Способ локального экспресс-прогноза переработки берегов водохранилищ

 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и предназначено для локального прогноза переработки берегов в типичных платформенных регионах, как на ранних стадиях проектирования, в том числе при выборе места строительства, так и в процессе эксплуатации водохранилищ, и для обоснования схем инженерной защиты территорий от опасных геологических явлений. Способ заключается в прикладном использовании эмпирически выявленных закономерностей развития процессов переработки во времени на основе единожды проведенных многолетних режимных наблюдений (измерений) основных факторов и использования интегральных показателей (типа берега, продолжительности безледоставного периода и объемов переработки) при различных стадиях и сценариях развития процесса. По установленному объему разрушения величину отступления берега получают из выражения V/H, где V- объем берегоразрушений, м³/м; Н - высота абразивного уступа, м. Изобретение позволяет повысить точность и оперативность локальных прогнозов и резко сократить трудозатраты на обоснование прогнозов. 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и предназначено для локального оперативного экспресс-прогноза интенсивности разрушения берегов водохранилищ, в том числе проектируемых в типовых платформенных условиях без крупных оползней, высокольдистых и биогенных пород. При изменении (отклонении) от этих условий на основе региональных (геологических) закономерностей применяют специальные переходные коэффициенты. Этот вопрос имеет самостоятельное значение и в данной заявке не рассматривается. Используется при обосновании инженерной защиты территорий от опасных геологических явлений.

В научно-технической литературе известны три группы методов прогнозной оценки переработки берегов водохранилищ: 1) энергетические (Качугин Е.Г. [1], Кондратьев Н.Е. [2] и др.); 2) сравнительно-геологические (Золотарев Г.С. [3], Розовский Л.Б. [4] и др.); 3) вероятностно-стохастические (Епишин В.К., Экзарьян В.Н. [5]).

Энергетические методы при прогнозе преимущественно учитывают энергию волнения (гидрологический фактор), область применения их ограничена простыми и однородными в инженерно-геологическом отношении условиями, характеризуются низкой точностью прогнозной оценки. Для их обоснования требуются значительные трудозатраты по каждому расчетному поперечнику. Применимы только на первой стадии переработки берегов действующих водохранилищ.

Сравнительно-геологические методы основаны на аналогиях природно-техногенных условий водохранилищ. Основные трудности, снижающие точность прогнозных оценок в этих методах связаны с подбором надежных аналогов и выбором критериев подобия, что редко удается сделать в реальных условиях.

Метод вероятностно-стохастических моделей [5] по своей технической сущности наиболее близок к предлагаемому техническому решению (прототип). Этот метод заключается в учете зависимостей переработки берегов от различных природно-техногенных факторов по данным режимных наблюдений с построением стохастических моделей процесса. Его основной недостаток, несмотря на большие трудозатраты снижающий точность прогнозной оценки, заключается в недоучете общих закономерностей развития процесса, стадийности формирования берегов, требует большого объема режимных наблюдений по каждому расчетному поперечнику в отдельности. Количество таких поперечников в прошлом было ограничено и размещены они были случайно, без учета разнообразия природных условий. Полученные результаты по каждому отдельно взятому поперечнику не могут быть использованы на других участках, не позволили выявить существенные региональные закономерности развития процесса. Общий недостаток известных методов прогнозных оценок переработки берегов заключается в их низкой точности, больших трудозатратах из-за того, что они создавались на ограниченном фактическом материале по единичным профилям, без изучения общих закономерностей и районирования (типизации) берегов по природно-техногенным факторам, т. е. с отражением отдельных сторон процесса разрушения берегов.

Режимные многолетние наблюдения за этим процессом на многих водохранилищах показали, что разброс фактических величин переработки берегов, сложенных однотипными комплексами пород и находящихся на одной стадии развития, часто сопоставим с точностью существующих методов прогноза, не учитывался и фактор времени - продолжительность безледоставного периода. Все это побудило к созданию предлагаемого нового технического решения на основе детального анализа пространственно-временных закономерностей развития процессов переработки берегов водохранилищ (ППБВ) России и сопредельных стран как по материалам собственных многолетних наблюдений (измерений), так и по опубликованным данным.

