VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

HIDRAULIKOS KATEDRA

Saulius VAIKASAS

EKOLOGIN ö HIDRAULIKA

Mokomoji knyga

Vilnius 2007

UDK 532(075.8) Va 86

S. Vaikasas. Ekologin÷ hidraulika . Mokomoji knyga. Vilnius: Technika, 2007. 211 p.

Mokomojoje knygoje pateiktos teorin÷s žinios apie naują atvirų

vagų hidraulikos kryptį – ekologinę hidrauliką, kurioje ypatingas d÷me-sys skiriamas gamtos apsaugos klausimams. Šių mokslo krypties žinių reikia siekiant gerinti vandens ekosistemų būklę. Knygoje išd÷styti gamtinių vagų hidrodinamikos pagrindai, supažindinama su hidraulinių procesų matematinio bei fizikinio modeliavimo metodais. Analizuojami skendinčiųjų ir dugninių nešmenų vandens t÷km÷se dinamikos d÷snin-gumai, reguliuotų upių renatūralizacijos procesai. Aptarti hidrauliniai klausimai, kuriuos reikia spręsti rengiant žuvų pralaidas.

Leidinys skirtas VGTU Aplinkos inžinerijos fakulteto studentams, pasirinkusiems magistrantūros studijų programą „Vandens ūkio inžine-rija“.

Leidinį rekomendavo VGTU Aplinkos inžinerijos fakulteto studijų komitetas Recenzavo: prof. habil. dr. N. T. Ždankus, KTU Geoinžinerijos katedra, doc. dr. R. Pekus, VGTU Hidraulikos katedra VGTU leidyklos „Technika“ 956 mokomosios metodin÷s literatūros knyga ISBN 978-9955-28-148-1 © S. Vaikasas, 2007 © VGTU leidykla „Technika“, 2007

3

TURINYS

Įvadas............................................................................................................ 5

1. Ekohidraulika ir hidroekologija – dvi mokslo sritys................................ 7

2. Gamtinių vagų hidrodinamikos pagrindai............................................... 17 2.1. Pagrindin÷s lygtys ........................................................................... 17 2.2. Pagrindinių lygčių taikymas skaičiuojant pagal ekohidrauliką ...... 23 2.3. Lygčių praktinio taikymo pavyzdys................................................ 26

3. Ekohidraulinių t÷kmių matematinio modeliavimo metodas...................31 3.1. Modeliavimo id÷ja .......................................................................... 31 3.2. Skaitinių modelių lygčių analiz÷ ..................................................... 33 3.3. Matematinio modeliavimo metodų pritaikymas t÷km÷ms upių

sl÷niuose tirti ................................................................................... 41 3.4. Kvazidvimačiai modeliai................................................................. 45 3.5. Modeliavimo sunkumai................................................................... 49 3.6. Hibridinio modeliavimo ypatumai .................................................. 50 3.7. Išvados ............................................................................................ 54

4. Fizikinis (hidraulinis) modeliavimas ekohidraulikoje ............................ 55 4.1. Panašumo teorijos pagrindai ........................................................... 55 4.2. Fizikinio modelio mastelių pasirinkimo sunkumai ......................... 59

5. Nešmenų dinamika ................................................................................. 66 5.1. Pagrindin÷s fragmentinių skendinčiųjų nešmenų savyb÷s .............. 66 5.2. Rišlių nuplautų dirvožemio dalelių savyb÷s ir jud÷jimas t÷km÷je .. 76 5.3. Dugninių nešmenų jud÷jimas t÷km÷je. Vagų dugno formos bei

t÷kmių režimai................................................................................. 78 5.4. T÷kmių ir nešmenų pusiausvyra...................................................... 92 5.5. Upių vagų savigrindos susiformavimas........................................... 93 5.6. Vagos savigrindos formavimosi proceso fizikinio modeliavimo

pavyzdys ....................................................................................... 103 5.7. Potvynio nešmenų dinamika ......................................................... 111

5.7.1. Užliejamo sl÷nio vaginių procesų ir ekosistemų tvarumo ypatumai .............................................................................. 111

5.7.2. Užliejamų deltų ir salpų t÷kmių bei nešmenų dinamika ...... 114 5.7.3. Estuarijų ir upių t÷kmių sąveika........................................... 122 5.7.4. Biogeninių medžiagų apykaitos vandenyje ir vandens

t÷kmių įtakos modeliavimo pavyzdžiai................................ 125

6. Vandens organizmų ir hidraulinių sąlygų sąveika................................ 130

4

7. Upių t÷kmių biologin÷ vandens kokyb÷ ir jos gerinimas...................... 135 7.1. Upių vaginiai procesai ir hidroekologija ....................................... 135 7.2. Upių antropogenin÷ tarša ir vandens kokyb÷ ................................ 141 7.3. Biologin÷s vandens kokyb÷s nustatymo faktoriai ......................... 144 7.4. Ištirpusio deguonies įtaka vandens kokybei .................................. 154 7.5. Lietuvos upių vandens taršos biogenin÷mis medžiagomis

analiz÷s pavyzdys.......................................................................... 159

8. Reguliuotų upelių atkūrimo ir savaimin÷s natūralizacijos hidrauliniai klausimai........................................................................... 163 8.1. Upelių ir kanalų hidraulinių ir nešmenų dinamikos procesų

analiz÷ ........................................................................................... 163 8.2. Reguliuotų upelių renatūralizacijos (atkūrimo) priemon÷s ........... 169 8.3. Apaugančių reguliuotinų vagų hidrauliniai skaičiavimai.............. 177 8.4. Žolin÷s ir krūmin÷s augalijos poveikio kanalų hidrauliniam

pralaidumui skaičiavimų pavyzdžiai ............................................. 181

9. Žuvų migracijos ir t÷kmių hidraulinių charakteristikų sąsaja............... 191 9.1. Bendros žinios............................................................................... 191 9.2. T÷km÷s greičiai ir žuvų migracija ................................................. 192 9.3. Kritiniai migravimo greičiai.......................................................... 193 9.4. Žuvų pralaidų hidrauliniai skaičiavimai........................................ 199

Literatūra .................................................................................................. 203

5

ĮVADAS

Ekohidraulika, arba ekologin÷ hidraulika, yra gyvosios ir negy-vosios gamtos sąveikos mokslas, tiriantis hidrodinamikos ir ekologi-jos d÷sningumus vandenyse.

Ekohidraulika siejama su hidraulikos, kaip skysčių pusiausvyros ir jud÷jimo d÷sningumų disciplinos, pritaikymu vandens ekosiste-moms atkurti ir išsaugoti. Tai taikomosios skysčių mechanikos (hid-raulikos) šaka, tirianti reiškinius, susijusius su t÷kmių ir augalų bei gyvūnų sąveika ir tarpusavio (abiotiniais) ryšiais. 1980–1990 m. pirmiausia buvo tiriamos vertingų žuvų išsaugojimo ir gausinimo ga-limyb÷s pakitus t÷km÷s greičiams ir gyliams reguliuotose upių vago-se. Taigi ekohidraulikos mokslas susiformavo kaip natūrali hidrauli-kos ir ekologijos mokslų sąveika su ryškiomis gamtosaugos taikomosiomis ypatyb÷mis. Ekohidraulika vyst÷si sustipr÷jus ekolo-gijos, biologijos, technologijos ir vadybos mokslų integracijai bei jungimosi tendencijoms. Atsirado tokios mokslo sritys kaip bioinži-nerija, ekotechnologija, ekohidrologija, ekologin÷ inžinerija, gamto-saugin÷ inžinerija, atkuriamoji ekologija ir biologinis valdymas. Ekohidraulika siejasi ir iš dalies sutampa su šiais pamin÷tais naujais mokslais, tačiau daugiausia taikoma vandens organizmams ir ekosis-temoms atkurti bei valdyti pagal hidrodinamikos ir atvirų vagų hid-raulikos d÷sningumus.

Visų min÷tų mokslų raidą lemia augantys visuomen÷s poreikiai ir d÷l to did÷jantis neigiamas antropologinis poveikis vandens ekosis-temoms. Mokslininkai teigia, kad daugelis žmogaus veiklos nulemtų neigiamų gamtos reiškinių (vandens ir oro tarša, sausros, potvyniai, klimato kaita) kyla d÷l nenusp÷jamo gamtos pusiausvyros sutrikdy-mo. Kaip žinoma, up÷s ir upeliai yra vieni labiausiai užterštų ir nu-niokotų gamtos vietų. Pastačius užtvankas, įrengus slenksčius, pyli-mus ir drenažo ar kanalizuoto vandens išleistuvus, d÷l dr÷kinimo perskirsčius vandens nuot÷kį, neišvengiamai kyla ekohidraulinių ty-rimų ir poveikio vandens ekosistemoms vertinimo bei sutrikdytos gamtos pusiausvyros atkūrimo būtinyb÷. Augant gamybai šiuo metu

6

daugelio šalių vyriausyb÷s jau linkusios skirti l÷šų pažeistų vandens telkinių – upių, upelių, ežerų – biologinei įvairovei išsaugoti ar atkur-ti. Tačiau norint, kad tai atneštų naudos ir būtų s÷kminga, reikalingi kriterijai ir ekohidraulikos technologijas pripažinusi inžinerin÷ vi-suomen÷.

Šiuo metu vis dar n÷ra visuotinai priimtų socialinių, ekologinių ar ekonominių kriterijų. Pavyzdžiui, įvairių upių ir upelių nevienodas hidraulinis režimas ir jų sutrikdyta bei atkurta dinamin÷ pusiausvyra, neaiškios abiotin÷s sąveikos ribos tarp augalų ir gyvūnų bei jų prisi-taikymo prie pakitusio vandens t÷kmių režimo galimyb÷s. Tod÷l di-delę reikšmę įgyja jau egzistuojančių fundamentinių d÷sningumų ir žinių sąsaja su atkurtų upių t÷kmių gamtosauginio poveikio monito-ringo duomenimis. Progresuojant naujiems tyrimo metodams ir te-chnologijoms, siejant naujus duomenis su analitiniais hidraulikos mokslo metodais ir laim÷jimais, reikalingų kriterijų kontūrai vis la-biau ryšk÷ja. Pavyzdžiui, pritaikius ekohidraulinį įvairių vandens re-žimų modeliavimą, aiškesn÷ tapo gamtosauginių t÷kmių atkūrimo ir valdymo sąvoka [King, 2004; Poff, 2004]. Didelę įtaką vandens eko-sistemų egzistavimo sąlygoms turi potvynių ir sausmečio vandens režimai, upių deltų ir lagūnų t÷km÷s, skendinčiųjų bei dugnu velka-mų nešmenų jud÷jimas, t÷kmių ir vandens augalų sąveika [Garcia ir kt., 2004].

Ekohidraulikoje naudojami tradiciniai atvirų vagų lauko tyrimų, fizinio ir matematinio modeliavimo bei duomenų analiz÷s metodai, kartu su vandens taršos sklaidos bei ekosistemų būkl÷s, prisitaikymo ir atsparumo duomenimis. Tod÷l be vandens telkinių ekologin÷s būk-l÷s ir vandenyje gyvenančių žuvų bei gyvųjų organizmų sąveikos su aplinkos t÷km÷mis vertinimo šioje knygoje trumpai supažindinama su fundamentaliais hidrodinamikoje taikomais modeliavimo ir pana-šumo teorijos bei nešmenų dinamikos d÷sningumais. Šių metodų pa-grindimas ir taikymo pavyzdžiai užima nemažą šio ekohidraulikos pagrindų kurso dalį.

7

1. EKOHIDRAULIKA IR HIDROEKOLOGIJA – DVI MOKSLO SRITYS

Ekohidraulika labiausiai taikoma atkuriant žmogaus veiklos pa-žeistą natūralų vandens t÷kmių režimą up÷se, ežeruose, lagūnose, šlapyn÷se ir jūrų pakrant÷se. Natūralus (gamtinis) vandens t÷kmių režimas yra pagrindinis veiksnys, siejantis daugelį aplinkos procesų, užtikrinančių ekosistemų tvarumą ir stabilumą. T÷kmių kitimas erd-v÷s ir laiko atžvilgiu veikia daugelį fundamentalių gamtinių procesų: arealo ištvermingumą, mobilumą ir išlikimą, rūšių konkurencijos ir prisitaikymo stiprumą, organinių ir maistingųjų medžiagų srautus, jų transformavimą ir naudojimą (Poff, 200).

T÷kmių režimas priklauso ne tik nuo žmogaus veiklos, bet ir nuo pačios gamtos. Kaip žinoma, gamtinis vandens režimas atspindi klima-to (temperatūros ir kritulių) ir baseino nuot÷kio susidarymo (geologi-nes, litologines, augalų dangos) sąlygas. Režimų kaita vyksta pagal skirtingus laiko mastelius – nuo valandos iki dešimtmečių. Kintant ba-seino reljefui, keičiasi ir jo formuojamas vandens režimas, tačiau kiek-vienas baseinas paprastai išsiskiria savitu, tik jam būdingu režimu. Paskutinių 15 metų tyrimai parod÷, kad up÷s ar upelio ekologin÷ (bio-tos) organizacija parodo jos prisitaikymą prie ilgalaikio (evoliucinio) raidos modelio. Šio natūralaus t÷kmių režimo modelio pasikeitimas d÷l žmogaus veiklos (modelio) pokyčių yra esminis ir labai tik÷tinas. Nors t÷kmių modelio modifikacijai turi įtakos ir kiti svarbūs veiksniai (pavyzdžiui, temperatūros ar nešmenų režimai užtvankų žemutiniame bjefe), paskutinių dešimtmečių tyrimai patvirtina, kad gamtoje egzis-tuojančio natūralaus daugiamečio t÷kmių režimo pakeitimai labiausiai veikia ekosistemų atsparumą ir prisitaikymą, tod÷l pakeisto vandens režimo sugrąžinimas į natūralesnį yra įprastas visų gamtosauginių-rekonstrukcinių projektų tikslas.

Gamtinių t÷kmių režimui apibūdinti paprastai naudojami 5 pa-grindiniai parametrai: debito dydis, trukm÷, pasikartojimo dažnis, chronologin÷ data ir kitimas. Bet kuris režimas turi nusistov÷jusias il-galaikes visų šių parametrų kitimo ribas. Tai leidžia statistiškai įvertin-

8

ti ekologinę min÷tų parametrų pasikeitimo įtaką, t. y. jų pikines reikš-mes ir tam tikrų ekologiškai svarbių slenksčių viršijimą, taip pat žmo-gaus veiklos daromą žalą. Taip hidrologinis nukrypimas nuo natūra-laus t÷kmių režimo tampa natūraliu nesunkiai nustatomu rodikliu, kurį tiria gimininga ekohidraulikai mokslo šaka – hidroekologija.

Hidroekologija, kaip atskira ekohidraulikai artima ekologijos mokslo šaka, išsivyst÷ per pastaruosius 15 (1990–2005) metų, sie-kiant apr÷pti ir valdyti visą ekosistemą. Hidroekologai vertina visos up÷s t÷kmių režimą ir tai, kiek šio režimo svyravimai ar kliūtys vei-kia ekologinių procesų ir sąlygų visumą. Tai holistinis metodas, kuris tiria abiotinių aplinkos sąlygų ir ryšių su gyvąja gamta dinamiką. Ta-čiau įvairios gyvosios gamtos rūšys sąveikauja su aplinka labai skir-tingai, tod÷l neįmanoma rasti vieno universalaus gamtosauginio kri-terijaus visoms be išimties rūšims. O pakeista up÷s hidroekologinių sąlygų pusiausvyra dažniausiai verčia pad÷ti visai ekosistemai. Taigi taikant hidroekologinį metodą susiduriama su natūralaus (nesutrikdy-to) vandens t÷kmių režimo sąvoka, reikalaujančia naujų tyrimų ir esamos patirties analiz÷s bei apibendrinimo.

Ekohidraulikoje , priešingai, naudojami mažesni, vietiniai tyri-mų masteliai ir metodai, pabr÷žiant atskiro upelio ar net jo dalies hid-raulines sąlygas ir jų poveikį aplinkai ir gamtai.

Istoriškai taip susiklost÷, kad abi šios disciplinos viena kitą pa-pildo ir yra naudingos atkuriant bei prižiūrint pažeistas vandens t÷k-mes. Kita vertus, kiekviena jų turi tam tikrų skirtumų. Hidroekologija daugiausia naudoja daugelio metų ir baseinų lygmens statistiškai ap-dorotą informaciją, o ekohidraulikos metodus taikantys tyrin÷tojai labiau akcentuoja išsamų vietinių sąlygų vertinimą ir galimų jų po-kyčių laikui b÷gant modeliavimą. Svarbiausia šių metodų motyvacija yra ta, kad tokių tyrimų rezultatus įmanoma palyginti su tiriamų rū-šių (dažniausiai žuvų) paplitimo arealo empirinių tyrimų duomeni-mis. Arealo išplitimo pokyčiai laiko atžvilgiu nustatomi matuojant ar modeliuojant vandens t÷km÷s greičių ir gylių pokyčius bei verifikuo-jant šio kitimo eigą. Taigi, ekohidraulika naudoja detalius inžine-rin ÷s hidraulikos tyrimo metodus, pagrįstus tiksliais hidrodina-

9

mikos ir matematikos d÷sniais. Pastaruoju metu, pl÷tojantis mate-matinio modeliavimo metodams, did÷ja ir ekohidraulikos pritaikymo galimyb÷s (pavyzdžiui, dvimačių modelių naudojimas sprendžiant vis didesnių vandens telkinių problemas).

Matyti, kad skirtumai tarp abiejų tyrimo metodų panaudojimo galimybių taip pat priklauso nuo pradin÷s informacijos (pradinių są-lygų) pateikimo pobūdžio. Pavyzdžiui, ekologin÷s būkl÷s pokyčių ty-rimo metodas priklauso ir nuo debito ar vandens lygių svyravimų kreiv÷s (hidrogramos). Kadangi hidrogramos forma integruotai pa-rodo up÷s baseine vykstančius pokyčius (nuot÷kio svyravimus), juos tiriant dažniausiai taikomas hidroekologinis metodas. Tiriant šiuos pokyčius atspindinčių hidrogramų pakitimus laiko aspektu, išmatuo-tos hidrogramos įvertinamos matematin÷s statistikos metodais.

Ekohidraulikai, kitaip negu hidroekologai, tyrin÷ja t÷kmių di-namiką naudodamiesi vietiniais debitų ir hidrologiniais duomenimis, o t÷kmių pokyčius laikui b÷gant įvertina modeliuodami matema-tini ų modelių serijomis.

Vertinant abiejų metodų pritaikymą fundamentalių hidrobiologi-nių ryšių tyrimuose matyti, kad hidroekologija tradiciškai labiausiai tinkama ekstremalių t÷kmių atvejų (potvynių, sausrų įtakos ekosis-temų rūšin÷s sud÷ties kitimo, išgyvenimo ar sunykimo) tyrimams. Priešingai, ekohidraulika labiau tinkama tiriant augalų ir gyvūnų arealų egzistavimo sąlygas, rūšinę sud÷tį, pasiskirstymą bei sąveiką t÷kmių neekstremalių pokyčių atvejais, nustatant dominuojančias rū-šis ir (netiesiogiai) visos ekosistemos įvairov÷s pokyčius d÷l sąlygiš-kai nedidelio vandens režimo kitimo.

Be abejo, tiek įvedama pradin÷ informacija, tiek tyrimais gauna-mų duomenų gausa, sud÷tis ir struktūra dažnai riboja abiejų giminingų metodų taikymo sritį. Hidroekologiniais tyrimais gaunama informacija palyginti neišsami, pritaikyta visos ekosistemos ilgalaikiams poky-čiams vertinti, tačiau pakoreguota pagal matavimo postų duomenis tinka daugeliui objektų. Priešingai, ekohidraulinių tyrimų duomenys paprastai kokybiški, išsamūs ir tikslūs, tačiau jų naudojimo sritis d÷l pradinių (išeities) duomenų detalumo poreikio yra ribota.

