WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Наносы в реках, озерах и водохранилищах в расширенном диапазоне размера частиц

Автореферат докторской диссертации по географии

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

ПОЗДНЯКОВ Шамиль Рауфович

НАНОСЫ В РЕКАХ, ОЗЕРАХ И ВОДОХРАНИЛИЩАХ В РАСШИРЕННОМ ДИАПАЗОНЕ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

Специальность 25.00.36 - геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург- 2011


Работа выполнена в лаборатории географии и природопользования Учреждения Российской академии наук Института озероведения РАН, г. Санкт-Петербург

Научный консультант           Чл.-корр. РАН, д.г.н., профессор

Румянцев Владислав Александрович

Официальные оппоненты

Член-корреспондент Российской академии наук, д.г.н Долотов Юрий Сергеевич (ИВП РАН, г.Москва)

Доктор географических наук, профессор

Георгиевский Владимир Юрьевич (ГГИ, г.Санкт-Петербург)

Доктор географических наук, профессор

Науменко Михаил Арсеньевич (ИНОЗ РАН, г.Санкт-Петербург)

Ведущая организация:                   Институт водных и экологических проблем

(ИВЭП СО РАН, г.Барнаул)

Защита состоится 19 декабря 2011 г.в 14.00 на заседании диссертационного совета 002.064.01 по присуждению ученой степени доктора географических наук при Учреждении РАН Институт озероведения РАН по адресу: 196105, г.Санкт-Петербург, ул.Севастьянова,9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озероведения РАН

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просьба направлять с пометкой «Ученому секретарю диссертационного совета 002.064.01»

Факс:(812)388-73-27 E-mail: tbgmaster@mail.ru

Автореферат разослан «__________ » 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат военных наук                                                        В.Ю.Цветков

2


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы исследования.

Исследование наносов в естественных водных объектах имеет важнейшее значение для большого круга гидрологических расчетов и прогнозов, оценки геоэкологического состояния водоемов и водотоков в различных физико-географических условиях. Материалы данных исследований необходимы для проектирования и строительства любых сооружений на водных объектах и решения различных водохозяйственных проблем. При этом многие вопросы, связанные с методикой и средствами измерений и расчетов параметров наносов до сих пор остаются недостаточно разработанными, а по отдельным позициям практически отсутствуют. Проблема занесения, заиления и загрязнения водных объектов при решении широкого круга геоэкологических, водохозяйственных и гидротехнических задач требует совершенствования существующих и разработки новых методов измерения и расчета параметров, связанных с движением и отложением наносов.

В настоящее время на значительной части гидрологических постов Роскомгидромета ведутся систематические наблюдения за стоком взвешенных наносов. Вместе с тем наблюдений за стоком влекомых, особенно крупнофракционных, наносов практически не ведется. Это связано, прежде всего, с отсутствием надежных методов и приборов для измерений. Методы расчета расходов влекомых наносов также далеки от совершенства. Кроме того, постоянно появляются новые задачи, связанные с решением геоэкологических проблем. В частности, начиная со второго десятилетия 21 века, намечено масштабное развитие нанотехнологических производств на территории Российской Федерации. При этом очевидно, будет иметь место усиление загрязнения естественных водных объектов наночастицами, в том числе искусственного происхождения. Существующая система стандартных гидрологических исследований пресноводных объектов и мониторинга наносов в естественных условиях не позволяет выявлять и дифференцировать по крупности частицы мельче 1 мкм, что является существенным упущением. Необходима разработка методики измерений, позволяющая получать информацию о наносах во всем диапазоне размеров.

Актуальность решения комплекса проблем, связанных с усовершенствованием всей системы исследования наносов естественных водных объектов, обусловливается также постепенным переходом к системе геоэкологического мониторинга.

