Условия забора воды из водоемов

Основные особенности водоемов

3.1. Водоемам, особенно водохранилищам, в отличие от водотоков свойственны следующие особенности:

своеобразное колебание уровня воды в течение суток, сезона и года, часто изменяющееся в пределах нескольких метров;

периодическое наличие волнения на поверхности воды;

сложное сочетание стоковых с ветроволновыми, вдольбереговыми, компенсационными, градиентными и другими течениями, возбуждаемыми волнением;

своеобразная динамика прибрежных зон, характеризующаяся интенсивной переработкой берега и прибрежного склона на одних участках и аккумуляцией продуктов этой переработки на других;

вдольбереговая и поперечная миграция наносов, обусловленная местными особенностями избранного участка водоема;

возможность интенсивного заиления избранного участка водоема, особенно в устьях водотоков, бухтах или заливах, примыкающих к берегам и прибрежным склонам, сложенных из несвязных грунтов;

нестационарное качество воды по мутности, температуре, минерализации, содержанию планктона, мусора, кислорода и др.;

появление в прибрежных зонах интенсивных сосредоточенных вдольбереговых, градиентных, инерционных и других течений, транспортирующих массы воды с большим содержанием наносов, планктона, мусора;

местное переохлаждение воды в предледоставные периоды;

возможность перемещения вдольбереговыми течениями на значительные расстояния повышенных концентраций сточных вод с выше- и нижерасположенных участков водоема;

нестационарное по времени направление и величины скоростей стоковых, а также других разновидностей течений, возбуждаемых ветром и волнением;

наличие стратификации воды, обусловленной непостоянством по глубине температур, солености и мутности;

возможность образования над водоприемником вихревого водоворота-воронки, способствующего интенсивному захвату в него поверхностных слоев воды;

чрезмерно повышенное содержание в воде, на отдельных участках наветренного берега планктона, мусора и отмершей водной растительности;

более интенсивное развитие биообрастателей (дрейсены, мидии и др.);

возможность интенсивного зарастания водоема растительностью на участках прибрежных склонов на озерах и водохранилищах, укрытых от волн высотой h³ 0,75 м, а также морей на глубине до 11 м независимо от параметров волн;

периодические сгонные и нагонные явления или спад и подъем уровня воды, величины которых определяются местными топографическими, метеорологическими и гидрологическими особенностями избранного участка водоема.

3.2. Гидрологические, гидроморфологические, гидротермические, гидробиологические и прочие процессы, развивающиеся в водоемах, существенно отличаются от аналогичных процессов в условиях водотоков. В большинстве случаев они индивидуальны, поскольку обусловлены в первую очередь местными топографическими, метеорологическими, геологическими и другими особенностями избранного участка водоема.

Элементы волн в прибрежной зоне

3.3. На поверхности водоема от действия ветра образуется нерегулярное трехмерное (ветровое) волнение.

Средние высоты , период , а также коэффициент распределения K_i, волны в точке расчета на подходе к прибрежному склону определяют по СНиП 2.06.04-82.*

3.4. Ветровое волнение, образованное в пределах глубоководной или мелководной зон, по мере перемещения на убывающих глубинах стабилизируется или перестраивается в нерегулярное двухмерное волнение. Процесс перестроения сопровождается относительным уменьшением высот и длин волн малой обеспеченности при одновременном увеличении высот и длин волн большой обеспеченности.

3.5. Высоты ветровых волн заданной обеспеченности в пределах плавно убывающих глубин 0,5l_гл³Н³Н_кр прибрежного склона определяют по формуле

. (61)

При несложной конфигурации прибрежного склона в зависимости от угла подхода луча волнения K_тр определяют по графику рис. 25, ключ 3, при этом К_р = 1.

Рис. 25. График для определения коэффициентов K_тр и K_l

Величину обобщенного коэффициента K_п в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по графику рис. 26, ключ 1.

Рис. 26. График для определения коэффициента K_п

3.6. При волнообразовании в условиях ограниченных глубин среднюю высоту волны определяют по графику рис. 25, ключ 1 и по формуле

. (62)

3.7. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны без учета ее крутизны или высоты в условиях глубокой воды при известном периоде определяют по формуле

или . (63)

3.8. Период и длину двухмерной волны заданной обеспеченности по расчетным элементам в системе определяют с помощью графика (рис. 27).

Рис. 27. Функции распределения периодов и длин волн на глубокой воде

3.9. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны с учетом ее высоты в условиях глубокой воды определяют по формуле

, (64)

где .

3.10. В условиях ограниченной глубины Н_кр£Н£ 0,5l_i среднюю или заданной обеспеченности длину волны в зависимости от пологости прибрежного склона определяют по графику рис. 28, ключ 2.

Рис 28. График взаимосвязи

a — ; 1 — песчаный склон; 2 — гравийный m = 5-20; 3 — гравийный m = 30-50; б — графики для определения предельных высот волн на заданной глубине и критических глубин H_кр; в — график для определения коэффициента К_m

3.11. Высоту волны заданной обеспеченности к моменту разрушения определяют по графику рис. 28, а, ключ 1.

3.12. Предельно возможную высоту волны h_пр на заданной глубине Н и периоде t_i в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по параметру графика рис. 28, б, ключ 1.