10

Siekiant suderinti esminį abiejų giminingų tyrimo metodų prieš-taravimą tarp tyrimo mastų ir preciziškumo, tikslinga pasinaudoti mastelių skalių atitikimo (hierarchijos) teorija. Vadinasi, ekohidrau-linių tyrimų metodas turi būti derinamas su hidroekologiniu, ir at-virkščiai, nes dažniausiai vienas kitą papildo ir yra reikalingi ekolo-gin÷s aplinkos ir vandens ryšių problemoms spręsti. Pavyzdžiui, hidroekologiniai tyrimai nustato, kad reikia atkurti natūralesnį up÷s t÷kmių režimą, tačiau be išsamaus vietinių sąlygų pažaidų tyrimo tai padaryti dažniausiai nepavyksta. Kita vertus, per didelius potvynius gali neužtekti vien tik atkurti dažniausiai pasitaikančius (pvz., vagą formuojančius) vandens režimus pagal ekohidraulinių tyrimų duo-menis, nes galima negrįžtamai pakeisti up÷s vagą ir kitas biologin÷s aplinkos egzistavimui palankias sąlygas. Taigi vertinant abu min÷tus tyrimų metodus vandens sistemos ekologinio valdymo požiūriu būti-nas pliuralizmas. Gamtin÷s ekosistemos yra integralinis daugelio su-d÷tingų ir nuolatos besikeičiančių erdv÷s ir laiko atžvilgiu procesų atspindys, o jiems ištirti reikia suderinti abu mokslinio tyrimo meto-dus ir gautų rezultatų analiz÷s. Natūralaus up÷s ar kito vandens telki-nio t÷kmių režimo atkūrimo koncepcija susieja abu šiuos tyrimų me-todus ir leidžia nustatyti aktualias normalaus vandens ekosistemų egzistavimo sąlygas bei gamtinius „slenksčius“, panašiai kaip van-dens režimų kaita parodo klimato sąlygų ir baseino charakteristikų integralinį poveikį.

Gamtosauginio t÷kmių režimo koncepcija. Natūralaus up÷s re-žimo koncepcija pagrįsta pripažinimu, kad up÷s t÷km÷ daro lemiamą poveikį savo aplinkos gamtiniams procesams, o bet kokie šios t÷k-m÷s pokyčiai veikia arealo išlikimą, prisitaikymą ar migravimą, gy-vūnų rūšių konkurencijos sąlygas ir vandenyje esančių biogeninių ar organinių medžiagų transformacijos srautus (Tumas, 2003; Brittain et al., 1996; Pets et al., 1996). Paskutinių 15 metų tyrimai parod÷, kad ekosistemų formavimasis vandentakose atspindi biotos prisitai-kymą prie evoliuciškai ilgo ir „natūralaus“ laikotarpio hidrologinių sąlygų. Tod÷l šių sąlygų pakeitimas (kad ir d÷l up÷s vagos regulia-vimo) neišvengiamai nutraukia ryšius tarp klimato kaitos ir nuot÷kio

11

(kritulių, temperatūros, nuot÷kio hidrogeologinių, litogeninių ar au-galijos augimo sąlygų ir pan.) (JAHR Congress proceed., 12–17 Sep-tember, 2004). Pavyzdžiui, Ispanijos kalnų vandens saugyklose su-laikoma ir žem÷s ūkio augalams dr÷kinti v÷liau panaudojama iki 80 % metinio nuot÷kio. Be abejo, tai labai drastiškai keičia priekal-nių ir žemupių biotos egzistavimo sąlygas – atsiranda daug išdžiū-vančių vandentakų, požeminių, nežinia kur dingstančių sausmečiu t÷kmių, sunyksta ištisos biocenoz÷s. Taigi daugelio dabartinių ar pro-jektuojamų „natūralių“ hidrologinių sąlygų atkūrimas yra vienas iš dažniausiai pasitaikančių sud÷tingo gamtosauginio tyrimo ir projek-tavimo tikslų.

Kaip min÷ta, pagrindiniai nuot÷kio režimą apibūdinantys kom-ponentai yra vandens debito dydis, pasikartojimo dažnis, trukm÷, po-kyčio periodas ir tikimyb÷. Natūralioje up÷s ar upelio t÷km÷je per daugiametį laikotarpį visada išaišk÷ja šių pagrindinių hidrologinių charakteristikų svyravimo ribos, apibūdinamos statistiniais natūrinių matavimų rodikliais. Tod÷l šių rodiklių kiekybinis pokytis ir lemia gamtin÷s pusiausvyros sutrikdymo (deformacijos) laipsnį bei gali bū-ti jo indikatorius.

Aplinkosaugin÷s t÷km÷s apibr÷žiamos kaip vandens srautai, pa-laikantys tam tikrą, žmogaus nustatytą, up÷s ekologinę pusiausvyrą. Tai reiškia, kad gali būti prižiūrimos (naudojamos) įvairios aplinko-saugin÷s būkl÷s up÷s. Atsižvelgus į šiuos reikalavimus, ekohidrauli-koje atsirado nauji tyrimų metodai, vertinantys visų up÷s dalių (nuo ištakų iki žiočių) ekohidraulines sąlygas ir būklę – nuo sausmečio iki potvynių. Šitoks kompleksinis vertinimas leidžia geriau pažinti ir naudoti upes, nes įvairūs klimato ir žmogaus veiklos hidrauliniai veiksniai skirtingai veikia upių režimą. Mokslininkai akcentavo šiuos 6 svarbiausius d÷sningumus:

1. Up÷s ar jų tinklas gali būti prižiūrimas (naudojamas) skirtin-gomis gamtosaugin÷mis sąlygomis. Jas pasirenkant, būtina įvertinti tiek galimą gamtosauginę-rekreacinę, tiek ūkinę naudą ar žalą. Beje, šias sąlygas siūloma traktuoti plačiai, numatant ne tik dabartinio lai-kotarpio, bet ir ateityje galimus vandens kokyb÷s ar ekosistemų

12

pokyčius, taip pat atkūrimo ir kompensavimo priemonių išlaidas. Šios sąlygos skirstomos į 5 grupes:

A – pirmykšt÷s (neliestos) up÷s sąlygos; B – puikios gamtosaugin÷s (aplinkosaugin÷s) sąlygos; C – geros sąlygos; D – blogos sąlygos; E ir F – didel÷s vandentakos degradacijos sąlygos. Kiekvienai min÷tai grupei siūloma nustatyti konkrečius apibr÷ž-

tus priežiūros reikalavimus. 2. Skirtingo dydžio srautai nevienodai svarbūs gamtosauginiam

up÷s režimui. Norint pritaikyti šį teiginį konkrečiai upei, hidrologinius jos duo-

menis reikia vertinti biotos išlikimo ir gyvavimo sąlygų požiūriu. Pa-vyzdžiui, Pietų Afrikos Respublikoje tam naudojama net 10 tikimybi-nių debitų: sausojo laikotarpio mažiausi debitai, šlapiojo laikotarpio mažiausi debitai, 1–4 klas÷s daugiamečiai up÷s debitai, 5, 10 ir 20 % tikimyb÷s vidutiniai daugiamečiai debitai. Taigi šis d÷sningumas pa-grindžia daugiamečių tyrimų (monitoringo) būtinybę ir tai, kad hidro-loginiai duomenys turi būti renkami, grupuojami ir analizuojami atsi-žvelgiant į jų ekologinę reikšmę. Pavyzdžiui, didelių upių žemupiuose daugiamečių up÷s debitų dideli pokyčiai gali iš esm÷s ir nepaveikti ekosistemų (pavyzdžiui, žuvų neršto sąlygos), tačiau bus priešingai mažuose upeliuose. Didieji potvyniai lemia dugninių nešmenų pasi-skirstymą ir savigrindą, užtikrina gyvenimo sąlygų įvairiapusiškumą, tačiau gali nepalankiai keisti up÷s vagų kryptis ir formą. Dideli vienodi daugiamečiai potvyniai gali sumažinti biotos gyvenimo sąlygų įvairo-vę, padaryti žalą vandens kokybei ir vandens augalijos išlikimui. Kas-dieniai nedideli up÷s debitai labiausiai veikia biologinių rūšių populia-ciją ir jos prisitaikymą. Maži potvyniai yra ypač naudingi sausringuose regionuose, nes gerina žuvų neršto ir migravimo, taip pat gamtin÷s įvairov÷s sąlygas, telkinio vandens kokybę ir dugno nešmenų sud÷tį, didina vandens augalų s÷klų sklaidą. Didieji potvyniai naudingi ir at-kuriant up÷s žemupių ryšius su jūromis bei lagūnomis, išnešant ir nu-sodinant dumblą į užliejamus sl÷nius ir salpas, užpildant raguvas bei

13

senvages vandeniu ir kartu atkuriant nutrūkusius ekologinius korido-rius ir ryšius, papildant gruntinį vandenį. Kaip matyti, t÷kmių dinami-ka ir debitų kaita sukuria biotos egzistavimo ir kaitos sąlygų laiko ir erdv÷s aspektu įvairovę.

3. Ekologiniai ir socialiniai t÷kmių manipuliavimo padariniai ga-li būti numatomi.

Hidrologiniai duomenys ir įvairių modelių (vandens kokyb÷s, hidraulinių ar hidrologinių) taikymas leidžia geriau suprasti ir spręsti apie egzistuojančių vandens t÷kmių funkcionalumą. Pavyzdžiui, re-miantis hidrologinio režimo pokyčiais, dabar jau galima prognozuoti ekohidraulinių sąlygų pasikeitimą ir parengti ekologijos bendrijų reakcijos scenarijus (pavyzdžiui, sumaž÷jus t÷km÷s debitams ir grei-čiams up÷s dugnas dumbl÷ja, galima ežerų eutrofikacija). Prof. Jac-kie King taip schematizuoja galimų pokyčių eigą: t÷km÷s režimas → hidrauliniai pokyčiai → nešmenų ir vagos geomorfologiniai pokyčiai → vandens kokyb÷s pokyčiai → vandens ir pakrančių augalijos po-kyčiai → vandens bestuburių gyvūnų pokyčiai → žuvų reakcija → vandens paukščių ir kt. laukin÷s gyvūnijos reakcija → up÷s natūralių vandens išteklių (naudojamų žmogaus) kaita → su upe susiję žmonių ir gyvulių sveikatos pokyčiai. Norint numatyti ir įvertinti viso t÷kmių režimo poveikį, būtina ekonomiškai vertinti ir visų šios grandin÷s pokyčių žalą ar naudą, skaičiuoti atkūrimo išlaidas ir apie tai infor-muoti visuomenę.

Be abejo, plečiantis žinioms apie ekohidraulinius reiškinius, to-bul÷ja ir kompleksinio vertinimo bei scenarijų tikslumas. Ekohidrau-linio up÷s sutvarkymo ir bendradarbiavimo tarp visuomen÷s ir gam-tosaugos priežiūros institucijų ryšys parodytas 1.1 paveiksle. Įvairūs ekohidrauliniai upių priežiūros ir atkūrimo variantai turi būti verti-nami bendradarbiaujant visuomenei ir up÷s t÷kmių monitoringo bei priežiūros institucijoms.

4. Up÷s būkl÷ priklauso nuo up÷s naudojimo ir priežiūros. Kaip min÷ta, netolimoje praeityje vandens išteklių gausinimo

poreikį dažniausiai lemdavo tik inžineriniai ir ekonominiai kriterijai. Ekologiniai kriterijai dažniausiai išaišk÷ja tik po tam tikro laiko (net

14

1.1 pav. Ekohidraulinio up÷s tvarkymo dalyvaujant visuomenei ir up÷s

priežiūros įmon÷ms konceptualaus modelio pavyzdys (principin÷ schema)

1 lentel÷. Hipotetinis (galimas) up÷s baseino įvairios priežiūros išlaidų ir potencialios naudos vertinimo pavyzdys

T÷km÷s priežiūros variantai ir potenciali jų įtaka

Maži Dideli Up÷s ištekliai ir jų tvarkymas

Esama A B C D E F 1 2 3 4 5 6 7 8

Naudojimo galimyb÷s: elektros energijos gavyba 0 1 1 1 2 3 5 žem÷s ūkio produkcija 0 1 1 1 2 4 4 vandens apsauga 0 1 2 3 4 5 5 šalies ekonomika 0 1 1 3 4 4 4

15

1 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4 5 6 7 8

Gamtosauginių išteklių būkl÷s pokyčiai:

žvejyba 0 -1 -1 -1 -2 -4 -5 krantų pastovumas 0 -1 -1 -1 -3 -4 -4 up÷s žemupio uždumbl÷jimas (druskingumas)

0 -1 -2 -3 -4 -5 -5

salpos funkcionavimo laipsnis 0 -1 -1 -3 -4 -5 -4

Σ 0 0 0 -1 -3 0

Pastaba. Esamos būkl÷s variantų pokyčių vertinimas: 1 – nedideli pokyčiai; 2 – maži; 3 – vidutiniai; 4 – dideli; 5 – labai dideli (neigiamos reikšm÷s ro-do negatyvius, teigiamos – pozityvius pokyčius) po daugelio metų) ir nebūtinai toje vietoje, kur buvo sutrikdyta nusi-stov÷jusi vandens t÷km÷s dinamin÷ pusiausvyra. Tod÷l būtina pa-rengti kiekvienos up÷s būkl÷s keitimo ir (ar) priežiūros scenarijų, pri-imtiniausią visuomenei, įvairiai modeliuojant scenarijus, diskutuo-jant ir keičiantis nuomon÷mis. Kompromiso pavyzdys pateikiamas 1.1 lentel÷je. Pagal šią lentelę geriausi gali pasirodyti C ar D up÷s baseino tvarkymo variantai, o vertinant tik ekonominius veiksnius – F variantas. Galiausiai visiems asmenims, bent kiek susijusiems su vandentvarka ir norintiems pasirinkti geriausią tvarkymo (priežiūros) variantą, tenka pripažinti, kad:

a) vandens išteklių priežiūra susijusi ne tik su ekonomine nau-da, bet ir su didel÷mis išlaidomis;

b) kompromisiniai ir geriausi priežiūros scenarijai įvairiuose baseinuose dažniausiai yra skirtingi;

c) norint rasti geriausią priežiūros variantą, reikia įvertinti tiek gamtosauginių, tiek socialinio poveikio priemonių veiks-mingumą.

5. Palaikomoji ekosistemos priežiūra yra neapibr÷žta ir dažnai yra kritiška.

16

Svarbiausia viso šito priežastis – sud÷tingi tiriamųjų ekosistemų ryšiai ir tarpusavio priklausomyb÷, taip pat menka visuomen÷s eko-login÷ kultūra ir per mažai l÷šų, reikalingų kompleksiškai tirti van-dens ekosistemų funkcionavimą ir sąlygas. Dažnai nepasinaudojama monitoringo rezultatais arba jie neatspindi visos gamtin÷s įvairov÷s pusiausvyros sutrikdymo.

6. Ekosistemoms būdingas (ir naudingas) prisitaikymas ir kaita. Ekosistemos reaguoja į jų egzistencijai svarbių sąlygų kaitą, pri-

sitaiko ir keičiasi. Atitinkamai keičiasi ir aplinka, svarbi žmogaus gyvybei ir vandens išteklių naudojimui: medžiai, sutvirtinantys kran-tus, smulki vandens augalija, apvalanti vandenį, žuvų ir paukščių rū-šys, maistin÷ jų baz÷ ir pan. Svarbu nepamiršti Edward O. Wilson minties: „Gyvyb÷ vyst÷si milijardus metų. Ji pergyveno sukr÷timus ir sukūr÷ pasaulį, kuris sukūr÷ mus (žmones). Ji padar÷ pasaulį pastovų ir saugų“. Ši citata pabr÷žia anksčiau aprašytų ekohidraulinių bei hid-roekologinių metodų derinimo svarbą mūsų up÷ms ir upeliams, t. y. jų ekosistemų išsaugojimo ir (ar) atkūrimo pasir÷mus hidraulikos mokslu svarbą. Svarbu tai, kad šis mokslas taikomas ne gamtą nuga-l÷ti, o priešingai – atkurti ūkin÷s veiklos pažeistą biologinių procesų pusiausvyrą. Kartu ekohidrauliniam metodui tiriant gamtosauginius režimus reikia ir gilesnių hidrodinamikos mokslo žinių: užteršto van-dens skaidos įvairiose terp÷se (pavyzdžiui, difuzijos ir konvekcijos) matematinio aprašymo ir įvertinimo, t÷km÷s greičių ir nešmenų pasi-skirstymo modeliavimo, turbulentiškumo koeficientų nustatymo ir pan. Nors visose čia pamin÷tose ekohidraulikos mokslo srityse ne-maža mokslo neįrodytų ir šiuo metu dar tiriamų reiškinių, be jų neį-manoma spręsti iškeltų uždavinių. Vienas iš šios knygos tikslų yra supažindinti skaitytoją su iškilusiomis problemomis ir galimais jų sprendimo būdais.

17

2. GAMTINI Ų VAGŲ HIDRODINAMIKOS PAGRINDAI

Ekohidraulikoje naudojamos lygtys aprašo tik vandens tek÷jimą, nes vanduo yra tas skystis, kuriame gyvieji organizmai sąveikauja su aplinka. Anot R. Tumo, tai „gyvosios ir negyvosios gamtos sąveika hidrosferoje“ [Tumas, 2003]. Tod÷l pagrindin÷s skysčių tek÷jimo lygtys yra „pasiskolintos“ iš atvirų vagų hidraulikos (Chanson, 1999), kurios lygtyse vandens paviršiuje sl÷gis yra atmosferinis, t. y. pastovus, o skysčių jud÷jimą sukelianti j÷ga – gravitacin÷. Kitos ekohidraulikoje daugiausia naudojamos lygtys yra nešmenų ir teršalų sklaidos bei jud÷jimo vandenyje lygtys, taip pat įvairių gamtinių kliūčių sukeliamą pasipriešinimą šiam jud÷jimui vertinančios pri-klausomyb÷s (Rijn, 1993).

2.1. Pagrindin÷s lygtys

Mas÷s tverm÷s d÷snis teigia, kad uždaroje sistemoje esanti mas÷ laikui b÷gant nekinta (nevertinant reliatyvumo teorijoje aprašomo poveikio)

0=dt

dM, (2.1)

čia M – bendra (skysčio ir nešmenų) mas÷; t – laikas. Skysčių mechanikoje naudojama vientisumo lygtis teigia, kad

uždaroje erdv÷je esančio skysčio mas÷ išlieka pastovi

∫ ∫ ∫ =ρ=x y z

dxdydzdt

d

dt

dM,0 (2.2)

čia ρ – skysčio ir nešmenų mišinio mas÷s tankis; x, y, z – koordina-

t÷s Dekarto sistemoje. Taikant šią lygtį be galo mažam baigtinio dydžio skysčio tūriui

gaunama

18

( ) ( ) ( )

0=∂ρ∂

+∂ρ∂

+∂ρ∂

+∂ρ∂

z

v

y

v

x

v

tzyx , (2.3)

čia vx vy ir vz – t÷km÷s greičio vektoriaus dedamosios x, y ir z krypti-mis.

Kadangi sprendžiant daugelį ekohidraulinių klausimų vanduo yra praktiškai nesuspaudžiamas (t. y. ρ = const), vientisumo lygtis užrašoma taip:

.0

=∂

∂+

∂∂

+∂

∂z

v

y

v

x

v zyx (2.4)

Taikant šią lygtį atvirai realiai t÷kmei tarp dviejų pjūvių, kurių plotai A1 ir A2 nesant intakų ar ištek÷jimo, (2.4) lygtis gali būti integ-ruojama ir įgauti išraišką

vdAvdAQAA∫∫ ==21

, (2.5 a)

čia Q – t÷km÷s debitas; v – vidutinis t÷km÷s greitis; A1 – t÷km÷s skerspjūvio plotas pirmajame pjūvyje; A2 – t÷km÷s skerspjūvio plotas antrajame pjūvyje.