Цель работы. Решение проблемы измерений и расчетов параметров взвешенных, влекомых и отложившихся наносов во всем диапазоне возможных размеров частиц в реках, озерах и водохранилищах в различных физико-географических условиях. Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач, которые, по-нашему мнению, являются наименее разработанными, ранее не затрагивались или требуют нового подхода для решения:

3


  1. Создание новых и усовершенствование существующих методов измерений расходов влекомых крупнофракционных наносов, как наименее разработанной части всей системы мониторинга транспорта наносов в естественных водных объектах.
  2. Усовершенствование представлений о турбулентной структуре потока и параметрах, связанных с транспортом наносов в естественных водных объектах.
  3. Разработка модели транспорта влекомых наносов, основанной на новейших представлениях о турбулентной структуре потоков.
  4. Расширение исследований гранулометрического состава наносов на весь диапазон возможных размеров частиц, встречающихся в реках, озерах и водохранилищах.
  5. Разработка методики исследований гранулометрического состава наносов, предусматривающая стыковку стандартных механико-гидравлических методов, применимых для частиц наносов видимого диапазона размеров, с современными физическими методами, применимыми для частиц наномасштабного диапазона.

Методы исследований. Исследования сочетали в себе теоретические разработки и лабораторные исследования турбулентной структуры потоков. Лабораторные исследования выполнялись в лотках руслового отдела Государственного гидрологического института. Кроме того, фактический материал для оценки отдельных параметров турбулентного потока был получен на основе натурных полевых измерений в разных природных зонах- на р. Полометь, р. Черная Арагви, р. Салигет, р.Арпа, р. Каскелен, р. Тоссор, р. Ала-Арча, р. Кашкасу, р. Когон и других, расположенных в Европе, Азии и Африке.

Измерения параметров транспорта наносов выполнялись с использованием разработанных автором приборов и устройств на реках Талгар, Кумбель, Кашкасу, Ала-Арча, Улаф и других после их тщательной лабораторной проверки и отладки систем в лабораторных лотках. Теоретические разработки модели транспорта влекомых частиц проверялись по данным натурных измерений расходов наносов на реках Тянь-Шаня и о-ва Западный Шпицберген, расположенных в существенно- различных физико-географических условиях.

Натурные эксперименты по исследованию частиц донных отложений и взвешенных наносов в расширенном диапазоне размеров выполнялись на основе судовых экспедиционных работ, на акватории Ладожского озера с последующей обработкой проб наносов в лабораториях Института озероведения РАН, Санкт-Петербургского и Московского университетов, Института ядерной физики и Института высокомолекулярных соединений РАН.

Научная новизна работы состоит в разработке модели и методики расчета транспорта наносов естественных водных потоков для решения различных геоэкологических проблем на основе нового динамико-вероятностного подхода к анализу механизма взвешивания твердых частиц с

4


учетом турбулентной структуры потока, апробированного в различных физико-географических условиях; новой методики измерения расходов влекомых наносов, основанной на пьезоэлектрической регистрации соударений движущихся твердых частиц с приемным устройством; новой классификации гранулометрического состава наносов во всем диапазоне возможных размеров частиц и созданной методики гранулометрического анализа наносов водных объектов в расширенном диапазоне размеров, предусматривающей дифференцированную оценку фракционного состава мелкофракционных частиц до 1 нм.

Предмет защиты. Система   методов   расчета   и   измерения   параметров   наносов   во   всем диапазоне  возможных размеров частиц,  встречающихся в реках,  озерах и водохранилищах для решении широкого круга геоэкологических проблем.

Основные положения, выносимые на защиту.

•   Метод измерения транспорта влекомых наносов, основанный на

пьезоэлектрической регистрации соударений движущихся в потоке

частиц с помощью приемной системы и устройство, его реализующее.

•   Метод расчета транспорта наносов для водных объектов различных

физико-географических зон, основанный на динамико- вероятностной

модели их движения.

  1. Расширенная классификация гранулометрического состава наносов водных объектов, включающая мелкофракционные частицы в наномасштабном диапазоне размеров.
  2. Система выполнения измерений гранулометрического состава наносов во всем диапазоне возможных размеров, предусматривающая использование и стыковку стандартных механических и гидравлических методов с современными физическими методиками.
  3. Усовершенствованные батометры для измерения расходов влекомых наносов, а также других параметров транспорта частиц.
  4. Зависимости для оценки осредненных и пульсационных параметров турбулентного руслового потока, наиболее полно отражающие характеристики придонной зоны водотоков, проверенные в различных физико-географических условиях.
  5. Оценка содержания частиц донных отложений и взвешенных наносов в нанометрическом диапазоне размеров для крупного водного объекта (на примере Ладожского озера).

Практическое значение работы. Полученные результаты необходимы для работ, связанных с организацией и выполнением мониторинга водных объектов для различных физико-географических условий в части оценки состояния их донных отложений, степени и генезиса загрязненности, измерения и расчета стока влекомых и взвешенных наносов.

