физическое моделирование ледохода на участке реки амур у

УДК556.536.535.5
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЕДОХОДА НА УЧАСТКЕ РЕКИ АМУР
У ГОРОДА ХАБАРОВСКА
А.А. Верхоглядов, Д.В. Козлов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Исходные данные и предпосылки. Более 70% водных объектов России работает в
климатических условиях, благоприятствующих возникновению ледовых явлений,
которые изменяют гидравлический режим потока и тем самым нарушают
функциональную связь между уровнями и расходами воды, существующую в летний
период. Характерной особенностью зимнего периода является ярко выраженная
зависимость уровней воды в водотоке от ледового режима реки, который определяется не
только температурными условиями, но и рядом характерных для каждого водотока
факторов; причем резкий рост зимних уровней воды может происходить без
существенного повышения расхода воды из-за возникновения в живом сечении потока
ледовых преград различной формы. Подобный характер изменения уровней воды может
явиться причиной возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с резким и
значительным подъемом уровня воды в водотоке, с последующим затоплением
(подтоплением) значительных территорий, провоцирующим катастрофические, а иногда
и трагические последствия. Наибольшую опасность для населенных пунктов и
хозяйственной деятельности человека представляет случай, когда уровень воды зимнего
паводка превышает уровень весеннего половодья. Подобные явления часто локализуются
на определенных участках рек и повторяются из года в год. Они могут быть вызваны как
деятельностью человека, так и естественными факторами.
Для расположенного на р. Амуре г. Хабаровска – города с 1,5 млн. населением –
проблема наводнений вообще и зимних, в частности, существует со времен его
основания. И если пагубные для хозяйственной деятельности человека последствия,
вызываемые муссонами летних паводков, удалось значительно снизить путем
строительства дамб и защитных сооружений, то в случае с зимними паводками
деятельность человека лишь усугубила ситуацию.
Как и большинство текущих в широтном направлении (с запада на восток) рек,
Амур характеризуется сложной ледовой обстановкой. Поскольку река и большая часть ее
крупных притоков (Зея, Бурея, Суннгари) протекают примерно на одной широте,
формирование льда осенью и его ослабление весной происходят примерно одновременно
на всем протяжении водотока, что вызывает масштабный ледоход и провоцирует заторы
и зажоры на участках со стесненным течением. Особенно сложной становится ситуация в
годы, когда притоки вскрываются ото льда раньше Амура (1924, 1962, 1974 гг.). Весенние
паводки, вызванные ледовыми явлениями, интенсивнее осенних (вызываемых, как
правило, кратковременными зажорами на перекатах) и характеризуются в створах постов
г. Хабаровска расходами до 44900 м3/с и очень быстрым (в пределах 2…3 ч) подъемом
уровня воды на 3…4 м по сравнению с мартовской зимней меженью. Осенние паводки
менее опасны и более предсказуемы, но и они представляют серьезную угрозу.
Математическое моделирование в электронной среде изначально рассматривалось
как
возможный путь решения проблемы. Существующие программы позволяют
производить моделирование различных процессов, происходящих в водотоке (водоеме), и
выполнять расчеты с довольно высокой степенью достоверности. Из всего программного
многообразия, как наиболее технически близкий для решения проблем заторно–зажорных
явлений на р. Амур, был принят графоаналитический пакет HEC-RAS. Данный продукт
разработан при содействии Корпуса военных инженеров США в Вест-Пойнте, что может
в значительной мере гарантировать его высокое качество и отличную достоверность.
HEC-RAS – интегрированный пакет программ гидравлических расчетов, в которых
пользователь взаимодействует с системой через графический интерфейс пользователя
(GUI – Graphical User Interface). Система способна выполнять расчеты кривых свободной
поверхности при установившемся и неустановившемся движениях, вычисления по
гидротехническим сооружениям и пролетам мостов; в расчетах возможен учет наличия
ледового покрова в различных его состояниях. Проведенные в данной среде расчеты
продемонстрировали, что такие природные явления, как заторы льда, трудно поддаются
математическому моделированию, так как эти явления по своей природе неопределены..
Полученные данные позволяют судить о количественном ходе развития процессов, но
дают недостаточное представление о качественной стороне дела.