Išreiškus skysčio mas÷s jud÷jimo greičius per vidutinius skersp-jūvio greičius 1v ir 2v , (2.5 a) lygtis įgyja įprastą hidraulikoje formą

.2211 AvAvQ == (2.5 b)

Judesio momento tverm÷s d÷snis, pritaikytas vandens t÷kmei, iš-reiškia judančio vandens judesio kiekio pastovumą (tvarumą)

( ),vF ×=∑ Mdt

d (2.6)

čia ΣF – visų skysčio masę veikiančių j÷gų suma (įskaitant ir sunkio j÷gą); v – judančio skysčio mas÷s centro greitis.

(2.6) lygtis fizikoje dar žinoma kaip Niutono jud÷jimo d÷snis. Pritaikius šį d÷snį be galo mažam baigtiniam skysčio tūriui gaunama

19

( )

ρ+ρ

∂∂=×= ∫∫∑

SVdAdV

tM

dt

dvv vvF , (2.7)

čia V – kontrolinis skysčio tūris; S – kontrolinio skysčio tūrio pavir-šiaus plotas; A – t÷km÷s skerspjūvio plotas.

Iš skysčių mechanikos žinoma, kad vandens t÷kmę gali veikti paviršin÷s (pavyzdžiui, sl÷gio ir trinties) j÷gos ir mas÷s (tūrio) j÷gos. Niutoniškiems skysčiams (pavyzdžiui, vandeniui) trinties j÷gą sąly-goja sl÷gio ir klampos (ypač) j÷gos, sukeliančios judančio skysčio mas÷s tūryje tangentinius ir normalinius įtempimus:

( ) ( ) ( )

∑∑∂σ∂

+ρ=

∂ρ∂

+∂ρ∂

=ρ

j j

ijt

j

i

jj

ii

xxv

tdt

di

Fvvv

, (2.8)

čia itF – (tūrio) vienetą veikiančios lyginamosios j÷gos; dt

d – pilna

išvestin÷ pagal laiką; t∂

∂ – dalin÷ išvestin÷ pagal laiką; iv – greičio

dedamoji i ašies kryptimi; z y,,xj = – dedamosios pagal koordinačių

ašis; ijσ – įtempimai.

Taigi, vandens t÷km÷ms judesio kiekio tverm÷s lygtis gaunama tokia:

( )

klt graddt

dFPF

v +−ρ=×ρ, (2.9)

čia P – sl÷gio j÷ga; k

j

i

P z

P

y

P

x

PPgrad

∂∂+

∂∂+

∂∂=∇= – sl÷gio j÷gų

gradientas; k j, i, – vienetiniai vektoriai koordinačių ašių kryptimi;

klF – tūrio vienetą veikiančių lyginamųjų klampos j÷gų atstojamoji;

tF – tūrio vienetą veikiančių mas÷s j÷gų atstojamoji.

20

2.1 pav. Kontrolinio tūrio y–x plokštumoje srauto skaičiavimo schema

Perrašius (2.9) lygtį Dekarto koordinat÷mis (x, y, z), gaunama

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

+∂∂−ρ=

∂ρ∂

+∂ρ∂

+∂∂−ρ=

∂ρ∂

+∂ρ∂

+∂∂−ρ=

∂ρ∂

+∂ρ∂

∑

∑

∑

zz

yy

xx

kltj

z

jj

z

kltj

y

jj

y

kltj

x

jj

x

z

P

xt

y

P

xt

x

P

xt

F

Fv

v

v

F

Fv

v

v

F

Fv

v

v

, (2.10)

čia indeksas j žymi Dekarto ašių komponentes ( )zyx ,, .

Šioje (2.10) lygčių sistemoje kair÷je pus÷je yra vandens tūrio vienete sukaupto (akumuliuoto) judesio kiekio ir jo pasikeitimo (d÷l išorinių j÷gų poveikio) suma. Dešin÷s pus÷s nariai rodo kontrolinį skysčio tūrį veikiančias mas÷s ir paviršiaus j÷gas (2.1 pav.). Vandens tūrio masei d÷l jos pastovaus tankio ši lygčių sistema supaprast÷ja:

21

+∂∂−ρ=

∂∂+

∂∂ρ

+∂∂−ρ=

∂∂

+∂

∂ρ

+∂∂−ρ=

∂∂+

∂∂ρ

∑

∑

∑

zz

yy

xx

kltj

z

jj

z

kltj

y

jj

y

kltj

x

jj

x

z

P

xt

y

P

xt

x

P

xt

F

F

vv

v

F

F

vv

v

F

F

vv

v

. (2.11)

Ši lygčių sistema hidraulikoje žinoma kaip Navj÷-Stokso lygtys. Klampos lyginamosios j÷gos klF komponent÷s nesuspaudžiamo

vandens tūrio vienete gali būti nustatomos taip:

jj

j

jj

ij

jkl xxxi

v

F

∂∂∂

µ=∂

τ∂= ∑∑

2

, (2.12)

čia τ – judančio skysčio t÷km÷s sukeliami tangentiniai įtempimai; µ – skysčio dinamin÷s klampos koeficientas.

Įvertinus klampos j÷gas skystyje ir tai, kad vandens telkiniuose planiniai masteliai beveik visada didesni nei vertikalūs, gaunama įprastin÷ (originali) Navj÷-Stokso planinių (dvidimensinių) lygčių iš-raiška

∂∂∂

µ+∂∂−

∂∂ρ−=

∂∂

+∂

∂+

∂∂

=ρ

∂∂∂µ+

∂∂−

∂∂ρ−=

∂∂+

∂∂+

∂∂=ρ

∑

∑

jj

y

j

yy

yx

y

jj

x

j

xy

xx

x

xxy

P

y

zg

yxt

xxx

P

x

zg

yxt

vvv

vv

v

vvv

vv

v

2

2

. (2.13)

Šios (2.13) lygtys buvo išvestos prancūzų inžinieriaus Navj÷ [Navier, 1822] ir anglų matematiko bei fiziko G. Stokso (Stokes, 1845), neatsižvelgusiems vienam į kitą, panaudojusiems tam skirtin-gus metodus. Iš jų prancūzų inžinierius Adhemar Jean Claude Barre de Saint-Venant (1886), panaudojęs tangentinius ir normalinius įtempimus, išved÷ gerai žinomas hidraulikoje Sen-Venano lygtis.

22

Pritaikius jas atvirų vienmačių tolyginių t÷kmių skaičiavimams (pa-vyzdžiui, pastovaus nuolydžio ir pločio up÷s vagai), galima tokia jų modifikacija:

kls

P

s

zg

s

vv

t

vF+

∂∂−

∂∂ρ−=

∂∂+

∂∂ρ , (2.14)

čia v – vidutinis pagal skerspjūvį t÷km÷s greitis (pvz., up÷je ar kana-le) viena laisvai pasirinkta s kryptimi (2.2 pav.); P – hidrostatinio sl÷gio j÷ga; s∂ – t÷km÷s įveiktas kelias up÷s pagrindin÷s vagos

kryptimi.

2.2 pav. Atviros t÷km÷s skaičiavimo kanale schema

Integruojant (2.14) lygties narius t÷km÷s kontroliniam stačia-kamp÷s formos tūriui gaunama

,FklhBghsgAvAv +θ∆ρ−θ∆ρ=∆ρ cossin (2.15)

skl ∆χτ−= 0F , (2.16)

čia θ∆ρ sinsgA – tūrio sunkio j÷gos projekcija į kanalo dugną; ∆s –

vandens kontrolinio tūrio elemento ilgis; θ – vagos dugno polinkio kampas; θ∆ρ coshBgh – vandens tūrio hidrostatinio sl÷gio j÷gos

projekcija į vagos dugną; klF – klampos j÷ga (vandens elemento

t÷km÷s energijos nuostoliai); 0τ – vidutiniai tangentiniai įtempimai kanalo dugne; B – vidutinis t÷km÷s plotis; χ – „šlapias“ perimetras,

23

t. y. skysčio ir jį ribojančių paviršių sankirtos linijos ilgis; A – kanalo skerspjūvio plotas.

2.2. Pagrindinių lygčių taikymas skaičiuojant pagal ekohidraulik ą

Aukščiau pateiktos skysčių mas÷s ir judesio kiekio tverm÷s lyg-tys ekohidraulikoje daugiausia pritaikomos sudarant matematinių modelių algoritmus nešmenų bei teršalų jud÷jimui ir sklaidai įvai-riuose vandens telkiniuose modeliuoti bei vertinti. Pavyzdžiui, mode-liuojant užterštų (absorbuotų) nešmenų ar vandenyje suspenduotų teršalų dalelių sklaidą, dažniausia taikoma mas÷s tverm÷s lygtis virs-ta vadinamąja konvekcijos-difuzijos lygtimi

kdsywz

vy

uxz

yw

y

v

x

u

tϕ+ϕ+ϕ=

∂∂+ϕ

∂∂+ϕ

∂∂+

∂∂+

∂ϕ∂+

∂ϕ∂+

∂ϕ∂

'''''' ,

(2.17)

čia ϕ – vidutin÷ (taške) teršalų (įskaitant skendinčiuosius nešmenis

ir (ar) sunkiuosius metalus) koncentracija vandenyje; sϕ – vidutin÷

teršalų koncentracija šaltinyje ar prietakoje; dϕ – teršalų skilimo

(maž÷jimo) ar koncentracijos did÷jimo laiko b÷gant vertinamasis na-rys; kϕ – vandens ir teršalų skiedinio koncentracijos kitimo pagal jų sklaidos sąlygas vertinamasis narys; v, wu , – t÷km÷s greičių kom-ponent÷s atitinkamai x, y ir z koordinačių ašių kryptimi; t – laikas;

ϕ′′u , ( )ϕ′ν′ – turbulentin÷s skysčio mas÷s pulsacijos zy,x ir ašių

kryptimis (vidutin÷s laiko atžvilgiu). Šie lygties nariai parodo teršalų vandenyje sklaidą d÷l turbulenti-

n÷s t÷km÷s pulsacijų ir, pagal Fuko difuzin÷s sklaidos d÷snį, yra pro-porcingi vidutiniams teršalų koncentracijos gradientams bei yra tei-giami koncentracijai maž÷jant. Gamtin÷se t÷km÷se jie gali būti įvertinami pasitelkiant t÷km÷s vidutinio turbulentiškumo koeficientus

24

∂ϕ∂=ϕ

∂ϕ∂=ϕ

∂ϕ∂=ϕ

zDw

yDv

yDu

tz

ty

tx

''

''

''

, (2.18)

čia tztytx , DDD , – vidutiniai turbulentin÷s difuzijos koeficientai

zyx ir , ašių kryptimis, nustatomi atsižvelgiant į turbulentinių sūku-rių klampumą tv pagal Schmidt skaičių (Wood, 1991).

Taip įvertinus turbulentin÷s t÷km÷s pulsacijas, modeliuojant vandenyje skendinčiųjų užterštų nešmenų transportą konvekcijos-difuzijos lygtis pasidaro tokia:

( ) ( ) ( )[ ]

,kdstzty

txs

zD

zyD

y

xD

xsww

zv

yu

xt

ϕ+ϕ+ϕ=

∂ϕ∂

∂∂−

∂ϕ∂

∂∂

−

∂ϕ∂

∂∂−ϕ−

∂∂+ϕ

∂∂+ϕ

∂∂+

∂ϕ∂

(2.19)

čia sw – vertikalinis nešmenų s÷dimo greitis (hidraulinis stambu-

mas). Reikia pasteb÷ti, kad kϕ narys paprastai yra įvertinamas pagal

vandentakio dugne nusistov÷jusias hidraulin÷s t÷km÷s charakteristi-kas (ribines sąlygas), t. y. atsižvelgiant į tangentinius įtempimus bτ

up÷s dugne ir ten vykstančius sedimentacijos procesus. Kai db τ≥τ (nešmenų nus÷dimas):

deptzs qz

Dsw =∂ϕ∂⋅−⋅− , (2.20)

kai eb ττ ≥ (erozija):

erotzs qz

sDsw =ϕ

∂∂⋅−⋅− , (2.21)

25

čia bτ – turbulentin÷s t÷km÷s sukeliami tangentiniai įtempimai dug-

ne; dτ – turbulentinis t÷km÷s sukeliami ribiniai (slenkstiniai) tan-

gentiniai įtempimai, kuriuos viršijus nutrūksta sedimentacijos proce-sas; eτ – kritin÷s (slenkstin÷s) erozijai tangentinių įtempimų

reikšm÷s; jas viršijus, prasideda vagos dugno erozija; depq ir eroq –

nus÷dančių ar išplaunamų iš vagos nešmenų lyginamieji debitai. Nusistov÷jus tangentinių įtempimų pusiausvyrai, kai

,ebd τ<τ<τ atsiranda vadinamoji dinamin÷ pusiausvyra, kai neš-

menys yra transportin÷s būkl÷s:

0=∂∂⋅−⋅−z

sDsw tzs . (2.22)

Ekohidrauliškai modeliuojant vandens telkinių kokybę ir taršą, sedimentacijos ar erozijos procesai gali keisti vandens kokybę, tod÷l tokiais atvejais jie turi būti įvertinti. Modeliuojant bet kokių vande-nyje tirpių priemaišų transportą, naudojama konvekcijos-difuzijos lygtis tampa tokia:

( ) ( ) ( )

,tdtzty

tx

CCz

CD

zy

CD

y

x

CD

xwC

zvC

yuC

xt

C

+=

∂∂⋅

∂∂−

∂∂⋅

∂∂

−

∂∂

∂∂−⋅

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂

(2.23)

čia C – vandenyje ištirpusių teršalų koncentracija; dC – teršalų šal-

tinio (išleistuvo) išleidžiamų teršalų koncentracija; tC – teršalų kon-

centraciją aktyviai veikiantis faktorius (pavyzdžiui, skendinčiųjų nešmenų absorbcija ar chemin÷ reakcija su neutralizuojančiomis me-džiagomis).

Modeliuojant smulkių nešmenų ir (ar) teršalų sklaidos dinamiką sąlygiškai sekliuose vandenyse (pavyzdžiui, upių sl÷niuose ar lagū-nose), dažniausiai naudojamasi paprastesne dvimate (2.23) lygties modifikacija

26

dtytx Cy

ChD

yhx

ChD

xhy

C

x

Cu

t

C =

∂∂

∂∂⋅−

∂∂

∂∂⋅−

∂∂ν+

∂∂+

∂∂ 11

,

(2.24)

čia C – vidutin÷ pagal gylį smulkių užterštų nešmenų ar ištirpusių vandenyje teršalų koncentracija; vu , – vidutin÷s t÷km÷s greičių reikšm÷s x ir y ašių kryptimis; h – vandens gylis.

2.3. Lygčių praktinio taikymo pavyzdys

D÷l nuolat kintančių ribinių sąlygų teršalų modifikaciją ir trans-formavimąsi natūralioje turbulentin÷je vandens t÷km÷je aprašyti C nariu yra be galo sud÷tinga ir sunku, tod÷l šiuo metu dažniausiai ten-kinamasi eksperimentais laboratorijoje ar gamtos steb÷jimu gautais vienareikšmiais tikimybiniais ryšiais, įvertinamais vienadimensin÷-mis empirin÷mis lygtimis. Pavyzdžiui, didžiausios Lietuvos up÷s Nemuno žemupio periodiškai užliejamo sl÷nio šlapžemiuose maž÷-janti ištirpusio azoto koncentracija buvo apskaičiuota tokia empirine lygtimi (Vaikasas, 2002):

ktdi eCC −⋅= , (2.25)

čia iC – bendrojo azoto koncentracija sl÷nio taške i; dC – azoto

koncentracija įtekant išsiliejusiam vandeniui į sl÷nį; t – laikas; k – empirinis koeficientas, kompleksiškai įvertinantis denitrifikacijos procesą užlietame vandeniu sl÷nyje (pagal lauko matavimų duomenis šioje vietoje gautas 0030,0007,0 ±=k ); 72,2=e – natūrinio loga-ritmo pagrindas.

Pagal užlietame t÷km÷s sl÷nyje sąlygas užterštų skendinčiųjų nešmenų nus÷dimo dinamikai Nemuno deltos sl÷nio vertikal÷se ap-skaičiuoti pasinaudota (2.19) lygties vienmate modifikacija, nes tarp gausios žolin÷s augmenijos patekę nešmenys buvo sulaikomi, t. y. vyko tik sedimentacijos procesas:

27

depi

tzis qz

CDCw =

∂∂

+ . (2.26)

Sunkiausia buvo nustatyti turbulentin÷s difuzijos pagal vertikalę koeficientą tzD . Šiuo atveju jis l÷m÷ ne tik skendinčiųjų nešmenų

skendimo sąlygas, bet ir labai skyr÷si apaugusioje žoline augmenija t÷km÷s dalyje nuo neapaugusiosios. Be abejo, tai tur÷jo įtakos sken-

dinčiųjų nešmenų koncentracijos C pasiskirstymui vertikal÷je z

C

∂∂

.

Pritaikęs žinomą ir Rouzo lygtimi apskaičiuotą nešmenų pasiskirs-tymą vertikal÷je, A. Rimkus suintegravo (2.26) lygtį ir nustat÷ turbu-lentin÷s difuzijos koeficiento žol÷se reikšmę [Rimkus et al., 2007]:

r

a ah

a

z

zhCC

−⋅−= , (2.27)

čia aC – nešmenų koncentracija žole apaugusiame priedugnio

sluoksnyje; a – priedugnio sluoksnio ekvivalentinis atstumas nuo dugno (Nemuno deltai 05,0≅a m); z – matavimo taško atstumas nuo dugno;

∗β

=kV

wr s ;

−β= ∗ h

zzkVDtz 1 , (2.28)

čia ghIV =∗ – dinaminis greitis; h – vandens gylis vertikal÷je; k –

Karmano konstanta; I – vandens paviršiaus hidraulinis nuolydis; β –

nešmenų ir t÷km÷s judesio kiekio momentų difuzijos koeficientų san-tykis. T÷kmei žol÷se 6,0=β ; g – gravitacin÷s j÷gos pagreitis

( )81,9=g m/s2.

Tokiomis tek÷jimo sąlygomis buvo apskaičiuotas nešmenų nu-s÷dimas ir jų koncentracijų pasiskirstymas vertikal÷se:

FCwkD scor /⋅⋅= ; (2.29)

28

∫

∫

−

−==

h

azz

h

azz

rr

a dv

dvz

zh

ah

a

C

CF

1, (2.30)

čia D – skendinčiųjų (molio ir dumblo) nešmenų nus÷dimas į sl÷nio ploto vienetą (kg/m2 /s); cork – nešmenų koncentracijų pasiskirsty-

mo vertikal÷je ir priedugnio sluoksnyje skirtumo korekcijos vertina-masis koeficientas (tirtomis sąlygomis 80,kcor ≈ ); F – vidutin÷s

vertikal÷je ir priedugnio sluoksnyje nešmenų koncentracijų santykis. Hidrauliškai skaičiuojant vandens gylį h užlietose pievose reikia

matuoti nuo hidrauliškai ekvivalentinio žolių sluoksnio paviršiaus. Matavimai laboratorijoje parod÷, kad apytikriai žolių sluoksnio storis lygus 0,7 grh ( grh – fizinis žolių sluoksnio storis) (Vaikasas, 1994).

Naudojamas Rouso lygtyje a dydis paprastai imamas lygus dug-ninių nešmenų sluoksnio storiui. T÷kmei virš žolių nustatyti natūralu jį imti lygų tikro ir ekvivalentinio dugninių sluoksnių storio skirtu-mui. Tyrin÷jamoje Nemuno deltoje kiek priguldytų žiemą žolių sluoksnio storis buvo apie 20 cm, tada a dydis buvo gautas lygus 6 cm. Vidutinis vandens gylis h užlietoje potvynio matavimo metu salpoje buvo apie 2,0 m, taigi santykis a/h buvo apie 0,03. Bando-mieji skaičiavimai parod÷, kad santykio a/h keitimas beveik nekeit÷ apskaičiuojamo aCC / santykio tod÷l, kad maksimali koncentracija

maxC būna arti užlieto sl÷nio dugno, kur t÷km÷s greičiai labai maži,

tod÷l jie mažai pakeičia vidutinę aC reikšmę. Tai leido skaičiuojant naudoti vidutinį visame sl÷nyje a/h dydį.