Результаты данной работы использованы в предпроектных и исследовательских работах, связанных с оценкой качества воды источников водоснабжения, а также транспорта и отложения наносов водных объектов в

5


различных физико-географических районах (горных реках Киргизстана, Казахстана и Алтая, Ладожском озере и других), для обоснования проекта водоснабжения рудника Баренцбург (Западный Шпицберген); проектирования и строительства водохранилища для водоснабжения боксито- глиноземного комплекса Диан-Диан (Гвинейская Республика, Конакри); проектирования водохранилища гидроэлектростанции на р. Катунь (Алтай); выполнения ряда научно-исследовательских тем РАН.

Ряд результатов исследований и разработок автора использованы при

подготовке учебных пособий (например, в учебнике для студентов вузов

И.Ф.Карасева,         А.В.Васильева,         Е.С.Субботиной         «Гидрометрия»,

Л.Гидрометеоиздат, 1991).

Апробация результатов исследований и публикации. Основные положения диссертации были представлены на заседании Президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН, научно-технического совета Северо-Западного отделения ФАВР, семинарах и Ученых советах Государственного гидрологического института, Института озероведения РАН, научно-технических советах Невско- Ладожского бассейнового водного управления, ГУЛ «Водоканал Санкт-Петербурга» и Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечения экологической безопасности администрации Санкт-Петербурга, а также научных конференциях и конгрессах :

-международных: «XVI Конференция придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства» (Кобленц, 1992), «Erosion and Sediment Transport Monitoring Programmers in River Basins» (Осло, 1992), 3rd Symposium "Quality and measurement of water resources" (St. Petersburg, 2005), «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий» (Архангельск, 2005), 6,7,8 9,10 и 11-тый Международный экологический форум «День Балтийского моря» (Санкт-Петербург, 2005,2006,2007,2008,2009,2010), 9-ая Международная конференция «Aquaterra» (Санкт-Петербург, 2006), Международная конференция «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований» (Казань, 2009), «Эколого-географические исследования в Среднем Поволжье» Научно-практическая конференция (Казань, 2008) ,1 и II Международный конгресс «Чистая вода. Казань » (Казань, 2010, 2011), Международная научно-практическая конференция «Экологическое равновесие: Антропогенное вмешательство в круговорот воды в биосфере» (Санкт-Петербург, 2011). -всесоюзных: «V Всесоюзный гидрологический съезд» (Ленинград,1988), 4-ая Всесоюзная научная конференция «Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях» (Москва, 1987). -всероссийских: «Актуальные проблемы гидрометеорологии и контроля природной среды» (Ленинград, 1988), «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан» (Казань, 2003), «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Казань, 2005), Научно-практическая конференция «Теория и практика восстановления внутренних водоемов (Санкт-

6


Петербург, 2007), Всероссийская конференция с международным участием «Водные экосистемы: трофические уровни и проблемы поддержания биоразнообразия» (Вологда, 2008), Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 120-летию образования кафедры физической географии и этнографии в Казанском университете (Казань, 2008), «Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России» (Казань , 2008), «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования» (Калининград, 2011).

Личный вклад. Автором сформулированы идеи, осуществлена постановка и решение задач по исследованию параметров наносов во всем диапазоне размеров, встречающихся в водных объектах, проведены соответствующие научно-теоретические исследования по программам РАН. Осуществлена организация, руководство и непосредственное участие в геоэкологических и гидрологических исследованиях на водных объектах в различных физико-географических регионах на 3-континентах (Европе, Азии и Африке)- в Балтийском море (Невская губа, Восточная часть Финского залива), р. Неве, на Кавказе (р. Элегис, Салигет, Черная Арагви, Арпа), Заилийском, Киргизском, Кунгей и Терскей Алатау в Тянь-Шане (р. Каскелен, Тоссор, Кумбель, Ала-Арча, Талгар, Кашкасу, Карадарья), на Алтае (р. Катунь), Ладожском озере, в Гвинейской Республике (р. Когон), в Татарстане (отсеченная излучина р. Казанки), на острове Шпицберген (р.Улаф) и Валдайской возвышенности (р. Полометь). Выполнено руководство несколькими предпроектными изысканиями, связанными с темой диссертации.

