СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ДОННЫХ НАНОСОВ ПО ПАРАМЕТРУ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ СЛОЯ ПОДВИЖНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2025 года по МПК G01F22/00 E02B3/02 

Изобретение относится к способам определения расхода донных наносов по характеристикам гряд в руслах рек. Для составления прогноза по переформированиям и составлению плана по улучшению судоходных условий в руслах рек необходимы данные о величине расхода донных наносов. Под расходом донных наносов подразумевается объем донных наносов, которые перемещаются под действием течения на дне русла рек за единицу времени.

В настоящее время известен подход определения расхода донных наносов, основанный на использовании параметра, определяющего высоту перемещающейся области руслового рельефа на продольном профиле [1, 2]. Согласно этому подходу, расход донных наносов рассматривается как функция высоты и скорости перемещения гряд. По средним параметрам гряд, найденным на продольных профилях руслового рельефа, находятся элементарный расход донных наносов. В таком случае под элементарным расходом подразумевается площадь донных наносов, перемещаемая потоком на вертикали за единицу времени. Вычисление элементарного расхода производится по формуле:

где qэлем - элементарный расход наносов; α - коэффициент формы гряд; hг - высота гряды; Сг - скорость смещения гряды.

Коэффициент формы гряды - это отношение площади поперечного сечения гряды к произведению высоты гряды на ее длину. Использование данного коэффициента в формуле (1) позволяет исключить площадь пустот, имеющихся между грядами, и перейти к площади транспортирующихся донных наносов.

Полный расход наносов, осредненный по длине участка реки, находится путем интегрирования элементарных расходов по ширине участка. На основе данного подхода было сформулировано множество конкретных способов определения расхода наносов, которые различаются по способу измерения характеристик перемещающейся области руслового рельефа.

В отечественной практике наиболее распространен способ, разработанный в Государственном Гидрологическом институте и представленный в РД 52.08.163-88 [4]. Согласно этому способу, расход донных наносов определяется по средней высоте и средней скорости гряд на продольном профиле по формуле 1. При этом коэффициент формы гряд назначается в диапазоне от 0,5 до 0,6. В упомянутом РД отсутствуют какие-либо рекомендации по выбору измеряемых гряд, а также по выбору коэффициента формы гряд.

Недостатком данного аналога является неопределенность в выборе измеряемых гряд, в практике это приводит к учету лишь нескольких гряд на продольном профиле для определения расхода донных наносов. Также постоянный коэффициент формы гряд не позволяет учесть всю сложность строения руслового рельефа. В итоге такие недостатки приводят к ошибкам в получаемой величине расхода донных наносов.

Известен способ определения расхода донных наносов BEDLOAD TRANSPORT METHODOLOGY AND METHOD OF USE [US 11067475 B2, опубл. 01.04.2013], основанный на использовании параметра объема размыва гряд. Два последовательно снятых 3D плана руслового рельефа разделяются на несколько полос и совмещаются между собой. Далее измеряются объемы размыва напорного склона гряд и находится между ними среднее для каждой полосы.

Расход донных наносов вычисляется по формуле (2). Согласно данному способу, скорость гряд С_г представляется как отношение расстояния сдвига к времени сдвига. В свою очередь произведение высоты гряд, расстояния сдвига и ширины полосы представляется как объем размыва напорного склона гряд. В данном случае используется объем размыва в полосе, поэтому вычисление расхода производится для полосы заданной ширины. В конечном итоге формула расхода донных наносов в полосе приобретает вид:

где Q_плс - расход наносов в полосе, ΔV - объем размыва напорного склона гряд, Δt - временной интервал между измерениями рельефа

Коэффициент формы гряды берется постоянным и равным 0,57. Полный расход донных наносов на участке русла вычисляется путем суммирования расходов во всех полосах.

Недостатком данного аналога является то, что при сложном трехмерном строении руслового рельефа корректно изменить объем размыва гряд можно лишь по некоторым избранным грядам, которые переместились на расстояние, не превышающее половину своей длины. Тогда как при сложном строении руслового рельефа многие другие гряды перемещаются на расстояние близкое к их длине или даже превышающие ее, в таком случае измерить объем размыва невозможно. Таким образом, определение расхода производится лишь по наибольшим по размеру грядам, данное обстоятельство приводит к неоправданному завышению расхода донных наносов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ, разработанный А.А. Костюченко [5]. Данный прототип характеризуется применением статистических приемов обработки руслового рельефа.