Skaičiuojant pagal Rouso formulę reikia nustatyti ir koeficiento β reikšmę. Pagal M. Celino ir W. F. Grafo tyrimus (Cellino M., Gra-

fo W. F., 2001) β priklauso nuo nešmenų koncentracijos (žr. 2.3 pav.). Koncentracijai did÷jant, β maž÷ja. Aprašytieji tyrimai bu-

vo atlikti esant palyginti mažai koncentracijai (12–22 mg/l), tod÷l pagal grafiką skaičiuojant buvo panaudota 6,0=β reikšm÷.

29

0,4

0,5

0,6

0,7

0 1 2 3 4

Koncentracija g/l

�

2.3 pav. Parametroβ priklausomyb÷ nuo vidutin÷s koncentracijosC

Kaip min÷ta, santykis aCC / priklauso nuo turbulentin÷s t÷km÷s

struktūros. T÷km÷je virš žolių ši struktūra, matyt, panaši į struktūrą pagrindin÷je t÷km÷s dalyje virš sm÷lio dugno, nes abiem atvejais stebimas logaritminis greičių pasiskirstymas (Christensen B. A., 1985; Kouwen N., 1987; Temple D. M., 1986), tačiau arti žolių pavir-šiaus šis pasiskirstymas kiek skiriasi, tod÷l ir koeficientai cork gali šiek tiek skirtis nuo 1,0. Taip pat gali nedaug skirtis ir koeficiento β

dydis. Taigi nešmenų pasiskirstymą užlietose pievose dar reikia ištir-ti nuodugniau. Atliekant šiuos tyrimus tokio poreikio dar nebuvo iš-kilę, tod÷l skaičiuojant buvo naudotas 9,0=cork , t. y. šiek tiek ma-

žesnis negu 1 tikintis, kad min÷tieji faktoriai jį mažins. Tokių tyrimų ypatyb÷ ta, kad verifikacijai reikalingi natūriniai potvynių tyrimai, nes tokių t÷kmių ir smulkių nuo laukų nuplautų nešmenų fizikinis modeliavimas laboratorijose yra sud÷tingas.

Šis skaičiavimo metodas buvo pritaikytas Nemuno deltos mate-matiniame modelyje, kuris naudotas tiriant nešmenų s÷dimo procesus. Kaip min÷ta, buvo paruošta ir empirin÷ formul÷, kurios tikslas – su-

30

trumpinti skaičiavimo kompiuteriu laiką ir kuri buvo sudaryta pertvarkius (9) formulę – narys skliaustuose pakeistas t÷km÷s nešmenų maišymo paj÷gumo vertinamuoju faktoriumi. Parinkta tokia išraiška:

smix wCkD = , (2.31)

čia mixk – t÷km÷s paj÷gumo nešmenims kelti vertinamasis faktorius.

Lyginant (2.29) ir (2.31) išraiškas matyti, kad

Fkk cormix = . (2.32)

Skaičiavimams reikalinga 1/F dydžio išraiška buvo sudaryta ap-roksimuojant šio dydžio reikšmes, apskaičiuotas pagal (2.30) formu-lę. Gauta tokia 4 parametrų formul÷:

( )793,028,2 10,322,171 Γ+Γ+= cormix kk , 9,0<Γ . (2.33)

Šios formul÷s empirinių koeficientų reikšm÷s gautos naudojant 6,0=β ir a = 0,03 h.

31

3. EKOHIDRAULINI Ų TöKMI Ų MATEMATINIO MODELIAVIMO METODAS

Skyrius skirtas šiuo metu aktualiems matematinio modeliavimo būdų taikymo moksliniuose tyrimuose bei modelių topologinių sche-mų sudarymo klausimams. Plačiau nagrin÷jama, kaip pritaikyti Sen-Venano ir diferencialinių vientisumo lygčių sprendimo būdą potvy-nio t÷kmių hidrauliniams skaičiavimams. Pažymima, kad sud÷tingo-mis potvynio t÷kmių išsiliejimo į sl÷nį bei kitomis ribin÷mis sąlygo-mis patogiausia naudoti supaprastintas kvazidvimat÷s t÷km÷s topologines schemas. Šiuo metu žinomų ir literatūroje aprašytų bei plačiai reklamuojamų hidraulinių programų paketų pritaikymą eko-hidrauliniuose tyrimuose dažnai sunkina universalių formulių ir schemų uždarumas. Tod÷l, remiantis hidraulinio modeliavimo patir-timi, rekomenduojama plačiau naudotis hibridinio modeliavimo me-todo pranašumais. Skyriuje taip pat pateikta Mekongo ir Nemuno upių deltų hidraulinio-matematinio modeliavimo pavyzdžių.

3.1. Modeliavimo id÷ja

Kaip žinoma, matematinio t÷kmių modeliavimo id÷jos pagrindas yra hidraulinių diferencialinių nenusistov÷jusio t÷kmių režimo lygčių sistemų (pavyzdžiui, Sen-Venano) sprendimas. Kadangi modeliavi-mo procesą galima sąlygiškai dalyti į matematinę dalį ir jos sprendi-mo būdą, tai matematinių lygčių sprendimo (realizavimo) būdas ir apibūdina patį matematinio modeliavimo procesą. Tai gana efekty-vus, tačiau gamtinių t÷kmių tyrimo praktikoje sunkokai pritaikomas būdas (ypač kai sunkesn÷s ir sud÷tingesn÷s ribin÷s uždavinio sąly-gos – esant sud÷tingam plataus užliejamo up÷s sl÷nio reljefui, komp-likuotai up÷s vagos ir sl÷nio t÷kmių sąveikai, sprendžiant trimat÷s t÷km÷s uždavinius ir pan. (Chanson, 2001)). Kompiuterin÷ technika, paj÷gi realizuoti diferencialinių lygčių skaitmeninius sprendimus, at-sirado tik paskutiniais XX a. dešimtmečiais. Tobul÷jant elektroninei skaičiavimo technikai ir programavimo metodams, kaupiantis

32

duomenų baz÷ms, klasikin÷je hidraulikoje žinomos lygtys buvo la-biau pritaikytos t÷km÷ms skaičiuoti. Taigi skaitinio matematinio mo-deliavimo kokyb÷ taip pat priklauso ir nuo prototipą apibūdinančių ribinių bei pradinių sąlygų schematizavimo ir modeliavimo metodų pasirinkimo [Kiunz et al., 1988]. Nuo šių faktorių priklauso ne tik matematinio modelio paklaidos, bet ir jo greitaeigiškumas, sprendi-mo stabilumas bei teisingumas.

Kaip žinoma, t÷kmes išreiškiančios diferencialin÷s lygtys yra tik supaprastinti reiškinių modeliai, įvertinantys svarbiausius juos vei-kiančius veiksnius ir atmetantys ne tokius svarbius. Šį darbą privalo atlikti modelio kūr÷jas. Pavyzdžiui, kurdamas t÷kmių up÷s vagoje ir sl÷nyje matematinį modelį, kūr÷jas turi pasirinkti tokį jo schematiza-vimo būdą, kuris leistų gana tiksliai įvertinti tiek up÷s vagoje, tiek sl÷nyje vykstančius reiškinius. Paprastai tai įmanoma, jei t÷kmių sl÷-nyje tek÷jimo sąlygos nelabai sud÷tingos. (Pavyzdžiui, modelį gali-ma traktuoti kaip akumuliacinį tūrį su menkai išreikšta atskirų dalių sąveika.) Priešingu atveju, norint nuodugniau ištirti atskirus sl÷nio t÷km÷s fragmentus ar net trimatį skysčio judesį, paprastai taikomas fizikinis (hidraulinis) modeliavimo būdas arba, jei įmanoma, atlie-kami kruopštūs matavimai natūroje.

Su matematinių modelių skaičiuotinų schemų pasirinkimu ir jų pritaikymo galimyb÷mis buvo susidurta sprendžiant sud÷tingus Ne-muno deltos t÷kmių, nešmenų bei jų debitų pasiskirstymo sl÷nyje ir vagoje klausimus (Vaikasas, 2001). Kuriant Nemuno deltos hibridinį modelį, aktualus buvo ir jo antrosios – matematin÷s dalies pasirinki-mas. Tuo tikslu buvo analizuota šiuo metu naudojamų ir žinomų ma-tematinių modelių schemos bei jų pritaikymo upių sl÷nių tyrimuose galimyb÷s ir sunkumai. Svarbiausi šios analiz÷s rezultatai ir potvynio t÷kmių hidraulinio modeliavimo problemos sprendimo pavyzdžiai pateikiami toliau.

33

3.2. Skaitinių modelių lygčių analiz÷

Upių t÷km÷ms aprašyti paprastai taikoma Sen-Venano ir vienti-sumo lygčių sistema, sprendžiant ją baigtinių skirtumų arba baigtinių elementų metodais. Hidraulinių tyrimų praktikoje pagal priklauso-mus kintamuosius tyr÷jas pasirenka min÷tos lygčių sistemos užrašy-mo formą. Dauguma baigtinių skirtumų būdą naudojančių vienmačių modelių grindžiami integraline šių lygčių užrašymo forma. Pavyz-džiui, šią formą nenusistov÷jusiam judesiui up÷se skaičiuoti taik÷ amerikiečių mokslininkai (Ligett et al., 1975):

( ) ( ) ( ) ( )[ ] +−=

− ∫∫ dtAuAudxuAuA xx

t

ttttt

x

x21

2

11122

2

1

22

( ) ( )[ ] −+∫ dtJJg xx

t

t21

2

1

11

( ) ;02

2

1

2

1

2

1

2

1

dxdtiiAgdxdtJg f

x

x

t

t

x

x

t

t

−+ρ ∫∫∫∫ (3.1)

[ ] [ ] 012

2

1

12

2

1

=−+− ∫∫ dtQQdxAA xx

x

xtt

x

x

, (3.2)

čia ( )txAA ,= – t÷km÷s skerspjūvio plotas; ( )txuu ,= – vidutinis t÷km÷s greitis skerspjūvyje; uAQ = – t÷km÷s debitas; ρ – vandens

tankis; g – gravitacin÷s traukos pagreitis; 21 , JJ – hidrostatinio

sl÷gio j÷gų vertinamieji lygties integralai; 21 , tt – laiko ribos;

21 , xx – atstumo t÷km÷s tek÷jimo kryptimi ribos; 0i – t÷km÷s van-

dens paviršiaus nuolydis; fi – „trinties“ nuolydis, t. y. t÷km÷s ener-

gijos linijos nuolydis įveikti trinties j÷gas. Kaip žinoma, vienmat÷s Sen-Venano lygtys buvo išvestos ir ga-

lioja esant šioms prielaidoms:

34

1) kai galima priimti, kad t÷km÷ vienmat÷, t÷kmę skersiniame pjūvyje apibūdina vidutinis greitis, o skersinis vandens paviršiaus nuolydis lygus 0,

2) t÷km÷s linijų kreivumas ir vertikalūs pagreičiai nedideli, t. y. sl÷gių pasiskirstymas artimas hidrostatiniam,

3) vidutiniai dugno nuolydžiai tokie maži, kad dugno polinkio kampo kosinusas artimas 1.

Visas šias sąlygas dažnai atitinka upių t÷km÷s. Upių t÷km÷s ati-tinka literatūroje aprašyto seklaus vandens d÷sningumus, tod÷l ir (3.1) bei (3.2) lygčių sistema gali būti išvesta ir iš Navj÷-Stokso ar Reinoldso lygčių sistemos, taikant ją vienmačiam tek÷jimui (Borisni-kov et al., 1971; Borisnikov, 1984). Inžinerin÷je praktikoje Sen-Venano ir vientisumo lygčių sistemos diferencialin÷ forma dažnai pritaikoma ir kaip judesio kiekio bei mas÷s tverm÷s dinamin÷ lygčių sistema

( )

∂∂+

∂∂

+

−∂∂⋅+

∂∂+

∂∂

0.=

0,=0

x

Q

t

A

gAiix

hAguQ

xt

Qf

(3.3)

Priklausomai nuo nepriklausomų kintamųjų pasirinkimo ši lygtis

gali įgauti ir kiek kitokias išraiškas. Pavyzdžiui, kai up÷s dugno nuo-lydžiai dideli, o jos skerspjūviai kinta mažai, rekomenduojama pri-klausomu kintamuoju pasirinkti gylį h (x, t), o ne vandens paviršiaus

altitudę y (x, t), nes h ir const=hx

A

∂∂

mažai keičiasi skaičiuojant nuo

vieno skerspjūvio iki kito. Tuo atveju (3.3) lygčių sistema atrodytų taip [Kiunz et al., 1985]:

35

( )

=

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂

=−+∂∂+

∂∂+

∂∂

=.0

,0

const

0

h

f

x

A

b

u

x

hu

x

u

b

A

t

h

iigx

hg

x

uu

t

u

(3.4)

čia b – vagos plotis; 0i – vagos dugno nuolydis.

Be abejo, diferencialin÷ lygčių sistemos užrašymo forma tinka tik tada, kai t÷km÷ vientisa, netrūki ir galioja aukščiau išvardytos są-lygos. Kai t÷km÷ nutrūksta d÷l susiliejimo, persiliejimo per slenks-čius ar kitose panašiose vietose, turi būti naudojamos kitos reiškinį tiksliau išreiškiančios lygtys. Inžineriniuose skaičiavimuose kartais ne visas (taikant Sen-Venano lygtį) min÷tas prielaidas būtina įvykdy-ti. Pavyzdžiui, įrašomi koreguojantys koeficientai leidžia išsamiau atspind÷ti greičių pasiskirstymą skerspjūvyje, o ne vien tik vidutinį greitį, t. y. nustatyti nuo 1 prielaidos.

Modeliuojant užlieti deltos plotai, kuriuose yra mažai prateka-mų, krūmais ir mišku apaugusių ruožų, gali būti aprašyti tik kaip akumuliuojantys ir nedalyvaujantys praleidžiant t÷kmę tūriai. Tuo atveju vientisumo lygtis dažnai užrašoma ir naudojama tokios for-mos:

0=x

Q

t

Ast

∂∂+

∂∂

, (3.5)

čia stA – akumuliacin÷s stovinčio sl÷nyje vandens zonos skerspjūvio

plotas. Įvertinant tai, kad

t

Zb

t

Ast

st

∂∂

∂∂

= , (3.6)

čia ( )Zbb stst = – stovinčio vandens zonos plotis; Z – vandens lygio

altitud÷.

36

(3.5) lygtis gali būti užrašoma taip:

01 =

∂∂+

∂∂

x

Q

bt

Z

st, (3.7)

o esant pritekančiam šoniniam debitui q – ir taip:

qx

Q

t

Zbst =

∂∂+

∂∂

. (3.8)

Šiuo atveju, integruojant dinaminę lygtį visam skerspjūviui ir d÷l to taikant greičių pasiskirstymo šiame skerspjūvyje (Businesko) koe-

ficientą ∫=βb yy

Au

dyhu

02

2

, pasirenkant nekintamus vandens paviršiaus ir

trinties j÷gų sudaromus nuolydžius bei įvertinant pritekančio debito greičio projekciją uq, (3.3) lygtis virsta vienmate analogiška lygtimi

02

=⋅

−−

+∂∂+

β

∂∂+

∂∂

qA

qui

x

ygA

A

Q

xt

Qqf , (3.9)

čia yu ir yh – vidurkiniai vidutiniai greičiai ir gyliai yra y vertikal÷-

je; qu – įtekanti į pagrindinę t÷kmę vidutinio greičio projekcija pa-

grindin÷s t÷km÷s kryptimi. Koreguojant t÷km÷s netolygumą, Businesko koeficientas β upių

vagoms su sl÷niais leidžia šiek tiek įvertinti ir sl÷nio t÷kmių poveikį skaičiuojamajam debitui praleisti. β paprastai apskaičiuojamas nau-dojantis empirine Šezi lygtimi

2

2/3

22

2

22

/

==β

∑

∑∑

iiifi

iii

fiii

ifi

hbC

bhCA

AK

bhC

, (3.10)

čia fiC – Šezi koeficientas, skaičiuojamas tekančio vandens juostai;

A – vagos skerspjūvio plotas; ih – vidutinis skaičiuojamojo t÷km÷s

37

ruožo gylis; ib – vidutinis skaičiuojamojo t÷km÷s ruožo i plotis;

bhCK f2/3= – vagos debito charakteristika.

Praktiškai skaičiuojant visi šie dydžiai nesunkiai nustatomi tik upių vagoms. Kai skerspjūviai sud÷tingi, pavyzdžiui, kai potvynio vanduo išsilieja iš vagos į sl÷nį, paprastai šį skerspjūvį reikia dalyti į keletą juostų ir nustatyti kiekvienos juostos charakteristikas

iii bhK ir , atskirai. Šiuo atveju tam tikras padarytų prielaidų pažei-

dimas neišvengiamas, nes trinties nuolydžiai i f priklausomai nuo t÷kmių trajektorijų, gylių ir šiurkštumo sąlygų yra kintami, o vandens gyliai h sl÷nyje ir vagoje taip pat nebūna vienodi. Tačiau šitoks su-paprastinimas ypač lengvina uždavinio sprendimą. Schematizuojant paprastai svarbu (remiantis natūriniais matavimais ar fizinio mode-liavimo rezultatais) tik teisingai nustatyti stovinčios ir pratekamos zonų pločius bst ir bx (3.1 pav.), pritekančio šoninio debito poveikį ir t. t. Beje, potvynio t÷kmių modeliavimo praktikoje tai yra susiję su nemažais sunkumais, nes paprastai šios zonos dydžiai ir jų charakte-ristikos keičiantis vandens lygiams irgi kinta.

3.1 pav. „Aktyvios“ ir „stovinčios“ zonų schema išsiliejus vandeniui į

nepratekamą, medžiais apaugusį sl÷nį: 1 – t÷km÷s užimta juosta; 2 – stovinčio (sūkuriuojančio) vandens juostos

38

Praktiškai skaičiuojant ir taikant pilnąsias Sen-Venano lygtis su-d÷tingiems potvynio t÷kmių (ypač dvimačių) skaičiavimams up÷se ir jų sl÷niuose, taip pat dažnai susiduriama su nemažais sunkumais ir d÷l ilgos skaičiavimo trukm÷s bei pasirinktų skaičiavimo schemų su-d÷tingumo. Dažnai stengiamasi paprastinti šią lygtį atmetant kai ku-riuos mažesnį poveikį darančius jos narius. Atliekami natūriniai mo-deliavimo proceso steb÷jimai, padeda ir intuicija. Pavyzdžiui, apskaičiavus pagal pilnąją Sen-Venano lygtį Rono up÷s Prancūzijoje energijos linijos nuolydį, gauta, kad d÷l potencin÷s ir kinetin÷s ener-gijos pokyčių (juos įvertina pirmieji du Sen-Venano lygties nariai)

šis nuolydis keičiasi ( ) 5105,11 −− dydžiu; tuo tarpu up÷s dugno bei

trinties nuostolių nuolydžiai svyruoja tarp ( ) 3100,17,0 −− .

Tuo remiantis, inerciniai nariai skaičiuojant buvo nevertinami, o pati lygtis be jų virto konvekcijos-difuzijos lygtimi su dalin÷mis kin-tamojo debito Q (x, t) išvestin÷mis

02 2

22=

∂∂−

∂∂

⋅+

∂∂

x

Q

Qb

K

x

K

dh

dK

kb

Q

t

Q, (3.11)

čia narys Qb

K

2

2 – difuzijos koeficientas;

dh

dK

kb

Q

⋅ – debito konvek-

cijos greitis. Šitokia lygtis gerai parodo l÷tą potvynio debito bangos nešamų

teršalų jud÷jimą ir atsiskiedimą bei up÷s intakų, pylimų ir kitų įren-ginių sukeliamą patvanką. Lygtį sprendžiant, būtina pasirinkti tiek ribines ( )tfQ ,01= ; ( )tLfQ ,2= , tiek pradines sąlygas ( )0 ,xFQ = .