По теме диссертации автором опубликована 72 работы, из них 1 коллективная монография и 16 статей в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 399 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4-х глав и заключения, списка цитируемой литературы. В тексте имеется 29 таблиц и 54 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В классической гидрологии суши наносами считаются твердые частицы, переносимые течениями и откладывающиеся в реках, озерах и водохранилищах. При этом различают взвешенные наносы - твердые частицы переносимые в толще водотоков без контакта с дном со скоростью практически равной скорости окружающих масс жидкости или находящиеся в толще водоема во взвешенном состоянии; влекомые наносы - частицы, движущиеся в придонном слое потока в периодическом контакте с дном путем скольжения, качения и сальтации с некоторым отставанием от окружающего потока; донные наносы- неподвижные частицы, формирующие дно и русловые образования водотоков и донные отложения - частицы, откладывающиеся на дне водоемов. В зависимости от гидродинамических условий и крупности твердого материала частицы могут срываться со дна и переходить во влекомое или взвешенное

7


состояние и наоборот. В свою очередь гидродинамические условия водных объектов в значительной степени зависят от физико-географических особенностей местности.

Поскольку основной целью данной работы является усовершенствование системы расчетов и измерений параметров наносов водных объектов во всем диапазоне возможных размеров частиц и применимых для разнообразных физико-географических условий, исследованиями были охвачены различные географические регионы. Основные объекты, на которых выполнялись соответствующие работы приведены на рис.1.

Рис.1. Основные объекты, на которых выполнялись исследования : 1- р.Улаф (о-в Шпицберген); 2 - Ладожское озеро; 3- р. Нева, Невская губа, Восточная часть Финского залива; 4- р.Полометь (Валдайская возвышенность); 5-Куйбышевское водохранилище, отсеченная излучина р. Казанки (Татарстан); 6-р. Каскелен (Тянь-Шань); 7- р.Ала-Арча (Тянь-Шань), 8- реки Тоссор, Кумбель, Талгар (Тянь-Шань), 9- реки Кашкасу, Карадарья (Тянь-Шань); 10- р.Черная Арагви (Кавказ); 11- реки Арпа, Элегис, Салигет (Кавказ); 12- р. Катунь (Алтай); 13- р. Когон (Гвинейская Республика, Африка).

Глава 1. Методы измерения транспорта влекомых наносов

Разнообразие видов движения влекомых наносов, образование структурных гряд на дне потоков, вариации гидравлических характеристик потока в придонной зоне и размеров перемещаемых частиц, связанные с широким диапазоном различных физико-географических условий, вызывают

8


серьезные затруднения при разработке методов и аппаратуры для измерения расходов влекомых наносов. Существующие методы измерения можно разделить на две группы:

  1. Методы непосредственного измерения масс перемещающихся влекомых наносов в равнинных и горных реках (к их числу можно отнести методы, основанные на применении батометров-ловушек, суммарный метод по отложениям в водохранилищах и отстойниках, метод измерения элементов донных гряд).
  2. Методы измерения, основанные на использовании физических эффектов, производимым потоком двухфазной среды, состоящей из воды и наносов, а также самими движущимися наносами.

При использовании батометров, измерения производятся на гидрометрических створах последовательно на отдельных вертикалях в пределах зоны транспорта наносов. Для условий равнинных рек с песчаными наносами предлагаются батометры со сплошными стенками, для рек с транспортом гравелисто-галечных наносов - сетчатые батометры. Как показал анализ, точность выполнения измерений расходов влекомых наносов в значительной степени зависит от конструктивных особенностей батометров.

Для водотоков с хорошо сформированными донными грядами, определение стока влекомых наносов рекомендуется производить по данным измерения донных гряд. Сущность метода заключается в определении объемов переместившихся масс наносов за некоторый промежуток времени путем сопоставления зафиксированных на батиграммах профилей гряд.

Суммарный метод определения стока влекомых наносов, основан на определении баланса наносов заносимого ими водоема-отстойника. При этом оценивается изменение массы отложений в отстойнике в результате занесения и заиления с поправкой на расходы взвешенных наносов на начальном и конечном створах отстойника. Объемы отложений в приемном водоеме вычисляются по данным об изменении отметок дна за интервал времени между сериями промеров глубин. В результате работ, выполненных автором на отстойнике на р. Каскелен (Заилийский Алатау, Тянь-Шань), получено, что для увеличения точности измерения отметок дна, отсчет целесообразно производить не от свободной поверхности воды (как рекомендуется в инструкциях), а от уровней натянутых с берега на берег тросов, для учета провисания которых до проведения промеров следует выполнить их нивелировку.