3.13. Критическую глубину Н_кр, на которой начинается разрушение волны заданной обеспеченности на склонах с m³ 5, определяют с помощью графика рис. 28, б. При этом в зависимости от пологости склона в соответствии с пп. 3.7 и 3.8 определяют высоты волн в трех-четырех точках в месте ожидаемого начала ее разрушения. Полученные результаты накладывают на график рис. 28, б, ключ 2 и осредняют кривой. По точке пересечения этой кривой с кривой, характеризующей пологость склона, определяют величину (ключ 3). С этой величиной входят в график (рис. 28, а, ключ 1) и определяют местное увеличение высоты волны к моменту разрушения h_кр:h_гл. С полученной величиной входят в график (рис. 28, б, ключ 4) и определяют искомую величину .

3.14. На прибрежных склонах с т > 17 волны открытого водоема по мере перемещения к берегу могут иметь несколько последовательных разрушений (рис. 29). После прекращения первого разрушения появляются новые волны несколько меньшей высоты, которые на некоторой глубине H_кр(2) вновь разрушаются и т.д. Количество и интенсивность последовательных разрушений волн зависят от заложения прибрежного склона на подходе к месту разрушения.

Рис. 29. Общая схема трансформации волн h_т = 302 м, = 4 с на прибрежном склоне с m = 30, течений, возбуждаемых ветром и волнением, направления перемещения полувзвешенных наносов

1 — направление и величины скоростей ветроволнового и компенсационного течений при ветре W= 20 м/с (фронтальный подход); 2 — то же ветроволнового течения при косом подходе a = 45°; 3 — эпюры скоростей волнового течения в месте начала разрушения волн, рассчитанные по формуле (77); 4 — то же компенсационного течения, по формуле (78); 5 — положение среднего гидростатического уровня при волнении; 6 — траектории полувзвешенных наносов; 7 — траектории орбитального движения жидкости

3.15. Расчет высот волн заданной обеспеченности с начала их первого разрушения на прибрежных склонах выполняется по характеристикам двухмерных нерегулярных волн, эквивалентных исходным трехмерным волнам в условиях глубокой воды.

Высоту эквивалентной волны заданной обеспеченности в условиях глубокой воды определяют с помощью графика (см. рис. 28, б, ключ 4) в соответствии с пп. 3.12 или 3.13 по найденной величине и формуле

(65)

3.16. Высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений, определяют по формулам

h_1(i%) = K_mh_гл(i%); h_2(i%) = K_mh_(1)гл(i%)ит. д. (66)

При постоянном уклоне прибрежного склона

,

где h_1(i%); h_2(i%)и т. д. — высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого, второго и последующих разрушений волн той же обеспеченности; h_гл(2)(i%); h_гл(3)(i%)и т. д. — высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений и приведенные с помощью графика (см. рис. 25, ключ 1) и формулы (62) к условиям глубокой воды.

3.17. Величину коэффициента K_m и количество последовательных разрушений определяют с помощью графика (см. рис. 28, в, ключ 1).

3.18. Глубину воды в месте прекращения первого и последующих (за исключением последнего) разрушений волн заданной обеспеченности определяют по формуле

, (67)

где n = 1, 2, 3 и т. д. — порядковый номер критических глубин и высот волн заданной обеспеченности; b — коэффициент уклона волновой поверхности в процессе разрушения волн, величину которого определяют по формуле

b=0,033m+0,74. (68)

3.19. На прибрежных склонах с m³ 10 глубину воды под ложбиной в месте начала разрушения волны определяют по формуле

. (69)

3.20. Высоты волн заданной обеспеченности в процессе одного или последнего разрушения на прибрежном склоне определяют по формуле

h_n(i%) = h_кр(n)i%H/H_кр(n)i%. (70)

3.21. Средние высоты ветровых волн к моменту первого разрушения `h_кр имеют обычно 15-20 %-ную обеспеченность.

3.22. Превышение гребня двухмерной волны h_гр над средним гидродинамическим уровнем воды определяется по графику (рис. 30).

Рис 30. График вертикальной асимметрии профиля волны

Для трехмерных волн (на подходе к первому разрушению) полученные величины h_гр/h могут увеличиваться до 10 %.

3.23. Горизонтальную асимметрию K_l= l_гр/l_л или отношение длины гребня двухмерной волны к длине ложбины по среднему гидродинамическому уровню воды в точке расчета в зависимости от заложения прибрежного склона для волн 15-20 % обеспеченности в первом приближении можно определить по графику (рис. 31, ключ 1).

Рис. 31. График для определения коэффициентов К_l или длин гребня l_гр волн с l_гл : h_гл = 10

3.24. Глубину понижения уровня воды в месте начала разрушения волн определяют по формуле

. (71)

3.25. Высоту подъема уровня или волнового нагона (см. рис. 29) над гидродинамическим уровнем воды при одном разрушении волн на склонах m£ 17 определяют по формуле

, (72)

где — коэффициент, зависящий от заложения прибрежного склона, величину которого определяют по графику (рис. 32, ключ 1), для ветровых воли h_кр принимают 15 % обеспеченности.

Рис. 32. График для определения коэффициентов и

При многократном разрушении волн высоту подъема уровня после каждого последующего разрушения определяют по формуле

и т. д. (73)

3.26. Высоту волны на урезе воды h_у по среднему ветроволновому нагонному уровню определяют по графику (рис. 33, ключ 1).

Рис. 33. График для определения высот волн на урезе с учетом нагонного уровня воды

3.27. Высоту наката волн над суммарным ветроволновым нагоном на склонах m³ 5 определяют по формуле

, (74)

где K_ш — определяют по СНиП 2.06.04-82*; — коэффициент, зависящий от пологости склона, величину которого определяют по графику (см. рис. 32, ключ 2).

