7.4. Распределение мутности воды по вертикали

Сведения о распределении мутности воды по вертикали необходимы для определения расходов наносов, оценки заносимости прорезей, карьеров, водозаборов и других сооружений, а также

для установления качества воды в прибрежной зоне и для совершенствования существующих теоретических моделей расчета наносов.

Поскольку мгновенные значения придонной скорости в прибойной зоне изменяются при каждом данном шторме в широких пределах, то это приводит к существенным изменениям мутности во времени на разных горизонтах. Данные измерений ГГИ, полученные с помощью батометра-дифференциатора [167], показали, что даже в условиях установившегося волнения и вдольберегового течения мгновенные значения мутности на вертикали нередко изменяются в 4—6 и даже в 10 раз. Еще в более широких пределах изменяются мгновенные значения мутности на отдельных горизонтах. В связи с этим распределение мутности на вертикали целесообразно определять по данным измерений, осуществляемых батометрами длительного наполнения, например батометрами-бутылками.

Данные измерений, выполненных батометрами, показали, что в большинстве случаев на вертикалях прибойной зоны градиенты мутности увеличиваются по направлению от поверхности воды ко дну (рис. 7.4 6).

Придонная мутность нередко в 5—15 раз и более превышает поверхностную мутность. Различия между придонной и поверхностной мутностью увеличиваются с увеличением крупности взвешиваемых твердых частиц, что согласуется с данными теоретических решений [11, 25, 35], данными наблюдений в русловых потоках [25, 33, 75] и на морских отмелях [2, 6, 7]. Некоторое выравнивание мутности по вертикали отмечается при наличии в породах отмели илистых и глинистых частиц. Наиболее отчетливо оно выражается в зоне ослабленных волновых воздействий на донные отложения, например у бровки отмели в тех случаях, когда разбивание волн происходит вблизи уреза (рис. 7.4).

Для расчетов распределения мутности на вертикалях береговой отмели А. В. Караушев [13, 15] предложил использовать метод, разработанный им применительно к русловым потокам, но с учетом действия волнения. Мутность в этом методе представлена в функции нескольких определяющих факторов: состава донных отложений, гидравлической крупности твердых частиц, скорости переносного течения, волновых орбитальных скоростей, глубины, степени шероховатости дна и др. Поскольку часть перечисленных факторов не может быть установлена для конкретных условий с большой точностью, рассчитанные значения мутности отличаются иногда от измеренных значений в несколько раз [227]. Такие расхождения представляются вполне приемлемыми для решения многих задач в случаях отсутствия данных натурных наблюдений, особенно с учетом того обстоятельства, что измеренные абсолютные значения средней мутности и характеристики распределения ее по вертикали нередко различаются в 1,5-2,0 раза и, следовательно, не позволяют надежно оценить погрешности расчетного метода.

(кликните для просмотра скана)

Достаточно надежные характеристики распределения мутности по вертикали для конкретных участков водоемов можно получить по данным натурных наблюдений. Этот вывод получила В. М. Клавен [83] на основании анализа имевшихся в ГГИ данным по мутности на нескольких участках различных водоемов.

По этим материалам определено относительная мутность на вертикали для трех различных по составу грунтов береговых отмелей (табл. 7.1). Анализу были подвергнуты данные измерений на вертикалях с глубиной преимущественно от 0,4 до и относительной глубиной от 0,3 до 0,8.

Таблица 7.1 (см. скан) Распределение по вертикали относительных осреднеииых значений мутиости при различном составе грунтов береговой отмели

Из данных табл. 7.1 видно, что пределы изменения осредненных значений мутности по вертикали на береговых отмелях, сложенных песчаными грунтами с включениями илистых частиц, меньше, чем на береговых отмелях, сложенных только разнозернистыми песками. Приведенной таблицей можно пользоваться для ориентировочной оценки распределения мутности по вертикали при решении некоторых инженерных задач.

Приближенное значение мутности на различных горизонтах вертикали можно вычислить также по предложенной в работе [144] формуле

где для береговых отмелей, сложенных песками; мутность, осредненная во времени и по вертикали; расстояние по вертикали от поверхности воды до расчетного горизонта; общая глубина вертикали.