Методы измерения, основанные на использовании физических эффектов можно разделить на несколько видов:

• Трассерные методы, основанные на регистрации движения меченых частиц и позволяющие получать информацию о траекториях движения влекомых наносов и о времени их перемещения от начального до конечного створа. В качестве трассеров применяются ферромагнитные материалы, а также частицы наносов, меченые люминесцентными или флюоресцирующими красителями или радиоактивными изотопами. Применение трассерных материалов   для   оценки   расходов   влекомых  наносов   требует  выполнения

9


следующих условий - равенства средних скоростей перемещения трассеров и частиц естественных наносов, распространения трассеров на всю ширину полосы влечения частиц и отсутствия зон аккумуляции трассерных материалов между начальным створом и створом отбора проб.

  1. Оптические методы измерения расходов наносов. К ним можно отнести, прежде всего, фотометрический метод, основанный на измерении амплитуды электрических импульсов, возникающих в фотоэлементе при пересечении твердыми частицами светового луча. Однако осуществление данного метода встречает серьезные затруднения, связанные с сильным влиянием формы частиц влекомых наносов и мутности потока на величину электрических импульсов фотометра, а также с необходимостью надежной защиты оптических элементов от механического воздействия движущихся наносов, особенно в придонной зоне с крупнофракционными наносами.
  2. Метод естественного электрического поля, основанный на том, что в естественных условиях в результате движения проводящей среды (т.е. водного потока) в магнитном поле Земли образуется электродвижущая сила. При появлении в водотоке движущихся частиц наносов, интенсивность процессов, формирующих его электродвижущую силу, увеличивается. Это было экспериментально подтверждено в рамках данной работы при измерениях естественного электрического поля на горной реке Талгар (Тянь-Шань). В ходе этих экспериментов электроды на штангах, устанавливались на дне гидрометрического створа, образуя диполь. Далее производилась запись колебаний разности потенциалов между электродами (17э.) Вариации этих значений были вызваны изменением водности потока, движением наносов и пульсацией скоростей течения. На основе параллельно проводившихся гидрометрических измерений и измерений расходов влекомых наносов при помощи сетчатых батометров была подтверждена качественная зависимость иэ от расходов влекомых наносов. Для перехода к количественным зависимостям расхода наносов от иэ требуются дальнейшие эксперименты для устранения помехообразующих факторов, усложняющих выделение полезных сигналов.
  3. Метод регистрации сейсмоволн. Турбулентный режим течения потоков, даже без движущихся наносов, приводит к возбуждению сейсмоволн, которые возникают в результате пульсаций давления на границе русло-поток. В окружающих поток горных породах происходят упругие деформации, имеющие характер колебаний, которые при помощи сейсмоприемников могут быть преобразованы в электрические сигналы. Как показывают экспериментальные данные, уровень этих сигналов находится в прямой зависимости от величины расхода воды. Ударное взаимодействие твердых частиц в потоке с элементами шероховатости русла является дополнительным источником возбуждения сейсмических волн. Увеличение амплитуды электрических сигналов, вырабатываемых сейсмодатчиками при появлении в потоке движущихся крупнофракционных наносов (при неизменных расходах воды), было отмечено во время натурных экспериментов, проведенных в рамках данной работы на р. Кумбель (Заилийский Алатау, Тянь-Шань).

10


• Методы регистрации акустических волн, возникающих при соударениях твердых частиц со специальными приемно-преобразующими устройствами, установленными в потоке. При разработке этих методов испытывались схемы потенциометрического и индукционного преобразования импульсов ударов частиц в электрические импульсы. Основными недостатками данных приборов являлась их громоздкость, что помимо всего нарушало естественную турбулентную структуру потока, и невозможность регистрации частиц, высота сальтации которых превышала высоту приемного устройства.

В рамках данной работы на основе критического анализа рассмотренных методов были выполнены соответствующие лабораторные и натурные эксперименты, в результате которых были разработаны и изготовлены опытные образцы нескольких приборов и устройств для измерения расходов наносов.