Пример расчета элементов ветровых волн

3.28. Требуется рассчитать трансформацию элементов ветровых волн 1 %- и 15 %-ной обеспеченности при угле подхода главного луча a = 30° к относительно прямолинейному прибрежному склону с m = 30. Расчетная скорость ветра w = 25 м/с, средняя глубина воды H= 12 м, конфигурация берегов водоема сложная (рис. 34).

Рис. 34. График изменения высот волн 1 и 15 % обеспеченности по примерам расчета и построения расчетной схемы волнения

Из точки расчета D₀ (рис. 34) проводят главный и вспомогательные лучи, с помощью которых по СНиП 2.06.04-82* определяют `h = 1,41 м и `t = 4,4б с. По рис. 1, Прил. 1 убеждаемся, что при Н = 0,0615 средняя высота волны `h = `h_гл. Там же по графику (рис. 2) определяют или h_1% = 1,41 × 2,2 = 3,1 м.

Высоты волн на относительно прямолинейном склоне в точках расчета с глубинами H= 7,5; 5 и 2,5 м определяют по формуле (61). Для первой точки H = 7,5 м находят отношение и с графика (рис. 25, ключ 3) снимают K_тр = 0,95 и (см. рис. 26, ключ 1) K_п = 0,99, при этом K_р = 1. Подставляя найденные величины в формулу (61), получаем h_1% = 0,95 × 0,99 × 3,1 = 2,9 м. Аналогично на глубинах H= 5 м h_1% = 2,52 м; H= 2,5 м h_1% = 2,14 м.

Критическую высоту и глубину к моменту первого разрушения ветровых волн определяют с помощью построения кривой трансформации высот волн на графике (см. рис. 28). Для этого на график наносят точки с абсциссами , и и соответствующими ординатами , и (см. рис. 28, ключ 2). По точкам проводят осредняющую кривую. Абсцисса Н_кр: = 0,015 и ордината точки, образованной пересечением построенной и характеризующей пологость склона кривых, позволяют получить ожидаемые величины Н_кр(1) = 2,94 м и h_кр(1) = 2,23 м.

Высоту двухмерной волны эквивалентной исходной трехмерной определяют по графику рис. 25 абсциссой (ключ 3) через коэффициент трансформации и отношение h_1%гл = 2,23 : 0,9=2,48 м. По графику рис. 28, ключ 4 определяется первая критическая глубина Н_кр(1) = 9,81 × 19,8 × 0,018 = 3,5 м. Глубина воды под ложбиной по формуле (69) = 0,8 × 3,5 = 2,8 м.

Высоту волны, образованной после прекращения первого разрушения, определяют по формуле (66) или h_1%(1) = K_mh_гл = 0,43 × 2,48= =1,07 м, где K_m определяют по графику (рис. 28, в, ключ 1).

Глубину воды в месте прекращения первого разрушения определяют по формуле (67), подставляя в нее величины K_m = 0,43 и b = 0,033 × 30 + 0,74 = 1,74.

Высоты волн к моменту разрушения при или l : h_гл = 29,6 определяют по графику (см. рис. 28, ключ /) h_кр(2) = h_кp : h_гл = 1,18 или h_кр(2) = 1,07 × 1,18 = 1,26 м.

Глубину воды, на которой начинается второе разрушение волны ординатой = l,26 : 9,81 × 4,46² = 0,00632, определяют через абсциссу H_кр : = 0,0082 или H_кр = 0,0082 × 9,81 × 4,462 = 1,62 м по графику рис. 28, ключ 4.

Высоты волн в процессе последнего разрушения на склоне определяют по формуле (70), по которой на глубине H= 1,5 м — = l,16 м; Н = 1 — = 0,77 и и //=0,5- h =0,39 м. Результаты выполненных расчетов представлены на графике (см. рис. 34).

Аналогичные расчеты могут быть выполнены и для волн другой обеспеченности по их высотам и длинам. Расчет для волны 15 %-ной обеспеченности представлен на рис. 34.

Течения в водоемах

3.29. Водоемам, в отличие от водотоков, свойственно многообразие течений не стационарных во времени, по направлению, глубине и величинам скоростей.

3.30. Течения в водоеме можно классифицировать по двум признакам — по происхождению и по действующим силам.

Течения по происхождению подразделяют на первичные и вторичные. К первичным, или исходным, относят обычно ветроволновое, транзитное, стоковое и плотностное течения. Величины скоростей и наносотранспортирующая способность транзитного, стокового и плотностного течений обычно незначительны.

3.31. Основным исходным или первичным является ветроволновое течение. Его интенсивность, зона действия на глубинах H³H_кр определяются скоростью ветра и элементами волн, а также их углом подхода к прибрежному склону избранного участка водоема.

3.32. При фронтальном подходе ветра и волн к относительно прямолинейному прибрежному склону в поверхностных слоях воды наблюдается ветроволновое, а при донных — компенсационное течение обратного направления (см. рис. 29). При этом ветроволновое течение обычно находится на глубинах Н £ 0,2 `l, а компенсационное .

3.33. Скорость ветроволнового течения на поверхности воды при ветре w£ 20 м/с можно определить по формуле

u=0,02w. (75)

3.34. Распределение скоростей ветроволнового и компенсационного течений на избранной вертикали с глубинами H³H_кр рекомендуется рассчитывать по методике А. В. Караушева (см. рис. 29).

Переход поверхностных слоев воды в придонные или ветроволнового течения в компенсационное происходит преимущественно в прибойных зонах.

