авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

1

На правах рукописи

Соболь Илья Станиславович

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ОЦЕНКИ

ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ БЕРЕГОВ, ЛОЖА

И ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

РАВНИННЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ

В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.23.07 – Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара – 2015

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ

ВПО «Московский государственный универ-

ситет природообустройства»

Румянцев Игорь Семенович

доктор технических наук, ОАО «Институт

Гидропроект» (г. Москва), заместитель

начальника отдела водного хозяйства и

охраны окружающей среды

Асарин Александр Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ

ВПО «Донской государственный аграрный

университет» (г. Новочеркасск), профессор

кафедры гидротехнических сооружений и

строительной механики

Волосухин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, старший научный

сотрудник, ФГБУН «Институт

мерзлотоведения» Сибирского отделения

РАН (г. Якутск), главный научный сотрудник

лаборатории инженерной геокриологии

Чжан Рудольф Владимирович

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

2

Работа выполнена

в

Федеральном

государственном

бюджетном

образовательном

учреждении высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «29» октября 2015 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании

диссертационного

совета

Д 212.213.02 в ФГБОУ

ВПО

«Самарский

государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001,

г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

«Самарский

государственный

архитектурно-строительный

университет»

по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194 и на вебсайте

http://www.samgasu.ru/

Автореферат разослан «___» _________ 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент

А. А. Михасек

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы. По данным Международной комиссии по большим

плотинам в 2000 г. в мире насчитывалось более 45 тыс. водохранилищ. Прибли-

зительно 0,5 – 1 % их полного объема терялось ежегодно из-за накопления дон-

ных отложений. Это означает, что в ближайшие 25 – 50 лет четвертая часть за-

пасов воды в водохранилищах может быть потеряна. С учетом такой ситуации

на 24 –м конгрессе по большим плотинам (Япония, 2012 г.) была принята Все-

мирная Декларация «Роль водохранилищ в обеспечении устойчивого разви-

тия», содержащая призыв активнее развивать водную инфраструктуру, что

необходимо для устойчивого функционирования и быстрого роста экономик

всех стран. В России на 1986 г. насчитывалось 2263 водохранилища объемом

более 1 млн м3 каждое и их значение в экономике страны трудно переоценить.

Подавляющее большинство (96 %) российских водохранилищ относится к до-

линному типу, который доминирует и в других странах мира. Наибольшее ко-

личество водохранилищ – равнинные: в группе с объемом свыше 10 млн м3 – 88

%, с объемом 1 – 10 млн м3 – 93 %. При этом из 327 водохранилищ объемом

более 10 млн м3 242 расположены на европейской и 85 на азиатской террито-

рии, а из 1936 водохранилищ объемом 1 – 10 млн м3 1565 расположены на ев-

ропейской территории. К 2005 г. число водохранилищ в России возросло до

2290. Объектом диссертационного исследования определены равнинные до-

линные водохранилища. В виду предстоящего продвижения гидроэнергети-

ческого и водохозяйственного строительства на северо-восток страны, значи-

тельное внимание уделено водохранилищам в криолитозоне.

Основные морфометрические параметры водохранилищ представляются

кривыми объемов и площадей зеркала. Большинство российских водохранилищ

эксплуатируются с использованием проектных кривых, теряющих с течением

времени относительную первоначальную достоверность вследствие перефор-

мирования берегов и трансформации ложа. Проблема инженерной оценки

изменения со временем морфометрических параметров действующих и

перспективных водохранилищ в связи с прогнозированием изменения их об-

4

щей емкости, в т.ч. при разработке и реализации стратегии государственной

безопасности в направлениях водо – и энергообеспечения, корректированием

схем комплексного использования водных объектов, определением необходи-

мости отчуждения или защиты прибрежных территорий от вредного воздей-

ствия вод, обеспечением экологической безопасности в регионах, приобретает

практически важное значение для экономики России, как и других стран. Эта

научно-техническая проблема составила предмет диссертационного исследо-

вания.

Связь диссертационного исследования с научными программами. Ис-

следование, результаты которого явились основой диссертации, велось в соста-

ве: Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и

Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Наука,

инновации, подготовка кадров в строительстве» в 2002 – 2003 гг. по теме

02.04.029 «Разработка и совершенствование технических решений и техноло-

гий

строительства

инженерных

сооружений

в

северной

строительно-

климатической зоне»; Тематических планов НИР Федерального агентства по

образованию в 2002 – 2010 гг. по теме «Изучение, прогнозирование и регули-

рование процессов взаимодействия гидроузлов и водохранилищ с окружающей

средой в сложных природных условиях» (№№ гос. рег.01200203457;

01200503786; 01200703961; 01200902465); АВЦП «Развитие научного потенци-

ала высшей школы» по темам «Разработка научных основ и технологий защиты

урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и

негативных воздействий» в 2009 – 2011 гг. (№№ гос.рег. 01200902821;

01201152852), «Исследования процессов взаимодействия водохранилищ с ос-

нованиями и берегами в сложных природных условиях» в 2011 г. (№ гос.рег.

01201152861); Государственного задания Министерства образования и науки

РФ на 2012 – 2013 гг. по теме «Экспериментальные и теоретические исследова-

ния поведения водохранилищ и плотин энергетических гидроузлов на эксплуа-

тационной фазе жизненного цикла» (№ гос.рег. 01201256972); ФЦП «Возрож-

дение Волги» и российско-германского проекта «Волга-Рейн»; гранта Прави-

5

тельства Нижегородской области; договорных НИР практической направленно-

сти с АК «Алмазы России-Саха», Верхне-Волжским БВУ Федерального

агентства водных ресурсов МПР России, ОАО «Русгидро» и др; программы

докторантуры в 2010 – 2013 гг. по специальности 05.23.07 – Гидротехническое

строительство.

Цель и задачи диссертационной работы. На современном этапе решения

проблемы цель диссертации заключалась в формировании теоретических ос-

нов установления количественных закономерностей изменения морфометриче-

ских параметров равнинных водохранилищ европейской территории и северо-

востока России в эксплуатационный период, включая модификацию существу-

ющих и разработку новых методов прогноза переформирований берегов и ложа

на базе результатов многолетних натурных инструментальных наблюдений, для

развития научных исследований, обоснования инженерных решений проекти-

руемых и обеспечения мониторинга находящихся в эксплуатации объектов.

Для достижения поставленной цели в число основных были включены

следующие задачи:

1. на базе анализа фактических и эвристических знаний актуализировать

проблему инженерной оценки изменения морфометрических параметров водо-

хранилищ в период эксплуатации, обосновать ее практическую значимость для

экономики страны на предстоящие годы, необходимость проведения научных

исследований, систематизировать их направления и предложить методологи-

ческий подход к решению проблемы;

2. провести визуальные и инструментальные натурные наблюдения за аб-

разионными и термоабразионными берегами водохранилищ в средней полосе и

на северо-востоке страны, посредством системного анализа сопряженных в

пространстве и времени полученных новых данных и привлеченных материа-

лов прошлых лет выявить и уточнить наблюденные закономерности, сформи-

ровать унифицированный ряд инфологических моделей природно-техногенных

процессов берегопереформирований;

6

3. разработать математические модели, развить существующие и теорети-

чески обосновать новые методы расчетов переформирования абразионных бе-

регов водохранилищ средней полосы и термоабразионных берегов водохрани-

лищ криолитозоны для выполнения вариантных и перманентных постворовых

и поучастковых прогнозов на этапах проектирования и эксплуатации;

4. провести расчетно-теоретические исследования берегопереформиро-

ваний на действующих водохранилищах разработанными методами для их ве-

рификации, обоснования технической эффективности и в практических целях;

5. выполнить натурные и теоретические исследования трансформации со

временем подводного рельефа, включая системный анализ и обобщение мате-

риалов прошлых лет об осадконакоплении в водохранилищах, реализацию тех-

нологий съемки дна с воды и со льда, математическое моделирование оттаива-

ния и тепловой осадки ложа (в криолитозоне), уточнение морфометрических

параметров водохранилищ на базе создаваемых цифровых моделей рельефа;

6. осуществить формализацию закономерных связей между темпом из-

менения морфометрии водохранилищ и природными факторами с помощью

математических средств, предложить и разработать метод синтеза динамиче-

ской модели процесса, выявить и теоретически обосновать общие количествен-

ные закономерности изменения с возрастом морфометрических параметров во-

дохранилищ средней полосы и криолитозоны России;

7. обеспечить решение поставленных теоретических задач на ЭВМ.

Методология и методы исследования. Проблема оценки изменения мор-

фометрических параметров водохранилищ в период их эксплуатации рассмот-

рена в диссертации с позиций гидротехники с использованием представлений

системного анализа, инженерной геологии, механики грунтов, гидрологии, гид-

ромеханики, теплофизики, элементов статистики и математического моделиро-

вания.

Для решения проблемы избран следующий методологический подход: пу-

тем анализа разрешить теоретические вопросы при исследовании основных

процессов, приводящих к изменению со временем морфометрических парамет-

7

ров водохранилищ, а для выявления общих закономерностей динамики послед-

них применить синтез; при этом в базу анализа положить результаты натурных

наблюдений и измерений, многофакторное математическое моделирование и

прогнозирование трансформации берегов и ложа водохранилищ, в базу синтеза

– систематизированные количественные данные об изменении морфометриче-

ских параметров водохранилищ средней полосы и криолитозоны России, полу-

ченные в результате анализа.

При ограниченной доступности и высокой стоимости экспедиционных

работ и стационарных наблюдений на водохранилищах, в качестве эффектив-

ного и малозатратного способа оценки и контроля активности рассматриваемых

процессов применено прогнозное моделирование. Разовый прогноз признан

анахронизмом, а наиболее приемлемыми для современной практики – вариант-

ный прогноз (при проектировании водохранилищ) и перманентный прогноз

(при эксплуатации). Основным средством прогноза приняты детерминирован-

ные виртуальные модели. Такие модели включают в себя: геометрическую, ин-

женерно-геологическую, гидрологическую, температурную (в криолитозоне)

модели расчетной области; инфологическую и имитационную математическую

модели процесса; программу для ЭВМ, реализующую математическую модель.

Трансформация чаш водохранилищ – процесс многофакторный, при этом часть

факторов (волнение, уровень воды, температурные условия и др.) обнаруживает

стохастическую природу, что учтено путем создания вероятностных моделей.

Адекватность прогнозных моделей рассматриваемым процессам могла

быть оценена только эмпирически. Для этого использованы результаты прове-

денных исследований на действующих водохранилищах. Сходимость прогноз-

ных величин с фактическими считалась хорошей, когда относительная ошибка

не превышала 10–20 %, удовлетворительной – 20–50 %.

Направленность, количественные характеристики исследованных процес-

сов выявлены и продемонстрированы на примерах конкретных водохранилищ в

соответствии с их классификацией по размерам и расположением в природно-

климатических зонах страны.