Анализ особенностей батометров для измерения расходов влекомых крупнофракционных наносов позволил разработать новую конструкцию отборника проб - удлиненный батометр с гибким дном. При этом учитывалось, что важнейшим фактором, влияющим на точность выполнения измерений, является плотность прилегания батометра ко дну, особенно для условий рек с повышенной шероховатостью дна. Поэтому конструктивно данный батометр представлял металлическую раму, на которую надевалась сетка, аналогично стандартному отборнику ПИ-29, однако дно у предлагаемого батометра, в отличие от стандартного, было гибким в виде капронового шнура, продетого через ячейки сетки. Таким образом, устранялся основной недостаток жестких батометров, заключавшийся в том, что при установке их на дне нижняя планка рамы, располагаясь на любом выступе шероховатости, не позволяла регистрировать частицы, движущиеся ниже. Кроме того, высота рамы предлагаемого батометра приводилась в соответствие с максимальной высотой сальтации частиц, которую для конкретных условий (для определенных групп рек в однородных физико-географических условиях) можно было оценить при помощи другой разработанной автором конструкции - многоуровенного батометра. Многоуровенный батометр представляет собой несколько сетчатых ловушек, собранных в одной раме. Высота слоя сальтации частиц определяется по высоте самой верхней сетки с уловленными наносами. Предлагаемая конструкция многоуровенного батометра может применяться как для предварительных работ с целью назначения высоты рамы удлиненного батометра, так и для специальных научно-исследовательских целей для измерений параметров движения наносов.

В частности, с использованием многоуровенного батометра впервые были выполнены одновременные инструментальные измерения высоты сальтации частиц наносов на горных реках Тянь-Шаня. Для данных экспериментов была использована разработанная конструкция четырехсекционного сетчатого батометра. В ходе экспериментальных измерений было определено, например, что для р.Ала-Арча, в слое потока до высоты 0.2 м от дна перемещается до 93% общего расхода влекомых наносов, в слое 0.2-0.35 м - около 6% и от 0.35 м и выше - до 1%. Однако, в отдельных случаях, в слое потока выше 0.2 м отбиралось до 15-20% всех наносов. Более того, в слое 0.35-0.45 м (который

11


располагался по вертикали, практически в середине потока), иногда улавливались частицы со средним диаметром 20-25 мм. Следует отметить, что при измерениях стандартными батометрами, эта часть расходов была бы неучтенной. Кроме того, исследования, выполненные с использованием многоуровенного батометра, позволили получить целый ряд других интересных данных о транспорте крупнофракционных наносов. В частности, была оценена максимальная высота подъема частиц при сальтации по отношению к их среднему диаметру. Как показывают результаты этих измерений, относительная высота подъема частиц уменьшается с увеличением диаметра частиц. У крупного гравия (диаметр частиц d= 5-10 мм) максимальная высота подъема доходила до 67d, у мелкой гальки (d= 10-20 мм) - до 36d, у средней гальки (d= 20-50 мм) - до 20d, у крупной гальки (d= 50-100 мм) - до 6d. Таким образом, получено, что в условиях естественных водотоков, высота сальтации крупнофракционных наносов может составлять несколько десятков диаметров частиц и быть соизмеримой с глубиной потока.

Конструкция многоуровенного батометра позволяет решить еще одну задачу, а именно, оценить значение вертикальной составляющей турбулентной пульсации в водотоке. Сущность данного метода оценки заключалась в том, что из отобранных в потоке проб наносов из самой верхней сетки батометра, выделялись частицы с наибольшей гидравлической крупностью. Одновременно выполнялось измерение необходимых гидравлических параметров, а также вычислялось значение важнейшей характеристики турбулентного потока -предельной величины вертикальных пульсационных составляющих скоростей по рекомендуемым формулам А.В.Караушева- 1977 и А.Б.Клавена- 1982. Средняя величина относительного отклонения вычисленных максимальных значений вертикальной составляющей скорости от полученных методом учета высоты сальтации частиц составило 0.37 и 0.63 для соответствующих формул. С учетом сложности и многофакторности данного процесса результаты можно считать вполне удовлетворительными.

Анализ методов измерения, основанных на использовании физических эффектов, позволил сделать вывод о перспективности использования эффекта соударения движущихся частиц со специальной приемной конструкцией для определения интенсивности их движения.