3.35. На подходе к месту разрушения волн скорости ветроволнового и компенсационного течений увеличиваются. К моменту разрушения волн скорость ветроволнового течения в поверхностном слое u, м/с, приближается или равна скорости их перемещения, величину которой можно определить по формуле

. (76)

3.36. Распределение скоростей волнового течения по глубине в месте начала разрушения волн, подходящих по нормали к берегу, при прохождении их гребней можно определить по формуле

, (77)

где h = z/(H_кр + h_кр);

z — глубина воды, отсчитываемая от поверхности склона.

3.37. При прохождении ложбин волн в месте началаих разрушения прослеживается компенсационное течение, распределение скоростей которого можно определить по формуле

, (78)

где .

Величины и распределение скоростей волнового и компенсационного течений по заданным элементам волн на подходе к месту начала их разрушения приведены на рис. 29.

3.38. В зонах разрушения волн или в прибойных зонах орбитальное движение частиц жидкости отсутствует. При прохождении гребней воли массы воды на всю глубину волновым течением смещаются в сторону луча волнения, а при прохождении ложбин — компенсационным течением смещаются в обратном направлении.

3.39. На пологих прибрежных склонах m³ 17 после прекращения первого и последующих разрушений волн восстанавливается орбитальное перемещение частиц воды, ветроволное и компенсационное течения.

3.40. Величину орбитальной придонной скорости на прибрежном склоне в зоне действия неразрушающихся волн определяют по формуле

, (79),

где n — коэффициент, принимаемый в зависимости от относительной пологости волн на табл. 8.

Таблица8

	8	10	15	20
n	0,6	0,7	0,75	0,8

С учетом пологости прибрежного склона и критических глубин величину придонной орбитальной скорости можно определить по графику (рис. 35).

Рис. 35. График для расчета придонных орбитальных скоростей волн l_гл : h_гл = 10

3.41. В большинстве случаев волны открытого водоема подходят под косым углом к избранному участку берега или прибрежного склона. В этих случаях вследствие отсутствия или слабого проявления волнового нагона компенсационные течения на подходе к прибойным зонам обычно не прослеживаются. Пример расчета величин этих скоростей см. на рис. 29.

3.42. В прибойных зонах наряду с волновыми и компенсационными появляются вдольбереговые течения. Вдольбереговое течение — это смещение масс воды прибойной зоны вдоль берега. Оно возбуждается и поддерживается энергией разрушающихся волн или масс воды, транспортируемых ветроволновым течением и сбрасываемых разрушающимися гребнями в прибойные зоны.

Величину средней скорости вдольберегового течения при одном разрушении волн определяют по формуле

, (80)

где S_в — обобщенный коэффициент, величину которого определяют по графику (рис. 36).

Рис. 36. График изменения коэффициента S_в

3.43. При многократном разрушении волн средняя скорость вдольберегового течения в пределах каждой последующей прибойной зоны определяют по формуле

, (81)

где — высоты волн 15 % обеспеченности к моменту данного разрушения и образованных после его прекращения;

a_n — угол, образованный между лучом волнения и нормалью к склону к моменту разрушения.

3.44. Средняя скорость вдольберегового течения между первой и второй, второй и третьей и последующими прибойными зонами определяется по формуле

, (82)

где u_n и u_n-1 — средние скорости вдольберегового течения в пределах предыдущей и последующей прибойной зоны.

3.45. Ветроволновые течения как при фронтальном, так и при косом подходе волн, транспортируют в прибойные зоны массы воды с повышенным содержанием планктона, отмершей растительности, мусора.

3.46. В пределах прибойных зон вследствие резкого увеличения скоростей течений, ослабления водообмена с открытой акваторией водоема и повышенной аэрации вода дополнительно переохлаждается и увеличивает плотность или мутность за счет частиц грунта, слагающих поверхность прибрежного склона.

3.47. Повышенная плотность воды способствует появлению в придонном слое плотностного течения, которое при фронтальном подходе волн совпадает по направлению с компенсационным, усиливает последнее, образуя смешанное течение.

3.48. В местах резкого изгиба берега или прибрежного склона вдольбереговое течение за счет инерционных сил и повышенной плотности транспортируемых масс воды может выходить из пределов прибойных зон в открытый водоем (рис. 37, а, в).

Рис. 37. Схемы возможных картин течений в прибрежной зоне водоема

1 — направление луча волнения; 2 — вдольбереговое течение; 3 — инерционное течение; 4 — плотностное течение; 5 — градиентное течение; 6 — берег; 7 -изобаты

3.49. Направление течения, вышедшего из зоны действия возбуждающих сил, названного инерционным, зависит от топографических особенностей и глубин воды на подходе к избранному участку водоема, плотности и исходных скоростей течения, интенсивности, направления волнения и других факторов.

3.50. По мере увеличения глубин воды и уменьшения скорости инерционного течения преобладающее влияние на его перемещение оказывает плотность транспортируемых масс воды. Инерционное течение преобразуется в плотностное, скорость и направление которого определяются топографией водоема, плотностью потока и другими факторами.

3.51. В бухтах, заливах и в местах расположения инженерных сооружений, выступающих в водоем, наряду с описанными разновидностями течений появляется градиентное течение (см. рис. 37, б, г).Оно возникает от перепада давления или уровня воды между прибойной зоной и открытым водоемом. Этот перепад создается за счет скоростного напора вдольберегового течения и волнового нагона.