8

Научная новизна работы заключается в полученных результатах, сово-

купность которых представляет собой актуализацию, первое теоретическое

обобщение и решение на уровне современных знаний научно-технической про-

блемы, имеющей важное значение для гидротехнического строительства и вод-

ного хозяйства страны. В частности:

1. посредством восстановленных натурных наблюдений по сохранившимся

створам с привлечением материалов прошлых лет впервые получены количе-

ственные характеристики переформирований абразионных и термоабразионных

берегов больших и малых водохранилищ за весь многолетний период их экс-

плуатации, также новые данные о размываемости пород береговых склонов;

2. по результатам многолетних натурных наблюдений генерирован ряд

инфологических моделей, на базе энергетического подхода разработаны мно-

гофакторные детерминированные прогнозные математические модели для ана-

лиза переформирования берегов абразионной и термоабразионной генетиче-

ских групп на водохранилищах средней полосы и криолитозоны;

3. сформулирован и разработан адаптивный (вероятностный) метод экс-

траполяции многолетних рядов наблюдений и прогнозирования количествен-

ных характеристик береговой абразии и термоабразии;

4. в части научно-прикладных основ оценки изменения морфометрических

параметров водохранилищ вследствие осадконакопления разработаны и осу-

ществлены технологии съемок дна с воды и со льда посредством автоматизиро-

ванных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ с созданием цифровых

моделей донного рельефа;

5. в части теоретических основ оценки изменения со временем морфомет-

рических параметров водохранилищ криолитозоны разработаны оригинальные

многофакторные детерминированные прогнозные математические модели для

анализа температурного режима основания и бортов водохранилищ с учетом

тепловой осадки оттаявших пород;

6. для выявления закономерных связей между темпом изменения морфо-

метрических параметров водохранилищ и природными факторами предложен и

9

разработан метод синтеза динамических моделей процессов по измеренным ха-

рактеристикам неоднородных объектов, дано теоретическое обоснование с про-

веркой в натурных условиях необходимости учета фрактальных свойств бере-

говой линии при измерении ее длины и площади зеркала водохранилищ;

7. из результатов аналитического обобщения авторских и привлеченных

количественных натурных данных впервые синтезированы общие закономер-

ности изменения объема, площади зеркала и длины береговой линии больших и

малых водохранилищ средней полосы и криолитозоны России в период их мно-

голетней эксплуатации.

Достоверность научных результатов обеспечена применением передо-

вых технологий и сертифицированного оборудования в натурных исследовани-

ях, правомерностью формализации рассмотренных процессов, многократно

подтвержденной хорошей сходимостью данных математического моделирова-

ния с натурными данными за периоды многолетней эксплуатации водохрани-

лищ, репрезентативностью статистических выборок при синтезе общих законо-

мерностей, отсутствием противоречий с признанными научными положениями.

Личный вклад автора выразился в постановке проблемы, формулирова-

нии методологических основ ее решения, планировании, организации и осу-

ществлении натурных экспедиционных исследований с обработкой полученных

данных, создании методов и алгоритмов расчетов поставленных задач, анализе

и обобщении полученных результатов, доведении научных разработок до прак-

тического использования. В начала теории автора ввел д.т.н., профессор С.В.

Соболь, в экспедициях, обработке результатов, расчетных исследованиях

участвовали аспиранты Д.Н. Хохлов, В.М. Красильников, А.С. Крупинов, Е.А.

Гнетов, эффективную поддержку в вопросах программирования для ЭВМ ока-

зали к.т.н., доценты Е.Н. Горохов, В.И. Логинов, стимулирующее внимание к

работе проявил научный консультант автора в докторантуре д.т.н., профессор

И.С. Румянцев. Всем им автор искренне благодарен.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что

выявленные общие закономерности дают объективное представление о дина-

10

мике процессов переформирования берегов, ложа и изменения морфометриче-

ских параметров равнинных российских водохранилищ в эксплуатационный

период, а предложенные методы предназначены для выполнения научно обос-

нованных прогнозов этих процессов при разработке проектных решений по во-

дохранилищам гидроузлов, организации их эффективной эксплуатации и ре-

конструкции, а также могут быть использованы в научно-исследовательской и

инженерно-педагогической деятельности.

С использованием разработанных методов и технологий выполнены про-

гнозы берегопереработки, созданы цифровые модели донного рельефа, уточне-

ны морфометрические параметры Рыбинского, Горьковского, Вилюйского во-

дохранилищ – в целях мониторинга, Чебоксарского – в проекте завершения

строительства с повышением уровня до НПУ, Пензенского – при разработке

СКИОВО, осуществлен ряд проектов берегоукреплений на больших водохра-

нилищах и проектов малых водохранилищ. Результаты диссертационной рабо-

ты включены в учебный процесс ННГАСУ и других вузов.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования обсуж-

дались и были одобрены на научном семинаре «Инженерно-геологическое изу-

чение термокарстовых процессов и методы управления ими при строительстве

и эксплуатации сооружений». – С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева,

1998; международном симпозиуме «Геологические проблемы строительства на

востоке России и севере Китая». – Чита, 1998; проскуряковских чтениях «Про-

блемы гидрофизики при проектировании, строительстве и эксплуатации объек-

тов энергетики». – С.-Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2001; междуна-

родном симпозиуме по строительству на вечной мерзлоте. – Якутск: ИМ СО

РАН, 2002; международном семинаре «Волга-Рейн: технологии и окружающая

среда». – Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2002; научно-практической

конференции по результатам реализации Межотраслевой программы Мини-

стерства образования и Федеральной службы специального строительства РФ

по направлению «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве». –

Москва: МГСУ, 2003; международной научной конференции «Костяковские

11

чтения». – Москва: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2005; научно-практической

конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» –

Кемерово, 2006; первом международном ноосферном северном форуме «Но-

осферизм: арктический взгляд на устойчивое развитие России и человечества в

XXI веке». – С.-Петербург, 2007; международной научно-практической конфе-

ренции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов». – Пермь,

2009; всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию

НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск, 2010; IX и X международных симпозиумах

«Проблемы инженерного мерлотоведения». – Мирный, 2011 и Харбин, 2014; V

российском форуме «Российским инновациям – российский капитал». –

Н.Новгород, 2012; международном форуме по проблемам науки, техники и об-

разования. – Москва, 2012; научных конгрессах международного научно-

промышленного форума «Великие реки». – Н. Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008,

2012; VII всероссийском гидрологическом съезде. – С. –Петербург, 2013.

Публикации. Материалы диссертации размещены в 65 публикациях, в том

числе 28 статьях в научных журналах, рекомендуемых ВАК, текстах одной ав-

торской и четырех коллективных монографий. Получены три свидетельства о

государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6

глав, заключения, списка использованных источников в 478 наименований, из-

ложена на 467 страницах, включая 187 рисунков, 67 таблиц, 52 страницы при-

ложений.

Положения, выносимые на защиту:

1. результаты проведенных под руководством и при участии автора

инструментальных натурных наблюдений переформирования абразионных и

термоабразионных берегов эксплуатируемых водохранилищ;

2. разработанные математические модели, методы и результаты прогнозов

переформирования абразионных и термоабразионных берегов водохранилищ;

12

3. реализованные технологии натурной оценки и разработанные математи-

ческие модели трансформации донного рельефа водохранилищ вследствие

накопления наносов и тепловой осадки ложа (в криолитозоне);

4. результаты аналитических обобщений количественных натурных и рас-

четных данных и синтезированные общие закономерности изменения объемов,

площадей зеркала, длин береговых линий больших и малых водохранилищ

средней полосы и криолитозоны России в период многолетней эксплуатации.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и за-

дачи работы, методология исследования, показаны научная новизна, достовер-

ность, практическая значимость полученных результатов, приведены положе-

ния, выносимые на защиту.

В первой главе показано приоритетное значение водохранилищ для обес-

печения водными ресурсами населения и экономики России, в том числе на се-

веро-востоке в области вечной мерзлоты. Обоснована необходимость инженер-

ной оценки изменения в период эксплуатации морфометрических параметров

действующих и перспективных равнинных водохранилищ – как решения науч-

ной проблемы, приобретающей важное значение в техническом, экономиче-

ском, социальном, экологическом аспектах для водного хозяйства России, как и

других стран. Количественным анализом значимости выявлено, что определя-

ющими изменение основных морфометрических параметров водохранилищ яв-

ляются процессы переформирования берегов абразионной (термоабразионной)

генетических групп и трансформации ложа вследствие накопления наносов или

тепловой осадки (в криолитозоне):

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

в

o

o

Б

в, = о в ± ∆ Б в,, в, = о в ± ∆ Б в,,

(1)

в, = в - в, + ос в, (2)

где F, L, W – площадь зеркала, длина береговой линии и объем чаши, зависящие

от уровня водохранилища Z и времени его эксплуатации t ; F , о W – то же в

момент начала нормальной эксплуатации; F , ∆ Б – то же, зависящие от пере-

13

формирования берегов; W – объем аккумуляции наносов и продуктов разру-

шения берегов в водохранилище; W – объем тепловой осадки ложа водохра-

нилища (в криолитозоне). Значения F (Z, t), ∆ Б в,, W (Z , t), W (Z , t)

определяются в результате натурных наблюдений и прогнозных расчетов. В со-

ответствии с данной формулировкой было решено провести исследование обо-

значенной проблемы.

Через аналитический обзор публикаций отечественных и иностранных ис-

следователей сформировано представление о научно-техническом состоянии

проблемы.

Различные аспекты поведения водохранилищ освещались в трудах А.Б.

Авакяна, А.Е. Асарина, Н.И. Алексеевского, Н.В. Арефьева, М.И. Бальзаннико-

ва, А.Н. Богомолова, Ю.С. Васильева, С.Л. Вендрова, В.В. Волосухина, В.К.

Дебольского, В.В. Дегтярева, Д.В. Козлова, Л.Н. Рассказова, К.И. Россинского,

И.С. Румянцева, А.М. Черняева, К.К. Эдельштейна и др. Изучение береговых

процессов на водохранилищах в нашей стране связано с именами: Е.Г. Качугин,

Н.Е. Кондратьев, Е.К. Гречищев, Б.А. Пышкин, Л.Б. Иконников, В.Л. Мак-

симчук (энергетические методы прогнозов абразии), Г.С. Золотарев Л.Б. Розов-

ский, Д.П. Финаров (сравнительно-геологические методы), В.К. Епишин, В.Н.

Экзарьян, Е.В. Коломенский, А.Л. Рагозин (вероятностные методы), Д.Д. Лап-

по, А.Ш. Хабидов, И.О. Леонтьев (численно-аналитические методы), С.В. То-

мирдиаро, Ю.Л. Шур, В.М. Гуревич, А.И. Ермолаев, Ф.Э. Арэ, Е.С. Гоголев,

Р.В. Чжан, С.В. Соболь, А.А. Каган, Н.Ф. Кривоногова (берега водоемов крио-

литозоны). Осадконакопление в чашах водохранилищ исследовали И.С. Румян-

цев, В.П. Курдин, Н.В. Буторин, Н.А. Зиминова, В.В. Законнов (на р. Волге),

Ю.М. Матарзин (на р. Каме), В.А. Клюева (на р. Дону), А.И. Денисова (на р.

Днепре), В.М. Широков (на реках Сибири) и др. Работы по расчетам темпера-

турного режима в основаниях водоемов криолитозоны публиковали П.А. Бого-

словский, С.В. Соболь, А.К. Битюрин, А.В. Янченко, А.В. Февралев, В.Т. Бало-

баев, А.М. Цыбин, Ю.Г. Шасткевич, Г.М. Фельдман, Т.С. Оникиенко, В.Б. Гла-

говский, Р.В. Чжан. Большинство названных российских ученых вели исследо-

(

)

а

ос

Б

в

a

в

oc

в

14

вания в 1960 – 1980-е гг. В начале 2000 –х гг. были выполнены работы по уточ-

нению морфометрических параметров нескольких волжских и камских водо-

хранилищ, инициированные ННГАСУ в 1998 г. для Чебоксарского водохрани-

лища в российско-германском проекте « Волга-Рейн». Работы специалистов

других стран по береговой динамике касались исключительно морей, а для во-

дохранилищ известны работы по их заилению.

