2.3.3. Методы прогноза динамического развития активных абразионных берегов малых водохранилищ и особенности их инженерной защиты.

В формировании берегов большое значение имеет прогноз их развития на ближайшую перспективу и период практической значимости. Различия в условиях формирования берегов, оправдываемость методов прогноза, специфику малых водохранилищ обусловили и необходимость разработки разнообразных методов прогноза. В СССР известно более 60 методов прогноза переработки берегов. Разными авторами выполнены классификации и систематизации методик прогнозирования. Так, например, В.Л. Максимчук из Украины предложил разделить все методы на энергетические, метод аналогий, физического и математического моделирования, смешанные и статистические. В разработанных методах широко используются результаты исследований в области гидрогеологии, гидравлики, математики и статистики, геологии и геоморфологии, а также системного анализа и различных видов моделирования. Разработанные методы в основном применимы для крупных водохранилищ и позволяют осуществлять расчеты на различные сроки: от 5 до 100 лет и на конечную стадию их развития. Практика показывает, что практическое значение имеют краткосрочные прогнозы. В соответствии с этим в условиях Беларуси для малых водохранилищ целесообразно выполнять прогноз на 5, 10 и 15 лет.

Вопросами достоверности и оправдываемости разработанных прогнозов для крупных водохранилищ занимались Г. С. Золотарев, О. Г. Григорьев, В. К. Рудаков, Л. Н. Каскевич, М. П. Самохвалова, В. В. Пендин и др. Для условий Беларуси использовались методы прогноза Е. Г. Качугина, Н. Е. Кондратьева, Б. А. Пышкина, С. Л. Вендрова, Б. А. Попова, В. Л. Булаха и др. По расчетам и по оценкам оправдываемости прогнозов переработки берегов основными критериями их применяемости в условиях Беларуси является их обоснованность, надежность, достоверность и простота расчетов. По этим критериям для малых водохранилищ из разработанных ранее методов наиболее подходят метод Е. Г. Качугина (энергетический) и Б. А. Пышкина, которые применимы для берегов не более 5 – 15 м и сложенных хорошо размываемыми песчаными грунтами. Однако и эти методы не полностью учитывают многообразие факторов переработки берегов и эксплуатации малых водохранилищ.

2.3.3.1. Вероятностно-статистический метод.

Метод разработан на основе данных натурных стационарных наблюдений, полученных по ряду водохранилищ Беларуси в период с 1959 по 1990 г. Использовались материалы различных организаций, проводивших наблюдения на водохранилищах, в частности Центральным НИИ комплексного использования водных ресурсов, Белорусской политехнической академией, Белорусским государственным университетом, а также Белорусским НИИ мелиорации и водного хозяйства.

Метод назван вероятностно-статистическим в связи с тем, что зависимости, полученные на основе статистической обработки исходной информации, учитывают все многообразие факторов и условий, определяющих динамику процесса переработки, а также их распределение как во времени, так и в пространстве для условий рассматриваемого региона.

Предлагаемый метод прогнозирования предназначен для использования в практике проектирования и проведения водоохранных и защитных мероприятий в береговой зоне малых равнинных водохранилищ. Данные предложения применимы к малым водохранилищам различного типа регулирования и с различным диапазоном колебания уровней в верхнем бьефе водоема.

Следует отметить, что методика прогнозирования позволяет выполнять прогноз как для проектируемых водохранилищ, так и водохранилищ, находящихся на начальной стадии эксплуатации.

На основе этого метода прогноза ранее были разработаны рекомендации, в которых подробно изложены все условия применения предложенных зависимостей, их описание и структура, а также примеры для выполнения практических расчетов. В данном разделе мы остановимся лишь на основных положениях метода, возможностях и предпосылках, послуживших для его разработки.

Перед описанием методики прежде всего остановимся на ограничениях, которые были изложены авторами при получении зависимостей.

Исходя из изложенных ранее обобщений, было установлено:

— процесс переработки абразионных берегов малых равнинных водохранилищ является многофакторным процессом;

— процесс переработки является стадийным и протекает с различной динамикой во времени;

— интенсивность и масштабы процесса определяются как волновыми факторами, так и режимом колебаний уровней в водоеме;

— наибольшее распространение в условиях малых и средних водо­хранилищ средней полосы европейской части страны имеют абразионные берега обвально-осыпного типа, сложенные песками, супесями с включением гравия и гальки, т. е. несвязными грунтами:

— процесс переработки ограничен во времени, в отличие от крупных водохранилищ, что в итоге через определенный промежуток времени ведет к выработке профиля динамического равновесия;