3.52. Направление перемещения и скорость градиентного течения зависят от топографии прибрежного склона избранного участка водоема, скоростей и плотности масс воды, транспортируемых вдольбереговыми течениями, интенсивности и направления волнения и других факторов. При симметричном контуре прибрежных склонов и подходе луча волн градиентное течение обычно направлено в открытый водоем вдоль оси бухты или залива. При других условиях оно может занимать любое плановое положение.

3.53. После выхода из пределов прибойной зоны или действия возбуждающих сил градиентное течение, как и вдольбереговое, преобразуется в инерционное, а затем в плотностное.

3.54. В зонах действия сосредоточенных течений, выходящих из пределов прибойных зон, независимо от глубины водоема будет нарушаться температурная стратификация воды; в придонных слоях может наблюдаться повышенное содержание планктона, водной растительности, взвеси, интенсивная аккумуляция наносов, а в предледоставные периоды — местное переохлаждение воды и образование донного шугольда.

Миграция наносов и мутность воды

3.55. Миграция наносов на прибрежных склонах вследствие многообразия и нестационарности действующих факторов обусловлена различными условиями: топографическими, гидрологическими, геологическими и др.

Поэтому при расчетах мутности воды, миграции наносов, переработки берегов и прибрежных склонов в месте намечаемого размещения водозаборных сооружений по рекомендуемым ниже методикам необходимы инженерные изыскания, позволяющие вносить в них соответствующие коррективы.

3.56. Частицы грунта, слагающие берега и прибрежные склоны, в зависимости от их крупности, величин орбитальных скоростей и интенсивности течений могут находиться во взвешенном, полувзвешенном, влекомом и неподвижном состояниях.

3.57. Состояние частиц грунта на поверхности прибрежного склона определяется следующими факторами:

их средней крупностью, связностью и заложением прибрежного склона;

величинами и направлением (по отношению к орбитальным) скоростей течений, возбуждаемых волнением, в прибрежной зоне.

3.58. Механизм перемещения наносов зависит от их состояния, крупности, угла подхода луча волнения к прибрежному склону, величин скоростей течений, орбитального движения жидкости и ряда других факторов.

Наносы, находящиеся во взвешенном состоянии, независимо от направления и интенсивности волнения, глубин воды и других факторов транспортируются той или иной разновидностью течения.

3.59. При подходе луча волнения по нормали к прибойной зоне относительно прямолинейного прибрежного склона взвешенные наносы транспортируются преимущественно компенсационными, а затем плотностными течениями в придонном слое в сторону открытого водоема.

Вследствие предельного увеличения придонных орбитальных скоростей, а также волновых и компенсационных течений наиболее интенсивное повышение мутности происходит в зоне разрушения волн (рис. 38).

Рис. 38. Схема изменения мутности на прибрежном склоне, высоты и длины дамб, ограждающих подводящий канал водозабора

1 и 2 — мутность воды при высотах волн h» 0,9 и 1,6 м; 3 — длина и высота дамб, размещенных в пределах прибойной зоны; 4 — длина дамб, ограждающих канал с выходом за пределы прибойной зоны; 5 — то же, размещения в пределах этой зоны

Одновременно полувзвешенные и влекомые наносы вследствие асимметрии профиля волн или орбитальных скоростей на подходе к прибойным зонам перемещаются в сторону берега (см. рис. 29). В зонах разрушения из-за наличия интенсивного компенсационного течения в придонном слое эти наносы перемешиваются в обратном направлении. Такой механизм перемещения полувзвешенных и влекомых наносов способствует образованию подводных валов в условиях стационарных уровней и элементов волн, а также удержанию наиболее крупных частиц грунта в приурезовой зоне водоема (см. рис. 38).

3.60. При косом подходе волн к пологому прибрежному склону вся упомянутая разновидность наносов из-за совпадения направления их перемещения с ветроволновым течением более интенсивно перемещается к месту разрушения волн.

В месте разрушения эти наносы вдольбереговыми течениями перемещаются вдоль берега, а затем, в зависимости от местных условий, градиентными, инерционными и плотностными течениями — в сторону открытого водоема.

3.61. При одинаковой крупности и связности частиц грунта на мутность воды в прибрежной зоне, а вместе с ней и миграцию наносов большое влияние оказывают пологость волн и прибрежного склона, интенсивность их разрушения, относительная глубина — h/Hи другие факторы. С увеличением крутизны прибрежного склона, относительной глубины, интенсивности разрушения и пологости волн мутность и миграция наносов при одной и той же их крупности увеличиваются (см. рис. 38).

3.62. Состояние частиц несвязного грунта на пологом прибрежном склоне от действия орбитальных придонных скоростей можно определить с помощью рис. 39.

Рис. 39. Начальные волновые скорости трогания и перемещения частиц грунта на горизонтальном и слабонаклонном дне

1 — кривая начальных скоростей трогания частиц грунта; 2 — кривая начальных скоростей поверхностного сплошного перемещения грунта; 3 — кривая скоростей массового перемещения верхнего слоя грунта

3.63. Среднюю мутность воды от i-той фракции наносов, слагающих ложе водоема или прибрежный склон в зонах действия неразрушающихся волн на избранной вертикали, можно определить с помощью графика (рис. 40) на глубине Н: , где r_i— содержание i-той фракции наносов (в долях единицы) в грунте ложа или склона; a — коэффициент, зависящий от величины придонной орбитальной скорости u_д; w — гидравлическая крупность фракции. Для наносов крупнее 0,01 мм a = 1. При более мелких наносах 0,35 м/с <u_д< 0,5 м/с a = 1,5; при u_д£ 0,35 м/с a = 2. В расчетах обычно учитывают не более трех наиболее характерных фракций. Суммарная мутность воды для п фракций определяется по формуле

. (83)

Рис. 40. График для определения средней мутности на вертикали

Гидравлическую крупность наносов определяют по табл. 9.