Выполненный обзор позволил резюмировать, что в прежние годы учеными

России велись плодотворные исследования переформирования берегов и осад-

кообразования в водохранилищах. Не подлежит сомнению, что достижения пи-

онеров моделирования развития берегов водохранилищ явились значительны-

ми, однако задачу количественного описания береговой динамики нельзя счи-

тать ими решенной. Основоположники изучения осадкообразования в водохра-

нилищах подготовили методологическую основу натурных исследований этого

процесса, но вопросы трансформации ложа равнинных водохранилищ остались

за пределами их научных изысканий. Авторы единичных работ только затрону-

ли вопрос о трансформации ложа водохранилищ криолитозоны. При этом в

теории прежних лет не обнаружилось методик, способных формализовать не-

тривиальные связи системы «вода – берега и ложе водоема» с изменением мор-

фометрических параметров водохранилищ во времени. Комплексная проблема

исследования изменения морфометрических параметров водохранилищ в экс-

плуатационный период как таковая не ставилась. Ввиду научно-теоретической

и практической значимости для гидротехнического строительства и экономики

страны, назрела необходимость развития и обобщения исследований по про-

блеме, ее научного освоения и инженерного решения на современном уровне

знаний, что и предпринято в диссертации.

В второй главе рассмотрено переформирование берегов как составная

часть общего процесса развития котловин равнинных водохранилищ европей-

ской территории России в направлении изменения площадей зеркала при мно-

голетней нормальной эксплуатации.

В 2007 – 2012 гг. были проведены рекогносцировочные обследования

15

берегов 16 водохранилищ на реках Свири, Сухоне, Шексне, Волге, Суре, Каме,

Дону, в результате, с привлечением материалов прошлых лет, конкретизирова-

ны постулированные в 1970 –х гг. и выявлены новые качественные закономер-

ности их эволюции, проявившиеся за многолетний период; в частности показа-

но, что протяженные участки берегов водохранилищ, заполненных в 1940 –

1970 –х гг., до сих пор подвержены неравномерно –замедленному процессу аб-

разии с признаками стадии динамического равновесия во многих местах; в ито-

ге сформулирована инфологическая модель абразии берегов больших (100

км2) равнинных водохранилищ, крупноагрегатированная по ее годовым (се-

зонным) циклам.

Многими исследователями, в их числе автором, была подтверждена пря-

мопропорциональная зависимость между энергией воздействующего на берег

волнения Е и объемом берегопереработки W в энергетическом методе Е.Г. Ка-

чугина. На базе его идеи и основы, воспроизводящей закон сохранения и пре-

вращения энергии, в согласии с инфологической моделью нами разработана де-

терминированная двумерная математическая модель переформирования абра-

зионного берега водохранилища. Посредством авторской программы «Берега»

модель поставлена на ЭВМ для выполнения вариантных постворовых прогно-

зов на заданный срок (t

t) или до затухания абразии после образования

волноустойчивой отмели с заданным уклоном. Параметры абразии, при извест-

ных коэффициентах размываемости пород берега К и аккумуляции продуктов

размыва К, находятся с помощью итераций, когда циклично повторяются про-

цедуры: построения профиля берега с координатами верхнего и нижнего кон-

цов отмели в(t), в и н(t), н; определения объемов разрушенного W (t) и ак-

кумулированного в отмели W (t) грунта на 1 пог. м берега как площадей много-

угольников

W(t) =

(3)

(4)

с номерами вершин к от 1 до n; оценки времени выработки профиля

t = [ р( )/Е ∙ Кб( ) ∙ Кр]в( ) ;

пред

р

а

р

а

|∑ ( + ) ∙ ( - )

|

(5)

(6)

по данным обучающей выборки строится набор аппроксимирующих трендов

(7)

с вычислением нормированных весовых коэффициентов W (t) каждого из них,

затем выводится средневзвешенное выражение модельного временного ряда

(8)

после чего оценивается относительная ошибка моделирования. В случае каче-

ственного моделирования формируется адаптивный прогноз на срок t в виде

средневзвешенного выражения экстраполированных значений ряда

(9)

б

16

проверки условия Ка(t) = W (t)/W (t) ≥ К для остановки расчета. При этом, в

отличие от метода Е.Г. Качугина, в нашей модели переменные величины коэф-

фициента учета высоты берега К (t) и показателя снижения интенсивности аб-

разии b(t) в (4) не задаются приблизительно, а определяются точно в ходе рас-

чета. В модель также включен разработанный алгоритм расчета энергии волне-

ния Е, воздействующей на берег, и предусмотрена возможность учета колеба-

ний уровня водохранилища.

При значительной продолжительности инструментальных наблюдений за

берегом и зафиксированной однонаправленностью берегового процесса воз-

можно вероятностное моделирование абразии. Для этого предложен и разрабо-

тан адаптивный (вероятностный) метод. В основу метода положена идея учета

множества экспертных заключений в виде гипотетических трендов динамики

процесса. Структура модели имеет вид y = f(t), где y – вектор характеристик

процесса (отступание бровки берега, объем размытой породы, ширина берего-

вой отмели и т.д.), t – время, f - некоторая функция. Из наблюденных величин

составляется временной ряд, который равномерно (t=1) табулируется на вре-

а

р

а

( )

Φ, … … …, Φℓ( )

( )

∑ℓ

( )

( )

j

=

∙ Φ ,

р

(

)

∑ ∗ + .

j

(

)

∗ + =

Механизм использования весовых коэффициентов W (t) и адаптация (самопри-

менном интервале от t до t до вида

( ) (

)

(

)

( )

разбивается на 2 части: обучающую и экзаменационную выборки

( )

( )

(

)

( )

1

n

, + 1, … … … +, … … … ,

, … … …,, при ; + 1, … … …, ,

17

способление) к мнению «экспертов» на интервале экзаменационной выборки

( + ) ≤ позволяют достичь наилучшей экстраполяции данных за пре-

делы ( + ) обучающей выборки. Расчет ведется на ЭВМ по составленной

программе. Метод доступен для перманентного прогноза.

В 2009 – 2011 гг. автором были организованы и проведены с аспирантами

измерения профилей абразионных берегов на Горьковском (13 створов на 4

участках) и Чебоксарском (44 створа на 25 участках) водохранилищах сопря-

женно с привлеченными материалами наблюдений соответственно за 1957 –

1985 гг. и 1981 – 1986 гг., в результате впервые получены количественные ха-

рактеристики берегопереформирований за весь многолетний период эксплуата-

ции больших равнинных водохранилищ. Так, на участке №1 левого берега

озерной части Горьковского водохранилища (рисунок 1) за 1957 – 2010 гг сред-

няя скорость отступания бровки берегового обрыва составила 1,1 м/год (рису-

нок 2). Получены, также, новые данные о размываемости пород береговых

склонов в диапазоне К = (0,665 – 0,009)10-6 м3/Дж для использования в про-

гнозах берегопереработки.

Измерения профилей абразионных берегов Горьковского и Чебоксарского

водохранилищ были выполнены средствами высокоточной геодезии с коорди-

натной привязкой через GNSS, поэтому их результаты достоверны. По натур-

ным данным проведена верификация энергетического метода, показавшая от-

носительную погрешность расчетов по объему размытого грунта в створах бе-

регов за 30 – 53 года эксплуатации водохранилищ 11,8 – 1,7 %, по отступанию

бровки берегов 0,3 – 0,7 %. Данные энергетического и адаптивного поучастко-

вых прогнозов на Горьковском водохранилище за период от 2010 г. до 2020 г.

разошлись по величине отступания бровки берегов на 0,9 %, по средней скоро-

сти отступания на 14,0 %. Это вполне приемлемые результаты, гарантирующие

относительную достоверность расчетных прогнозов обоими разработанными

методами.

р

18

а

б

в

Наблюденные параметры абразии на осень 2010 г.: смещение бровки берегового обрыва от

первоначального уреза НПУ – 52,8 м; высота берегового обрыва над НПУ – 13,9 м; ширина

береговой отмели – 79 м, в т.ч. абразионной / аккумулятивной частей – 42 / 37 м; объем разрушения берега – 422

м3/ пог.м; объем аккумуляции разрушенного грунта – 313 м3/ пог.м; коэффициент аккумуляции – 0,74; средний

уклон береговой отмели – 0,02; скорость отступания бровки берега за 2009 / 2010 г. – 0,5 м/год; средняя скорость

отступания бровки берега за 1957 – 2010 гг. – 0,99 м/год.

Рисунок 1 – Результаты инструментальных наблюдений абразии левого берега озерной части

Горьковского водохранилища на участке №1 в створе № 6 ГМО:

а – схема расположения створов (космический снимок 2007 г.); б – общий вид берега (2009 г.);

в – профили берега и параметры абразии в створе № 6 ГМО;

19

Рисунок 2 – Графики наблюденного отступания бровки абразионного берега Горьковского

водохранилища в створах на участке №1, кривая адаптивной экстраполяции

данных наблюдений за 1957 – 2010 гг. и адаптивного прогноза до 2030 г.

Энергетическая и адаптивная модели задействовались нами в мониторин-

говых исследованиях абразионных берегов по створам и участкам Горьковско-

го и Чебоксарского водохранилищ.

На Горьковском водохранилище при становлении надводных береговых

уступов и абразионно-аккумулятивных отмелей начинают преобладать невол-

новые денудационные и аккумулятивные процессы. Средняя интенсивность

линейной берегопереработки за 1957 – 2010 гг. составила от 0,7 до 1,3 м/год,

уменьшившись к 2009/2010 гг. до 0,2 – 1,0 м/год с приближением уклонов от-

мелей (в песках 0,01 – 0,04, в глинах 0,01 – 0,07) к волноустойчивым. Прогноз

(см. рисунок 2) показал, что на предстоящее десятилетие можно ожидать пере-

формирование абразионных берегов со средней интенсивностью 0,22 – 0,88

м/год и с риском потери земель в береговой зоне 12,6 – 50,4 га/год, что суще-

ственно меньше публикующихся величин (200 га/год).

На Чебоксарском водохранилище за период его эксплуатации с 1981 г. по

2011 г. при ВПУ 63,0 м БС средние наблюденные скорости отступания бровки

абразионных берегов равнялись 0,2 – 1,2 м/год. После подъема уровня до НПУ

= 68,0 м абразия усилится (рисунок 3). Средние скорости отступания бровки

обрыва в пермских породах (на правобережье) могут составить в первые 10 лет

20

2,5 – 1,4 м/год против 0,7 – 0,79 м/год при уровне 63,0 м. Размыв песчаных бе-

регов (на левобережье) будет иметь более высокие скорости: в первое десяти-

летие 2,3 – 2,8 м/год при НПУ против 0,45 – 0,78 м/год при ВПУ.

а

б

в

Рисунок 3 – Общий вид (а), наблюденные и прогнозные профили левого абразионного берега

Чебоксарского водохранилища в створе № 9 у с. Юрино

при отметках ВПУ = 63,0 м (б) и НПУ = 68,0 м (в)

Риск потери земель за первое десятилетие дальнейшей эксплуатации водохра-

нилища при существующем ВПУ составит 99 – 176 га (0,09 – 0,16 % к площади

затопления), а при НПУ 520 – 1120 га (0,24 – 0,52 %). Потери земель в берего-

вой зоне Чебоксарского водохранилища в процентном отношении к площади

затопленных земель существенно меньше, чем в среднем по Волжско-

Камскому каскаду (1,59 – 2,03 % на середину 1990-х гг.).

21

В 1999 – 2012 гг. автором проведена фиксация размеров переработки на

абразионных участках берегов 18 малых и средних (100 км2) равнинных водо-

хранилищ европейской части страны (в основном 1930 – 1960 –х гг. постройки).

По полученной выборке из 54 объектов (с учетом привлеченных данных 1960 –

1980 –х гг.) синтезирована общая количественная закономерность величины

отступания бровки берегов в зависимости от возраста водохранилищ, аналити-

чески подтвердившая предположение об их ускоренном – за 20 – 25 лет – до-

стижении стадии динамического равновесия.