Jeigu prototipo sąlygos leidžia, galimas ir tolesnis pilnosios Sen-Venano lygties prastinimas. Pavyzdžiui, upių vagoms su dideliu van-dens paviršiaus nuolydžiu ir nesant patvankos galima nevertinti gylio pasikeitimo dxdh/ , nes jis nesvarbus, palyginti su paviršiaus nuoly-džiu dxdz/ . Šiuo atveju skaičiavimams naudojama supaprastinta Sen-Venano lygties išraiška, vadinama kinematin÷s bangos lygtimi:

39

0

0x

=∂∂⋅

∂∂+

∂∂

x

Q

A

Q

t

Q. (3.12)

Norint išspręsti šią lygtį, informacija pasirenkama t÷km÷s pra-džios (viršutine) ribine sąlyga, tod÷l kinematin÷s bangos lygtis negali apibūdinti patvenkimo reiškinių. Ši lygtis labiau tinka skaičiuoti po-tvynio procesą upių aukštupiuose.

Dar labiau suprastinant Sen-Venano lygtį nusistov÷jusio t÷kmių tek÷jimo atveju, lieka tik nuolydžių ir skerspjūvio pasikeitimų verti-namieji nariai

( ) 201

2

gJiigAgJA

Q

dx

df +−=

+ . (3.13)

Ši vienmat÷ nusistov÷jusio judesio lygtis buvo panaudota JAV armijos inžinierių matematiškai modeliuojant upių t÷kmes (Corp of US Armij Engineers, 1990). Tačiau jos panaudojimą ekohidrauli-n÷ms t÷km÷ms modeliuoti taip pat riboja reprezentatyvių hidraulinių charakteristikų nustatymo galimyb÷s.

Kai vanduo up÷s vaga (ar sl÷niu) teka nusistov÷jusio judesio re-žimu, t÷kmių pasiskirstymą įmanoma sumodeliuoti ir taikant kvazid-vimat÷s t÷km÷s vaizdavimo būdą – diskretizuojant up÷s t÷kmę t÷k-m÷s linijomis į pastovias elementarių debitų juostas (3.2 pav.).

Kadangi kiekvienoje t÷km÷s linijų apribotoje juostoje yra vienoda ir nesikeičianti debito dalis, tai šiai t÷kmei matematiškai aprašyti taip pat tinka vienmat÷s Sen-Venano lygtys. Ypač dažnai šitokia schema taikoma modeliuojant skendinčiųjų nešmenų ir įvairių teršalų bei priemaišų sklidimą t÷km÷je. Tokiems reiškiniams paprastai naudo-jama vidutin÷ kiekvienai juostai konvekcijos-difuzijos lygtis

( ) ( )

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂+

∂∂

y

Che

yx

Che

xhwC

yhuC

xt

Ch yx

,

(3.14)

čia u ir w – išilgin÷s ir skersin÷s t÷km÷s vidutiniai pagal gylį ir laiką greičiai; C – vidutin÷ skaičiuojamosios juostos pjūvyje ir laiko interva-

40

le teršalų koncentracija; h – vidutinis vandens gylis skaičiuojamajame intervale; x ir y – planin÷s koordinat÷s; xe ir ye – empiriniai priemai-

šų ar birios medžiagos (nešmenų) turbulentinio susimaišymo koefi-cientai, kartu įvertinantys ir skysčio dalelių konvekciją, ir difuziją.

3.2 pav. Up÷s t÷km÷s diskretizavimas t÷km÷s linijomis:

a – elementarių debito juostų deformacija tarp skaičiuojamųjų pjūvių I ir I+1 ; b – t÷km÷s linijomis suskirstyta up÷s vaga

Jeigu naudojama (3.14) lygties vienmat÷ interpretacija ir viduti-niai kiekvienai juostai dydžiai bei vidutinis pagal skerspjūvį išilgin÷s dispersijos koeficientas xk , ši lygtis gali būti užrašoma ir taip:

( ) ( )

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂

x

CAk

xAuC

xAC

t x

, (3.15)

41

čia C ir u – vidutin÷ skerspjūvyje koncentracija ir greitis; A – t÷km÷s skerspjūvis; kx – suminis išilgin÷s dispersijos koeficientas.

Naudojant (3.15) išraišką, sunkiausia teisingai įvertinti kx, nes jis priklauso tiek nuo vietinio t÷km÷s greičių pasiskirstymo, tiek nuo debito pokyčių bei ribinių sąlygų pasikeitimo. Tod÷l tiriant dispersi-jos Sovietsko ir Nemano celiulioz÷s-popieriaus kombinato kanaliza-cijos vandens susimaišymo su Nemuno t÷kme procesą, pasirinkti fi-zinio modeliavimo ir laboratorinių tyrimų metodai (Vaikasas ir kt., 1985). Tačiau panašų į čia aprašytąjį kvazidvimat÷s t÷km÷s matema-tinį modelį taikytas modelis kitame darbe nešmenims transportuoti ir s÷dimui sl÷nyje modeliuoti (Vaikasas, 2001).

3.3. Matematinio modeliavimo metodų pritaikymas t÷km÷ms upių sl÷niuose tirti

Išsiliejusios t÷km÷s charakteristikoms apskaičiuoti, t. y. kai upių t÷km÷ išsilieja ir užima didelį plotą, geriausiai tinka dvimat÷s t÷km÷s skaičiavimo metodai. Šių modelių matematinis pagrindas yra dvima-t÷s (planin÷s) Sen-Venano lygtys, papildytos žinoma vientisumo lyg-timi

( ) ( )xvyqyghxvxq

xght

q

ghhC

uxv

x

z

f

1

1

1

x2 ∂

∂+∂∂+

∂∂

+=∂∂− , (3.16)

( ) ( )yxyyy

f

yvq

xghvq

yght

q

ghhC

uv

y

z

1

1

12 ∂

∂+∂∂+

∂∂

+=∂∂− , (3.17)

0

=∂

∂+

∂∂

+∂∂

y

q

x

q

t

h yx , (3.18)

čia yx vv , – t÷km÷s greičio dedamosios atitinkamai x ir y ašių kryp-

timis; z – vandens paviršiaus aukštis; 22yx vvu += – greičio vekto-

riaus modulis; hvq xx = – elementaraus debito komponent÷ x ašies

42

kryptimi; hvq yy = – elementaraus debito komponent÷ y ašies kryp-

timi; 22yx qqq += – elementaraus debito vektoriaus modulis; h –

vandens gylis; t – laikas; g – gravitacinis pagreitis; fC – Šezi koefi-

cientas, skaičiuojamas pagal Maningą. Lygčių (3.16–3.18) sistema sprendžiama baigtinių skirtumų me-

todu, o sprendinys gaunamas toks:

( )tyxzz ,,= , (3.19)

( )tyxvvx ,,= , (3.20)

( )tyxvvy ,,= . (3.21)

Šiomis planin÷mis dvimat÷mis lygtimis sprendžiama lygčių si-stema, analogiška kvazidvimačiam uždavinio sprendimui. Tačiau sprendžiant planinį uždavinį d÷l diskretizacijos specifikos paprastai atsiranda kelis kartus daugiau ryšių, o norint prototipą aprašyti gana tiksliai, – ir daug smulkių gardelių. Be to, šiose lygtyse taip pat n÷ra gretimos t÷km÷s tarpusavio sąveikos vertinamojo nario. Kai mode-liuojama potvynio užliejamo sl÷nio t÷kmių dinamika, tai reiškia, kad sunku sumodeliuoti stovinčių bei sūkurinių zonų dydį ir kitimą ar įvertinti vagos ir sl÷nio t÷kmių „kinematinį efektą“. Visa tai, kai pro-totipo sąlygos sud÷tingos ir susijusios daugeliu ryšių, ne tik sunkina ir ilgina uždavinio sprendimo laiką, bet pasidaro ypač sud÷tinga ap-doroti tiek daug reljefą bei ribines ir pradines sąlygas aprašomųjų duomenų. Tik pastaruoju metu, atsiradus skaitmenin÷ms GIS duo-menų baz÷ms, įmanoma šį paruošiamąjį procesą automatizuoti. Lie-tuvoje LŽŪU docentas A. Šikšnys pirmasis s÷kmingai sukūr÷ pagal-bines programas GIS duomenims transformuoti į skaitmeninio modelio formatus (Šikšnys, 2000).

Atlik ęs kontrolinį t÷km÷s greičių modeliavimą panaudojant plani-nio uždavinio „Plan 3“ programų paketą ir į GIS duomenų bazę įvedęs užliejamo sl÷nio reljefo duomenis, A. Šikšnys gavo Nemuno žemupio sl÷nio dalies ties Rambyno kalnu t÷kmių vaizdą, panašų į 1970 m. po-

43

tvynio metu išmatuotąjį A. Rainio (3.3–3.4 pav.). Panašios t÷kmių tra-jektorijos šioje deltos dalyje buvo gautos ir šios knygos hidrauliniame modelyje (3.5 pav.). Tačiau naudojant fizinį modelį buvo gautos ir stovinčio vandens zonų (už kelio sankasų ir pan.) ribos.

3.3 pav. Nemuno sl÷nio dalies t÷km÷s greičių vektorių lauko, gauto

A. Šikšnio planinio skaitmeninio modeliavimo būdu, fragmentas

Be to, reikia pažym÷ti, kad šiuo dvimačio matematinio t÷kmių modeliavimo atveju, nors buvo panaudota 23303–93212 „šlapių”, t. y. užlietų vandeniu, gardelių vietoj paprastai naudojamų 2000–3000 bei 366 MHz dažnio procesorius, skaičiavimų trukm÷ iki

44

3.4 pav. T÷km÷s greičiai ir kryptys, išmatuoti A. Rainio, Nemuno sl÷nio

dalyje per 1970 m. potvynį

3.5 pav. Nemuno sl÷nio dalies t÷km÷s greičių vektorių lauko ir stovinčių

zonų hidrauliniame modelyje fragmentas

45

nusistov÷jusios t÷kmių būkl÷s buvo gana ilga ir truko apie 10 val., o modeliuojamas plotas tesudar÷ tik 0,1–0,13 viso užliejamos deltos ploto. Šie planinio matematinio t÷kmių modelio taikymo sunkumai, kaip ir stovinčių bei sūkurinių t÷kmių zonų identifikavimas ir sąvei-kos aprašymas, kol kas riboja platesnį šio apskritai perspektyvaus modeliavimo metodo taikymą praktikoje.

3.4. Kvazidvimačiai modeliai

T÷km÷s charakteristikoms apskaičiuoti, kai upių t÷km÷ išsilieja ir užima didelį plotą, geriausiai tinka supaprastinti dvimat÷s t÷km÷s skai-čiavimo metodai. Tod÷l tokių t÷kmių hidrodinaminiams skaičiavi-mams sudaromi ir taikomi supaprastinti, vadinamieji kvazidvimačiai skaičiavimų metodai, kai taikomos vienmat÷s dviejų krypčių t÷km÷s lygtys (panašiai kaip aptartame pavyzdyje – 3.2 pav.), o supaprastini-mo būdas paprastai priklauso nuo tyrin÷jamo objekto savybių. Pavyz-džiui, Mekongo up÷s užliejamai deltai matematiškai modeliuoti buvo panaudotos dviejų (x, z) krypčių vienmat÷s lygtys, t. y. t÷km÷s pavaiz-duotos taikant dvimačių lygčių sistemą vertikalioje plokštumoje (Cun-ge, 1995). Panaudota kvazidvimat÷ užliejamos sl÷nio dalies schemati-zacija su akumuliuojančiais fragmentais ir susiliejančiais vienas su kitu skirtingos formos srautais. Kiek-vienas toks fragmentas aprašo-mas jo ploto dydžiu siA priklau-

somai nuo vandens lygio iy bei

jo dydį ribojančiomis natūralio-mis ribomis: pylimais, keliais, krantais ir t. t. Vandens paviršius kiekviename fragmente vaizduo-jamas kaip horizontalioji plokš-tuma, o fragmentų sąveika iš-reiškiama vandens tūrio išsau-gojimo (akumuliavimo) lygtimi (3.6 pav.).

3.6 pav. Kvazidvimačio užliejamų upių sl÷nių schematizavimo taikant

akumuliuojančius fragmentus pavyzdys

46

∑∫=∆k

t

t

kii dtQV2

1

, , (3.22)

čia ∆Vi – i-ajame fragmente akumuliuotas vandens tūris; kiQ , – pra-

tek÷jimo debitas tarp i ir k fragmentų; dt – laikas. Išreiškus akumuliuojamą kiekviename fragmente vandens tūrį

kaip vandens debito esant tam tikram vandens lygiui ( )iy funkciją ir

atlikus integravimo veiksmus, modeliuojant kiekvieną iš fragmentų sprendžiama N paprastos, nelinijin÷s diferencialin÷s lygtys

( ) ( )ki

L

kki

iisi yyQ

dt

dyyA ,,∑= , Ni ...2,1= . (3.23)

Po to, kai sl÷nis padalijamas į fragmentus, modelio kūr÷jas turi nustatyti ir matematiškai aprašyti hidraulinius ryšius ir debitų apsi-keitimą tarp susijungiančių fragmentų kiQ , (žr. 3.6 pav.). Jeigu jie

atskirti kelio sankasos ar kitų pylimų bei natūralių aukštumų, šis ry-šys dažniausiai aprašomas patvenkto ar nepatvenkto slenksčio for-mul÷mis. Jei tokių griežtų ribų n÷ra, naudojamos Šezi ar kinematin÷s bangos tipo formul÷s.

Teoriškai (3.23) tipo lygtys tik papildo aprašytąsias diferenciali-nes vienmates judesio vagoje lygtis ir pačios taip pat yra vienmat÷s. Nors jas taikant ir sprendžiami dvimačių t÷kmių uždaviniai, toks sprendimas vadinamas kvazidvimačiu. Šis s÷kmingai pritaikytas po-tvynio užlietai Mekongo up÷s deltai tirti metodo pavyzdys – 3.7–3.8 paveiksluose.

Nors šis kvazidvimačio upių deltos užtvindymo modelio pritai-kymo pavyzdys ir sąlygomis, ir sud÷tingumu panašus į Nemuno del-tą, juo pasinaudoti negalima, nes šitoks potvynio schematizavimas neleidžia skaičiuoti nešmenų transportavimo ir s÷dimo dinamikos. Reikia kurti kitą kvazidvimačio modelio variantą schematizuojant sl÷nio t÷kmes juostomis (Vaikasas ir Rimkus, 2000) (3.9 pav.).

47

3.7 pav. Modeliuojamos Mekongo up÷s deltos planin÷ schema

(Cunge I. A., 1975): 1 – 1937 m. užliejimo riba; 2 – neužliejamos teritorijos ribos; 3 – prievagio teritorijų fragmentai; 4 – Mekongo sl÷nio fragmentai; 5 – Mekongo up÷s

fragmentai

72

3 4 11 73

2 5 9 61 14 74

95 63 64 66 10 60 12 62 15 73

94 6 57 58 59 13 58 67 76

93 56 8 70 60 21 22 47 1 77

92 7 71 17 19 20 55 48

81 90 16 18 49 25 23 78

50 28 26 27 24

33 32 29 30 79

37

89 36 52 54 31 35 80

65 53 34 36 81

88 42 41 39 40 82

87 45 44 43 83

85 46 84

85 3.8 pav. Modeliuojamos Mekongo up÷s deltos skaičiuojamųjų fragmentų

topologin÷ schema

48

3.9 pav. T÷kmių linij ų pasiskirstymas ir pakeltųjų nešmenų s÷dimas

matematiškai modeliuojant 1988 04 11 potvynį (vandens lygio altitud÷ 71,7=z m, 700=slQ m3/s) I–XXI – skerspjūvių nr.; •1–5 – matavimo

taškų nr.; 1–11 – t÷km÷s juostų nr.

Beje, matematiškai modeliuojant realias t÷kmes ir ieškant įvairių vandens lygių bei laiką atitinkančių debitų ir greičių pasiskirstymo, diferencialin÷mis ir integralin÷mis lygtimis išreiškiami reiškiniai yra per daug sud÷tingi, kad būtų galima išspręsti juos analitiniu būdu, to-d÷l būtina suskirstyti baigtiniais dydžiais. Šiuo atveju skirstyti – tai ne vien išvestinius dydžius pakeisti baigtiniais skirtumais, bet ir pa-rinkti įvairius interpoliacijos koeficientus prie polinomų. (Šioje nag-rin÷jamoje srityje daugiausia taikomas žinomas baigtinių skirtumų metodas.) Pavyzdžiui, (3.23) lygtis gali būti diskretizuojama taip:

( )

∑=∆

−

−∆

∆+

++ L

kki

nnnnsi

si Qt

yyyy

y

AA ,

11

2, (3.24)

čia siA∆ – užliejamo fragmento ploto prieaugis; y∆ – vandens ly-

gių pokytis laikui b÷gant; t∆ – baigtinis laiko intervalas;

49

1ir +nn yy – baigtiniai vandens lygiai gretimuose, tarpusavyje susi-

jusiuose fragmentuose; siA – užliejamo sl÷nio fragmento plotas;

ki

L

kQ ,∑ – debitų suma tarp susisiekiančių fragmentų.

3.5. Modeliavimo sunkumai

Matematiškai modeliuojant užliejamus upių sl÷nius, paprastai susiduriama ir su diskretizacijos, ir su skaitinio pastovumo bei įvai-riais kitais sunkumais. Jie išsamiai aprašyti specialioje literatūroje (Kobus, 1984; Burt, 1990; Kuijper, 1992; Rijn, 1993; Mette, 1995; Berz, 1999). Čia pamin÷ta tik dažniausiai pasitaikantys matematiškai modeliuojant t÷kmes upių sl÷niuose sunkumai.

Kaip min÷ta, matematinis t÷kmių modelis – tai sud÷tingo ir ne-nutrūkstamo fizinio proceso atspindys. Tam reikia ne tik skaitinių duomenų forma aprašyti dažnai sud÷tingas užliejamo sl÷nio, topogra-fines ir paviršiaus dangos sąlygas, bet ir parinkti diferencialinių lyg-čių, išreiškiančių hidraulines t÷kmes, empirinius koeficientus bei ri-bines sąlygas taip, kad atkuriami modeliuojamo reiškinio duomenys kuo tiksliau atitiktų prototipą. (Kaip žinoma, šios sąlygos paprastai patikrinamos kalibruojant modelį.) Natūroje užliejamo up÷s sl÷nio t÷kmių sąlygos skiriasi nuo t÷kmių prizmatin÷se vagose sąlygų, tod÷l aprašant šias t÷kmes diferencialin÷mis pilnosiomis ar supaprastinto-mis Sen-Venano lygtimis, gali būti neleistinų netikslumų. Pavyz-džiui, sl÷nio užliejimo metu vandens t÷km÷s per prievaginį volą daž-nai liejasi kaip per nepatvenktą ar patvenktą slenksčius, atsiranda inercinių j÷gų ir t÷kmių tarpusavio sąveika, kinta sl÷nio užliejamų pratekamų ir nepratekamų zonų plotai. Visi šie reiškiniai ne tik ap-sunkina modelio topologin÷s schemos kūrimą, bet ir reikalauja iner-cinių Sen-Venano lygties narių bei vidinių ribinių sąlygų įvertinimo. Be to, modeliuojant greit besikeičiančius sl÷nio fragmentų ar polde-rių užliejimo procesus, galimos ir skaitin÷s osciliacijos, nes per trumpą laiką galimi gana daug pasikeitę persiliejantys debitai.

50

(Pavyzdžiui, su tuo susidurta modeliuojant Verž÷s polderio užlieji-mą.) Kad būtų išvengta min÷to skaitinio nestabilumo, naudojami in-tervalų apribojimai bei skaičiavimu išreikštos ir neišreikštos sche-mos. Jos taip pat plačiau aprašytos specialioje literatūroje, tod÷l čia neaptariamos. Beje, kompiuterin÷s programos nuolat tobulinamos, pavyzdžiui, jungiant jas į paketus. Toks yra Brighamo universiteto Kompiuterin÷s grafikos laboratorijos darbuotojų parengtas planinių uždavinių sprendimų paketas (Abbott, 1975; Cunge, 1995).