Логическим дополнением математического моделирования является моделирование
физическое, позволяющее наблюдать картину возникновения затора льда и моделировать
различные ледовые процессы (например, ледоход), воспроизведение которых в
электронной среде затруднено, а иногда – невозможно. Таким образом, при выполнении
комплексных исследований возникла необходимость создания физической модели
водотока, имеющего на поверхности потока сплошной и битый ледовый покров.
В работе моделируется ледоход различной степени интенсивности на водотоке
естественного происхождения (участок р. Амур). Ниже рассматриваемого участка по
течению реки систематически возникают заторы и (или) зажоры, вызывающие
значительные подъемы уровня воды в водотоке. Причиной ледовых затруднений
являются инженерные сооружения транспортного назначения или местные сужения
русла. В период ледохода при подходе к препятствию (мосту) малоослабленных,
значительных по размеру ледяных полей, не проходящих в пролеты и прораны,
происходит их скопление у преграды с последующим формированием затора или зажора.
Необходимо разработать решения, обеспечивающие такой размер подходящих к преграде
льдин, при котором они беспрепятственно проходят сквозь местное сужение русла.
Предлагаемое решение основано на явлении разрушения ледового поля на кривых
спада–подпора за счет его разламывания под действием собственного веса. Возможна
схема создания таких кривых спада – подпора, при которой для каждого вероятного
уровня воды в реке создастся наиболее эффективный режим колебаний уровня воды по
длине водотока. Принципиальная схема расположения создающих подпор сооружений
(затопленных ледобоев) представлена на рисунке.
При
теоретическом
обосновании
решений
планируется
использование
дифференциального уравнения установившегося и плавно изменяющегося движения
жидкости в форме
Q2
Q 2  s
i 2 2 
dh
 C R g 3 s l

.
(1)
dt
Q 2 B
1
g 3
Задача дополнительно осложняется недостаточной изученностью характера
обтекания потоком тел незначительного размера в условиях ледохода.
Лабораторная установка и физическая модель. Экспериментальной базой для
создаваемой физической модели р. Амур в створе Хабаровска послужила русловая
площадка лаборатории кафедры гидротехнических сооружений МГУП. Лотковый
полигон имеет следующие геометрические характеристики: длина рабочего поля 10 м,
ширина рабочего поля 2,9 м, внутренняя высота стенок (глубина) лотка примерно 0,6 м.
Экспериментальная
площадка
(полигон)
характеризуется
следующими
несомненными достоинствами:
наличие песчаной засыпки из речного промытого песка различной крупности;
отсутствие собственного уклона поверхности;
возможность точного и плавно изменяющегося задания расхода в достаточном
диапазоне значений;
размеры, позволяющие весьма точно и корректно смоделировать участок русла.
Значительными проблемами при создании модели явились: загрязнение песчаного
ложа фрагментами предыдущих моделей и общий износ установок в лаборатории.
Для моделирования был принят участок р. Амур, расположенный непосредственно
выше по течению хабаровского моста. Длина принятого в работу прямоугольного в плане
участка – 13,5 км, ширина – 7,5 км. На данной площади происходит слияние собственно
р. Амур и крупнейшей протоки Амурская с расходом, соизмеримым с расходами
основного русла, а, иногда (в межень) и превышающим их. Кроме того, здесь же
происходит ветвление реки, приводящее к формированию еще двух проток – Пемзенской
и Бешеной. Последние берут свое начало и возвращаются в основное русло в пределах
участка, верхней границей которого служит точка начала ветвления реки выше оз.
Кабельный; нижняя же расположена на 500 м ниже моста по течению. Максимальная
глубина на участке составляет 13 м в летнюю межень года 50%-й обеспеченности,
максимальная соответствует чрезвычайной паводковой ситуации и не принимается в
рассмотрение как недопустимая.
В процессе создания модели были приняты следующие масштабные
характеристики:
горизонтальный масштаб сгор = 2500;
вертикальный масштаб свер = 25;
коэффициент искажения е = 100.
При этом достигается удовлетворительное значение требуемого коэффициента
Маннинга, равное для рассматриваемого участка русла 0,027; обеспечивается
возможность измерения скоростей микровертушкой и обычным шпитценмасштабом, а
также приемлемые для моделирования ледохода глубины. Средняя по потоку скорость
движения воды наблюдалась равной 2 см/с, что позволило обойтись без создания
искусственного уклона и принять его равным нулю, что вполне соответствует практике
моделирования равнинных рек.