Третья глава посвящена анализу естественной перестройки донного рель-

ефа за счет отложения наносов и продуктов переработки берегов в процессе

развития котловин равнинных водохранилищ европейской территории России в

связи с оценкой изменения морфометрических показателей.

По материалам 1955 – 1980 гг. и до 2005 г. об осадкообразовании в волж-

ских, камских, донских, днепровских водохранилищах, в т.ч. работам автора в

этом направлении, в диссертации обобщены тенденции осадконакопления, при-

водящие к трансформации донного рельефа.

Разработаны технологии съемок донного рельефа и изысканий мощностей

отложений с воды, также со льда, посредством автоматизированных эхолотных

промерных комплексов ННГАСУ, создания цифровых моделей донного релье-

фа в составе ГИС «Морфометрия водохранилища», определения на базе ЦМР

современных морфометрических параметров, в сравнении с проектными пара-

метрами отражающих произошедшие изменения за период эксплуатации.

Организованными и проведенными экспедиционными изысканиями и со-

зданием ЦМР в 2009 – 2011 гг. охвачены 3 больших водохранилища на р. Волге

– Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское. На этих объектах детально отработа-

ны процедуры подготовки картографических материалов и данных дистанци-

онного зондирования Земли, проведения полевого маршрута вдоль береговой

линии, промерных работ, обработки результатов промеров, совмещения полу-

ченных данных в пространстве и времени, построения ЦМР, определения на их

22

базе морфометрических параметров водохранилищ (рисунок 4) и описаны в

диссертации с рекомендациями по оптимальному осуществлению.

а

Характеристики

Проектные

По ЦМР, 2010 г.

НПУ / УМО, м БС

102,0 / 97,1

102,0 / 97,1

Длина по судовому ходу р. Шексны, км

329

285

Площадь зеркала, км2

4550 (100 %)

4545,5 (99,9 %)

Наибольшая ширина, км

72

Наибольшая / средняя глубина, м

23,2 / 5,58

20,5 / 5,45

Полный объем, млн м3

25420 (100 %)

24767 (97,4 %)

Полезный объем, млн м3

16670 (100 %)

16657 (99,9 %)

Мертвый объем, млн м3

8750 (100%)

8110 (92,6 %)

Рисунок 4 – Цифровая модель рельефа (слева – в виде растра высот, справа – в трехмерном

представлении), проектные и уточненные морфометрические характеристики Рыбинского

водохранилища

23

По названным водохранилищам выявлена согласованность сторонних

данных об объемах осадконакопления и полученных из ЦМР данных об

уменьшении полных объемов соответственно за 69, 44 и 25 лет эксплуатации.

По Горьковскому водохранилищу выявлена, также, 10 % сходимость в длине

береговой линии, вычисленной по нашей ЦМР 2010 г. и определенной ОАО

«Кировводпроект» в 2011 – 2013 гг.. Это позволило утверждать, что созданные

ЦМР в целом адекватно отразили современный рельеф чаш водохранилищ, хо-

тя моделирование уреза НПУ в условиях зарастающих мелководий оставляет

желать лучшего.

На примерах исследованных волжских водохранилищ нашла объективное

количественное подтверждение тенденция уменьшения полных объемов за пе-

риод эксплуатации: от 0,6 % на Чебоксарском за 25 лет до 2,5 % на Рыбинском

за 69 лет. Вместе с этим впервые было обнаружено не предполагавшееся пред-

шественниками уменьшение площадей водного зеркала при НПУ: от 0,1 % на

Рыбинском до 5,9 % за 54 года на Горьковском водохранилище.

Известно, что проблема занесения и заиления в России, как и по всему ми-

ру, наиболее актуальна для водохранилищ малого объема. За 1995 – 2008 гг.

экспедициями кафедры гидротехнических сооружений ННГАСУ при участии, а

затем под руководством автора, проведены натурные изыскания количества

донных отложений в 37 малых водохранилищах и прудах бассейна р. Волги. За

периоды их эксплуатации от 243 (Воткинское) до 27 (Пензенское) лет потери

полных объемов составили от 8,25 % (Пензенское) до 36,0 % (Досчатинское за

200 лет). Наименьшая интенсивность процесса (0,043 %/год) была зафиксиро-

вана на Ижевском водохранилище, а наибольшая (0,68 %/год) – на водохрани-

лище «Борок» в Нижегородской области в зависимости от условий на водосбо-

рах.

Охарактеризованные работы автора составили научно-прикладные основы

оценки изменения морфометрических параметров водохранилищ вследствие

осадконакопления.

24

Четвертой главой в диссертации осуществлен переход к рассмотрению

процессов, вызывающих изменение со временем морфометрических парамет-

ров водохранилищ криолитозоны, а именно – к анализу переформирования

мерзлых берегов.

Предварительно смоделирована типичная картина температурного режима

и деградации мерзлоты в береговом массиве большого (Вилюйского) водохра-

нилища, показавшая, что при мощности мерзлоты более 300 м процесс растя-

нется на столетия, берегопереформирование будет происходить на фоне темпе-

ратурно-криогенных изменений.

По результатам проведенных в 2005 – 2006 и 2011 гг. рекогносцировочных

обследований участков береговых зон водохранилищ Усть-Хантайского, Ви-

люйского, Светлинского, Иреляхского, Сытыканского, на реках Марха, Ойуур-

Юреге, Уэся-Лиендокит и др. гидроузлов, системного анализа опубликованных

материалов прошлых лет, автором уточнены известные и выявлены новые ка-

чественные закономерности эволюции мерзлых берегов в течение многолетней

эксплуатации водохранилищ, генерированы инфологические модели перефор-

мирований берегов термоабразионного, термокарстового, термоденудационно-

го типов, агрегатированные по формализованным циклам процессов, которые

своей продолжительностью могут отличаться (при термоабразии) или совпа-

дать (при термокарсте, термоденудации) с годовыми (зима – лето) природными

циклами.

В основу математического описания термоабразионных берегопереформи-

рований поставлено поддерживаемое автором принципиальное положение о

том, что процессы деструкции происходят под воздействием тепловой и меха-

нической энергии воды, причем размыву мерзлых пород берегов должно пред-

шествовать их оттаивание. Согласно инфологическим моделям, на базе энерге-

тического подхода с учетом теплового влияния воды водохранилищ на мерзлые

берега, задаваемого известными уравнениями, разработаны детерминирован-

ные математические модели для выполнения с помощью модулей авторской

программы «Берега» вариантных постворовых прогнозов переработки берегов

уступа

ни ни

ни

мг ∙

где ни( ни)

- тг

л

глубина

25

термоабразионного и термокарстового типов на заданные сроки, гипотетиче-

ская модель их предельного переформирования для экстремальных оценок, ме-

тодика аналитической оценки термоденудационного уполаживания берегового

уступа после затухания термоабразии.

Так, в энергетической модели переформирования термоабразионного бере-

га на заданный срок реализован алгоритм построения в заданном створе бере-

говых профилей при прохождении циклов термоабразии, включающих:

– выработку термоабразионной ниши в подножии мерзлого берегового

ниши,

ни– время выработки ниши,

ни ≥ 0; – время от момента начала переформирования берега; н, ф, в(t) –

начальная температура мерзлого берега, фазовых превращений льда в грунте,

воды; л , мг, тг, мг – удельное тепло таяния, коэффициенты теплопровод-

ности и температуропроводности мерзлого (мг) и талого (тг) грунта; – тол-

щина слоя оттаявшего грунта, удерживающегося на поверхности уступа;

коэффициент теплообмена, осредненный на период цикла термоабразии, явля-

ющийся регулятором передачи тепловой энергии от воды к берегу

=

0,48 ( ), ∙

,

(11)

ℓ( )

( )

тельность периода волнения и безледоставного сезона; ,, – коэффициенты

теплопроводности, кинематической вязкости, температуропроводности воды в

– скорость омывания берега волнами;

– обрушение массива берега, нависшего над нишей в виде карниза объе-

мом ( ни), по условию ( ни) ≥ , где макс и р – растягивающее

напряжение в заделке карниза и сопротивление мерзлого грунта берега разры-

ву;

(

)

=

( )

( )

∙ тг

∙ ф в

( )

ни 0 = ;

,

(10)

н ф

√ ∙

∙ ни

мг

( )

( )

( )

здесь волн –коэффициент теплообмена при волнении; t

и Т – продолжи-

зависимости от температуры; ( ) – длина омываемой волнами части отмели; V

р

( )

волн( )∙ волн

волн

(12)

оттаяв-

26

– оттаивание обрушившегося массива грунта ( ни) водой за время отт и

размыв оттаявшего грунта рк( рк) за время t по уравнению, определяющему

роль механической энергии волнения в процессе термоабразии

Оттаиванием и размывом обрушившегося массива грунта, являвшегося препят-

ствием для доступа волн к подножию берегового уступа, заканчивается цикл

термоабразии, продолжительностью - = ни + отт

в наиболее общем

случае при t

t. Без перерыва на зимы происходит оттаивание основания

на глубину Д с осадкой дна водохранилища ( д)

- тг

√ ∙

где t 0; Д 0 = 0; s(0) =0; – относительная осадка оттаявшего слоя грунта.

С учетом оседания дна согласно балансу объемов размытого и аккумули-

мг ∙

н ф

(13)

(14)

при его льдистости , пористости n и коэффициенте аккумуляции К , строится

профиль берега в рассматриваемом створе с отмелью, поверхность которой ап-

проксимируется прямой линией в пределах размывающего действия волн.

Комплекс вышеназванных моделей в подобной разработке ранее не был

представлен в известных автору публикациях ни отечественных, ни зарубеж-

ных исследователей берегов водохранилищ криолитозоны.

В 2011г. автором проведены измерения профилей термоабразионных бере-

гов Вилюйского водохранилища (8 створов на 4 участках), результаты сопря-

жены с данными наблюдений Вилюйской НИМС за 1972 – 1985 гг., таким об-

разом впервые получены количественные характеристики фактических берего-

переформирований за весь многолетний период эксплуатации большого водо-

хранилища в криолитозоне.

рк

рк( рк)

рк

где Кр – коэффициент размываемости как физическая характеристика

шего грунта берега; Е(t) – механическая энергия волнения.

= р ∙ ( ) ,

отт

рк

( )

л

( )

ф в( )

( д)

( )

;

=,

д ∙( )

д

мг

[

)]

рованного грунта

= 1 - ( - ∙ К ∙

д( )

=

27

Разработанные энергетические и адаптивная модели задействовались нами

для прогнозных оценок берегопереформирований на водохранилищах криоли-

тозоны – Вилюйском, Амгуэмском, Анадырском, Билибинском и др., показав

техническую эффективность и адекватность натурным процессам.

Так на Вилюйском водохранилище наблюденные средние за 1972 – 2011

гг. скорости разрушения термоабразионных берегов в исследованных створах

составили 0,35 – 1,41 м/год, а в 2010 – 2030 гг. по прогнозным оценкам умень-

шатся до 0,35 – 0,50 м/год. Причем, наименьшим разрушениям в прошлом и

будущем подвержены участки берегов, сложенных мелкими песками, а

наибольшим – сильновыветрелыми известняками и песчаниками (рисунок 5).

Рисунок 5 – Общий вид, наблюденные и прогнозные профили термоабразионного берега

Вилюйского водохранилища на участке № 6 в створе № 2 в Кусаганском расширении

При незначительной протяженности размываемых берегов в 320 км (13% дли-

ны береговой линии) берегопереформирование не приведет к ощутимой потере

земель в береговой зоне.