Jame į vieną paketą sujungtos net 5 programos (RMA 2, HIVEL 2 D, SED 2 D-WES, FESWMS ir FHWA). Kelių programų sujun-gimas leidžia pritaikyti šį paketą įvairiems t÷kmių režimams upių vagose ir jų sl÷niuose tirti, o baigtinių elementų metodas – varijuoti tiek aprašyti pasirinkto tinklo dydžiu, tiek forma (stačiakamp÷s ar trikamp÷s gardel÷s). Tada galima jį tankinti reikiamose vietose ir taip daug geriau prisitaikyti prie sud÷tingų prototipo sąlygų. Bet moksli-niams tyrimams tokie modeliai taip pat dažnai netinka, nes jie yra uždari (negalima analizuoti, tobulinti ir keisti skaičiavimui parinktų algoritmo formulių). Taigi šie modeliai daugiausia tinka tik tipiniams projektavimo uždaviniams spręsti.

Nors kvazidvimačiai matematiniai t÷kmių režimo modeliai pasau-lin÷je praktikoje žinomi, jų pritaikyti Nemuno deltos nešmenų dinami-kai tirti negalima d÷l per daug sud÷tingų ribinių sąlygų ar reikiamo schematizavimo. Teko kurti kitą kvazidvimatį t÷kmių juostų modelį, jo topologinei schemai naudojant iš fizinio modelio gautus duomenis. Tik naudojant tokį hibridinį modelį galima s÷kmingai ištirti Nemuno deltos nešmenų jud÷jimo ir s÷dimo režimus (Vaikasas, 2001) (3.9 pav.).

3.6. Hibridinio modeliavimo ypatumai

Fizikinis (hidraulinis) modelis šiuo atveju naudojamas vietinių nuostolių koeficientams nustatyti ir – tai ypač svarbu – adekvačiai matematinio modelio topologinei schemai sudaryti, taip pat stovinčio vandens zonoms ir tranzitin÷ms t÷km÷ms išd÷styti plane bei jų są-veikai ir kitimui įvertinti keičiantis debitams per potvynį.

51

Matematiniame modelyje tada galima taikyti jau min÷tas vien-mačio judesio lygtis, o fizikinis (hidraulinis) modelis naudojamas tik d÷l sud÷tingų erdv÷s procesų atsirandantiems hidrauliniams nuosto-liams nustatyti. Matematiniam kvazidvimačiam modeliui sukurti pri-taikyta žinoma skysčio vienmačio netolyginio judesio su kintamuoju debitu lygtis (Sen-Venano)

dlgA

qv

gh

v

g

vddh

++

α=−2λ

2

22, (3.25)

čia dh – vandens paviršiaus (gylio) pokytis skaičiuojant nuo hori-zontaliosios plokštumos; v – vidutinis vandens greitis skaičiuojama-jame skerspjūvyje; h – vidutinis vandens gylis skaičiuojamajame skerspjūvyje; λ – t÷km÷s hidraulinio pasipriešinimo koeficientas; α – Koriolio koeficientas; lQq ∂∂= / – debito pokytis skaičiuojamo-

jo tarpo ilgyje; bhA = – t÷km÷s skerspjūvio plotas; dl – skaičiuo-jamojo tarpo ilgis.

Pirmasis (3.25) lygties dešiniosios pus÷s narys parodo atviros t÷km÷s kinetin÷s energijos pokyčius netolygaus tek÷jimo vietose, antrasis – vandens sl÷gio aukščio pokyčius d÷l t÷km÷s hidraulinio pasipriešinimo (t. y. kelio nuostolius), trečiasis – vietinius nuostolius d÷l įtekančios arba ištekančios pagrindin÷s t÷km÷s srov÷s (vadina-mieji srovių sujungimo arba atsidalijimo nuostoliai).

Modeliuojant sujungiančias t÷kmes, reikia tiksliau nustatyti tre-čiąjį šios lygties narį. Jis apytikris, nes įvertina tik tuos hidraulinius nuostolius, kurie atsiranda, kai pagrindin÷ t÷km÷ suteikia į ją įsilie-jančiajai judesio kiekį. Galima bandyti įvertinti ir t÷kmių sujungimo kampą, bet jį net stebint fizikiniame modelyje sunku nustatyti, nes nedideliu kampu atitekanti t÷km÷ įsiliedama sklandžiai pasisuka. Modeliuojant pasitaiko ir mažai ištirtų sujungimo atvejų, pavyzdžiui, kai sl÷nio t÷km÷ perteka per vagą į kitą sl÷nio pusę. Svarbiausias fi-zikiniame modelyje gana tiksliai nustatomas elementas yra t÷kmių, stovinčio vandens ir sūkurin÷s t÷km÷s zonų pasiskirstymas. Tyrimai parod÷, kad užliejamoje Nemuno deltoje tokios zonos susidaro tekant

52

vandeniui pro sl÷nio tiltų angas bei krūmais ir mišku apaugusiomis vietomis, taip pat sm÷lio kalvelių ir prievaginio volo nuo up÷s atribo-tose sl÷nio dalyse. Pasinaudojus fizikinio hidraulinio modelio duo-menimis ne tik pavyko įvertinti akumuliuojamąjį šių zonų poveikį potvynio bangos transformacijai, bet ir parengti tinkamą topologinę schemą kvazidvimačiam matematiniam nešmenų dinamikos ir s÷di-mo modeliui sudaryti, suskirstant užliejamą deltą į išsišakojančias ir v÷l susiliejančias t÷kmes (3.10 pav.). Jų debitams nustatyti taikytos min÷tos vienmat÷s Sen-Venano lygtys – atsirado galimyb÷ tiksliai apskaičiuoti lygties dešiniosios pus÷s pirmąjį ir antrąjį narius.

T÷kmių maišymosi, taip pat visus kitus vietinius nuostolius (po-sūkiuose, d÷l vagos netaisyklingumo ir pan.) reik÷jo nustatyti hidrau-liniame modelyje, o v÷liau gautąsias reikšmes pritaikyti skaičiuojant realią t÷kmę. Vietiniai nuostoliai buvo išskirti iš bendrųjų, nustačius skirtumą tarp modelyje išmatuotų suminių ir apskaičiuojamųjų kelio nuostolių.

Bendras modelio paviršiaus šiurkštumas nustatytas atlikus mata-vimus taisyklinguose up÷s ruožuose, kur vietinių nuostolių n÷ra. Tai-kant šį hibridinio (hidraulinio-matematinio) modeliavimo metodą, lengva įvertinti ir tai, kad fizikinio modelio vagoje ir sl÷nyje papras-tai nesumodeliuojama visa šiurkštumo įvairov÷. Sudarant Nemuno deltos fizikinio modelio duomenų perskaičiavimo algoritmą, mate-matinio modelio lygtis integruota baigtinių skirtumų metodu. Re-miantis hidraulinio modelio matavimų duomenimis, taip pat nustaty-ta vagos ir sl÷nio t÷kmių pradiniai skaičiuojamieji parametrai.

Skaičiuojamieji pjūviai t÷km÷se išd÷styti tokiu tankumu, kad tarpuose tarp jų t÷km÷ nesikeistų. Skaičiavimai atlikti art÷jimų būdu. Pirmiausia, taikant pasirinktuosius vagos ir sl÷nio debitų keitimosi dydžius, buvo tiksliau apskaičiuoti vandens lygiai, o tada pagal nau-jus vandens lygius koreguoti persiliejimo debitai. Procesas kartotas, kol skaičiuojamieji parametrai nustojo kisti. Persiliejimo iš vagos į sl÷nį ir atgal t÷kmių pobūdis paprastai būna įvairus, tod÷l ir persilie-jimo debitai turi būti skaičiuojami skirtingai. Nemuno deltos modely-je buvo naudojami slenksčio ir seklios vagos persiliejimo tipai

53

(3.10 pav.). Atlikus skaičiavimus, hidrauliniame modelyje išskaičuo-tos vandens lygių altitud÷s priart÷jo prie vandens lygių, išmatuotų natūralaus 1970 m. potvynio metu (3.11 pav.).

3.10 pav. Nemuno vagos hibridinio modelio t÷kmių ir debitų pasiskirstymo

schema

Apibendrinus čia aprašytus ir praktikoje naudojamus hidrauli-nio-matematinio modeliavimo metodikos pavyzdžius ir šį patyrimą, matyti, kad tiriant užliejamo sl÷nio potvynio t÷kmių ir nešmenų di-namiką, sunku išsiversti tik taikant vieną kurį metodą ar vien tik at-liekant natūrinius tyrimus. Kiekvienas atskirai taikomas metodas ge-rai tinka tik sprendžiant specifinius ar dalinius klausimus, tačiau turi apribojimų ir trūkumų. Tik visų šių metodų taikymas kartu (hibridi-nis modeliavimas), atsižvelgiant į tiriamų reiškinių specifiką ir eli-minuojant kiekvieno metodo galimas paklaidas bei trūkumus, leidžia spręsti sud÷tingas t÷kmių ir nešmenų pasiskirstymo upių vagose ir potvynių užliejamuose sl÷niuose problemas.

54

3.11 pav. Nemuno vagos hibridinio modelio vandens paviršius

skaičiuojamuose pjūviuose: 1 – vandens paviršius hidrauliniame modelyje; 2 – vandens paviršius, perskaičiuotas pagal persiliejimo debitų korekciją;

3 – vandens lygiai, išmatuoti natūralaus potvynio metu

3.7. Išvados

1. Norint supaprastinti kvazidvimačiam matematiniam t÷kmių ir nešmenų dinamikos modeliui taikomą skaičiavimų meto-dą, tikslinga pasinaudoti nuodugnia prototipą aprašančių lygčių analize ir fizinio t÷kmių dinamikos modelio bei natū-rinių matavimų duomenimis.

2. Tobul÷jant kompiuterinei technikai, did÷ja matematinių mo-delių taikymo galimyb÷s tiriant potvynio užliejamas deltas, tačiau šiuo metu palyginti dideliuose deltos plotuose šios ga-limyb÷s teb÷ra ribotos. Tod÷l ir dabar perspektyvu taikyti supaprastinto, fragmentinio ir hibridinio modeliavimo meto-dus naudojant skaitiniu modeliavimu praktiškai išbandytas hidraulinių reiškinių vertinimo lygtis ir jų sprendimo būdus.

55

4. FIZIKINIS (HIDRAULINIS) MODELIAVIMAS EKOHIDRAULIKOJE

4.1. Panašumo teorijos pagrindai

Kaip žinoma, fizikinis modeliavimas yra efektyvus mokslinių tyrimų ir prognoz÷s metodas (Bogdanovičius, 2004). Kaip pažinimo būdas, modeliavimas atstovauja tikrovei, atkurdamas ir išsaugoda-mas esmines ir svarbias konkrečiam tyrimui savybes. Tai reiškia, kad svarbu sukurti tokį modelį, kuris leistų suprasti esmines modeliuoja-mo objekto savybes, struktūrą, proceso d÷sningumus ir sąveiką su aplinka. Tinkamai sukurtas fizikinis (hidraulinis) modelis padeda ne tik ištirti ir valdyti objektą, bet ir numatyti tam tikro poveikio tiesio-ginius ir netiesioginius padarinius. Tai ypač aktualu ekohidraulikoje, atliekant hidrotechnikos statinių gamtosauginį vertinimą ir (ar) suda-rant upių bei kitų vandens telkinių valdymo strategiją ar planus.

Norint, kad hidraulinis (fizikinis) modelis teisingai atkurtų es-mines ekohidraulines savybes ir „išspręstų“ pagrindines reiškinį ap-rašančias lygtis, jis, kaip ir bet kuris fizikinis modelis, turi būti sukur-tas pagal panašumo teorijos d÷sningumus (Bogdanovičius, 2004). Kiekvienas modelis turi atitikti 2 panašumo sąlygas:

1. Reiškinių panašumo būtina ir pakankama sąlyga yra šių reiš-kinių atitinkamų panašumo kriterijų, gautų iš pagrindinių lygčių vie-nareikšmiškumo sąlygų, dydžių lygyb÷.

2. Funkcin÷ priklausomyb÷ tarp procesą apibūdinančių kintamų dydžių gali būti išreikšta kaip priklausomyb÷ tarp atitinkamų pana-šumo kriterijų, sudarytų iš šių dydžių.

Matyti, kad hidraulinių (fizikinių) modelių panašumo kriterijai ir priklausomyb÷ priklauso nuo modeliavimu sprendžiamų uždavinių bei ribinių sąlygų (j÷gų, kintamųjų). Hidrodinamikoje prototipus ir jų fizikinius modelius dažniausia veikia inercijos, gravitacin÷, klampos, sl÷gio ir paviršiaus įtempimo j÷gos. Iš šių j÷gų ir jų vienareikšmiškų sąlygų sudarytus panašumo kriterijus galima rasti specialioje literatū-roje. Pirmiausia tai sunkio ir inercijos j÷gų santykio Frudo kriterijus

56

gh

v2

Fr = . Klampos ir inercijos j÷gų santykį atkuriančiuose fiziki-

niuose modeliuose turi būti paisoma Reinoldso kriterijaus υ

= vhRe .

Modeliuojant skirtingo tankio skysčių sąveiką, svarbu atitikti Ričard-

sono kriterijaus 2

h Ri

∂∂ρ

∂∂= v

h

Pg reikalavimus, o periodiškiems

svyravimams (pavyzdžiui, bangoms) modeliuoti reikia išlaikyti vie-

nodą Struchalio (homochroniškumo) kriterijų l

vt=Sh . Sl÷gio ir

inercijos j÷gų santykiai paprastai modeliuojami pagal Eulerio kriteri-

jų ,Eu2

p

v

∆ρ= paviršiaus įtempimo ir inercijos – Veberio

σρ= lv2

We

(4.1 lentel÷). Modeliuojamų t÷kmių fizikinis modelis paprastai kuriamas atsi-

žvelgiant tik į svarbiausias skystyje veikiančias j÷gas, užrašant ener-gijos tvarumo lygtį per jau min÷tų panašumo kriterijų išraiškas. Pa-vyzdžiui, apvalaus kūno kritimą (vertikalų jud÷jimą) skystyje pagal antrąjį Niutono d÷snį veikia tokios j÷gos (4.1 pav.):

pklAsunin FFFFF −−−= , (4.1)

čia inF – inercijos j÷ga (j÷gų atstojamoji); sunF – sunkio (gravitaci-

n÷) j÷ga; AF – keliamoji (Archimedo plūdrumo) j÷ga; klF – terp÷s

klampumo j÷ga, priklausanti nuo kūno formos ir skysčio kinematin÷s klampos; pF – skysčio sl÷gių į judantį kūną skirtumo (sl÷gio) j÷ga.

Padalijus visus (4.1) lygties narius iš inF ir juos pertvarkius,

gaunama šios lygties bedimens÷ išraiška

in

p

in

kl

in

sun

sun

A

in

sun

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F+++=1 . (4.2)

57

4.1 lentel÷. Pagrindiniai ekohidraulikos fizikinio-hidraulinio panašumo kriterijai

Kriterijus Formul÷ Svarbiausios veikiančios j÷gos, naudojimo sritis Dimensijos 1 2 3 4

Frudo gh

v2Fr =

Inercijos ir sunkio j÷gų santykis. Naudojamas modeliuojant hidrotechnikos statinius ir trumpus upių ruožus

v – t÷km÷s greitis h – gylis

g – gravitacinis pagreitis

Reinoldso υ

= vhRe Inercijos ir klampos j÷gų santykis. Svarbus

modeliuojant laminarines t÷kmes υ – kinematin÷s klampos

koeficientas

Veberio σ

ρ= hv2

We Inercijos ir paviršiaus įtempimo j÷gų santykis. Svarbus modeliuojant kapiliarinius reiškinius

σ – paviršiaus įtempimo koeficientas

Eulerio 2Eu

v

p

ρ∆= Sl÷gio ir inercijos j÷gų santykis.

Naudojamas modeliuojant sl÷gines sistemas p∆ – sl÷gių skirtumas

Koši K

v2

Caρ= Inercijos ir tamprumo j÷gų santykis. Svarbus

modeliuojant suspaudžiamus skysčius K – tamprumo modulis

Ričardsono ( )2/

/Ri

hv

hPg

∂∂ρ∂∂= Svarbus modeliuojant dviejų skirtingo tankio skysčių

susimaišymą ir greičių pasiskirstymą vertikal÷je

Macho c

v=M Įvertina didelio greičio t÷kmių (suspaudžiamumo) efektus

c – garso sklidimo skystyje greitis

Homochro-niškumo

(Struchalio) 0

00Shl

tv= Įvertina periodinių svyravimų (pvz., bangavimo)

panašumą modeliuojamuose skysčiuose 0t – svyravimų periodas

0l – linijinis matmuo

58

4.1 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4

Frudo-Reinoldso skaičius υ

=2/32/1

ReFrhg

Svorio ir trinties j÷gų santykis. Naudojamas kaip t÷kmių ribines sąlygas užtikrinantis fizikinio modeliavimo kriterijus

59

Įvertinus (4.2) lygties narius pagal panašumo kriterijų išraiškas, gaunama kelis panašumo kriterijus siejanti lygtis

Eu1

Re1

Fr1

1Fr1 ++

ρρ+= t . (4.3)

(4.3) panašumo kriterijų lygtis ne tik nusako modelio panašumo į prototipą sąlygas, bet ir leidžia ana-lizuoti modeliuojamus reiškinius. Pavyzdžiui, jei didelio tankio kūnas

krenta ore, 1<<ρρt , tada keliamo-

sios Archimedo j÷gos galima nepai-syti. Jei klampumo j÷ga, palyginti su inercijos j÷gomis, maža, iš (4.3) lyg-ties „iškrenta“ kriterijus, lygus at-virkštiniam Reinoldso skaičiui. To-kiu atveju pakanka užtikrinti tik Frudo skaičiaus ir judančio kūno formos sukeliamo sl÷gio panašumo sąlygas.

4.2. Fizikinio modelio mastelių pasirinkimo sunkumai

Upių vagų ir jų salpų ekohidraulinius procesus tirti nelengva. Tyrimų sąlygos sunkios d÷l to, kad t÷km÷ salpose dažniausiai būna gana netolygi, nuolat teka iš vagos į sl÷nį ir atgal, nusistovi sud÷tingi t÷kmių ir stovinčio vandens zonų dariniai, nuo kurių priklauso neš-menų bei biogeninių medžiagų dinamika ir sedimentacija. Tokių ob-jektų matematiškai modeliuoti sprendžiant dvimatį uždavinį dažniau-siai neįmanoma, nes šie procesai dar nepakankamai ištirti, jų skaičiavimo algoritmai nepritaikyti deltų sud÷tingiems reiškiniams aprašyti. Tod÷l tirtinus procesus galima įvertinti tik pagal panašumo teorijos reikalavimus įrengus užliejamų plotų hidraulinį (fizikinį)

4.1 pav. Kūno kritimo skystyje

schema

60

modelį. Tačiau upių su plačiomis salpomis fizikinis modeliavimas taip pat specifinis ir kelia metodinių sunkumų. Vienas iš jų – hidrau-linių modelių geometrinio mastelio pasirinkimas. D÷l didelio upių salpų pločio ir gylio skirtumo hidrauliniai tokių objektų masteliai ga-

limi tik iškreipti, t. y. planinis modelio mastelis M

Nl L

L=α turi būti

didesnis už vertikalųjį M

Nh H

H=α . Iškreipimo laipsnis

h

lKαα

=

dažnai būna 10 ir didesnis. Planinį mastelį lα paprastai lemia labo-

ratorijos modeliavimo aikštel÷s dydis ir technin÷s modelio įrengimo galimyb÷s, o parenkant vertikalųjį, reikia paisyti svarbių t÷kmių pa-našumo teorijos sąlygų. Deja, dažniausiai jų visų įvykdyti neįmano-ma ir taikant analizę būtina pasirinkti svarbiausius, t. y. kurti iškreip-tų mastelių (afininį) fizikinį modelį.

