МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

УДК 532.5

ВЛИЯНИЕ ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ

НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОТОКА

 

 И.С. Румянцев – д.т.н., проф.; Н.К. Дегембаева – аспирант

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

В прибрежных полосах и в руслах потоков можно встретить как водные, так и травяные растения. Произрастая на берегах и в поймах, они оказывают непосредственное воздействие на движение водного потока. Во время паводков и половодий под водой могут также оказаться как злаковые, так бобовые растения прибрежных территорий. Такое же явление можно встретить и при некоторых схемах поверхностных поливов, когда сплошной травяной покров также может находиться на дне. При этом трава делает устойчивым формы русла, укрепляет грунтовое ложе, препятствуя размыву его поверхности и перемещению частиц. Такие влияния, прежде всего, зависят от корневой системы травянистого растения, чем более разветвлена корневая система, тем усиливается связность грунта, тем самым, повышая сопротивляемость размыву.

В настоящее время влияние растительности на кинематическую структуру течения изучено недостаточно, что объясняется сложностью и многофакторностью процесса движения воды через растительный покров, его пространственную и временную изменчивость [3]. Неоднородность растительного покрова вызвана неоднородностью внешней среды, которая благоприятствует или противодействуют произрастанию тех или иных видов [4]. 

Как правило, травяные растения имеют гибкие стебли, которые совершают колебательные движения в потоке, генерируя турбулентные возмущения [1, 6]. Эти колебания существенно влияют на турбулентную структуру потока. Все это в совокупности с полеганием травянистой растительности приводит к иным закономерностям изменения сопротивления в зависимости от скорости и числа Рейнольдса [2, 4].

Заросли травянистой растительности в руслах представляют собой зону малых скоростей, по сравнению со скоростями части русла, свободной от растительности. Растительность в русле можно рассматривать как систему вертикальных элементов, воспринимающих динамическое воздействие потока. Так, по мнению М. Юрчук, такое динамическое воздействие в конечном счете определяет гидравлического сопротивления зарастающего русла [9].

Задача – исследования в получении экспериментальных зависимостей гидравлических сопротивлений в зависимости от значений чисел Рейнольдса, высоты, гибкости и плотности травянистых растений, а также от  расположения растительности в плане.

Характерной особенностью рассматриваемых русл является то, что растительность в них может занимать только часть смоченного периметра, поэтому величина коэффициента гидравлического трения будет отражать потери на трение и заросшей и свободной от растительности частей русла.

Лабораторные экспериментальные выполнялись нами в гидравлическом лотке со стеклянными стенками шириной 500 мм и длиной 4000 мм. Проточная часть имела прямоугольное поперечное сечение. Длину экспериментального участка принята 2000 мм. На дне лотка, на деревянном съемном днище, в зависимости от схемы расположения закреплялись модели гибкой растительности, имитирующей естественную травянистую растительность. Затем дно лотка покрывалось слоем песка толщиной 40 мм, со средним диаметров частиц 0,25 мм. Каждая модель растения представляла собой стебель, выполненный из синтетического материала. В опытах были исследованы растения из лески и кембриком диаметрами 1,6 и 3,5 мм, соответственно. Высота растений варьировалась в зависимости от серии экспериментов и принималась, равной 50, 200, 300 мм. Измерение осредненных скоростей производились трубкой Пито. Также для контроля аналогичные гидравлические характеристики потока измерялись и в русле без растительности.

Эксперименты с растительностью проводились при следующих схемах расположения моделей: хаотичное расположение растений с шагом 25 мм при общем количестве стеблей 288 шт; шахматное густое расположение растительности с шагом 50 мм при общем количестве стеблей 199 шт; шахматное редкое расположение растительности с шагом 100 мм при общем количестве стеблей 50 шт; коридорное расположение растительности с шагом 50 мм и в ряду и 100 мм между рядами при общем количестве стеблей 99 шт.

Для сравнения результатов полученных для русл с имитированной растительностью, была проведена серия лабораторных экспериментов с естественной злаковой растительностью. Подготовка естественной растительности производилась следующим образом. Выращивание травяных растений производилось на естественном плодородном грунте слоем 50 мм в съемном деревянном ящике. Перед проведением опытов, ящики с растительностью устанавливались на рабочем участке лотка. Сверху грунт присыпался песком слоем 20 мм и галечником с размером фракций 10-15 мм для предотвращения размыва грунта. Нами была выбрана смесь трав, состоящей из овсяницы красной, мятлика лугового и райграсса многолетнего. Выбор этой смеси обусловливается ее естественным произрастанием на побережных участках равнинных рек.

             Рис. 1. Зависимость типа λ=f(Re)

Результаты наших опытных данных были нанесены на графики зависимостей λ = f(Re, Гh) для всех густот каждого вида растительности. Из графика зависимостей λ = f(Re) (рис. 1.) видно, что при высоте 300 мм стеблей получены максимальные значения коэффициента гидравлического трения, чем при высотах стеблей 200 и 50 мм. С уменьшением густоты стеблей увеличиваются значения коэффициента гидравлического трения λ. Максимальные значения  гидравлического трения получены  при шахматном редком расположении модельных растений с леской и кембриком, а минимальные значения – при коридорном.

Деформационное воздействие потока учитывалось нами специальным кри-

терием гибкости предложенной Нгуен Таем

,

где h – глубина потока; V – средняя скорость потока; ρ  плотность стебля растений;

      E модуль упругости;  J момент инерции стеблей.

Гибкость изменяется по длине стеблей и листьев, так разные элементы скелета растений имеют различные значения гибкости [5, 7 ,8]. По мнению Нгуен Тая, пористость растительного слоя с гибкими стеблями меняется с изменением скорости и глубины потока. Изменение гибкости стеблей показано на графике λ = fh) (рис. 2) и критерий гибкости Гh имеет важное значение в определении гидравлических сопротивлений в заросшем русле.

Таким образом, учитывая вышеприведенный анализ, можно сказать, что увеличению значения коэффициента гидравлического трения в заросшем русле соответствуют увеличение высоты расположения стеблей в плане. Уменьшению значений коэффициента сопротивления соответствует увеличение значения гибкости стеблей.

 

 

Рис.  2. Зависимость типа λ = fh)

 

 

Библиографический список

 

1.         Асанова Д.А. Гидравлические сопротивления и кинематика заросших каналов. –М., 1982.

2.         Беновицкий  Э.Л. О некоторых закономерностях изменения коэффициента Дарси в открытых руслах с растительностью. //Водные ресурсы. 1991. № 6.

3.         Боровков В.С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. –Л., 1989.

4.         Казмирук В.Д. Гидравлические сопротивления высшей водной растительности. //Водные ресурсы. 1990. №1. С. 147-154.

5.         Лудов В.А. Исследование гидравлических сопротивлений зарастающих водотоков. –М., 1981.

6.         Лятхер В.М., Гурин. Гидравлические характеристики потоков над поверхностью покрытой травяной растительностью. //Водные ресурсы. 1978. №3.

7.         Нгуен Тай. Исследование закономерности равномерного движения воды в заросших руслах. – М., 1972.

8.         Нгуен Тай. Гидравлические сопротивления русел с высокой шероховатостью. – М., 1983.

9.         Юрчук М. Гидравлические характеристики течения в заросших руслах. – М., 1987.

 

 


 
Вернуться к Оглавлению...