28

Посредством количественного анализа роли основных факторов в деструк-

тивном процессе береговой термоабразии на конкретных объектах выявлено,

что скорость отступания надводного обрыва диктуется интенсивностью тепло-

вого взаимодействия воды водохранилища с мерзлым берегом, на регулирова-

ние которой начальная температура берега влияния почти не оказывает, тогда

как существенно влияние температуры воды и продолжительности волнения.

Применительно к водохранилищу на р. Ваче площадью 1,7 км2, проектиро-

вавшемуся на севере Иркутской области, исследован случай стабилизирую-

щихся термокарстовых берегов. Показано, что они придут к конечной стадии

развития после полного протаивания просадочного 20 – метрового слоя мягких

грунтов основания через 80 – 100 лет, т.е.в обозримой временной перспективе,

что впервые достоверно квалифицировано как реальное обстоятельство для ма-

лых водохранилищ криолитозоны.

На материалах наблюдений проведена проверка адекватности моделирова-

ния берегопереформирований натурным процессам. Например, по термоабра-

зионным берегам Вилюйского водохранилища расхождение результатов расче-

тов с натурными данными не вышло за пределы 15 % по объемам переработки

и 9 % по величинам отступания бровки надводного обрыва за период эксплуа-

тации с 1972 г. по 2011 г., причем вероятностная адаптивная модель поучастко-

вых берегопереформирований оказалась более адекватной натурному процессу,

чем детерминированная энергетическая, из-за приблизительности исходной

информации в последней. По термокарстовому берегу Анадырского водохра-

нилища расчетная величина сдвига уреза НПУ в сторону суши за 1986 – 2008

гг. составила 115,6 % относительно фактической. Это вполне приемлемые ре-

зультаты, позволяющие утверждать, что представленные в диссертации мате-

матические модели переформирований мерзлых берегов могут иметь прогно-

стический выход, гарантируя относительную достоверность инженерных оце-

нок берегопереформирований на действующих и проектируемых водохрани-

лищах криолитозоны при наличии надежной исходной информации.

(15)

с

=

) +

( ),

29

В пятой главе, с использованием многолетнего опыта кафедры гидротех-

нических сооружений ННГАСУ по теоретическим температурным исследова-

ниям грунтовых гидротехнических сооружений, автором разработана теорети-

ческая основа для математического анализа температурного режима и предель-

ного состояния основания и бортов долин рек после создания водохранилищ с

учетом тепловой осадки оттаявших грунтов в виде комплекса многофакторных

детерминированных одно-, двух-, трехмерной математических моделей приме-

нительно к различным натурным ситуациям, представленного в диссертации в

качестве инструмента прогнозной оценки динамики морфометрических пара-

метров водохранилищ.

Так, двумерная модель отражает рельеф дна и берегов водохранилища в

вертикальных сечениях долины, имитирует оседание ложа вместе с подвижка-

ми верхней и нижней границ мерзлоты. Процессы теплопроводности в мерзлой,

придонной и подмерзлотной талых зонах грунтов описаны уравнениями

где – температура; t – время; x, z –прямоугольные координаты; λ коэффици-

ент теплопроводности, c – объемная теплоемкость грунтов, а к границам меж-

ду зонами применено уравнение теплопроводности в виде

с

=

) +

(

где л – удельное тепло таяния – замерзания грунта по объему; R – относи-

тельная льдистость грунта как отношение масс порового льда и воды. Послед-

ний член в уравнении (16) описывает выделение или поглощение тепла при фа-

зовых превращениях поровой влаги в грунте, а входящая в него относительная

льдистость R является функцией температуры: при ф R = 0; при = ф 0

R ≤ 1; при ф R = 1, то есть значение R изменяется от 0 для полностью от-

таявшего до 1 для полностью замершего грунта. Теплообмен задан условием I

рода для дна водохранилища и условием III рода для дневной поверхности за

его пределами:

(x,z,t) = (t); – (

) = S,

(17)

) + л ,

(16)

д

в

гр

n

(18)

Трехмерная модель предназначена для применения к малым водохранили-

щам на плоском рельефе, в основании которых за обозримый срок может

наступить предельное температурное состояние, а для его адекватной оценки

желательно рассмотрение пространственных условий.

Отличительными особенностями оригинальных авторских математических

моделей явились более точный учет природных факторов – рельефа, криоген-

ного строения долины, климатических, гидрологических и др. – и их совмест-

ного влияния на процесс деградации вечной мерзлоты с подвижкой ее нижней

границы и оседанием ложа водохранилищ, чем они превзошли немногочислен-

ные подобные модели 1980 – 1990 –х гг.

Посредством составленных программ «Термокарст», «Bottom Settlement»

и «Талик» обеспечено выполнение модельных расчетов на ЭВМ. Тестировани-

ем программ на аналитических решениях выявлены относительные погрешно-

сти до 11,5 % в численных расчетах температуры и до 2 % – тепловой осадки, а

на реальном объекте – Анадырском водохранилище – расхождения в натурном

и модельном рельефах дна за период эксплуатации 1960 – 2008 гг. получились

вовсе несущественными.

Путем численных экспериментов с помощью разработанных математиче-

ских средств автором решены не имевшие прецедента задачи применительно к

нескольким водным объектам криолитозоны.

Так, для термокарстового озера Сырдах (природного аналога водохрани-

лища) выявлено, что ему сейчас около 3000 лет, под ним развит сквозной талик,

60 –метровый верхний слой льдистой супеси протаял примерно за 1000 лет, при

30

где (t) –температура воды у дна; – нормаль к дневной поверхности; S –

теплоприток к ней в сумме радиационного S и конвективного S теплоприто-

ков. К решению температурной задачи применен метод конечных разностей на

нерегулярной сетке по неявной разностной схеме. Осадка оттаивающего грунта

S определяется по схеме линейно деформируемого слоя из составляющих от

действия веса воды S и грунта S

в

n

R

К

р

th

S = S + S

без возможности бокового расширения последнего.

th

р

31

этом тепловая осадка составила 17,5 м, что соответствует глубине современной

озерной котловины. Подобное отдаленное будущее ожидает малые водохрани-

лища криолитозоны, которые даже после разрушения напорного фронта не пе-

рестанут развиваться по типу термокарстовых озер.

На примере Анадырского водохранилища совмещение результатов изыс-

каний донного рельефа, выполненных в 2008 г. ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева, и

наших численных расчетов позволило впервые в теории северной гидротехники

получить достоверные количественные натурно-теоретические и прогнозные

данные о трансформации ложа и динамике морфометрических параметров во-

дохранилища криолитозоны за многолетний (1960 – 1986 – 2008 – 2030 гг.) пе-

риод. Примерно к 2000 г. завершилось протаивание покровного слоя льдистых

четвертичных отложений мощностью до 10 м, талик заглубился в малольди-

стые морские глины, дальнейшая тепловая осадка ложа водохранилища почти

прекратилась. При глазомерном сопоставлении профилей дна водохранилища

(рисунок 6) видно, что расчетное его положение на 2008 г. ниже проектного, а

по съемке ВНИИГ 2008 г. ниже расчетного за исключением русла, где в не-

большом количестве скопились донные отложения, неучтенные расчетом, при

этом расхождения расчетных и натурных профилей несущественны. За 1986 –

2008 гг. полный объем водохранилища увеличился с 6,19 млн м3 до 7,23 – 7,36

млн м3, т.е. на 16,8 %, а к 2030 г. возрастет до 7,55 млн м3, т.е. на 21,9 % против

проектного объема; за те же годы выявлено увеличение длины береговой линии

водохранилища на 16,9 % при уменьшении площади его зеркала на 1,34 %.

Таким образом, на представленных в диссертации примерах продемон-

стрированы приоритетные возможности применения разработанных матема-

тических моделей для инженерных оценок трансформации чаш водохрани-лищ

криолитозоны при уточнении их морфометрических параметров.

В завершение главы автором предложены новые природоприближен-ные

инженерные решения малых водохранилищ в криолитозоне: долинного водо-

хранилища с мерзлой чашей в толще сплошной вечной мерзлоты на ба-зе выяв-

ленных закономерных условий существования замкнутого талика с исключени-

32

ем потерь воды на фильтрацию и водохранилища – копани, со-здаваемого с

использованием эффекта наведенного термокарста.

Рисунок 6 – Проектный на 1960 г., натурный на 2008 г., расчетный на 2008 г. и прогнозный

на 2030 г. профили дна Анадырского водохранилища (разрез 1 – 1)

В шестой главе в соответствии с заявленным методологическим подходом

автором реализовано стремление выявить и теоретически обосновать общие

количественные закономерности изменения с возрастом основных морфомет-

рических параметров равнинных водохранилищ России – объема, площади

водного зеркала, длины береговой линии.

Для этого предложен и разработан метод синтеза динамической модели

процесса по измеренным характеристикам неоднородных объектов, в отличие

от метода регрессионного анализа позволяющий учитывать неоднородность

множества объектов, представленных экспериментальными точками (, ),

= 1, …, , как на рис. 7.

=

33

Рисунок 7 – Показатели и общая закономерность уменьшения со временем полного

объема больших (1 км3) равнинных водохранилищ Европейской части России и Украины

Известно, что для пары близких в смысле евклидова расстояния точек

-

-

справедлив вывод об однотипности объектов

( - ) в значениях характеристики . Если вычислить суммарный по-

казатель сгущения для каждой из экспериментальных точек

(20)

;

= 1, …,,

то большое значение укажет на то, что вокруг точки (, ) много близких

(однотипных) объектов и она является своеобразным центром их сгущения,

а малое значение будет свидетельствовать о нетипичности объекта, что поз-

волит отбросить данные (, ) в виду их слабого влияния на общую динамику

процесса. Затем на каждом временном интервале к, к вычисляем усред-

1

=

+

(19)

(, ), (, ), так как при не-

большом временном различии

( - ) эти объекты дают малое различие

[

]

(21)

для к сумме:

к =

к ∙ ;

к = /

.

[

]

[

]

( )

( )

вую аналитическую формулу моделируемой динамики процесса:

34

ненные значения по локальным центрам сгущения. В результате получаем вы-

борку временного ряда

, …, к, … ,

где к – члены ряда; к – весовой коэффициент учета значения в указанной

(22)

к,Тк ∈ к,Тк

Для равномерно табулированного ряда (21) посредством программного обеспе-

чения

MS

Excel

строятся

аппроксимирующие

временные

тренды

Φ, … …, Φ ( ). Вычисляя по отклонениям - Φ ( ) | усредненные ве-

совые коэффициенты ( = 1, … …, ) качества приближения, получим итого-

( )

∙ Ф.

(23)

В основу оценки уменьшения с возрастом объема водохранилищ ЕТР по-

ложено аналитическое обобщение с сопряжением в пространстве и времени ав-

торских и привлеченных количественных натурных данных разных лет о

трансформации донного рельефа и накоплении наносов, отразивших динамику

изменения объемов 20 больших ( 1 км3) и 43 малых ( 0,5 км3) водохранилищ,

эксплуатируемых на равнинах средней полосы России.

Согласно выведенной по выборке из 45 значений закономерности (см. ри-

сунок 7), уменьшение полного объема больших равнинных российских водо-

хранилищ происходит в среднем на 0,031 % в год с очень слабо затухающей

интенсивностью. Это существенно меньше, чем для водохранилищ мира (0,77 –

0,12 % в год) и меньше, чем по прогнозам 1970 –х гг. (0,1 – 0,5 % в год).