Trumpai bus pamin÷tos pagrindin÷s t÷kmių panašumo teorijos sąlygos ir aptartos galimos taikyti priemon÷s tais atvejais, kai visų modeliavimo kriterijų laikytis sunku arba kai į šias priemones atsi-žvelgiama ne visose modelio dalyse. T÷kmių automodelinio režimo sąlyga pagal Reinoldso kriterijų Re gaunama tokia:

krm

mmm

hvReRe ≥

υ= , (4.4)

jeigu

krn

nnn

hvReRe ≥

υ= , (4.5)

čia mRe – Reinoldso kriterijus modelyje; nRe – Reinoldso kriteri-

jus modeliuojamoje t÷km÷je; krRe – Reinoldso kriterijaus ribin÷ va-

gų fizikiniams modeliams reikšm÷; nm vv ir – modelio ir natūros

t÷kmių vidutinis greitis; nm hh ir – būdingi gyliai; υ – skysčio ki-

nematinio klampumo koeficientas.

61

T÷kmių Frudo kriterijų (inercijos ir sunkio j÷gų) identiškumo są-lygos tokios:

nm

mm gh

vFrFr

2== , (4.6)

čia 81,9=g m/s2 – gravitacin÷s traukos pagreitis; mFr – Frudo krite-

rijus modelyje; nFr – Frudo kriterijus modeliuojamoje t÷km÷je.

Modelio ir natūros trinties bei inercijos j÷gų identiškumo sąlyga

fnfm NN = , (4.7)

čia 02

Fri

N f ⋅⋅λ= – t÷kmę veikiančių trinties ir inercijos bei sunkio j÷-

gų santykis; λ – t÷km÷s hidraulinio pasipriešinimo koeficientas; 0i –

t÷km÷s vandens paviršiaus nuolydis. Kai konkretus skirtingų geometrinių mastelių modelis atitinka

(4.5) ir (4.7) lygtimis aprašytas sąlygas, maksimalus planinis fiziki-nis modelio mastelis yra:

=

h

l

kr

nl α

α

Re

Reα

32

max , (4.8)

čia maxlα – didžiausias galimas modelio planinių matmenų mastelis;

hα – gylių arba vertikaliųjų matmenų mastelis.

Kadangi natūroje up÷se su plačiais sl÷niais 0001000000650Re −=N , o 3150Re =kr , tai net tada, kai mastelių

iškreipimo laipsnis 10=k , reikia taikyti 500max ≤α l . Dar labiau didinti lα ir kartu sumažinti reikiamą modeliui laboratorinių tyrimų

plotą galima tik tada, kai Frudo identiškumo kriterijaus (4.6) reikalavimą galima pakeisti ne tokiu griežtu reikalavimu

krm FrFr ≤ , (4.9)

jeigu

62

krn FrFr ≤ . (4.10)

Čia pasinaudota vadinamuoju t÷kmių automodeliškumu, kai procesai, vykstantys natūroje ir modelyje, išlieka panašūs, nepaisant kai kurių nukrypimų nuo panašumo kriterijų reikalavimų, t. y. šie kriterijai „išsigimsta“.

Tenkintis (4.10) įvykdyta sąlyga galima iki 4,0Fr ≤kr , nes iki

tol egzistuoja atviros t÷km÷s paviršiaus formos automodeliškumas ir pagal Frudo kriterijų. Tod÷l galima forsuoti modelio greitį ir debitą, kartu dar labiau padidinti didžiausią galimą planinio mastelio koeficientą. Tada galimas didžiausias lα bus:

3/13/2

max Fr

Fr

Re

Re

=

n

kr

h

l

kr

nl α

αα . (4.11)

nFr lygumų up÷ms plačiais sl÷niais retai būna didesnis kaip

0,05, tad remiantis (4.9) formule 1000max ≤α l . To dažnai pakanka,

ir daugeliu atvejų galima ribotame plote modeliuoti gana didelius na-tūrinius objektus. Tačiau kai masteliai labai iškreipiami, sunku atitik-ti (4.7) sąlygą, t. y. užtikrinti, kad modelio inercijos ir pasipriešinimo j÷gų santykis būtų toks kaip natūroje. Išreiškus trinties j÷gas srauto nuolydžiu 0i ir hidraulinio pasipriešinimo koeficientu λ , o inerci-

jos – anksčiau min÷tu Frudo kriterijumi, iš šios sąlygos gaunama

fnm

mmnnfm N

ii

rN

n

=λ=λ=00 2

Fr

2

F. (4.12)

Iš šios sąlygos, kai nm FrFr = , gaunamas fizikinio modelio t÷k-

m÷s hidraulinio pasipriešinimo mastelis

l

h

m

n

αα

=λλ

=αλ . (4.13)

Kaip matyti, norint atitikti (4.13) sąlygą, mλ tektų didinti tiek,

koks yra geometrinių mastelių iškreipimo laipsnis, o tai įmanoma tik tada, kai modeliuojami palyginti nedideli deltos plotai ir geometriniai

63

masteliai mažai iškreipiami. Kai horizontalus ir vertikalus masteliai skiriasi 10 ir daugiau kartų, šiai sąlygai įvykdyti absoliutų modelio paviršiaus šiurkštumą reikia didinti tiek, kad šio padidinto šiurkštu-mo elementų dydžiai kai kur priart÷tų prie vandens gylio. Tada gau-namas vadinamasis „grotelių“ efektas, kuris keičia modelio t÷km÷s hidraulinio pasipriešinimo pobūdį. Be to, kai toks didelis šiurkštu-mas, tampa neaiškūs ir dugno atskaitos plokštumos, sūkurinių zonų dydžio bei kiti metodinio pobūdžio klausimai. Taigi griežto (4.6) rei-kalavimo modeliuoti pagal Frudo kriterijų dažnai būna neįmanoma įvykdyti.

Atitinkant ne tokius griežtus Frudo kriterijaus identiškumo rei-kalavimus ir taikant (4.9) sąlygą, (4.13) sąlyga transformuojama į to-kį reikalavimą:

krm H

B

H

B

λ≥

λ , (4.14)

jeigu

krn H

B

H

B

λ≥

λ . (4.15)

Remiantis šiais ir kitų autorių tyrimų duomenimis, up÷ms, kurių

sl÷nis platus, 9,16,1 −≅

λ

krH

B. Laikytis šios (4.14) sąlygos užlie-

tame vandeniu modelio sl÷nyje nesunku, nes up÷s sl÷nio vandens pa-viršiaus išilginis ir skersinis nuolydžiai būna palyginti nedideli, pa-viršius beveik plokščias, o modelio Frudo skaičiai 2,0≤mFr . Tod÷l

galima modeliuoti tiriamų upių salpas ir gauti patikimus rezultatus. Fizikinio modeliavimo praktikoje šis būdas dar dažnai vadinamas „modeliavimu pagal pripildymą“, nes reikalingi vandens gyliai gau-nami nedidinant modelio paviršiaus šiurkštumo, o padidinant debitą. Faktiniai tokio modelio debito ir greičio masteliai nustatomi pagal modelio verifikavimo (taravimo) rezultatus. Tačiau ir šiuo atveju kyla sunkumų, kai tenka kartu su sl÷niu modeliuoti up÷s vagą (kuri,

64

palyginti su sl÷niu, yra siaura), tek÷jimą pro sl÷nio tiltų angas ar ki-tur, kur t÷kmių Frudo skaičius ir prototipe paprastai yra didelis.

Tuo atveju d÷l modelio mastelių iškreipimo forsavus debitą, Frudo skaičiai modelyje mFr dažnai padid÷ja iki 0,6–0,8, be to, kai

neįmanoma vagoje laikytis dar ir (4.14) sąlygos reikalavimų, galima nemažai nukrypti nuo panašumo teorijos reikalavimų, o kartu neiš-venti klaidų perskaičiuojant į natūrą debitų pasiskirstymą, t÷kmių greitį bei gylį. Be to, modeliuojant kitus režimus ir mažinant vandens

išsiliejimą į sl÷nį, keičiasi ir modelio parametras mH

B

λ , kuris gali

sumaž÷ti iki kritin ÷s slenkstin÷s ribos. Kai kurie mokslininkai, pvz., V. Bazilevičius, tokiais atvejais siūlo sl÷niui ir vagai taikyti atskirus mastelius. Baltarusijos mokslininkas G. Vasilčenko taip pat siūlo tai-kyti pataisas, kai t÷km÷s režimas modelyje skiriasi nuo skaičiuotino [Vasilčenko, 1985]. Tačiau šis pasiūlymas tinka tik tada, kai vagos ir sl÷nio forma palyginti paprasta ir tek÷jimo sąlygos nesud÷tingos, t. y. kai galima modeliuoti pagal vienmačio judesio lygtis. Tenkinant ma-žiau griežtą (4.14) sąlygą modelio ir natūros t÷kmių struktūros būna panašios, tačiau t÷km÷s parametrai d÷l greičio forsavimo vis tiek šiek tiek iškreipiami. Nukrypstama tuo daugiau, kuo netolygesn÷ t÷km÷. Kur greitis didelis, vandens lygis modelyje labiau žem÷ja d÷l forsuo-to greičio sl÷gio. D÷l t÷km÷s netolygumo iškreipiama ypač stipriai, kai vanduo teka per sl÷nio tiltų angas, užliejamų polderių pylimus ir priekrant÷s volus. Hidrauliniu požiūriu tai slenksčiai, o gylis virš jų modeliuojamas pagal Frudo kriterijų, t. y. pagal (4.6), o ne pagal (4.14) sąlygų reikalavimus.

Šitaip modeliuojant forsuojamos taip pat išcentrin÷s ir kitos inercijos j÷gos, kurios keičia vandens gylį, kartu sl÷nio ir vagos apsi-keitimą t÷km÷mis. Be to, kaip min÷ta, kai kur galima nukrypti ir nuo (4.14) sąlygos. Visa tai reikia įvertinti perskaičiuojant modeliavimo duomenis į natūrą. Šiuo tikslu buvo parengtas jau min÷tas hibridinis modelis (3.3.2 sk.).

65

Hidraulinis (fizikinis) modelis šiuo atveju naudojamas vietinių nuostolių koeficientams nustatyti ir adekvačiai matematinio modelio skaičiavimų algoritmo schemai sudaryti, įvertinti stovinčių zonų ir tranzitinių t÷kmių išsid÷stymą plane, jų sąveiką ir kitimą keičiantis debitams per potvynį. Taip praktiškai pritaikomas hidraulinis mode-lis hibridinio modeliavimo metodui realizuoti. Matematiniame mode-lyje tada galima taikyti paprastesnes vienmačio judesio lygtis, o fizi-kinis (hidraulinis) modelis naudojamas tik d÷l sud÷tingų erdv÷s procesų atsirandantiems papildomiems hidrauliniams nuostoliams nustatyti.

66

5. NEŠMENŲ DINAMIKA

Ekohidraulikoje upių t÷kmių nešami mineralin÷s ir organin÷s kil-m÷s nešmenys yra labai svarbūs ekosistemų funkcionalumui, atsparu-mui ir prisitaikymui. Taip yra d÷l daugelio priežasčių: nešmenys, bū-dami vagų ir sl÷nio erozijos produktai, slenka up÷s dugnu ir taip keičia jo paviršių; skendinčios vandenyje smulkios nešmenų dalel÷s lemia vandens drumstumą bei jo šviesos pralaidumą; paveiktos erozijos up÷s vagos vietos po truputį užsigrindžia stambiu žvyru bei akmenimis ir suformuoja specifines greitviečių ir r÷vų sąlygas. Be to, smulkios nuo laukų potvynių nuplautos molio ir dumblo dalel÷s yra turtingos bio-cheminių medžiagų, kurios skatina vandens augalų augimą, t. y. lemia vandens kokybę, tačiau gali kenkti žuvims ir zooplanktonui. Ekohid-raulikoje labai svarbu periodiniai potvynio nešmenų išnešimai ir nus÷-dimas užliejamose upių salpose ir lagūnose – nuo to priklauso ne tik up÷s bei sl÷nio sedimentiniai-eroziniai procesai, tačiau prie tokių peri-odiškai besikeičiančių sąlygų sugeba prisitaikyti daugelis vandens au-galų ir gyvūnų. Naujausi moksliniai tyrimai rodo, kad upių pakrančių augalai sugeba sulaikyti ir nus÷sdinti 70–80 % visų per potvynius į vandenį patekusių dumblo ir molio dalelių. Taigi nešmenų dinamika ekohidraulikai yra labai svarbi ir naudinga. Norint ją geriau suprasti ir ja pasinaudoti išsaugant ar atkuriant gamtines vandens bendrijas būtina geriau pažinti nešmenų jud÷jimo, sulaikymo ir nusodinimo d÷sningu-mus. Apie juos rašoma kituose skyriuose.

5.1. Pagrindin÷s fragmentinių skendinčiųjų nešmenų savyb÷s

Apibr ÷žimas. Hidraulikoje nešmenimis vadinama fragmentin÷ medžiaga, susidariusi fiziškai ar chemiškai irstant žem÷s uolienoms ir vandens ar (ir) oro t÷kmių nešama į jūras bei vandenynus.

Nešmenys skirstomi pagal kilmę: a) išplauti iš upių dugno ir vagos krantų; b) nuplauti nuo baseino žem÷s paviršiaus;

67

pagal transportavimo būdą: a) skendintys vandenyje (suspenduoti); b) velkami dugnu (dugniniai) (5.1 pav.).

5.1 pav. Nešmenų skirstymo schema

Hidrotechnikoje, laivyboje ir eksploatuojant dr÷kinimo bei me-lioracijos sistemas daugiausia d÷mesio buvo skiriama išplautiems iš up÷s dugno ir skendinčioje būkl÷je esantiems ar velkamiems dugnu nešmenims, nes jie sudaro daugiau nei 95 % visų nešmenų kiekio, jų debitai lemia upių vagų deformacijas ir vandens drumstumą, tiltų ar kitų hidrotechninių statinių pastovumą, drenų kamščius ar laivybos sąlygas. Tokių nešmenų jud÷jimą aprašančių formulių galima rasti specialioje literatūroje (Van Rijn, 1993). Sunkiausia nustatyti tokių nešmenų jud÷jimo formas aprašančius (vadinamuosius „slenksti-nius“) režimus, nes nuo to priklauso jų kiekiai ir debitams apskai-čiuoti naudojamos empirin÷s ar pusiau empirin÷s formul÷s. Pavyz-džiui, skendinčiųjų nešmenų jud÷jimo slenkstinį režimą dažniausia

apibūdina t÷km÷s dinaminio greičio ghIV =∗ ir vertikalaus nusi-

stov÷jusio dalel÷s skendimo greičio (hidraulinio stambumo) stovin-čiame vandenyje 0w santykis (žr. 5.1 lentelę).

68

5.1 lentel÷. Skendinčiųjų nešmenų slenkstinio režimo kriterijai (pagal autorius)

Autorius, metai Kriterijus nešmenims

pakelti į skendinčiuosius Pastabos

Bagnold 1966

10

>∗w

V Pagal Van Rijn (1993)

Van Rijn 1984

( )3

20 1

4

sdv

gsw

V

−>∗

Pagal eksperimentinius duomenis d÷l

( )3

210

11 ≤−< sd

v

gs, kur

50dds =

Raudkivi 1990

4,00

>∗w

V

( )3

210

1 >−sd

v

gs, kur

50dds =

Raudkivi 1990

5,00

>∗

w

V Per÷jimo į saltaciją pradžia

Raudkivi 1990

2,10

>∗w

V

Dominuoja skendinčioji nešmenų būkl÷. Turbulentin÷

vandens t÷km÷

Julien 1995

2,00

>∗w

V

Kvadratinio pasipriešinimo zonoje suspensijos

formavimosi pradžia

Julien 1995

5,20

>∗w

V Dominuoja skendinčioji

nešmenų būkl÷

Sumer ir kt. 1996 ( ) 2

1

2>

−∗

sgds

V

Eksperimentiniai tyrimai latake, kai 313,0 << sd mm

Pastaba.ρ

ρ=δ s ; ghIV =∗ – dinaminis greitis ; 0w – vertikalusis nusi-

stov÷jęs dalel÷s skendimo greitis; sρ – nešmenų tankis; ρ – vandens tan-

kis; sd – nešmenų dalelių vidutinis dydis

69

Kaip matyti, santykio 0

*

w

Vreikšm÷s kinta 0,2–2,5 ribose tod÷l,

kad birias, vandenyje skendinčias daleles skirtingai veikia sunkio, plūdrumo (keliamoji) ir velkamoji j÷gos (žr. 5.2 pav.):

5.2 pav. Nešmenų dalelę veikiančios j÷gos

Čia sunkio j÷ga sssun gVF ρ= ; plūdrumo j÷ga sA gVF ρ= ; vel-

kamoji j÷ga 2

2vACF sd

dρ

= ; keliamoji j÷ga 2

2vACF sL

Lρ

= , sV –

nešmenų dalel÷s tūris; sA – įprasto dalel÷s skerspjūvio plotas; dC ir

LC – dalel÷s vilkimo ir pak÷limo nuo dugno (formos pasipriešinimo)

koeficientai; v– vidutinis t÷km÷s greitis priedugnio sluoksnyje (up÷s dugne ∗=ν V ).

Dalel÷s velkamoji ir keliamoji j÷gos atsiranda d÷l t÷km÷s sl÷gio pasiskirstymo apie dalelę netolygumo. Turbulentiškam vandens srau-tui aptekant daleles galimi įvairūs procesai – sl÷gio fluktuacijos, t÷kmių atsiskyrimas (5.3 pav.). Tod÷l sl÷gis apie dalelę pasiskirto nehidrostatiškai ir netolygiai, turi įtakos inercin÷s j÷gos, nešmenų da-lelių, jų darinių dydžių ir tankio nevienodumas, koncentracijos skerspjūvyje pasiskirstymas. Nustatyta, jog net stovinčiame vandeny-

70

je s÷danti dalel÷ d÷l išstumiamo vandens sluoksnio sukelia reakcinę aukštyn kylančią t÷kmę. D÷l to priedugnio sluoksnyje susidaro di-desn÷ skendinčiųjų nešmenų koncentracija, dalelių skendimas sul÷t÷-ja (veikia ir kitos dalel÷s).

5.3 pav. Up÷s dugno stambių akmenų aptek÷jimo turbulentiniame sraute

schema

T÷km÷s turbulentiškumo nevienodumas ir didieji sūkuriai taip pat gali keisti skendinčiųjų nešmenų pasiskirstymą vertikal÷je ir iš-kreipti laboratorinių bei natūrinių matavimų rezultatus. Apie tai ra-šoma žymaus austrų mokslininko Cellino Graf (1991) straipsniuose. V÷liau Nielsen (1991) nustat÷, kad atsižvelgus į t÷km÷s turbulentiš-kumo intensyvumą, dalel÷s tankio ir matavimo dažnio bei taškų iš-d÷stymo skendinčiųjų nešmenų sankaupų intensyvumas gali did÷ti ar, priešingai, sumaž÷ti. Tai patvirtina ir kiti tyrimai [Rimkus ir Vai-kasas, 2004]. Nustatyta, kad laboratoriniame latake skendintieji neš-menys juda kaip periodiniai besisukantys apie horizontalią ašį sūku-riai (lyg debesys) (5.4 pav.).