Технической задачей изобретения является повышение точности прогнозных оценок переработки берегов водохранилищ в различных природно-техногенных условиях, на разных стадиях этого процесса, при различных сценариях развития последнего, придание прогнозу оперативности и осуществления снижения трудозатрат при проведении трудозатрат на ранних стадиях проектирования водохранилищ, в том числе при предпроектных разработках и выборе площадок. Последнее очень актуально в связи с накопленным отрицательным опытом выбора строительства и эксплуатации водохранилищ.

Поставленная цель достигается тем, что многолетние режимные наблюдения по всем существующим в России водохранилищам выполняют один раз с обобщением полученных измерений по каждому выделенному типу берега, на их основе устанавливают основные закономерности переработки берегов в различных регионально-геологических, зонально-климатических и техногенных условиях, определяют интегральные среднемноголетние характеристики переработки берегов: комплексы пород, объемы разрушений и продолжительность безледоставного периода по стадиям развития процесса, устанавливают принципиальную возможность переработки берега по углу наклона отмели, по обобщенным данным измерений строят номограммы, отражающие связь интегральных характеристик процесса, а локальный экспресс-прогноз ожидаемых объемов переработки по известным комплексам пород (типу берега) и продолжительности безледоставного периода по этим номограммам осуществляют по трем возможным сценариям развития процесса: пессимистическому - П (с максимально возможными разрушениями с вероятностью 0.2), наиболее вероятному - В (с вероятностью 0.6) и оптимистическому - О (с вероятностью 0.2), при этом соответствующие прогнозные перемещения бровки разрушаемого берега (L, м) устанавливают по выражению L = V/H, где H - средняя высота берега над нормальным подпорным уровнем водохранилища, м; V - объем берегоразрушения, м³/м.

На фиг. 1 показан расчетный прогнозный поперечник на типовом участке Цимлянского водохранилища, на фиг. 2 - карта безледоставного периода на водохранилищах России, на фиг. 3-6 - номограммы для определения интенсивности переработки берегов водохранилищ на первой (фиг. 3,4) и второй (фиг. 5, 6) стадиях развития процесса по наиболее вероятному (фиг. 3, 5) и пессимистическому вариантам развития процесса.

На чертежах даны следующие обозначения: 1 - нормальный подпорный уровень (НПУ); 2 - уровень сработки (УС); 3 - отмель; 4 - абразионный уступ; 5 - прогноз отступления берега по данным прототипа на Цимлянском водохранилище; 6 - фактическое отступление берега по состоянию на 1990 год; 7 - экспресс-прогноз по наиболее вероятному варианту предлагаемым способом; 8 - то же по пессимистическому варианту; 9 - длительность разрушения берегов в течение года (безледоставный период); 10 - лессы и лессовидные породы; 11 - глины морские (хазарские и хвалынские); 12 - пески мелкие и пылеватые; 13 - супеси и суглинки средние и легкие; 14 - пески гравелистые, крупные и средние; 15 - суглинки щебнистые (моренные); 16 - гравийники и галечники с песком, супесью или суглинком; 17 - гипсы и ангидриты; 18 - глины литифицированные; 19 - песчаники, алевролиты, аргиллиты, известняки, мергели, доломиты; 20 - граниты, липариты, кварциты и др. магматические и метаморфические породы.