— профиль равновесия на малых равнинных водохранилищах в отличие от крупных имеет ряд характерных особенностей: а) малую надводную часть береговой отмели, которая колеблется от 0,5 до 1,5 м; б) подводную часть отмели, близкую к прямолинейной форме с небольшим уклоном; в) малую аккумулятивную составляющую, в связи с чем отмель относится к так называемой абразионно-аккумулятивной; г) постоянную глубину на внешнем краю береговой отмели;

— в зависимости от грунтов, слагающих береговой абразионный склон и поступающих на береговую отмель, могут выделяться три формы профиля равновесия: а) статистическая, образующаяся при размыве грунтов, имеющих различные включения гравия, гальки, валунов, что ведет к волновой дифференциации наносов и их сортировке и укладке в определенном порядке. Под этим понимается укладка в приурезной зоне крупных частиц, образующих так называемую «самоотмостку», надежно закрепляющую отмель, а также вынос за пределы отмели мелких фракций; б) динамическая, формируемая в грунтах относительно однородного состава, например, в песках различной крупности; в) переходная, когда часть отмели представлена крупными включениями, а часть песками.

Таким образом, выделенные особенности абразионных берегов позволили сформулировать и ограничить рамки применения разработанного метода.

Перед получением расчетных зависимостей нами были Проведены следующие типизации:

— типизация исходного, подвергаемого переработке берегового склона. Было выделено две формы профиля: профиль, в надводной части имеющий обрыв; профиль пологой формы;

— типизация водохранилищ с выделением двух групп во­доемов, причем в основу этой классификации был положен режим колебаний уровней в верхнем бьефе в безледоставный период. Было выделено две группы объектов: группа 1 — со сработкой более 0,5 м; группа 2 — со сработкой менее 0,5 м;

— типизация грунтов, подвергающихся размыву. Рассматривались несвязные однородные грунты и несвязные с большой неоднородностью частиц.

Ранее отмечалось, что процесс переработки берегов является многофакторным. Поэтому при построении вероятностно-статистических моделей, описывающих форму профиля разрушаемого берега на различный период времени, всесторонне учитывалось влияние факторов и условий, определяющих и вызывающих процесс. На основании выполнения факторного анализа, а также анализа способом экспертных оценок было установлено, что развитие процесса переработки в условиях малых водохранилищ происходит под воздействием значительно меньшего количества факторов, чем в условиях крупных. При этом к основным берегоформирующим факторам относятся: ветровое волнение и уровневый режим, морфометрия водоема, особенности строения берегового склона и литологические характеристики слагающих пород.

Рис.2.15. Расчетная схема прогноза переработки берегов малых водохранилищ. а – обрывистый склон, б – пологий береговой склон

Это в общем случае означает, что выражение для определения некоторого параметра профиля переработки (рис. 2.15) можно представить функциональной зависимостью вида

Y_t = f(x₁,х₂, ..., х_i),

где под y_t понимается одна из следующих характеристик профиля переработки: отступание бровки берега (S_t); объем переработки Q_t ширина подводной части отмели (B_nt); ее уклон (i_nt); x_i — характеристика фактора, способствующего переработке берега: гидрологические параметры, параметры берегового склона и др. Более конкретно: х₁ — характеристика ветрового волнения—высота волны 1 %-ной обеспеченности (h_1%); Х₂ — амплитуда колебания уровней в безледоставный период (A_бл); _x3 — длина разгона волны (D); x₄ — распределение глубин по разгону волны (h_D); x₅ — высота обрыва берега, имеющего абразионный уступ (H₆); х₆ — уклон берегового склона (i_б); х₇ — средний диаметр частиц грунта (d₅₀); x₈ — коэффициент неоднородности грунта (ђ).

Расчет элементов профиля с интерпретацией результатов на различный срок эксплуатации водоема производится по моделям вида

у_ti = у_tk 1/t_b

где t_к — конечный срок переработки или период формирования профиля равновесия. Значения b приводятся по специальным таблицам и зависят от характера элементов и формы профиля. Приняв, что формирование профиля переработки происходит в безледоставный период при отметках, равных или близких к отметкам НПУ, имеем следующее соотношение: в расчетах конечным сроком для водохранилищ группы 1 считается t_к = 15 лет, группы 2 t_к = 10 лет.

Расчетах используются следующие материалы: план водохранилища в горизонталях в масштабе 1 : 500; поперечные разрезы водохранилища; материалы геологических изысканий (план расположения скважин, таблицы мощности и состава отложений); сроки и длительность безледоставного периода; расположение и расстояние до ближайшей метеостанции.