Как показали результаты проведенных в рамках данной работы экспериментов, наиболее подходящей конструкцией приемного устройства для реализации данного принципа является вертикально установленная в потоке металлическая штанга круглого сечения. При ударе движущейся частицы, в такой штанге возникают механические колебания пропорциональные количеству движения частицы. Амплитуда этих колебаний оценивается при помощи пьезоэлектрического датчика, установленного на верхнем торце штанги. В качестве датчика в конструкции применена керамика титанита бария (ВаТЮз).

Для проверки области применимости этого пьезоэлектрика для данной задачи, были проведены эксперименты по измерению электродвижущей силы, возникающей в нем, при непосредственном ударном воздействии частиц на

12


приемную штангу. Для проведения экспериментов были выбраны частицы шарообразной формы в диапазоне масс от 0.0015 до 0.765 кг. При каждом ударе с помощью осциллографа измерялось максимальное напряжение, вырабатываемое пьезоэлементом при единичном ударе иэ. В результате испытаний были получены графики зависимости иэ от количества движения частиц для разных типов приемных устройств и разработана измерительная система, реализующая метод пьезоэлектрической регистрации движения наносов. Она представляла собой несколько устанавливаемых вертикально и заглубленных нижними концами на створе цельнометаллических штанг с пьезоэлектрическими датчиками в верхних частях. Для регистрации и измерения сигналов, поступающих от датчиков, был разработан специальный многоканальный анализатор импульсов, позволявший определять количество ударившихся о приемную штангу частиц и учитывать их массу. В данном устройстве сигнал от пьезоэлектрического преобразователя поступал на усилитель напряжения, а затем на пиковый детектор, выделявший максимальное значение сигнала. При превышении входным сигналом определенного уровня, срабатывал компаратор, включавший устройство управления счетчиками. Каждый компаратор был настроен на определенную величину напряжения, пропорциональную массе частицы. Одновременно работало устройство управления, которое на время регистрации входного сигнала и успокоения колебаний после удара запирало остальные счетчики. Время запирания было установлено временем успокоения после ударов самых крупных частиц и составляло 150 миллисекунд. Это было необходимо для возможности регистрации частиц малой массы после ударов крупных частиц. Таким образом, быстродействие данного устройства составляло 6 ударов в 1 с, что, как показали результаты специально проведенных экспериментов, достаточно для надежной регистрации даже интенсивного движения наносов. В лабораторных условиях была выполнена калибровка всего устройства, позволявшая переходить от величины электрических импульсов к массе частиц.

Полный расход влекомых наносов на створе затем определялся путем суммирования элементарных расходов с учетом расстояний между измерительными вертикалями.

Полевые сравнительные испытания регистратора движения наносов, многоуровенного батометра и удлиненного батометра с гибким дном были выполнены автором в течение ряда лет на некоторых реках Тянь-Шаня, в частности на р.Кашкасу, р. Ала-Арча и других. В процессе выполнения этих работ были проведены параллельные измерения расходов влекомых наносов при помощи регистратора движения наносов и одного из батометров. Измерения, выполненные при помощи регистратора, показали несколько большие значения расходов, что объяснялось, его более высокой эффективностью. Связано это с тем, что приемная штанга регистратора оказывает меньшее сопротивление движению воды по сравнению с рамой и сеткой батометра и, поэтому, не наблюдается эффекта обтекания частицами наносов приемного или заборного устройства. Что касается средних значений относительных   отклонений   осредненных   расходов,   полученных   разными

13


способами, то они составили величину 0.35 из 25 параллельных серий измерений (по 3 повторности в каждой серии), выполненных регистратором и удлиненным батометром и 0.67 из 20 серий измерений между регистратором и многоуровенным батометром. Учитывая особенности и сложность предмета исследований, можно с достаточным основанием утверждать, что рассмотренные устройства дали весьма близкие друг к другу результаты измерений. Получено также сходство гранулометрических составов наносов по данным измерений регистратором и батометрами.

Удлиненный батометр с гибким дном был успешно применен на р. Улаф (Западный Шпицберген). Измерения расходов влекомых наносов на этой реке были необходимы для проектирования гидроаккумулирующего водохранилища для водоснабжения рудника Баренцбург.

Таким образом, в результате проведенных работ, можно сделать вывод об универсальности для различных природных условий и надежности предлагаемых устройств для измерения расходов влекомых наносов.

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.