята на уровне фоновых значений, исходя из предположения, что между транспортом и концентрацией взвешенных веществ в водотоке существует равновесие. Под транспортирующей способностью понимается способность водотока перенести определенное количество взвешенного вещества.
Приняв, что Этр = Sф, где Sф - фоновое значение взвешенного вещества в воде водотока, а Эвзв = Sф + Эдоп (Эдоп - допустимое увеличение взвешенных веществ в водотоке), после незначительных преобразований получим:
S В (и + к) L
доп в
-= ехр--, (2)
S - Эф Q
н ф ^
при Э можно принять Э — ^ = Э . С учётом этого:
гн ф г н ф н ^
Э В (и + к) L 1п —д— = —-—, (3)
Эн Q
где к = и Г/1 — Г (4)
(Г - гидромеханический параметр наносов). Подставив (4) в (3), получим:
Э В и L
1п^ =-в----(5)
Эн Q (1 — Г)
Заменив Вв^ на G, где G - площадь заиления русла, получим
Э G и
1п =----(6)
Эн Q (1 — Г)
Отсюда площадь заиления дна будет равна:
1п (Э /Э ) Q (1 — Г)
G =- н доп---- . (7)
и
В гидравлических расчётах и равно максимальному значению пуль-сационной скорости, при которой происходит разделение наносов на взвешиваемые и невзвешиваемые (Караушев и др., 1973). Как правило,
и = w + 3w, (8)
где w - среднее значение абсолютной величины пульсационной скорости, которая вычисляется по формуле:
w = v/N1/2 (9)
(V - средняя скорость течения воды в реке, м/с; N - характеристическое безразмерное число, зависящее от коэффициента Шези, определяющееся по уравнению:
М С
N =-, (10)
г
где С - коэффициент Шези, м1/2/с; г - ускорение силы тяжести, равное 9,8 м/с2; М - параметр Караушева).
Коэффициент Шези определяется по уравнению
С = №/п , (11)
ш'
где Ы - гидравлический радиус потока, м. Для естественных водотоков гидравлический радиус приблизительно равен средней глубине воды, R = = Н; у - коэффициент, который определяется по формуле
y = 2,5 Vnm - 0,13-0,75 VR (Vnm - 0,1) (12)
(пш - коэффициент шероховатости ложа реки, определяемый по табл. 1 (Карасев, 1980)).
Таблица 1
Шкала шероховатости речных русл
Table 1
Scale of river bottom roughness
N
Характеристика Равнинные реки_
русла
Полугорные и горные реки
0,020 Прямолинейные русла канализированных рек в плотных грунтах с тонким слоем илистых отложений 0,025 Естественные земляные русла в благоприятных условиях, чистые, прямые, со спокойным течением 0,030 Гравийно-галечные русла в тех же условиях
0,040 Сравнительно чистые русла постоянных водотоков с некоторыми неправильностями в направлениях струй, неровностями донных наносов
0,050 Значительно засоренные русла больших и средних рек, частично заросшие или каменистые, с неспокойным течением. Чистые русла периодических водотоков 0,065 Скалистые русла больших и средних рек. Русла периодических водотоков, засоренные и заросшие
0,080 Речные русла, значительно заросшие, с промоинами и неровностями дна и берегов
0,100 Русла рек, сильно заросшие, загроможденные стволами деревьев и валунами
0,140 0,200
Реки болотного типа (заросли; кочки, во многих местах почти стоячая вода)
Искусственные отводы русл, высеченные в скале
Гравийно-галечные русла в благоприятных условиях (чистые, прямые), I = 0,8-1,0 % Земляные русла периодических водотоков (сухих логов) в благоприятных условиях. Правильные хорошо разработанные галечные русла в нижнем течении, I = 3-7 % Значительно засоренные каменистые русла с бурным течением. Периодические водотоки с крупногалечным покрытием ложа, I = 7-15 % Галечно-валунные русла с бурным течением. Засоренные периодические водотоки, I = 15-20 %
Валунные русла в средней и верхней частях бассейна и периодические водотоки с бурным течением и взволнованной водной поверхностью, I = 50-90%
Русла водопадного типа преимущественно в верховьях с крупно-валунным ложем и бурным течением, I = 90-200 % Русла водопадного типа, загроможденные обломками скал и валунами, I = 90-200 % Русла с завалами из валунов и обломков скал
М = 0,7 С + 6 для С < 60, (13)
М = 48 для С > 60.