Между тем потери Волжско-Камского каскада (рисунок 8) по 10 водохра-

нилищам (за исключением Нижнекамского из-за отсутствия данных) за период

эксплуатации с 1937 г. по 2011 г. составили 5,285 км3 или 3,15 % их суммарного

полного объема (167,31 км3), что больше полных объемов таких водохранилищ,

как Иваньковское (1,2 км3), Угличское (1,245 км3), Нижнекамское (2,8 км3 при

ВПУ), Чебоксарское (4,6 км3 при ВПУ). К 2030 г. прогнозируемая потеря пол-

35

ного объема водохранилищ каскада достигнет 5,80 км3. Потеря полезного объ-

ема водохранилищ в целом по каскаду к настоящему времени составила при-

мерно 5 % – не менее 3,0 км3, что равносильно исключению из каскада такого

водохранилища как Горьковское (W

=2,58 км3). С учетом же не используе-

мых полезных объемов Чебоксарского (5,4 км3) и Нижнекамского (4,4 км3) во-

дохранилищ Волжско- Камский каскад в настоящее время недосчитывает 12,8

км3 проектного полезного объема.

В соответствии с синтезированной общей закономерностью группа малых

водохранилищ ЕТР федерального подчинения полным объемом до 0,5 км3 каж-

дое общей проектной емкостью примерно 16 км3 за 25 лет эксплуатации лиша-

ется 16 % этой емкости, т.е. 2,56 км3 полного объема.

Рисунок 8 – Хронологические графики частных потерь и синтезированная кривая общей по-

тери полного объема водохранилищ Волжско-Камского каскада

В отсутствие достаточных натурных данных предпринято аналитическое

обобщение авторских и привлеченных результатов приблизительных расчет-

ных оценок деградации мерзлоты и оседания ложа 6 больших и 15 малых водо-

полезн.

36

хранилищ криолитозоны. Синтезированы общие закономерности приращения

объема в зависимости от возраста, показавшие, что большие водохранилища

криолитозоны за 20 – 40 лет эксплуатации могут естественным образом увели-

чить свой полный объем в среднем на 6 – 8 % с последующей стабилизацией

ситуации (рисунок 9), а средний предел увеличения емкости чаш малых водо-

хранилищ составляет 20 % от полного объема.

Установленные нами общие закономерности объективно отразили особен-

ности и темпы изменения объема равнинных водохранилищ в различных при-

родно-климатических зонах России за прошедший многолетний период эксплу-

атации и на перспективу. С течением времени и появлением дополнительной

информации они могут корректироваться, но по сути останутся неизменными.

Рисунок 9 – Показатели и общая закономерность возможного увеличения полного объема

больших водохранилищ в области вечной мерзлоты: 1 – Усть –Хантайское; 2 – Курейское;

3 – Колымское; 4 – Вилюйское; 5 – Эвенкийское; 6 – Амгуэмское

Предваряя общую оценку изменения с возрастом длины береговой линии

и площади водного зеркала водохранилищ, теоретически обоснована и на

примере Горьковского водохранилища практически подтверждена необходи-

мость учета фрактальных свойств береговой линии при ее измерении.

Статистически обобщены сопоставимые данные современных изысканий

ННГАСУ и других организаций, позволившие отразить изменения длины бере-

говой линии и площади зеркала больших ( 100 км2) равнинных водохранилищ

37

за многолетний период эксплуатации, в т.ч. в криолитозоне. Оказалось, что из

14 водохранилищ, независимо охваченных нашими и сторонними исследовани-

ями, 10 имеют длину береговой линии больше проектной, 2 – меньше, на 2 из-

менения за малостью не определены; также из 12 исследованных водохрани-

лищ 9 имеют площадь водного зеркала меньше проектной, 3 – больше, на 1 во-

дохранилище изменение за малостью не прослежено.

На основании обобщенных данных построены динамические модели, вы-

членившие общую тенденцию увеличения длины береговой линии водохрани-

лищ L(t) после периода начальной эксплуатации до возраста 40 – 60 лет с ин-

тенсивностью 0,25 % в год:

L(t) = 0,198 F (t) + 0,183 F (t) + 0,188 F (t) + 0,197 F (t) + 0,233 F (t) +min – 0.001,

(24)

где F (t) = 0,00251t + 0,13834; F (t) = 0,0001153t2 + 0,110399t + 0,0316817;

F (t) = 0,06437ln(t) + 0,01659; F (t) = 0,11236e0,01326t; F (t) = 0,05046t0,38749; min =-0.16,

также общую тенденцию уменьшения площади их зеркала на 5 – 7 % от про-

ектной к 50 – 70 годам эксплуатации (рисунок 10).

Рисунок 10 – Показатели и общий тренд изменения длины береговой линии больших

равнинных водохранилищ за многолетний период эксплуатации:

1 – Иваньковское; 2 – Угличское; 3 – Рыбинское; 4 – Горьковское; 5 – Чебоксарское;

6 – Камское; 7 – Воткинское; 8 – Куйбышевское; 9 – Волгоградское; 10 – Цимлянское;

11 – Пензенское; 12 – Новосибирское; 13 – Усть-Хантайское; 14 – Вилюйское

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

38

Проявившиеся за многолетний период эксплуатации общие тенденции в

поведении длины береговой линии и площади зеркала больших равнинных во-

дохранилищ не полностью соответствуют представлениям 1970 –х гг. и до сих

пор в научных публикациях не отмечались, они обращают на себя внимание и

располагают к продолжению исследований за пределами охваченных нашей

работой возраста и количества водохранилищ.

В завершение главы сформулирован общий принцип инженерной оценки

динамики потери земель за счет абразии в береговой зоне водохранилищ.

Приложения содержат цифровой и графический материал, сопровождаю-

щий диссертационное исследование, а также сведения о практическом исполь-

зовании его результатов.

Заключение

1. В период эксплуатации водохранилищ происходит изменение их мор-

фометрических параметров. Проблема инженерной оценки изменения основ-

ных морфометрических параметров – объемов, площадей зеркала, длин берего-

вой линии – впервые актуализирована для равнинных водохранилищ России с

обоснованием ее теоретической и практической значимости и поставлена как

предмет комплексного количественного исследования в диссертации. Согласно

принятому автором методологическому подходу, исследование переформиро-

вания чаш водохранилищ базировано на результатах многолетних натурных

наблюдений и многофакторного математического анализа превалирующих при

этом процессов переработки берегов и трансформации ложа с последующим

синтезом общих закономерностей.

2. Наибольшему разрушению на водохранилищах подвержены берега аб-

разионной и термоабразионной генетических групп. Автором организованы и

проведены инструментальные измерения профилей абразионных берегов на

Горьковском, Чебоксарском и термоабразионных берегов на Вилюйском водо-

хранилищах, результаты сопряжены с привлеченными данными измерений

прошлых лет, в итоге впервые в научной практике получены репрезентативные

количественные характеристики берегопереформирований за весь многолетний

39

период эксплуатации больших равнинных водохранилищ в зоне умеренного

климата и криолитозоне. Получены, также, новые натурные данные о размыва-

емости пород береговых склонов для использования в прогнозном моделирова-

нии эволюции берегов.

3. Из совокупности данных инструментальных измерений, проведенных

обследований береговых участков 16 больших водохранилищ в европейской

части и 3 на северо-востоке страны, системного анализа опубликованных мате-

риалов наблюдений прошлых лет, конкретизированы постулированные в 1970 –

х гг. и выявлены новые качественные закономерности эволюции берегов, про-

явившиеся при многолетней эксплуатации, генерирован ряд инфологических

моделей берегопереформирований.

4. На базе энергетического подхода, реализующего зависимость между

суммарной (тепловой и механической) энергией воздействующего на берег

волнения и объемом его переработки, разработан комплекс многофакторных

детерминированных математических моделей для выполнения долгосрочных

вариантных постворовых прогнозов переформирований берегов абразионной и

термоабразионной генетических групп, крупноагрегатированных по формали-

зованным циклам процессов, которые своей продолжительностью могут отли-

чаться или совпадать с годовыми (зима – лето) природными циклами, построе-

ны гипотетические модели предельных берегопереформирований. Простота и

гибкость алгоритма при моделировании двумерных ситуаций, позволившие со-

ставить общую универсальную программу для ЭВМ, сделали энергетический

метод эффективным средством анализа и прогноза абразионных и термоабра-

зионных берегопереформирований на действующих и проектируемых водохра-

нилищах.

5. Предложен и разработан также адаптивный (вероятностный) метод экс-

траполяции рядов данных наблюдений и прогнозирования количественных ха-

рактеристик абразии (термоабразии) по створам и участкам берегов эксплуати-

руемых водохранилищ.

40

6. Главная задача, которую ставят наука и практика в отношении количе-

ственной оценки переформирований берегов больших водохранилищ – опреде-

ление скорости отступания надводного берегового обрыва и величины отступа-

ния на заданный срок. В диссертации эта задача впервые решена совокупно-

стью натурных наблюдений, расчетно-теоретического анализа и прогноза энер-

гетическим и адаптивным методами для берегов Горьковского, Чебоксарского,

Вилюйского и др. водохранилищ. Для берегов малых водохранилищ впервые

аналитически обосновано положение об их ускоренном (за 20 – 25 лет) дости-

жении стадии динамического равновесия.

7. Разработаны научно-прикладные основы оценки изменения морфомет-

рических параметров эксплуатируемых водохранилищ вследствие осадкона-

копления: технологии съемок донного рельефа посредством автоматизирован-

ных эхолотных промерных комплексов ННГАСУ с воды, также со льда, созда-

ния цифровых моделей рельефа, определения на их базе современных морфо-

метрических параметров в сравнении с проектными.

Натурными съемками донного рельефа и последующим расчетным анали-

зом с созданием ЦМР охвачены 3 водохранилища на р. Волге – Рыбинское,

Горьковское, Чебоксарское. В результате нашла объективное количественное

подтверждение тенденция уменьшения с возрастом полного объема больших

равнинных водохранилищ. То же по 37 исследованным малым водохранили-

щам волжского бассейна.

8. Разработаны теоретические основы для математического анализа темпе-

ратурного режима основания и бортов водохранилищ в криолитозоне с учетом

тепловой осадки оттаявших грунтов в виде оригинальных многофакторных де-

терминированных одно-, двух- и трехмерной математических моделей, обеспе-

ченных реализацией на ЭВМ, опробованных на натурных объектах и представ-

ленных в диссертации как приоритетный инструмент для инженерных оценок

трансформации чаш водохранилищ при исследовании динамики их морфомет-

рических параметров.

41

С применением созданных моделей решен ряд задач, не имевших преце-

дента в северной гидротехнике. В частности, совмещение результатов изыска-

ний донного рельефа Анадырского водохранилища, выполненных в 2008 г.

ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева, и наших численных экспериментов позволило

для первого из водохранилищ криолитозоны получить достоверные количе-

ственные натурно-теоретические и прогнозные данные о динамике морфомет-

рических параметров. Согласно этим данным полный объем водохранилища за

1986 – 2008 гг. эксплуатации увеличился на 16,8 %, а к 2030 г. возрастет на

21,9 %.

9. Для выявления и теоретического обоснования общих количественных

закономерностей изменения с возрастом морфометрических параметров водо-

хранилищ (объема, длины береговой линии и площади зеркала) предложен и

разработан метод синтеза динамических моделей процессов по измеренным ха-

рактеристикам неоднородных объектов.

10. На базе аналитического обобщения с сопряжением в пространстве и

времени авторских и привлеченных количественных натурных данных разных

лет, отразивших динамику изменения объемов 20 больших ( 1 км3) водохрани-

лищ, эксплуатируемых на равнинах ЕТР, синтезирована общая закономерность,

показавшая уменьшение полного объема больших равнинных российских во-

дохранилищ в среднем на 0,031 % в год с очень слабо затухающей интенсивно-

стью, что существенно меньше, чем для водохранилищ мира (0,77 – 0,12 % в

год) и меньше, чем по прогнозам 1970 –х гг. (0,1 – 0,5 % в год). При этом поте-

ри Волжско-Камского каскада по 10 водохранилищам (с исключением Нижне-

камского из-за отсутствия данных) за период эксплуатации с 1937 г. по 2011 г.