Таблица 9

Диаметр частиц, мм	Гидравлическая крупность частиц при различной температуре воды, °С
5	10	15	20
0,01	0,0043	0,0049	0,0056	0,064
0,015	0,0099	0,0115	0,0132	0,0149
0,02	0,017	0,0198	0,0226	0,256
0,04	0,0705	0,082	0,093	0,106
0,06	0,159	0,184	0,212	0,239
0,08	0,282	0,324	0,377	0,424
0,1	0,441	0,512	0,588	0,663
0,12	0,635	0,737	0,847	0,956
0,15	0,99	1,13	1,325	1,49
0,2	1,545	1,711	1,876	2,042
0,4	3,785	3,95	4,116	4,292
0,6	6,025	6,191	6,356	6,522
0,8	8,265	8,431	8,596	8,762
1	10,505	10,671	10,836	11,002
1,2	12,745	12,911	13,076	13,242
1,5	16,105	16,221	16,436	16,602
2	19	19	19	19

3.64. Мутность воды в пределах прибойных зон определяется в первую очередь относительной глубиной h : H и интенсивностью разрушения волн (см. рис. 38). Для приурезовой зоны, прибрежный склон которой сложен из мелкозернистых грунтов, она может находиться в пределах

. (84)

В зонах более раннего разрушения

, (85)

где r₀ — средняя мутность воды на подходе к первому разрушению волн.

3.65. Распределение мутности на вертикалях прибрежного склона, сложенного преимущественно из мелкозернистых песков, можно определить с помощью табл. 10.

Таблица 10

z/H	0	0,2	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95
	0,54	0,56	0,68	0,9	1,13	1,43	1,97	2,52

3.66. Ввиду многообразия факторов, определяющих интенсивность взмучивания воды в прибрежной зоне, наиболее достоверные сведения о ней можно получить с помощью инженерных изысканий. Для их обобщения и последующей экстраполяции можно построением графиков (рис. 41) по замеренным величинам `r на избранных вертикалях получить эпюры мутности воды по всей ширине прибрежного склона (см. рис. 38) для различной интенсивности волнения.

Рис. 41. График возможных изменений средней мутности воды в зависимости от высот волн заложения прибрежного склона и средней крупности грунта

1 — натура бухты Тавахи m = 50 — 200, d = 0,15; 2 — Сахалин, гравийно-галечниковый склон m » 30; 3 — в местах разрушения волн на склонах m > 50, d = 0,25; 4 — осреднение величины по зарубежным данным; 5 — Анапское побережье в зонах действия вновь образованных волн, d = 0,25

3.67. Расход наносов, транспортируемый той или иной разновидностью течения в пределах прибрежной отмели или перед намечаемыми инженерными сооружениями, можно определить по формуле

, (86)

где F — площадь живого сечения зоны действия течения.

3.68. Суммарный вдольбереговой расход наносов вдоль прибрежного склона Q, м³/c, ориентировочно можно определить по формуле

. (87)

3.69. Сток наносов, м³, за время t, сут, приближенно можно определить по формуле

. (88)

3.70. Предельную ширину полосы ожидаемой переработки берега при заданном уровне воды в первом приближении можно определить по формуле

Sп = H²/K + H/m_n, (89)

где Н — глубина размывающего воздействия волн определяется по графику (рис. 42).

Рис. 42. График для определения глубин размывающего действия волн

K = 20m_nm₀/(m_n — m₀), (90)

где m_n,m₀ определяют по табл. 11.

Таблица 11

Вид грунта	Крупность частиц, мм	mn	m0	Показатель h/d устойчивости
Песок:
пылеватый	0,01-0,1	0,005	0,001	100
мелкий	0,1-0,25	0,03	0,005	70
средний	0,25-0,5	0,07	0,01	70
крупный	0,5-1	0,14	0,02	70
Гравий:
мелкий	1-2	0,19	0,03	45
средний	2-5	0,21	0,05	45
крупный	5-10	0,25	0,08	25
Галечник:
мелкий	10-20	0,3	0,1	11
средний	20-50	0,36	0,15	6
крупный	50-100	0,4	0,2	4

3.71. Время, в течение которого ожидается предельная переработка берега, можно определить по формуле

Т_п = 2S_п/u_mах, (91)

где u_max — максимальная скорость переработки относительно прямолинейного берега, м/год, определяется по формуле

; (92)

где — определяется по графику (рис. 43);

Рис. 43. График u_max = f(h, h_б)при высоте берега h_б< 2 м

1 — лесс; 2 — песок мелкозернистый; 3 — песок среднезернистый; 4 — суглинок; 5 — глина; 6 — песок крупнозернистый с валунами

К¢ — коэффициент, зависящий от высоты берега над расчетным уровнем воды, определяют по табл. 12.

Таблица 12

Hб — высота берегов	< 2	2-5	5-10	10-15
К¢	1	0,8	0,6	0,4

3.72. Для мысов максимальная скорость переработки берега обычно в 1,5-2 раза больше, чем для относительно прямолинейного берега, или

S_п = (0,75-1) u_maxТ_п. (93)

3.73. Величину ожидаемой переработки берега за заданное число лет Т можно определить по формуле

S_Т = u_maxТ (1-0,5Т/Т_п). (94)

3.74. Изложенная методика расчета не позволяет учесть всей совокупности местных условий избранного участка водоема. Поэтому при решении ответственных задач целесообразно изыскивать сведения по отступлению бровки берега на начальном этапе заполнения водоема с последующей корректировкой расчетных формул или построения графической взаимосвязи (рис. 44).