На первом этапе на продольном профиле осредняют участки монотонного подъема и понижения дна, преобразуя измеренный профиль в последовательность треугольных выступов. Далее из профиля исключаются незначимые выступы, при этом мерой значительности служит величина кратная среднему квадратичному отклонению отметок промерных точек на профиле. Все выступы на дне высотой менее k•σ игнорируются (k - коэффициент фильтрации, в среднем принимаемый от 1 до 3; σ - среднеквадратическое отклонение). Высота всех оставшихся на продольном профиле гряд учитывается при расчете средней высот гряд. Коэффициент формы измеряется для всех выделенных на профиле гряд. Оценка среднего смещения гряд на продольном створе между промерами выполняется по характеристикам пространственно-временной корреляции высотных отметок последовательно снятых продольных профилей. Полный расход наносов на всем участке реки находится путем интегрирования элементарных расходов по ширине участка.

Недостатком данного прототипа является то, что для выделения гряд на профиле используется величина кратная среднеквадратическому отклонению. Из научной литературы по теме [6] известно, что параметр высоты гряд зависит от характеристик потока на участке реки, тогда как среднеквадратическое отклонение является статистическим параметром, определяющимся по массиву измеренных высотных отметок дна на участке реки. В зависимости от точности измерений (количества измеренных отметок дна на единицу длины продольного профиля) среднеквадратическое отклонение на одном и том же участке реки может иметь разные значения. Таким образом величина среднеквадратического отклонения может быть непредсказуемой, что может приводить к некорректному выделению гряд и в конечном итоге к неточностям в получаемой величине расхода донных наносов.

Кроме того, использование параметра высоты гряд не позволяет корректно определять расход при дефицитных грядах, т.к. в таком случае невозможно учитывать пустоты между грядами, в которых не происходит транспорта донных наносов и где расход наносов равен нулю.

В основу изобретения положен технический результат, заключающийся в повышении точности определения расхода донных наносов по параметрам руслового рельефа и повышение точности определения расхода донных наносов при русловом рельефе, состоящем из дефицитных гряд.

Заявленный технический результат достигается благодаря использованию параметра средней мощности слоя подвижного материала при определении расхода донных наносов. Элементарный расход донных наносов на продольном профиле определяется по скорости гряд и средней мощности слоя подвижного материала, которая является отношением площади слоя подвижного материала к длине этого слоя. Площадь слоя подвижного материала измеряется на продольном профиле исходя из расположения подвалий гряд, выделенных после фильтрации малых выступов на дне.

Краткое описание чертежей и иллюстраций

На фиг. 1 представлена упрощенная схема руслового рельефа с грядами. 1 - поверхность гряд, 2 - слой подвижного материала, 3 - линия подвалий гряд. Течение слева направо.

На фиг. 2 приведен пример гистограммы распределения выступов на дне по диапазонам их высот. На вертикальной оси находится количество выступов, на горизонтальной - диапазоны высот. 1 - область малых выступов, 2 - область гряд.

Изобретение реализуется следующим образом.

Для реализации изобретения требуется предварительное измерение рельефа русла реки. Длина измеряемого участка реки должна быть достаточной, что бы каждый продольный профиль дна русла включал минимум 20÷30 гряд. Предварительно длину гряд можно рассчитать, как 5÷6 глубин потока. При измерении рельефа необходимо руководствоваться стандартными рекомендациями, которые содержаться в РД 52.08.163-88 [4].

На первом этапе, после первичной технической обработки данных промеров руслового рельефа и получения графика продольного профиля, производится исключение малых выступов на дне путем использования коэффициента фильтрации и последующее выделение гряд. Для упрощения процесса обработки рельефа дна вводится понятие выступов на дне, в которые включаются гряды и малые выступы. Под грядами подразумеваются дискретные русловые образования, в форме которых осуществляется транспорт донных наносов, тогда как под малыми выступами подразумеваются русловые образования, имеющие высоту меньшую, чем гряды. Разница в высоте между этими образованиями показана ниже.