Способ осуществляется следующим образом. По данным многолетних режимных наблюдений по 100 водохранилищам России в типовых платформенных условиях - равнины в пределах малосейсмичных (менее 6 баллов) плит и неоструктурных тектонических блоков, испытывающих в настоящее время опускания, в зоне развития талых пород, проведенных один раз, после обобщения многочисленного фактического материала (натурных измерений) по каждому типу берега устанавливают основные закономерности переработки берегов в различных регионально-геологических, зонально-климатических и техногенных условиях. Для предлагаемого экспресс-прогноза существенное значение имеют следующие установленные закономерности. Процесс переработки происходит во времени в зависимости от состава основного комплекса в зоне воздействия водохранилища по стадиям. В зависимости от пород скорость переработки может изменяться более чем на порядок, например, во вторую стадию в аргиллитах она составляет 4 м³/м год, а в лессах - 58,5 м³/м год. Это наиболее мощный и существенный фактор разрушения берегов. По скорости развития процесса выделены два этапа. На первой стадии переработки сразу после заполнения водохранилища эти скорости максимальные, на второй стадии они снижаются в 5 и более раз. Это связано с формированием отмели, гасящей волновую энергию воздействия. Для однотипных берегов суммарно геологические факторы-условия приводят к изменению интенсивности переработки берегов в среднем до 50%, остальные 50% приходятся на энергию волнения и другие климатические факторы. На основе установленных закономерностей определяют интегральные среднемноголетние характеристики переработки берегов: комплексы пород (типы берегов), объемы разрушений и продолжительность безледоставного периода по стадиям развития процесса, напрямую включающие все факторы-условия развития процесса, за исключением энергии волнения, которая учитывается косвенно через зонально-климатические факторы, в частности через продолжительность безледоставного периода в одинаковых климатических условиях для каждого типа берега. Безледоставный период оказывает значительное влияние на процесс разрушения и впервые он включается в расчетные схемы, интегрируя все зонально-климатические факторы (гидрологические, ветровые, температурные). Например, увеличение его на 10 дней во вторую стадию увеличивает скорость переработки берегов, сложенных лессами на 7%.

По данным натурных многолетних измерений по 100 водохранилищам России составлена таблица (см. в конце описания) обобщаемых данных. Для локальной профильной (по поперечнику) прогнозной оценке процесса на проектируемом водохранилище необходимо иметь топографический профиль, отметки НПУ (1) и УС (2) водохранилища, данные о преобладающем комплексе пород (10-20), слагающем берег в зоне колебания уровня и о длительности безледоставного периода на водохранилище (9). Вначале устанавливают принципиальную возможность переработки берега, сложенного определенными породами по таблице. Если крутизна берега между НПУ (1) и УС (2) больше угла относительно устойчивой отмели (3) в этих породах на первой стадии развития процесса, то берег будет разрушаться, если меньше - то нет. В последнем случае прогноз не производится. При оценке развития процесса по варианту О и В крутизна берега сравнивается со средним значением угла устойчивой отмели, а по варианту П - с минимальным значением этого угла.

На участке побережья проектируемого водохранилища (без построения поперечника) дополнительно следует иметь карту-схему типов берегов и топографическую карту этого участка. Типы берегов устанавливаются по крутизне и преобладающему комплексу пород (по одному поперечнику на 400-500 м береговой линии). Граница зоны переработки устанавливается путем соединения отдельных прогнозных точек плавной линией субпараллельно линии берега при НПУ (1) до начала переработки. Для установления комплекса пород требуется выезд на местность, где проектируется размещение водохранилища.

На эксплуатируемых водохранилищах в случае отсутствия режимных наблюдений прогноз проводится по вышеописанной схеме с использованием данных о продолжительности безледоставного периода и рекогносцировочного обследования побережий с установлением типов берегов.

По обобщенным данным натурных измерений интегральных характеристик строят карту безледоставного периода на водохранилищах России (фиг. 2) и номограммы для определения интенсивности переработки берегов (фиг. 3-6).

Локальный экспресс-прогноз предусматривает три сценария развития процесса: пессимистический (П), наиболее вероятный (В) и оптимистический (О). Пессимистическому варианту с вероятностью 0.2 соответствуют максимальные размеры разрушений, которые возможны при неблагоприятных сочетаниях факторов за прогнозный срок. Наиболее вероятному прогнозу переработки, с вероятностью 0.6 отвечают средние размеры берегоразрушений, зарегистрированные на существующих водохранилищах. Оптимистический вариант, с вероятностью 0.2, характеризует возможные минимальные размеры разрушения берегов, реализуемые при благоприятных сочетаниях факторов. Такая вариантная оценка ППБВ позволяет избежать грубых ошибок. Вариант П применяется для расчета ущерба в обосновании строительства наиболее ответственных сооружений, а вариант В - для планирования использования земель для нужд сельского хозяйства. В остальных случаях вариант - О.