Рис. 44. График ожидаемой переработки берега

1 — расчетный; 2 — по материалам изысканий

Гидротермика водоемов

3.75. Водоемам обычно свойственна температурная стратификация воды по глубине. Она зависит от глубины и проточности водоема, ветроволновой активности на его поверхности, климатических условий и других факторов.

3.76. Плотность воды r в зависимости от ее температуры определяется по табл. 13.

Таблица 13

t, °С	r	t, °С	r	t, °С	r	t, °С	r
0	0,99987	10	0,99975	25	0,99712	60	0,98338
3	0,99999	12	0,99955	30	0,99576	70	0,97794
4	1	14	0,9993	35	0,99413	80	0,97194
5	0,99999	16	0,999	40	0,99235	90	0,96556
6	0,99997	18	0,99865	45	0,99037	100	0,95865
8	0,99989	20	0,99826	50	0,98820

3.77. При наличии волнения происходит нарушение температурной стратификации на глубину, величина которой определяется по формуле

, (95)

где Н_с — толщина слоя ветрового перемешивания; t₁ и t₂— температуры воды поверхностного и придонного слоев; b — коэффициент объемного расширения воды; `h — высота ветровой волны; `с — фазовая скорость волны.

Правую часть уравнения (95), обозначенную через K₀, можно получить с помощью рис. 45.

Рис. 45. График для определения глубины ветрового перемещения в зависимости от температурной стратификации и параметров ветрового волнения

В местах выхода сосредоточенных течений прибойной зоны в открытый водоем температурная стратификация обычно нарушается на всю глубину воды.

По мере ослабления ветра и волнения температурная стратификация восстанавливается.

3.78. В предледоставные периоды в прибрежных зонах вследствие слабого водообмена между прибойной зоной и открытой акваторией водоема, интенсивной аэрацией потока и других факторов происходит местное переохлаждение воды. При достижении нулевых температур воды местное переохлаждение ее в прибойных зонах (рис. 46) в первом приближении следует определять по формуле

, (96)

где K_p — коэффициент, учитывающий дополнительную теплоотдачу при разрушении волн (при 5 £w£ 20 м/с K_р» 0,5); Dl = l₀ — l₂ — разность между максимальной упругостью водяных паров при температуре поверхности воды (l₀ при t» 0°С равно 6,1 мб) и абсолютной влажностью воздуха на высоте 2 м над поверхностью воды (Dl обычно находится в пределах 2-4 мб); — температура воздуха на высоте 2 м; w₂ — скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды; f(Dt) — функция, учитывающая увеличение интенсивности испарения при положительной разности температур ветра-воздуха (табл. 14); Sb_кр — суммарная ширина зон разрушения волн (см. рис. 46); С_р — удельная теплоемкость воды.

Рис. 46. Схема для расчета местного переохлаждения воды в прибойных зонах

Таблица 14

Dt, °С	0	1	2	3	5	7	10
t (Dt)	0	0,15	0,3	0,43	0,66	0,85	1,09

Взаимодействие течений с сооружениями

3.79. В условиях водоемов одним из основных элементов водозабора являются волнозащитные или берегозащитные сооружения.

Конструктивная схема и компоновка берегозащитных сооружений определяется типом водозабора, ожидаемой переработкой берегов и прибрежных склонов в месте его размещения, интенсивностью волнения, ледовых нагрузок и рядом других факторов.

3.80. По сложившейся традиции берегозащитные сооружения используются при любом типе водозабора. При этом корни берегозащитных сооружений размещают за пределами ожидаемой переработки берега, а головы или их лицевую грань обычно выводят за пределы первого разрушения волн.

3.81. Вынос или выход волнозащитных сооружений в процессе последующей переработки берега и прибрежного склона за пределы прибойной зоны независимо от типа водозабора способствует перехвату вдольбереговых течений и их выходу из пределов прибойной зоны в открытый водоем.

3.82. После выхода вдольберегового, а в некоторых случаях и градиентного течения из пределов прибойной зоны их направление и скорость перемещения определяются компоновкой и конструктивными элементами волнозащитных сооружений, направлением и интенсивностью волнения и ветроволновых течений, пологостью прибрежного склона, мутностью транспортируемых масс воды и рядом других факторов (см. рис. 37).

3.83. На водозаборах с самотечными или сифонными водоводами и водоприемниками, вынесенными в открытый водоем (рис. 47), по мере переработки берега и прибрежного склона, независимо от других факторов, интенсивность отклонения вдольбереговых, а затем и градиентных течений волнозащитными сооружениями будет усиливаться. В предельном случае градиентные течения могут выходить в сторону водоема по нормали к поверхности прибрежного склона от места примыкания волнозащитных сооружений к берегу. Этими причинами объясняется имеющее место на ряде водозаборов периодическое увеличение захвата в водоприемники воды с повышенным содержанием продуктов переработки берегов, планктона, водной растительности, появление шуголедовых помех в предледоставные периоды и нарушение температурной стратификации в месте водоотбора.