определены равными 5,285 км3 или 3,15 % их суммарного полного объема

(167,31 км3), а к 2030 г. возрастут до 5,80 км3. Потери полезного объема соста-

вили не менее 3,0 км3, с учетом же неиспользуемых полезных объемов Чебок-

сарского (5,4 км3) и Нижнекамского (4,4 км3) водохранилищ Волжско – Кам-

ский каскад сегодня недосчитывает 12,8 км3 проектного полезного объема.

42

Синтезированная по данным о 43 малых (0,5 км3) водохранилищах ЕТР

общая закономерность предупреждает о том, что группа таких водохранилищ

федерального подчинения общей проектной емкостью примерно 16 км3 за 25

лет эксплуатации лишается 16 % этой емкости, т.е. 2,56 км3 полного объема.

11. Посредством синтезированных общих закономерностей установлено,

что большие водохранилища криолитозоны за 20 – 40 лет эксплуатации могут

естественным образом увеличить свой полный объем в среднем на 6 – 8 % с по-

следующей стабилизацией ситуации, а средний предел увеличения емкости чаш

малых водохранилищ криолитозоны составляет 20 % от полного объема.

12. Впервые полученные общие количественные закономерности объек-

тивно отразили положение о том, что процесс изменения с возрастом объема

водохранилищ в двух, принципиально различающихся природно-клима-

тическими условиями, зонах страны носит разнонаправленный характер: на

равнинах вне криолитозоны объем водохранилищ уменьшается вследствие

накопления наносов; в криолитозоне – увеличивается вследствие тепловой

осадки ложа. С появлением новой информации они могут корректироваться, но

по сути останутся неизменными.

13. Теоретически обоснована и практически подтверждена необходимость

учета фрактальных свойств береговой линии при измерении ее длины и площа-

ди водного зеркала водохранилищ. Статистически обобщенные сопоставимые

данные современных изысканий ННГАСУ и других организаций позволили

выявить изменения, произошедшие с длиной береговой линии и площадью зер-

кала 14 больших ( 100 км2) водохранилищ, в т.ч. в криолитозоне. Синтезиро-

ванные из совокупности этих данных динамические модели отразили общую

тенденцию увеличения длины береговой линии водохранилищ после периода

начальной эксплуатации до возраста 40 – 60 лет с интенсивностью 0,25 % / год,

также уменьшения площади их зеркала к 50 – 70 годам на 5 – 7 % от проектной.

Эти, проявившиеся за многолетний период эксплуатации общие тенденции (за-

кономерности) в поведении длины береговой линии и площади зеркала боль-

ших равнинных водохранилищ, до сих пор в научных публикациях не отмеча-

43

лись, обращают на себя внимание и располагают к продолжению исследований

за пределами охваченного нами количества и возраста водохранилищ.

14. Осуществленный в диссертации методологический подход обеспечил

решению рассмотренной проблемы завершенность в виде научно обоснованно-

го прогноза, предназначенного к использованию при выработке практических

решений по техническим вопросам для действующих и проектируемых водо-

хранилищ.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Публикации в рецензируемых научных изданиях

1. Исследования для обоснования проектов малых водохранилищ в криолитозоне / С. В.

Соболь, Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, А.Н. Ежков // Известия высших учебных заве-

дений. Строительство. – 2005. – № 9. – С. 29–32.

2. Реконструкция гидроузлов на территории города Сарова / С. В. Соболь, Е. Н. Горо-

хов, И. С. Соболь, А.Н. Ежков [и др.] // Экология урбанизированных территорий. –

2006. – № 1. – С. 57– 61.

3. Соболь, И. С. Развитие аналитического описания переформирования мерзлых бере-

гов водохранилищ в криолитозоне / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Приволжский

научный журнал. – 2010. – № 1. – С. 72–80. (+2 с. цв. вклейки).

4. Соболь, И. С. Современные методы съемки подводного рельефа водохранилищ / И.

С. Соболь, В. М. Красильников, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. –

2010. – № 2. – С. 34–40. (+4 с. цв. вклейки).

5. Возобновление долгосрочных инструментальных наблюдений за переформировани-

ем абразионных берегов Горьковского водохранилища / С. В. Соболь, Л. Б. Иконни-

ков, И. С. Соболь, Д.Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. – 2010. – № 2. – С.

40–47.

Соболь, И. С. Аналитическое описание термоденудации берегов арктических водое-

мов / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Приволжский научный журнал. – 2012. – № 1. – С.

46–49. (+2с. цв. вклейки)

Динамика абразионных берегов Чебоксарского водохранилища / А. М. Коломиец, Л.

П. Зайцева, С. В. Соболь, И.С. Соболь [и др.] // Гидротехническое строительство. –

2012. – № 12. – С. 29-33.

Соболь, И. С. Модификация метода Е. Г. Качугина для вариантного компьютерного

прогноза переформирования абразионных берегов эксплуатируемых равнинных во-

дохранилищ / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Вестник МГСУ. – 2012. – № 10. – С. 281–

288.

6. Анализ переформирования абразионных берегов Горьковского водохранилища за пе-

риод эксплуатации 1957–2010 гг. с прогнозом на следующее десятилетие / С. В. Со-

боль, И. С. Соболь, Л. Б. Иконников, Д.Н. Хохлов // Гидротехническое строитель-

ство. – 2011. – № 12. – С. 23–30.

7.

8.

9.

10. Соболь, И.С. Уточнение морфометрических параметров водохранилищ на базе циф-

ровых моделей рельефа / В. М. Красильников, И. С. Соболь // Вестник МГСУ. – 2012.

– № 10. – С. 272-280.

11. Соболь, И.С. Синтез динамической модели процесса по измеренным характеристи-

кам неоднородных объектов (в задачах гидротехнического строительства) / Ю. А.

Громов, И. С. Соболь // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.

Сер. «Технические науки». – 2012. – № 4 – С. 120-126.

44

12. Соболь, И.С. Экспедиционные исследования переформирования берегов Вилюйского

водохранилища в криолитозоне / С. А. Великин, И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // При-

волжский научный журнал. – 2012. – № 4. – С. 9-15. (+2 с. цв. вклейки).

13. Соболь, И. С. Закономерности эволюции абразионных берегов равнинных водохра-

нилищ / И. С. Соболь // Приволжский научный журнал. – 2012. – № 4. – С. 149–154.

(+4 с. цв. вклейки).

14. Соболь, И. С. Закономерности эволюции термоабразионных берегов водохранилищ

криолитозоны / И. С. Соболь // Приволжский научный журнал. –2013. – № 1. – С.

123–130.(+4 с. цв. вклейки).

15. Соболь, И.С. Адаптивный метод экстраполяции данных наблюдений и прогнозиро-

вания характеристик абразии берегов эксплуатируемых водохранилищ / Ю. А. Гро-

мов, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Водное хозяйство России: проблемы технологии,

управление. – 2013. – № 1. – С. 78-90.

16. Соболь, И. С. Особенности долголетней динамики берегов малых равнинных водо-

хранилищ на европейской территории России / И. С. Соболь // Приволжский научный

журнал. – 2013. – № 2. – С. 65 – 67. (+4 цв. вклейки).

17. Результаты инструментальных наблюдений и адаптивного прогноза термоабразии

берегов Вилюйского водохранилища / С. А. Великин, И. С. Соболь, С. В. Соболь,

Д.Н. Хохлов // Гидротехническое строительство. – 2013. – № 6. – С. 2-8.

18. Соболь, И. С. Прогнозирование динамики переформирования термоабразионных бе-

регов водохранилищ криолитозоны в стационарных климатических условиях / И. С.

Румянцев, И. С. Соболь // Природообустройство. – 2013. – № 1. – С. 42–47.

19. Соболь, И. С. Результаты физического моделирования обрушения термоабразионных

берегов арктических водоемов / И. С. Соболь // Вестник МГСУ. – 2013. – № 6. – С.

197–201.

20. Соболь, И.С. Прогнозирование абразионной и оползневой опасности побережий

волжских водохранилищ / Е. В. Копосов, И. С. Соболь, А. Н. Ежков // Вестник

МГСУ. – 2013. – № 6. – С. 170-176.

21. Виртуальная модель температурно-криогенного режима основания и оседания ложа

водохранилища в криолитозоне / Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, В. И. Логинов, Е.А.

Гнетов // Приволжский научный журнал. –2013. – № 4. – С. 37-47.

22. Трансформация чаши водохранилища в вечномерзлых грунтах за долголетний пери-

од эксплуатации по изысканиям и прогнозу / Е. А. Гнетов Е. Н. Горохов, Н. Ф. Кри-

воногова, И.С. Соболь [и др.] // Приволжский научный журнал. – 2013. – № 4. – С.

91-99.

23. Разработка схемы комплексного использования и охраны водных объектов бассейна

р. Суры / С. В. Соболь, А. В. Февралев, И.С. Соболь, Н. П. Сидоров [и др.] // При-

волжский научный журнал. – 2013. – № 4. – С. 124-129.

24. Соболь, И. С. Изменение объема равнинных водохранилищ на эксплуатационной фа-

зе жизненного цикла / И. С. Румянцев, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Гидротехниче-

ское строительство. – 2014. – №3. – С. 2 – 9.

25. Соболь, И. С. Об измерении длины береговой линии водохранилищ / И. С. Соболь, С.

В. Соболь, А. С. Крупинов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии,

управление. – 2014.–№6. – С.30 – 43.

26. Соболь, И.С. Актуализация и решение научно-технической проблемы по оценке и

прогнозу изменения морфометрических параметров равнинных водохранилищ Рос-

сии в период эксплуатации / И.С. Румянцев, И.С. Соболь // Приволжский научный

журнал. – 2014. – №2. – С.75 – 83.

27. Results of instrument observations and adaptive prediction of thermabrasion of banks of the

Vilyui reservoir / S.A.Velikin, I.S.Sobol, S.V. Sobol, D.N.Khokhlov // Power Technology

and Engineering. – 2013. – Vol.47, №4 – P. 249 – 254.

28. Sobol I.S. Assessment and forecast of changes of reservoir volumes due to thermal settling

in permafrost areas of Russia / I.S. Sobol, S.V. Sobol // Sciences in Cold and Arid Regions.

45

– 2014. – Vol.6, Issue 5. – P.428 – 431.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и базы данных

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013612345 :

программа для инженерных прогнозов переформирований берегов водохранилищ «

Берега» / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов ; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. –

Нижний Новгород, 2013.

30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611920:

«Bottom Settlement v. 2.0» (ВS v. 2.0) / Е. Н. Горохов, В. И. Логинов, И. С. Соболь,

Е.А. Гнетов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2014.

31. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2014620960: Цифро-

вые модели рельефа ложа и берегов водохранилищ Верхней Волги / В.М. Красильни-

ков, И.С. Соболь; Нижегор. гос. архитектур.-строит ун-т. – Нижний Новгород, 2014.

Публикации в других научных изданиях

32. Соболь, И.С. Исследование на физической модели фильтрации в сквозном талике под

водохранилищем / С. В. Соболь, И. С. Соболь // Труды аспирантов Нижегородского

государственного архитектурно-строительного университета / Нижегор. гос. архитек-

тур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 1998. – С. 102–107.

33. Соболь, И.С. Прогноз термокарста в ложе водохранилища / А. К. Битюрин,

И. С.

Соболь, С. В. Соболь // Инженерно-геологическое изучение термокарстовых процес-

сов и методы управления ими при строительстве и эксплуатации сооружений : мате-

риалы IV науч.-метод. семинара / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники им. Б. E.

Веденеева. – Cанкт-Петербург, 1998. – C. 76-80.