С учётом среднего значения максимальной пульсационной скорости и = 2w = 2 v/N1/2 и Q = Вв Н V получим:
1п ^ ^ ) В Н (1 - Г) № 2
G =- н доп-----, м2. (14)
2
Величина ln (SH/Saon) при изменении Sh от 500 до 100000 мг/л изменяется от 7,6 до 12,9, и в среднем ее можно принять, равной 10. В этом случае уравнение (14) будет иметь вид:
G = 5 В Н (1 - Г) N1/2. (15)
Величина Г составляет незначительную величину (Г<<1), и (1 — — Г) можно брать равным 1. Величина N определяется по уравнению (10). В окончательном виде уравнение площади заиления дна водотока примет вид:
G = 5 В Н N1/2. (16)
Для предварительных расчётов при недостатке исходной информации можно использовать уравнение:
G = К В Н, (17)
где К = 5 N1/2.
В табл. 2 приведены средние значения К для водотоков различного типа. Типизация водотоков принята по А.В.Караушеву (Методические основы оценки ..., 1981).
Таблица 2
Типизация водотоков по особенностям гидродинамического режима
Table 2
Stream typification according to hydrodynamic regim
Переме- Q , ср.год Грунт Коэффи - Уклон, Пределы
Тип Группа шивание м3/с циент Шези С % изменения К , коэффи- ср
м1/2/с циента К
Гор- Средние Весьма ОТ 25-50 Валуны , 25-35 0,2-0,6 38,3-51,6 45
ные хорошее до галька,
реки 250-500 гравий
Малые Хорошее ОТ 2,5-5,0 до 25-50 Валуны галька, , 15-30 0,6-5,0 24,9-45,0 35
< (2,5-5,0) гравий
Ручьи Хорошее Валуны 10-20 0,6-5,0 18,0-31,6 25
Реки Средние Хорошее ОТ 25-50 Галька, 20-40 0,6-4,0 31,6-58,3 45
пред- до гравий,
горий 250-500 песок
Рав- Большие Хорошее От 250-500 Гравий, 40-70 0,01-0,10 58,3-91,6 75
нин- до >2500 песок, ил
ные Средние Умерен- ОТ 25-50 Гравий, 30-60 0,06-1,2 45,0-84,8 65
реки ное до 250-500 песок, ил
Малые Слабое ОТ 2,5-5,0 до 25-50 Песок, ил 30-50 0,05-1,0 45,0-71,6 58
Ручьи Умеренное < (2,5-5,0) Песок, ил 10-30 0,05-1,0 18,0-45,0 32
Если в проектной документации нет гидрометрических и гидравлических характеристик водотока, на котором предполагается строительство объекта, то необходимо проводить полевые работы для их определения. Такие виды работ должны выполняться сотрудниками рыбохозяй-ственных научно-исследовательских и других организаций, имеющих право выполнять расчёты ущерба рыбному хозяйству при прокладке линейных сооружений.
Литература
Временная методика оценки ущерба, наносимого рыбным запасам в результате строительства, реконструкции расширения предпри-
1210
ятий, сооружений и других объектов и проведения различных видов работ на рыбохозяйственных водоёмах. Утверждено Госкомприродой СССР и Минрыбхозом СССР в 1989 году. - М.: МРХ СССР, 1990. - 61 с.
Карасёв И.Ф. Речная гидрометрия и учёт водных ресурсов. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1980. - 310 с.
Караушев A.B., Шварцман А.Я., Бесценная М.А. и др. Практические рекомендации по расчёту разбавления сточных вод в реках, озёрах и водохранилищах. - Л.: ГГИ, 1973. - 101 с.
Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод / Под ред. А.В.Караушева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 176 с.
Поступила в редакцию 26.11.01 г.