Технические этапы создания модели:
1. Подготовка полигона, очистка его от бетонных и гравелистых компонентов,
увлажнение пересохшего песка, равномерное распределение грунта по площадке.
2. Создание по исходным материалам и картам рабочей графической документации,
необходимой для выноса на модель контуров оригинала.
3. Разбивка на картах координатной сетки, предназначенной для выноса на натуру
характерных точек с отметками.
4. Формирование рельефа модели из увлажненного песка.
5. Создание из цементно-песчаной смеси и заполнителя (битого кирпича)
подводящих каналов, размещение в них струенаправляющих обтюраторов; ниже участка
по течению в лотке запроектирован и сооружен ковш-отстойник со встроенным
водосливом Томсона.
6. Первый этап крепления песчаной модели с помощью наброски на рельеф
специальной сухой смеси «Гидростоп» слоем толщиной 3 мм в сухом виде; последующее
увлажнение смеси с помощью душевой установки с небольшой высоты незначительным
расходом воды.
7. Железнение рельефа модели с помощью водного раствора цемента М-400.
Необходимо отметить, что вынесение на лоток картографической основы было
осуществлено по координатно-точечной схеме с индивидуальным позиционированием
каждой точки модели (общее число точек 286, шаг перемещения координатной рейки на
модели 0,25 м). Подобная технология позволила обойтись без трудоемкого создания
шаблонов и получить достаточную для данного искажения масштабов точность.
Многоуровневое бетонирование ложа модели разрешило проблемы с неизбежными
на песчаных основаниях размывами и позволило передвигаться по понижениям рельефа
модели, что необходимо для ее сервисного обслуживания. Кроме того, значительный
запас прочности обеспечивает дальнейшее использование модели в учебных и научных
целях.
Измерение расходов осуществляется с помощью двухмерных водосливов, один из
которых является штатным для лотковой русловой площадки, а второй установлен на
выходе потока. Значения расходов принимаются как средние. Рабочий диапазон расходов
лежит в интервале от 3 до 12 л/с, что соответствует колебаниям расходов на натуре от
2000 м3/с до 12000…16000 м3/с.
Планирование эксперимента. При разработке модели изначально было принято, что
итоговой целью ее создания является проверка на физическом уровне работоспособности
концептуальных затопленных ледобоев и, как следствие, основной целью моделирования
было формирование русла, динамически подобного руслу р. Амур в створе г. Хабаровска.
Вместе с тем, необходимость калибровки модели и отладка ее параметров требуют
значительного объема работ безледоставного периода, вследствие чего сформирован
следующий план проведения экспериментальных работ:
1. Пропуск расхода в диапазоне 4…12 л/с для открытого потока (без ледяного ковра).
1.1. Калибровка модели и соотнесение уровней и расходов.
1.2. Определение эпюр скоростей.
2. Пропуск льда (по схеме ледохода) без дополнительных инженерных факторов.
2.1. Калибровка модели и соотнесение уровней и расходов при наличии льда.
2.2. Определение эпюр скоростей при наличии льда.
2.3. Составление фотокарт ледовой ситуации.
3. Монтаж модели мостового перехода.
3.1. Выяснение характера и схемы возникновения ледового затора перед мостом.
3.2. Определение эпюр скоростей.
4. Пропуск льда с различными формами и схемами расстановки затопленных ледобоев.
4.1.Создание фотокарт.
4.2. Определение эпюр скоростей.
5. Формирование сводного банка фотоматериалов и данных измерений; принятие
решения о наиболее целесообразной схеме расстановки затопленных ледобоев и
пропуска льда в период ледохода.
Моделирование льда планируется осуществлять с помощью искусственно
намороженных в морозильной камере на стеклянных листах ледяных полей с заданными
температурой и геометрическими характеристиками. Химический состав воды
планируется для ледяных полей принимать неизменным. Для лучшей наглядности
возможно введение в состав льда водорастворимого тонера.
Первая стадия проведения эксперимента – для условий безледоставного периода
пропуска расходов на участке р. Амур у г. Хабаровска. Измерения скорости, проведенные
цифровой микровертушкой, показали удовлетворительную сходимость полученных
лабораторным путем данных с натурными. Замеры производились в 270 точках с шагом
глубины на модели порядка 10 см. В марте 2005 г. планировалось завершить обработку
информации первого этапа эксперимента и приступить к моделированию пропуска льда
в период ледохода.