Данные табл. 7.1 и формула (7.1) характеризуют распределение осредненных значений мутности воды по вертикали при

указанном составе донных грунтов в условиях разбивания на береговых отмелях ветровых волн преимущественно небольшой и средней высоты. При других условиях, как показывают данные натурных измерений и лабораторных исследований [187], возможны существенные изменения распределения мутности по вертикали.

Экспериментальными исследованиями взвешивания наносов под действием стоячих волн подтверждены результаты натурных наблюдений. Обнаружено, в частности, незначительное изменение мутности по вертикали при наличии в грунтах дна мелкозернистых частиц и весьма существенные изменения — в случаях, когда грунты дна представлены отсортированными крупно- и среднезернистымн песками. Эти эксперименты проводились в русловой лаборатории ГГИ в волновых лотках размерами при глубине 0,3 и соответственно. Высота волновых колебаний уровня в экспериментах задавалась от до [187]. В той части экспериментов, где преобладали донные частицы размером содержание мелкозернистых частиц крупностью составляло около в придонном слое (между линией дна и точкой сосредоточивалось примерно взвешенных частиц. Средняя мутность, приуроченная к горизонту превышала при этом поверхностную мутность в 8—15 раза и во столько же раз была меньше мутности в точке

Если в составе грунтов дна содержалось частиц крупностью то средняя мутиость превышала поверхностную мутность всего лишь в раза и была меньше мутности в точке примерно в 2 раза. Точка, соответствующая средней мутности, располагалась при этом на горизонте от поверхности воды.

Если содержание частиц крупностью менее в составе грунтов дна повышалось до то происходило дальнейшее выравнивание распределения мутности. Точка, соответствующая средней мутности, располагалась на горизонте Средняя мутность превышала поверхностную всего в раза и была в раза меньше мутности на горизонте

Перечисленные данные в качественном отношении удовлетворительно согласуются с данными по распределению взвешенных наносов на вертикалях прибрежной зоны моря, полученными с помощью батометров-накопителей [6].

Следует заметить также, что по данным натурных исследований [175, 227] обнаружено изменение распределения мутности по вертикали не только в результате изменения состава донных отложений и гидродинамических условий их взвешивания, но и в результате выноса мелкозернистых частиц потоком. На одном из участков Кременчугского водохранилища, в частности, за несколько часов действия шторма и вдольберегового течения, на илисто-глинистой поверхности дна береговой отмели формировался слой песчаных отложений, который защищал нижележащие

илистые грунты от волновых воздействий. В результате этого уменьшались абсолютные значения мутности и увеличивались градиенты мутности по вертикали. При лабораторных исследованиях аналогичное явление достигалось путем сброса воды, содержащей мелкозернистые взвешенные частицы, и подачи на экспериментальную установку осветленной воды.

Сведения о вертикальном распределении взвешенных наносов на береговых отмелях внутренних водоемов в отдельных случаях вполне удовлетворительно согласуются с данными наблюдений на береговых отмелях морей и, в частности, с данными, полученными Н. В. Пыховым [6], Р. Д. Косьяном [6, 7], О. В. Войцеховичем [29]. Последний из перечисленных авторов представил результаты исследований вертикального распределения мутности в северозападной части Черного моря экспоненциальной зависимостью следующего вида:

где мутность воды на горизонте от дна; эмпирический коэффициент, равный в условиях плавной трансформации волн на песчано-ракушечных береговых отмелях и около 0,5 при сосредоточенном разбивании волн.

Придонную мутность Войцехович рекомендует оценивать по зависимости, полученной им на основании обобщения материалов наблюдений Пыхова и Косьяна и представленной им в виде

где - коэффициент, равный медианный диаметр донных отложений, характерный диаметр, равный средняя длина трансформирующихся волн.

Для установления возможных погрешностей формул (7.2) и (7.3) при использовании их для расчетов мутности в береговой зоне внутренних водоемов, безусловно, потребуются дальнейшие сопоставления с имеющимися данными натурных измерений и специальных экспериментов.