Рис. 47. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями берегозащитных сооружений водозабора с самотечными или сифонными водоводами

1 — фронт гребней волн; 2 — вдольбереговое течение; 3 — волнозащитные сооружения; 4 — насосная станция; 5 — водоприемники; 6 — берег

3.84. На водозаборах с береговыми водоприемниками (рис. 48), устраиваемых на устойчивых берегах и прибрежных склонах, при размещении волнозащитных сооружений, не выходящих за пределы 2Н_кр, вдольбереговые течения обычно обтекают последние непосредственно в месте водоотбора. В этих случаях, независимо от глубин в месте расположения водоприемных устройств, в них будут преимущественно захватываться массы воды, транспортируемые вдольбереговыми течениями в прибойной зоне.

Рис. 48. Схема возможной картины обтекания берегозащитных сооружений водозабора берегового типа

1 — фронт волн; 2 — вдольбереговые течения; 3 — водоприемные окна водозабора; 4 — насосная станция; 5 — берегозащитные сооружения; 6 — берег

3.85. На водозаборах с подводящим каналом, огражденным волнозащитными дамбами (рис. 49), вдольбереговые и градиентные течения, как и в ранее описанных случаях, при косом подходе волн обтекают упомянутые дамбы. В подводящий канал независимо от длины дамб поступают преимущественно массы воды, транспортируемые вдольбереговыми течениями в прибойных зонах.

Рис. 49. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями дамб, ограждающих подводящий канал

1 — ограждающие дамбы; 2 — фронт гребней волн; 3 — вдольбереговое течение; 4 — насосная станция; 5 — берег

3.86. Почти аналогичная картина обтекания дамб, ограждающих подводящий канал (рис. 50), наблюдается и при наличии волнолома.

Рис. 50. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями дамб и волнолома, ограждающих подводящий канал

1 — подводящий канал; 2 — ограждающие дамбы; 3 — волнолом; 4 — фронт гребней волны; 5 — вдольбереговое течение; 6 — предельная высота наката волн; 7 — насосная станция

3.87. В ряде случаев, когда вдольбереговая миграция наносов незначительна и не ожидается аккумуляция наносов между прилегающим прибрежным склоном и ограждающей волнозащитной дамбой, искривлением ее голов (рис. 51) удается отклонить вдольбереговое и градиентное течения от входа в подводящий канал.

Рис. 51. Схема возможной картины отклонения вдольбереговых и градиентных течений ограждающими дамбами

1 — ограждающие дамбы; 2 — фронт гребней волны; 3 — вдольбереговое течение; 4 — насосная станция; 5 — берег

3.88. При косом подходе волн размещение волнозащитных сооружений на глубинах больших Н >Н_кр, как показывают результаты лабораторных исследований и практика эксплуатации водозаборов, приводит к местному нарушению бытового режима течений и миграции наносов на избранном участке водоема. При этом с увеличением глубин воды в месте размещения волнозащитных сооружений интенсивность аккумуляции наносов на одних участках, а также переработка берега и прибрежного склона на других возрастают.

3.89. Во всех случаях наиболее обоснованным инженерным решением следует считать то, при котором не нарушается или незначительно нарушается сооружениями бытовой режим избранного участка водоема на период эксплуатации водозабора.

3.90. Эффективного отклонения вдольбереговых и градиентных течений от места водоотбора инженерными сооружениями удается достичь только при наличии резкого падения глубины в месте их расположения и незначительной вдольбереговой миграции наносов.

Классификация условий забора воды

3.91. Надежность забора воды заданного расхода и качества определяется в первую очередь местными условиями избранного участка водоема.

3.92. Местные условия избранного участка водоема могут изменяться вследствие последующей переработки берегов и прибрежных склонов, аккумуляции продуктов переработки, строительства инженерных сооружений в пределах прибрежной зоны, усиления биологической активности и других факторов.

3.93. Основными факторами, определяющими условия отбора воды, как показано в пп. 3.79—3.90, являются сосредоточенные течения, периодически появляющиеся в прибрежных зонах водоема.

3.94. Местные условия избранного участка водоема подразделяют на легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые.

Основные характеристики этих условий приведены в табл. 15.

Таблица 15

Условия забора воды	Местные условия избранного или заданного участка водоема
устойчивость берегов и прибрежных склонов; мутность воды, мг/л; аккумуляция наносов	шуга и лед	другие факторы
Легкие	Берега, прибрежные склоны и ложе водоема устойчивы; мутность `r£ 500	Отсутствие внутриводного ледообразования, ледостав устойчивый	Отсутствие в водоеме обрастателей (ракушек), водорослей, малое количество загрязнений и сора
Средние	Мутность `r£ 1500, берег и прибрежный склон устойчивы, периодическая деформация склона ±0,5 м, вдольбереговая миграция	Ледостав устойчивый, мощность до 1,2 м, местное переохлаждение воды в предледоставный период, не вызывающие перебоев в работе водозабора	Наличие сора, водорослей, обрастателей и загрязнений в количествах, не вызывающих помехи в работе водозабора
Тяжелые	Мутность `r£ 5000, значительная переработка берега и прибрежного склона с вдольбереговой миграцией наносов	Ледостав не устойчивый, местное переохлаждение воды в предледоставные периоды, вызывающие перебои в работе водозабора. Навалы и торошение льда в прибрежной зоне	Наличие сора, водорослей, обрастателей и других загрязнений в количествах, затрудняющих работу водозабора и сооружений водопровода
Очень тяжелые	Мутность `r£ 5000, интенсивная переработка берега и прибрежного склона с вдольбереговой и поперечной миграцией наносов. Наличие или возможность оползневых явлений	Полное переохлаждение воды в прибрежной зоне. Навалы и торошение льда с заполнением прибрежной зоны шугольдом	То же, но с чрезмерно высоким содержанием водорослей и планктона, приводящим к необходимости прекращения водоотбора