Для определения коэффициента фильтрации выделяются и измеряются высоты всех выступов на дне, включая гряды. По полученным данным строится гистограмма распределения выступов по диапазонам их высот. На гистограмме отделяется область малых выступов от области гряд. Область малых выступов характерна наличием максимума в первом диапазоне высот. Тогда как для области гряд характерно более равномерное распределение количества выступов по диапазонам высот. Область малых выступов начинается от нуля и заканчивается перед диапазоном высот, где количество выступов наиболее близко количеству в следующих диапазонах высот, т.е. где начинается зона равномерного распределения. Пример выделения областей выступов приведен на фиг. 2.

Далее производится повторное выделение гряд с применением коэффициента фильтрации, который позволяет исключить все выступы высотой меньше гряд. Коэффициент фильтрации принимается равным максимально возможной высоте малых выступов. Подвалья выделенных гряд последовательно соединяются прямой линией, именуемой линией подвалий и являющейся длиной слоя подвижного материала.

На втором этапе измеряется площадь всех ранее выделенных на продольном профиле гряд, измеряемая область ограничена сверху линией поверхностью гряд, а снизу линией подвалий. Средняя мощность слоя подводного материала находится как отношение площади слоя подвижного материала к длине слоя подвижного материала по формуле:

где h_{под.мат}. - средняя мощность слоя подвижного материала, S_{под.мат.} - площадью подвижного материала, L_{под.мат.} - длина слоя подвижного материала.

На третьем этапе измеряется скорость движения гряд. В зависимости от качества и количества исходных данных определение скорости гряд может проводится различными способами. При наличии двух и более последовательно снятых с временным интервалом продольных профилей дна допустимо применять ранее известные способы измерения скорости гряд, например:

1) измерение скорости смещения гряд на основе ручного измерения на продольном профиле фактического расстояния сдвига гряд за временной интервал с последующим осреднением измеренных скоростей отдельных гряд (аналогично методу, применяемому в ГГИ [4]);

2) измерение сдвига одновременно всех форм на продольном профиле по характеристикам пространственно-временной корреляции высотных отметок последовательно снятых продольных профилей (аналогично методу А.А. Костюченко [5]).

В условиях отсутствия последовательно снятых с временным интервалом продольных профилей дна допустимо применять расчетные методы получения скорости движения гряд, например путем использования следующих формул:

1) Б.Ф. Снищенко, З.Д. Копалиани, О.А. Твалавадзе (1977) [7];

2) Б.Ф. Снищенко, З.Д. Копалиани (1978) [8];

3) Доу Го-жень (1960) [9].

Элементарный расход донных наносов определяется по классической формуле 1. В качестве параметра, определяющего высоту перемещающейся области донных наносов, используется показатель средней мощности слоя подвижного материала. При этом коэффициент формы гряды не учитывается, т.к. средняя мощность слоя подвижного материала определяется исключительно по площадям гряд без учета пустот.Таким образом, формула приобретает вид:

Полный расход донных наносов, осредненный по длине участка реки, находится путем интегрирования элементарных расходов по ширине русла реки.

Таким образом, используя новые технологические приемы, мы достигаем заявленного технического результата - повышение точности определения расхода донных наносов по параметрам руслового рельефа и повышение точности определения расхода донных наносов при русловом рельефа, состоящем из дефицитных гряд.

Результат достигается благодаря осуществлению фильтрации малых выступов, в результате чего повышается точность определения высоты перемещающейся области руслового рельефа, что в итоге приводит к повышению точность определения расхода донных наносов. Также благодаря использованию параметра средней мощности слоя подвижного материала, исключается область между грядами, где транспорт наносов отсутствует. Наличие такой области характерно для руслового рельефа, состоящего из дефицитных гряд. Таким образом, благодаря исключению данной области, повышается точность измерения расхода при русловом рельефе состоящем из дефицитных гряд.