Затем по той же таблице определяются минимальные, средние и максимальные значения продолжительности первой стадии переработки берегов, соответственно для вариантов О, В и П. После этого по карте (фиг. 2) устанавливается среднемноголетняя длительность безледоставного периода (9) на рассматриваемом участке.

Объемы ежегодной переработки на первой стадии развития процесса по варианту О и В определяют для известных комплексов пород (типов берегов - 10-20) и длительности безледоставного периода по номограмме на фиг. 3, а по варианту П - на фиг. 4. Для получения суммарных объемов переработки за первую стадию или за определенный период времени в пределах этой стадии, полученные объемы ежегодных разрушений умножаются в зависимости от варианта прогноза на минимальную, среднюю или максимальную продолжительность стадии или оцениваемого периода времени. Для второй стадии используются номограммы на фиг. 5 и 6.

Линейное перемещение бровки разрушаемого уступа (L, м). На первой и второй стадиях переработки устанавливают по соответствующему объему берегоразрушений (V, м³/м) на заданный срок по выражению L = V/H, где H - средняя высота берега (4) над НПУ (1) на срок прогноза, м.

На фиг. 1 показаны также сравнительные результаты прогнозов по прототипу (5) по предлагаемому способу (7 и 8) и фактическая переработка (6). Таким образом, наиболее близким (точным) оказался предлагаемый способ прогноза по вероятному варианту.

Для пояснения вышеперечисленных операций приводится пример. Необходимо определить объемы переработки 2-ой террасы, высотой 9 м над НПУ, сложенной мелкозернистыми песками на 20-й год эксплуатации водохранилища. Высота террасы определяется (измеряется) в натурных условиях, также устанавливаются и породы, ее слагающие. НПУ задается проектировщиками. Длительность безледоставного периода устанавливается по карте (фиг. 2) и составляет 210 дней. Уровни наполнения и сработки приходятся на уступ террасы (4), имеющей крутизну 6^o (измеряется в натурных условиях). Согласно таблице угол относительно устойчивой отмели в мелких песках меньше 6^o, поэтому берег будет разрушаться. Продолжительность первой стадии переработки берегов по варианту П составляет 7 лет (максимум по таблице для мелких песков), по варианту О - 2 и В - 4 года. По номограмме (фиг. 4) объем ежегодных разрушений по этому варианту составляет 92 м³/м (кривая 12). Следовательно объем переработки рассматриваемого берега за первую стадию развития процесса по варианту П (за 7 лет) будет равен V^п₁ = 92 · 7 = 644 м³/м.

Объемы переработки берега по вариантам О и В соответственно составят V^o₁ = 48 · 2 = 96 м³/м, V^в₁ = 48 · 4 = 192 м³/м.

48 - взято по кривой 12 с номограммы на фиг. 3, т.е. для О и В величина объемов берегоразрушений принимается одинаковой, а время по таблице принимается равным 2 и 4 года, т.е. среднее и минимальное значения. Это установлено на основе обобщения многолетних наблюдений за процессом.

На второй стадии развития берегов интенсивность ежегодных разрушений уменьшается (по номограммам на фиг. 5 и 6 до 17 м³/м по вариантам О и В и до З6 м³/м - по варианту П.

С учетом первой стадии переработки общий объем разрушений песчаного берега за 20 лет составит по рассматриваемым вариантам в порядке уменьшения тяжести последствий V^o₂₀ = 96+(17 · 18) = 402 м³/м; V^в₂₀ = 192+(17 · 16) = 464 м³/м;
V^п₂₀ = 644+(36 · 13) = 1112 м³/м.

