PT - JOURNAL ARTICLE
AU - Масликова, О. Я.
AU - Грицук, И. И.
AU - Ионов, Д. Н.
AU - Малашенков, Б. М.
AU - Синиченко, Е. К.
TI - Современное состояние исследований эрозии берегового склона водных объектов в условиях криолитозоны
DP - 2023-04-11
SO - https://rep.herzen.spb.ru/publication/957
AB - Введение Проблема гидротехнического строительства наиболее остро стоит в северных регионах на водных объектах, береговые склоны которых наиболее подвержены влиянию климатических и антропогенных факторов. Для наиболее эффективного и экологичного использования водных ресурсов требуется знание закономерностей существования природных объектов, критериев их устойчивости и условия изменения их структуры и границ, а также необходима возможность прогнозирования этих изменений. В связи с этим необходимо проведение большого количества разносторонних исследований и описаний основных процессов, происходящих в районах водных объектов, особенно относящихся к северным регионам. Так как на перенос вещества в естественных водоемах и реках влияет множество гидравлических параметров, таких как климатические условия, материал вещества, слагающий склоны, скорость потока, расход воды, геометрия канала, растительность и гидротехнические и мостовые конструкции, то все это приводит к изменению картины русла реки. Регион исследований, объекты и методы Наиболее распространенным явлением является меандрирование, при котором осадочные породы находятся в непрерывном движении за счет размыва и оседания. Размыв обычно происходит на внешних берегах изгибов ручьев, а отложения - на внутренних. Этот способ переноса наносов изучался многими исследователями [8, 6, 3] 187 Такие изгибы постоянно меняются под непрекращающимся действием потока, происходит непрерывный размыв, осаждение и перенос вещества с одного участка на другой. Всё это является причиной нестабильности русла, происходит постоянное перераспределение отложений. Механизмы, с помощью которых аллювиальные русла активно изгибаются, обсуждались с самого начала современных геоморфических исследований в 19 веке, но окончательного консенсуса достичь не удалось. Однозначно можно утверждать, что одной из основных причин меандрирования является транспортирующая способность потока в сочетании со свойствами слагающего русла материала, что было продемонстрировано в лабораторных экспериментах [11]. И.Л. Розовский [5] обозначил пять характерных особенностей потока на повороте русла: 1. Возникновение поперечного уклона водной поверхности: у выпуклого берега уровень ее понижается, у вогнутого - повышается. 2. Движение поверхностных струй к вогнутому, придонных - к выпуклому берегу как следствие поперечного уклона: на основной поток накладывается вращение винтового характера, называемое поперечной циркуляцией. 3. Перераспределение скоростей течения как по вертикали, так и по ширине потока благодаря наличию поперечного уклона. В результате в начале закругления происходит увеличение скоростей у выпуклого берега и уменьшение их у вогнутого, ниже по течению максимум скорости постепенно передвигается к вогнутому берегу закругления. 4. Явление отжима (отрыва) потока от стенок и образование водоворотных зон при очень резком плановом искривлении. 5. Наличие дополнительных потерь энергии потока на закруглении, вызываемых увеличением неравномерности скоростей по живому сечению, удлинением пути отдельных частиц благодаря винтовому характеру движения, усилению обмена количеством движения между отдельными струйками. Среди криогенных факторов, влияющих на процесс переформирования берегов водоемов в криолитозоне, обычно называют продолжительность безледного периода, снежные надувы у берегов и мерзлое состояние грунтов. Долго считалось, что мерзлота замедляет размыв берегов, но было показано, что оттаивающий мерзлый грунт меняет прочностные характеристики и сопротивляемость размыву [9]. Характер размыва определяется соотношением скоростей протаивания и сноса грунта. Это также было подтверждено Ф.Э. Арэ [1] который на фактах показал, что сильнольдистые термоабразионные берега могут иметь в 3 - 4 раза большую скорость отступания, чем абразионные берега. Детальному описанию меандров посвящена работа [13]. В [10] проведено исследование взаимосвязи геометрии меандра с пропускной способностью, в том числе твердого вещества, потока реки. В работе предполагается, что скорость изменения ширины и извилистости с течением времени зависит только от состава слагающего берега грунта. Была разработана модель позволяющая связать ширину, уклон и извилистость русла с движением наносов. Кроме того, автор объясняет, почему извилистость становится 188 устойчивой, и связывает отношения между извилистостью, эродируемостью и нестабильным расходом поступающей воды. Результаты и обсуждение Изучение литературы по данной тематике и анализ зависимостей позволил получить систему уравнений для движения жидкости на повороте русла на основе модели турбулентности Прандтля, которая описывает касательные напряжения турбулентного трения как связанные с характерной длиной поперечного обмена импульсом. Так как скорости потока на входе в закругление достаточно большие в нашем случае, особенно у вогнутого берега, то неизбежно возникают турбулентные пульсации, что приводит к значительному размыву внешнего, вогнутого берега [4, 12]. По результатам физического моделирования с учетом скоростей на поверхности водотока подобрана система уравнений, описывающая транспортирующую способность водного потока с учетом льдистости на участке поворота русла. Эта система в сочетании с полученной ранее зависимостью переноса наносов от скорости потока, модифицированной для криолитозоны путем добавления зависимости от льдистости, позволила дополнить и расширить имеющуюся модель размыва мерзлых береговых склонов в процессе оттаивания [2, 7]. Выводы Меандрирование и поведение потока на извилистых участках рек, транспортирующая способность, гидравлика закругленного участка русла было исследовано многими авторами, также существует достаточно работ по изучению влияния климата на устойчивость и деградации береговых склонов в условиях севера. В нашей работе мы связали все эти физические процессы в единую модель, чего раньше другими исследователями сделано не было. Так как натурные эксперименты в криолитозоне провести затруднительно, да и в процессе натурных экспериментов не всегда возможно сделать акцент на какой-либо составляющей, лабораторные эксперименты явились незаменимой альтернативой. При лабораторном моделировании возможно исключить либо добавить какой-либо параметр в модель для получения уточненных результатов. Подобные эксперименты в лабораторных условиях проводятся впервые