Полный расход донных наносов определяется путем интегрирования элементарных расходов на продольных профилях по ширине участка реки. Элементарный расход донных наносов на продольном профиле определяется как произведение скорости гряд и средней мощности слоя подвижного материала, которая является отношением площади слоя подвижного материала к длине слоя подвижного материала. Площадь слоя подвижного материала измеряется на продольном профиле по отметкам гряд, выделенных после исключения малых выступов.

Список использованных источников:

1. Exner, F. (1925). Uber die Wechselwirkung swischen Wasser und Geschibe in Flussen. Proc, Vienna Academy of Sciences, Section IIA, 134, 1925.

2. Simons, D.В., Richardson, E.V., and Nordin, C.F., Jr. (1965). Bedload equation for ripples and dunes. U.S. Geological Survey Professional Paper 462-H.

3. Заварзин P.B. Измерения расхода донных наносов, перемещающихся в грядовой форме: экспериментальное исследование косвенных методов измерения / Р.В. Заварзин, О.А. Петровская // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: Сб. науч. Тр. Вып.6., Ч. 1 - СПБ.: ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, 2023. - 214-232 с.

4. РД 52.08.163-88. Дополнение к наставлению гидрометрическим станциям и постам, вып.6, ч. 1: Гидрологические наблюдения и работы на больших и средних реках. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 90 с.

5. Костюченко А.А. Метод выполнения и обработки измерений для определения параметров донных гряд / А.А. Костюченко, Р.В. Заварзин // Водные пути и русловые процессы. Гидротехнические сооружения водных путей: Сб. науч. Тр. Вып. 6., Ч. 1 - СПБ.: ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, 2023. - 151-165 с.

6. Кондратьев Н.Е. Основы гидроморфологической теории руслового процесса / Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов, Б.Ф. Снищенко - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 272 с.

7. Снищенко Б.Ф., Копалиани З.Д., Твалавадзе О.А. О масштабе времени русловых деформаций при моделировании на размываемых моделях речных русел // Тр. ГГИ. - 1977. - Вып. 242. - С. 55-60.

8. Снищенко Б.Ф., Копалиани З.Д. О скорости движения гряд в реках и лабораторных условиях // Тр. ГГИ. - 1978. - Вып.252. - С. 20-37.

9. Доу Го-жень. Перемещение наносов и устойчивость дна водных потоков: автореф. дисс. докт. техн. наук. - Л. - 1960. - 38 с.

Изобретение относится к способам определения расхода донных наносов по характеристикам гряд в руслах рек. Сущность: определяют полный расход донных наносов на участке реки путем интегрирования элементарных расходов на продольных профилях по ширине участка реки. Элементарный расход донных наносов на продольном профиле определяют по параметру средней мощности слоя подвижного материала, который является отношением площади подвижного материала к длине слоя подвижного материала, являющейся длиной линии, проведенной по подвальям гряд. При этом верхней границей площади подвижного материала является линия поверхности гряд, а нижней границей является линия подвалий гряд, выделенных после исключения малых выступов. Исключение малых выступов выполняют с использованием коэффициента фильтрации, определяемого по гистограмме распределения выступов по диапазонам их высот. Технический результат: повышение точности измерения расхода донных наносов по параметрам руслового рельефа и повышение точности измерения расхода донных наносов при русловом рельефе, состоящем из дефицитных гряд. 2 ил.

Способ определения расхода донных наносов по параметру средней мощности слоя подвижного материала в руслах рек, характеризующийся определением полного расхода донных наносов путем интегрирования элементарных расходов, определенных для каждого продольного профиля, исходя из скорости и высоты перемещающейся области руслового рельефа по ширине участка реки, отличающийся тем, что высота перемещающейся области руслового рельефа определяется по параметру средней мощности слоя подвижного материала, который является отношением площади подвижного материала, измеренной на продольном профиле, исходя из отметок поверхности дна и отметок подвалий гряд, выделенных после исключения малых выступов, которое производится путем фильтрации этих выступов с использованием коэффициента фильтрации, определяемого аналитически по гистограмме распределения выступов по диапазонам их высот, к длине слоя подвижного материала, являющейся длиной линии, проведенной по подвальям выделенных гряд.