18 получено из 20-2, 16 - 20-4 и 13 - 20-7, т.е. за вторую стадию, равную разнице между общим сроком и продолжительностью первой стадии, полученной по таблице.

Как видно из примера, увеличение объемов переработки при переходе от варианта О к варианту В определяется соответствующим увеличением длительности первой стадии берегоразрушений. Поэтому прогнозная оценка только во вторую стадию на эксплуатируемых водохранилищах осуществляется по предложенному способу только для вариантов В и П.

Линейное перемещение бровки разрушаемого уступа террасы (L, м) на первой и второй стадии переработки устанавливается по соответствующему объему переработки, полученному ранее на заданный срок 20 лет по выражению L = V/H, где H - средняя высота террасы над НПУ на срок прогноза, м.

Для каждого случая, при высоте террасы над НПУ 9 м линейное перемещение за 20 лет развития процесса по вариантам О, В, П составит:
L^o₂₀ = 402 : 9 = 44.7 м;
L^в₂₀ = 464 : 9 = 51.6 м;
L^п₂₀ = 1112 : 9 = 123.6 м.

Источники, использованные при составлении заявки на изобретение
1. Качугин Е. Г. Инженерно-геологические исследования и прогнозы переработки берегов водохранилищ. - В кн.: Рекомендации по изучению переработки берегов водохранилищ. - М.: Госгеолтехиздат, 1959, - с. 3-89.

2. Кондратьев Н.Е. Прогноз переформирования берегов водохранилищ под действием ветровой волны. - Труды Гос. гидролог, ин-та. - вып. 58(110), 1956, -с. 12-19.

3. Золотарев Г.С. Инженерно-геологическое изучение береговых склонов водохранилищ. - Труды 7-го Байкальского науч. координац. совещ. по изучению водохранилищ. -М., 1961.-т. 1, -с. 50-63.

4. Розовский Л. Б. О прогнозе переработки берегов водохранилищ по аналогии. - М.: "Наука", 1961, - с. 45-57.

5. Епишин В.К., Экзарьян В.Н. Прогноз процесса формирования берегов водохранилищ. - М.: Энергия, 1979, - с. 95-111.

Формула изобретения

Способ локального экспресс-прогноза переработки берегов водохранилищ, включающий изучение факторов, влияющих на разрушение берегов, в том числе инженерно-геологических особенностей побережий, свойств основных комплексов пород в зоне абразии, ветроволноэнергетических и уровенных режимов водоемов, построение топографического прогнозного профиля, измерение крутизны склонов и высоты абразионного уступа, прогноз величины перемещения бровки разрушаемого берега на заданный срок на основе обобщения полученных данных по программе многолетних режимных наблюдений, отличающийся тем, что многолетние режимные наблюдения по всем существующим в России водохранилищам выполняют один раз с обобщением полученных измерений по каждому выделенному типу берега, на их основе устанавливают основные закономерности переработки берегов в различных регионально-геологических, зонально-климатических и техногенных условиях, определяют интегральные среднемноголетние характеристики переработки берегов: комплексы пород, объемы разрушений и продолжительность безледоставного периода по стадиям развития процесса, устанавливают принципиальную возможность переработки берегов по углу наклона отмели, по обобщенным данным измерений строят номограммы, отражающие связь интегральных характеристик процесса, а локальный экспресс-прогноз ожидаемых объемов переработки по известным комплексам пород (типу берега) и продолжительности безледоставного периода по этим номограммам осуществляют по трем возможным сценариям развития процесса: пессимистическому - с максимально возможными разрушениями, с вероятностью 0,2, наиболее вероятному - с вероятностью 0,6 и оптическому - с вероятностью 0,2, при этом соответствующие прогнозные перемещения L, м бровки разрушаемого берега устанавливают по выражению
L = V/H,
где H - средняя высота берега над нормальным подпорным уровнем водохранилищем, м;
V - объем берегоразрушений, м³/м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7