34. Sobol, I.S. Earth reservions used for public water supply in permafrost regions / S. V. Sob-

ol, A. K. Bityrin, I. S. Sobol // Geocryological problems of construction in eastern Russia

and Northern China : рroceedings of international simposium (Chita, 23-25 September

1998). – Yakutsk, 1998. – Vol. 2. – P. 164-167.

35. Соболь, И. С. Предельное температурное состояние основания водохранилища –

копани на р. Ханмей у г. Лабытнанги / И. С. Соболь // Гидротехническое строитель-

ство, водное хозяйство и мелиорация земель на современном этапе : сб. материалов

Междунар науч.-практ. конф. / Междунар. акад. наук экологии, безопасности челове-

ка и природы.– Пенза, 1999. – С. 18–20.

36. Соболь, И. C. Программа расчета и графической интерпретации пространственных

стационарных температурных полей в основании водоемов криолитозоны / И. С. Со-

боль // Проблемы гидрофизики при проектировании, строительстве и эксплуатации

объектов энергетики : сб. материалов Проскуряков. чтений / Всерос. науч.-исслед.

ин-т гидротехники им. Б. E. Веденеева. – Cанкт-Петербург, 2001. – С. 53–55.

37. Sobol, I. S. Propositions of Axing of Soil Slopes in Permanent Frozen Soils / I.S. Sobol,

A. N. Yezhkov // Proceedings of the 5-th International symposium on permafrost engineer-

ing, 2–4 September 2002. – Yakutsk (Russia), 2002. – Vol. 2. – P. 181-184.

38. Соболь, И. С. Инженерная модель предельного переформирования берегов малых

водохранилищ в криолитозоне / И. С. Соболь // Сборник трудов аспирантов и маги-

странтов. Технические науки / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний

Новгород, 2002. – С. 84–87.

39. Практическое применение гидродинамической модели реки, разработанной в проекте

«Волга-Рейн» / В. В. Найденко, С. В. Соболь, Е.Н. Горохов, И. С. Соболь [и др.] //

Сборник трудов кафедры ЮНЕСКО Нижегородского государственного архитектур-

но-строительного университета / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний

Новгород, 2005. – Вып. 5. – С. 25–37.

46

40. Соболь, И. С. Обоснование проектных решений малых водохранилищ на северо-

востоке России / И. С. Соболь // Великие реки–2005 : междунар. науч.-пром. форум :

тез. докл. – Нижний Новгород, 2005. – Т. 2. – С. 221–222.

41. Соболь И.С.Малое водохранилище с мерзлой чашей для водоснабжения в криолито-

зоне / Ю. И. Вдовин, И. С. Соболь // Наукоемкие технологии в мелиорации : сб. мате-

риалов междунар. науч. конф. / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники и мелиора-

цииим. А.Н. Костякова – Москва, 2005. – С. 224-226.

42. Прогноз зон затопления в долине р. Волги половодьями различной вероятности пре-

вышения по материалам проекта «Волга-Рейн» / С. В. Соболь, Н. П. Сидоров, Е. Н.

Горохов, И.С. Соболь // Великие реки – 2006 : тр. Междунар. конгр. – Нижний Нов-

город, 2006. – С. 69–73.

43. Соболь, И. С. Водоснабжение из перемерзающей реки на севере / И. С. Соболь,

Ю. И. Вдовин // Водоснабжение и водоотведение – качество и эффективность : Экс-

по-Сибирь:тр. IX науч.-практ. конф. – Кемерово, 2006. – С. 52–53.

44. Соболь, И. C. Предельное состояние основания и берегов малых водохранилищ в

криолитозоне : монография / И. С. Соболь. – Hижний Новгород : ННГАСУ, 2006. –

214 с.

45. Соболь, С. В. Водохранилища в области вечной мерзлоты: монография / С. В. Со-

боль. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2007. – 432 с. (Разделы 3.3, 4.5, 5.2, 5.3, 5.4, 6.3,

6.12. – 50 с.)

46. Соболь И.С. Развитие гидроэлектроэнергетики Севера для будущей России / Б. М.

Ерахтин, И. С. Соболь, С. В. Соболь // Ноосферизм. Арктический взгляд на устойчи-

вое развитие России и человечества в ХХI веке : материалы Первого Междунар. но-

осфер. север. форума в форме коллект. моногр., (Санкт-Петербург, 20-24 окт. 2007

г.). – Санкт-Петербург ; Кострома. – 2007. – Кн. 2. – С. 278-294.

47. Соболь, И. С. Гидрографические исследования водохранилищ города Сарова / И. С.

Соболь, А. Н. Ежков // Великие реки–2007 : тр. конгр. Междунар. науч.-пром. фору-

ма. – Нижний Новгород, 2007. – С. 63–64.

48. Использование гидроэнергетического потенциала северных рек для гидроэлектрифи-

кации страны / Б. М. Ерахтин, И. С. Соболь, С. В. Соболь, А.В. Февралев // Приволж-

ский научный журнал. – 2007. – № 3. – С. 13-34.

49. Прогнозное математическое моделирование грунтовых гидротехнических сооруже-

ний акционерной компании «Алмазы России – Саха» / С. Н. Долгих, С. В. Соболь, Е.

Н. Горохов, И.С. Соболь [и др.] // Приволжский научный журнал. –2007. – № 3. – С.

35-42. (+8с. цв. вклейки)

50. Оценка загрязненности донных отложений реки Волги на участке Горьковское – Че-

боксарское водохранилища / Г. Мюллер, А. Яхья, О.В. Кащенко, И. С Соболь [и др.]

// Приволжский научный журнал. – 2008. – № 2. – С. 112-126.

51. Соболь, И.С. Натурные исследования занесения и заиления малых водохранилищ в

бассейне Верхней Волги / С. В. Соболь, И. С. Соболь, П. В. Потемин // Приволжский

научный журнал. – 2008. – № 4. – С. 62–79. (+ 4с. цв. вклейки)

52. Соболь, И.С. Обследование гидротехнических сооружений с целью определения их

фактического состояния / Е. Н. Горохов, И. С. Соболь, А. Н. Ежков // Промышленная

безопасность : сб. ст. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород,

2009. – С. 208-216.

53. Расчетный прогноз устойчивости береговых склонов нагорной части города Нижнего

Новгорода при разных уровнях Чебоксарского водохранилища / И. Н. Гришина, А. Н.

Ежков, И. С. Соболь, М.С. Суслов [и др.] // Исследование актуальных геологических

проблем Приволжья : сб. науч. тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний

Новгород, 2009. – С. 304-352.

54. Соболь, И.С. Формирование чаш малых водохранилищ в бассейне Верхней Волги / С.

В. Соболь, И. С. Соболь, П. В. Потемин // Исследование актуальных геоэкологиче-

ских проблем Приволжья : сб. науч. тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. –

47

Нижний Новгород, 2009. – С. 216–274.

55. Соболь, И.С. Моделирование изменения гидродинамических условий рек Оки и Вол-

ги на участках антропогенного вмешательства / Н.П. Сидоров, И.С. Соболь, Е.Н. Го-

рохов // Исследование актуальных геоэкологических проблем Приволжья: сб. науч.

тр. / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2009. – С. 275–287.

56. Прогнозное моделирование экологической опасности водных объектов на урбанизи-

рованных территориях / С. В. Соболь, И. С. Соболь, Н. П. Сидоров, Д.Н. Хохлов [и

др.] // Приволжский научный журнал. –2009. – № 4. – С. 158–162. (+6 с. цв. вклейки).

57. Соболь, И.С. Моделирование гидродинамики участков рек и водохранилищ при ан-

тропогенном вмешательстве / Н. П. Сидоров, И. С. Соболь, Е. Н. Горохов // Совре-

менные проблемы водохранилищ и их водосборов : тр. Междунар. науч.-практ.

конф., 26–28 мая 2009 г. / Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2009. – Т. I. – С. 131–136.

58. Определение размеров эксплуатируемых водохранилищ для оценки объемов воды и

площадей затопления / О. А. Коновалова, В. К. Парамонов, П. В. Потемин, И. С. Со-

боль // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов : тр. Междунар.

науч.-практ. конф., 26-28 мая 2009 г. / Пермский гос. ун-т. – Пермь, 2009. – Т. 1. – С.

58 – 62.

59. Соболь, И. С. Автоматизация инженерных расчетов берегоформирований на водо-

хранилищах криолитозоны / И. С. Соболь, Д. Н. Хохлов // Проблемы инженерного

мерзлотоведения : материалы Междунар. симп., (г. Мирный, 3–7 сент. 2011 г.) / Ин-т

мерзлотоведения Сиб. отд-ния рос. акад. наук. – Якутск, 2011. – С. 115–120.

60. Соболь, И.С. Значение водохранилищ для обеспечения водными ресурсами экономи-

ки России / Е. В. Копосов, И. С. Соболь // Вестник Волжского регионального отделе-

ния Российской академии архитектуры и строительных наук / Нижегор. гос. архитек-

тур.-строит. ун-т. – Нижний Новгород, 2012. – Вып. 15. – С. 89-98.

61. Гелашвили, Д. Б. Экология Нижнего Новгорода : монография / Д. Б. Гелашвили, Е. В.

Копосов, Л. А. Лаптев ; Нижегор. гос. ун-т им. Н.И.Лобачевского, Нижегор. гос. ар-

хитектур.-строит. ун-т, Ком. охраны окруж. среды и природ. ресурсов г. Н.Новгорода

; под общ. ред. Д. Б. Гелашвили. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2012. – 522 с. (Разд.

4.5. – 13 с.).

62. Соболь, И. С. Инженерный метод прогнозирования изменения размеров равнинных

водохранилищ, предназначенный для оценки потерь прибрежных земель / И. С. Со-

боль // Российским инновациям – российский капитал : кат. V Рос. форума. – Нижний

Новгород, 2012. – С. 165-167.

63. Соболь, И. С. Изменение объема водохранилищ России в процессе эксплуатации / И.

С. Соболь // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образо-

вания (Москва, 4 – 7 дек. 2012 г.) / Отд-ние наук о Земле Рос. акад. наук. – Москва,

2012. – С. 104–105.

64. Соболь, И. С. Потеря объема водохранилищ Европейской территории России за пе-

риод эксплуатации / И. С. Соболь // Великие реки–2012 : тр. конгр. Междунар. науч.-

пром. форума.– Нижний Новгород, 2013. – Т. 1. – С. 139–142.

65. Методология обеспечения защиты урбанизированных территорий от природных и

техногенных негативных воздействий: монография / под ред. Е. В. Копосова. – Ниж-

ний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 596 с. (главы 4,6,7, – 117 с.).



Похожие работы:

«Матвеева Веста Сергеевна СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ДАННЫХ ДЛЯ РАССЛЕДОВАНИЯ ИНЦИДЕНТОВ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Специальность: 05.13.19 – методы и системы защиты информации, информационная безопасность АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Автор: _ Москва – 2015 Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: Кандидат технических наук, доцент кафедры Криптология и дискретная...»

«Зиборов Дмитрий Михайлович ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ В КАЧЕСТВЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕПЛОВОМ ОБОРУДОВАНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИТАНИЯ 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2015 Г.В. Плеханова. Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Ботов Михаил Иванович Официальные оппоненты: Воскобойников Владимир Александрович доктор...»

«САВВИН АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕПАРАТОРА-СЛИВКООТДЕЛИТЕЛЯ С ЛОПАСТНЫМ ТАРЕЛКОДЕРЖАТЕЛЕМ РАВНОМЕРНЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ МЕЖТАРЕЛОЧНЫХ ПРОСТРАНСТВ МОЛОКОМ Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Пенза – 2015 1 Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Яшин Александр Владимирович Официальные оппоненты: Краснов Иван Николаевич доктор...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.