71

5.4 pav. Eksperimentinio skendinčiųjų nešmenų jud÷jimo laboratoriniu

lataku schema

Kaip matyti, t÷km÷s dugne gulintiems nešmenims tapti skendin-čiaisiais lemiamą įtaką turi tiek t÷km÷s, tiek nešamų nešmenų cha-

rakteristikos: dalelių skersmuo sd , lyginamasis tankis ρ

ρ=δ s , dale-

lių formos pasipriešinimo t÷kmei (keliamosios j÷gos) vertinamasis koeficientas dC , t÷km÷s greičių pasiskirstymas vertikal÷je (greičių

epiūra), t÷km÷s pulsacijos (turbulentiškumas). Ypač didelę įtaką turi pastarieji faktoriai (5.4 pav.). Visi pamin÷ti faktoriai lemia skirtingą fragmentinių skendinčiųjų nešmenų t÷km÷je būseną ir jų vertinamųjų formulių reikšmes. Tod÷l skendinčiųjų nešmenų jud÷jimą t÷km÷je galima įsivaizduoti kaip suspensijos, kurios dalel÷s yra pakeltos nuo up÷s dugno ar potvynio bei liūčių nuplautos nuo erozijos paveiktų laukų, dinaminę pusiausvyrą. Veikiant sunkio ir turbulentin÷s difuzi-jos bei konvekcijos j÷goms vandens t÷km÷je susiformuoja priedug-nio sluoksnis, kuriame skendinčiųjų nešmenų koncentracija yra kelis ar net keliolika kartų didesn÷ už vidutinę vertikal÷je. Didesn÷ dalelių koncentracija priedugnio sluoksnyje yra ir d÷l jų tarpusavio sąveikos: sunkesn÷s ir didesn÷s dalel÷s skęsdamos atsimuša į mažesnes ir lengvesnes, tod÷l ir taip skendimo procesas l÷t÷ja. Be abejo, priedug-nio sluoksnyje d÷l t÷km÷s kontakto su dugnu generuojami maži dug-niniai sūkuriai, atsiranda ir min÷tos vandens išstūmimo j÷gos. Vei-kiant visoms šioms j÷goms nusistovi dinamin÷ pusiausvyra tarp dalelių skendimo ir difuzijos. Ją pagal mas÷s tvarumo d÷snį (2.22 formul÷) galima užrašyti taip:

72

ss

s Cwz

CD 0d

d−= (5.1)

čia sC – skendinčiųjų nešmenų koncentracija vertikal÷s taške, nuto-lusiame per y atstumą nuo dugno; sD – nešmenų difuzijos koeficien-

tas; w0 – vertikalusis nusistov÷jęs dalel÷s skendimo greitis (hidrauli-nis stambumas).

Kaip min÷ta, turbulentin÷je t÷km÷je didelę įtaką skendinčiųjų nešmenų jud÷jimui ir sklaidai turi sūkurinis tek÷jimo pobūdis. Daž-nai šių nešmenų difuzijos koeficientas sD dar vadinamas nešmenų

susimaišymo koeficientu, o turbulentin÷se konvekcijos-difuzijos lyg-tyse – turbulentin÷s difuzijos koeficientu (turbulentin÷s t÷km÷s klampa). Taip yra tod÷l, jog šis koeficientas proporcingas turbulenti-nio sūkurio momentui ir parodo t÷km÷s sūkurio ( )vρ judesio kiekio

perdavimą iš didelio turbulentiškumo taškų į mažesnio turbulentiš-kumo sritis. Up÷se ir atvirose vagose šis koeficientas gali būti nusta-tomas eksperimentiškai arba apskaičiuojamas pagal t÷km÷s hidrauli-nius parametrus:

−≈ ∗ h

zzhVDs K , (5.2)

čia h – vidutinis t÷km÷s gylis skerspjūvyje; ∗V – dinaminis t÷km÷s greitis; 4,0=K – Karmano konstanta. Difuzijos lyginamojo koefi-ciento reikšm÷s pateiktos 5.2 lentel÷je.

Skendinčiųjų nešmenų koncentracijų pasiskirstymas t÷km÷je pa-gal gylį gaunamas integruojant (5.2) lygtį pagal parabolin÷s difuzijos taisyklę:

( )

( )∗

−

−= =

KVw

s

zzss

z

hz

h

CCs

/0

1

1, (5.3)

73

čia ( )szzsC = – nešmenų koncentracija sluoksnyje, nutolusiame per

sz atstumą nuo dugno.

Taigi praktiškai įvertinti skendinčiųjų dalelių jud÷jimą ir debitus netgi up÷s vagoje n÷ra paprasta. Tam nepakanka žinoti vien tik vidu-tinį t÷km÷s greitį vertikal÷je v , o būtini ir t÷km÷s greičių pasiskirs-tymo pagal gylį duomenys, kurie, savo ruožtu, priklauso tiek nuo trinties į t÷km÷s krantus ir dugną, tiek nuo t÷km÷s energijos ir turbu-lentiškumo. Nustatyta, jog daugumos upių tek÷jimas yra turbulentiš-kas.

5.2 lentel÷. Difuzijos lyginamojo koeficiento ∗hV

Ds reikšm÷s gamtin÷se vagose

Autorius, metai

Koeficiento

∗hV

Ds

reikšm÷s

Pastabos

1 2 3

Nešmenų prisotintos t÷km÷s, Lane ir Kalinske

(1941) 0,067

Anderson (1942) 0,08–0,3 Enor÷ up÷ (JAV)

52,19,0 << h m

Coleman (1970) 0,05–0,4 Modelio duomenys 2,0≤wq

m2/s

Difuzijos gamtin÷se vagose,

Elder ir kt. (1959) 0,228

Modeliavimo duomenys. Vietin÷ permanganato tirpalo

sklaida 15,001,0 −=h m

Fischer ir kt.(1979) 0,067 Vertikalusis maišymasis

Graf (1971) 0,15

Skersinis maišymasis tiesiuose kanaluose. Eksperimentiniai

apibendrinti duomenys ( )( )26,0/09,0 ≤≤ ∗hVDs

74

5.2 lentel÷s pabaiga

1 2 3

Coleman (1970) 04–0,8

Skersinis maišymasis meandruojančiose vagose.

Eksperimentiniai duomenys ( )( )4,3/36,0 ≤≤ ∗hVDs

Pastaba. Lentel÷ paruošta pagal Graf (1971) ir Coleman (1986) vidutinius

duomenis vertikal÷se

= 5,0h

z

Vadinasi, up÷s dugne praktiškai n÷ra laminarinio pasluoksnio, o

greičių pasiskirstymą čia lemia tik santykinis šiurkštumas z

ks .

5,8ln1 +

=

∗ sk

z

KV

v; kai ,15,01,0 −≤

δz

(5.4)

čia sk – ekvivalentino šiurkštumo aukštis; δ – laminarinio pasienio

sluoksnio storis. Turbulentiškame pasienio sluoksnyje t÷km÷s greičiai pasiskirsto

pagal ekvivalentinio šiurkštumo funkciją:

N

y

v

v/1

max

δ= , (5.5)

čia N – ekvivalentinio šiurkštumo funkcija. Pavyzdžiui, esant nusi-stov÷jusiam tek÷jimui atvirose reguliuotose vagose (kanaluose ar

grioviuose) λ

= gKN

8 (čia λ – hidraulin÷s trinties koeficientas).

Apibendrinant galima pasakyti, jog nešmenų jud÷jimo forma ir debitas sq labiausiai priklauso nuo tangentinių įtempimų dugne τ ,

nešmenų dalelių tankio sρ , skysčio tankio ρ , nešamų dalelių skers-

mens sd , gravitacinio pagreičio g ir skysčio klampos µ . Dimensijų

75

analiz÷s būdu tarp šių dydžių buvo nustatyta tokia funkcin÷ priklau-somyb÷:

µρ

ρρ

= ∗∗ Vd

gd

Vfq ss

ss ;; . (5.6)

Pirmasis narys yra dalel÷s Frudo skaičius ∗Fr , antrasis – dalel÷s

lyginamasis tankis, paskutinis – dalel÷s Reinoldso skaičius Re*. Slenkstiniai režimai priklauso nuo šių kriterijų ir lemia, ar dalel÷s ne-juda, juda velkamos dugnu (dugniniai nešmenys), ar yra pakeliamos ir juda skendinčios būkl÷s (5.5 pav.).

5.5 pav. Nešmenų jud÷jimo slenkstiniai režimai (ramyb÷s būkl÷, dugniniai nešmenys ir skendinčiųjų nešmenų būkl÷) priklauso nuo t÷km÷s tangentinių

įtempimų, t÷km÷s ir nešmenų savybių (Shields grafikas).

Pastaba. dalelių santykinis stambumas d* vertinamas pagal Shields para-metrą τ*:

( )( )

2

30 1

;1 v

gssdd

dsgk

s

−=

−ρτ=τ ∗∗ . (5.7)

Kadangi gamtin÷se t÷km÷se vagų šiurkštumas, t÷km÷s greičiai bei nešamų dalelių tankis keičiasi laiko ir erdv÷s atžvilgiu, kinta ir nešamų

76

dalelių debitai bei režimai. Tod÷l apskaičiuoti upe ar sl÷niu judančių nešmenų debitus yra sud÷tinga ir sunku. Tam dažniausiai naudojamos empirin÷s formul÷s ir laboratorinių eksperimentų metu nustatytos pri-klausomyb÷s (pagrindin÷s jų aptariamos atvirų vagų hidraulikos ar nešmenų režimus aprašančioje literatūroje bei 5.5 lentel÷je).

Dar sunkiau apskaičiuoti nuo laukų nuplautų smulkių molio ir dumblo dalelių jud÷jimą, nes d÷l molekulinių j÷gų traukos šios dale-l÷s sugeba suformuoti ir išlaikyti įvairaus dydžio darinius (agrega-tus). Jie, kol patenka į upes, nešami vandens srovių dirvos paviršiu-mi, kur prisisotina biogeninių medžiagų, tod÷l ekohidrauliškai skaičiuojant gamtines t÷kmes yra labai svarbūs. Tokių dalelių jud÷-jimui įvertinti reikia žinoti ir žem÷s paviršiaus dangos savybes. Tod÷l šių nešmenų savyb÷s čia aptartos atskirai.

5.2. Rišlių nuplautų dirvožemio dalelių savyb÷s ir jud÷jimas t÷km÷je

Jeigu fragmentin÷je medžiagoje, nuplautoje nuo laukų, smulkios molio ir dumblo dalel÷s ( md µ< 4 ) sudaro daugiau nei 10 %, tokių

nešmenų dalelių elektrostatin÷s-sankibos j÷gos pasidaro didesn÷s nei atskirą dalelę veikiančios gravitacin÷s. D÷l to t÷km÷je iš įvairaus dy-džio dalelių susiformuoja vadinamieji agregatai, kurių savyb÷s pri-klauso nuo jų sud÷ties ir paprastai skiriasi nuo vienarūš÷s birios me-džiagos (pavyzdžiui, sm÷lio) savybių. Tod÷l rišlių nešmenų jud÷jimą (transportavimą), nusodinimą ir pakartotinį išplovimą aprašančios formul÷s, nors ir panašios savo struktūra, bet dažniausiai gautos tik eksperimentiniu būdu, o agregatų būsenų kaita iki šiol dar nepakan-kamai ištirta. Svarbiausios tokių nešmenų savyb÷s yra rišlumas, plas-tiškumas, klampa ir slenkstiniai tangentiniai įtempimai (takumas), nes nuo to ir priklauso šių nešmenų jud÷jimas, nus÷dimas, agregatų formavimasis (flokuliacija), erozija ar atpl÷šimas nuo dugno (resus-pensija). Šiems procesams didelę reikšmę turi ir t÷km÷s turbulentiš-kumas, nešmenų organin÷s medžiagos kiekis ir koncentracija bei vandens temperatūra, nes visa tai keičia agregatus sudarančių dalelių

77

rišlumą, taip pat hidraulines nešmenų ypatybes bei jų kitimą t÷km÷je (žr. 5.6 pav.).

5.6 pav. Rišlių pavienių (molio) dalelių ir agregatų dydžiai (µm)

Taigi, skendinčiųjų nešmenų svarbiausi parametrai: 1) skersmuo d ; 2) dalelių mobilumo parametras θ, 3) t÷km÷s tangentinio įtempimo perteklius T , 4) suspensijos parametras Z , 5) lyginamasis skendinčiųjų nešmenų debitas Φ . Ekohidraulikoje būtina žinoti, kad daugiausia chemiškai užterštų

organin÷s kilm÷s dalelių ir sunkiųjų metalų nuplaunama nuo potvy-nio apsemto up÷s baseino žem÷s paviršiaus. Be to, kaip min÷ta, smulkiausios molio ir dumblo dalel÷s ( m 50µ<d ) suklijuoja d

skersmens agregatinius darinius, kurių jud÷jimo ir skendimo vande-nyje greitis priklauso nuo agregato dydžio bei lyginamojo tankio ir t÷km÷s klampos

50

3/1

2

)1(d

gd

υ−δ= , (5.8)

čia d – agregato ekvivalentinis skersmuo; 50d – vidutinis dalel÷s

skersmuo (50 % pagal granuliometrinę kreivę); δ –

ρρ

= s lygi-

namasis tankis; υ – kinematin÷s klampos koeficientas; g – gravita-

cinis pagreitis. Dalel÷s mobilumo parametras θ yra ją nešančio srauto hidrodi-

naminių j÷gų ir skendinčiosios dalel÷s svorio santykis

78

505050

2

)1()()1(

)(

d

hI

gdgd

V

s

b

−δ=

ρ−ρτ=

−δ=θ ∗ , (5.9)

čia bτ – vidutiniai pagal laiką t÷km÷s sąlygoti tangentiniai įtempi-

mai srov÷s dugne ( )∗ρ=τ Vb ; ∗V – dinaminis t÷km÷s greitis; δ – ly-

ginamasis tankis

ρρs ; h – t÷km÷s gylis; I – hidraulinis nuolydis.

T÷km÷s tangentinio įtempimo perteklius T , lemiantis ant dugno nus÷dusių nešmenų pak÷limą, nustatomas

crb

crbbT

,

,

ττ−τ

= , ∗β

=kV

wr 0 , (5.10)

čia r – nešmenų pasiskirstymo vertikal÷je parametras; crb,τ – vidu-

tinis kritinis tangentinis įtempimas (pagal Šildsą); 0w – hidraulinis dalel÷s stambumas stovinčiame vandenyje (m/s); 4,0=k – Karmano konstanta; β – nešmenų ir t÷km÷s susimaišymo koeficientas.

Skendinčiųjų nešmenų lyginamasis debitas Φ apskaičiuojamas panaudojus priklausomybę:

( ) 5005,1

505,05,01 dw

q

dg

q tt =−δ

=Φ , (5.11)

čia tq – bendras tūrinis nešmenų debitas (m2/s); q – vandens lygi-namasis debitas; 81,9=g m2/s – gravitacinis j÷gos pagreitis.

5.3. Dugninių nešmenų jud÷jimas t÷km÷je. Vagų dugno formos bei t÷kmių režimai

Kaip min÷ta, atsižvelgus į t÷km÷s charakteristikų (gylių, nuoly-džių ir greičių) ir grunto dalelių dydį ir tankį, susidaro skirtingos hid-raulin÷s sąlygos, lemiančios nešmenų jud÷jimo būdą ir formą. Upių vagose didžiąją nešmenų dalį (95–97 %) sudaro nerišlaus grunto

79

(sm÷lio ar žvyro) nešmenys. Potvynio metu ar d÷l pasikeitusių neš-menų charakteristikų padid÷jus keliamosioms ir velkamosioms j÷-goms vagoje ramiai gul÷jusios dalel÷s praranda stabilumą ir pradeda jud÷ti, t. y. susidaro dugniniai nešmenys. Svarbu tai, kad t÷km÷s vei-kiami dugniniai nešmenys suformuoja, priklausomai nuo srauto grei-čio, tipiškus darinius – dugninių nešmenų formas. Esant palyginti mažiems t÷km÷s greičiams pagrindin÷ dugninių nešmenų slinkimo dugnu forma yra ruzgos (angl. ripples). Jų aukštis paprastai neviršija 0,1 m (5.7 pav., a ir 5.3 lentel÷). Did÷jant t÷km÷s greičiams ruzgos taip pat did÷ja ir susiformuoja sm÷lio bangos (angl. dunes). Dar la-biau padid÷jus vandens greičiams pastarosios v÷l nuplaunamos ir pradeda formuotis vadinamosios prieškop÷s (anti-dunes), kurios tarsi pakeičia slinkimo kryptį ir ima slinkti „prieš srovę“. Taip atsitinka d÷l vizualios apgaul÷s ir d÷l t÷km÷s paviršiuje atsiradusių vandens paviršiaus stovinčiųjų bangų, d÷l kurių pasikeičia ir sm÷lio bangų erozijos veikiami šlaitai (5.7 pav., c).

Gamtos steb÷jimu ir laboratoriniais tyrimais nustatyta, kad ruzgos susiformuoja esant labai mažiems t÷km÷s greičiams bei lami-nariniam režimui priedugnio sluoksnyje ir nepriklauso nuo tek÷jimo gylio (Chanson, 1999). Sm÷lio bangos formuojasi tik esant ramiai t÷kmei (Fr < 1) ir turbulentiškam režimui priedugnio sluoksnyje ir yra proporcingos up÷s t÷km÷s gyliams, o prieškop÷s – audringam te-k÷jimui ir banguotam vandens paviršiui (Fr > 1) (Kennedy, 1963; Alexander ir kt., 1997) (5.3 lentel÷). Beje, natūraliose up÷se audringi režimai būna palyginti retai (daugiausia per potvynius), tod÷l prieš-kopių jud÷jimas daugiausia tyrin÷tas laboratorijose. Pasteb÷ta, kad did÷jant t÷km÷s greičiams ir pereinant iš ramaus t÷kmių režimo į audringą (kai Frudo skaičius Fr = 1), sm÷lio bangos nuplaunamos ir tik po to formuojasi prieškop÷s. Šis režimas nestabilus, o Frudo skai-čius – artimas vienetui.

80

5.7 pav. a – dugninių nešmenų formos; b – jų išd÷stymas plane; c – sm÷lio

bangų ir prieškopių jud÷jimas d÷l šlaitų erozijos

81

5.3 lentel÷. Pagrindin÷s nerišlių dugninių nešmenų jud÷jimo formos (pagal Henderson ir Graff)

Up÷s dugno forma

T÷km÷s charakteristika

Fr skaičius

Dugninių nešmenų jud÷jimas

Pastabos

1. Plokščia Fr << 1 nejuda Dugnas pastovus

2. Ruzgos Fr << 1 slenka žemyn

Stebimos taip pat oro t÷km÷se (sm÷lio

bangel÷s, pustomos v÷jo)

3. Sm÷lio bangos

Fr < 1 slenka žemyn Stebimos ir oro t÷km÷se (pvz., paplūdimiuose)

4. Plokščias Fr ≤ 1 nejuda (stovi) Gali pasitaikyti ir oro

t÷km÷se

5. Stovinčios bangos

Fr = 1 stovi

Kritiška t÷km÷s ir nešmenų jud÷jimo

būkl÷. T÷km÷s paviršiaus bangų ir sm÷lio bangų faz÷s

sutampa

6. Prieškop÷s Fr > 1 slenka aukštyn

Audringa vandens t÷km÷. Hidraulinis

šuolis dugninių nešmenų bangų

viršūn÷je

7. Kriokliai, r÷vos

Fr >> 1 slenka aukštyn

Ypač aktyvus prieškopių slinkimas

esant hidraulinių šuolių kaskadoms (pvz., kalnų

up÷se)

Aukščiau aprašytas dugninių nešmenų jud÷jimas ne tik priklauso nuo t÷km÷s charakteristikų, tačiau ir pats save veikia d÷l nešmenų formai turinčios hidraulinio pasipriešinimo kitimo įtakos (5.8 pav.).

82

5.8 pav. Tangentinių įtempimų up÷s dugne 0τ priklausomyb÷ nuo t÷km÷s

vidutinio greičio ∗V ir dugno formos

Kaip matyti, esant įvairioms dugnu slenkančių nešmenų for-moms kinta ir hidraulin÷ trintis. Beje, dar padid÷jus t÷km÷s grei-čiams visi nerišlūs nešmenys pereina į skendinčiąją būklę, sm÷lio bangos nuplaunamos, tod÷l hidraulinis pasipriešinimas t÷kmei v÷l sumaž÷ja. Atsižvelgiant į tai, hidraulinis pasipriešinimas ir tangenti-niai įtempimai birius nešmenis nešančios up÷s dugne įvertinami tik

susumavus abu – paviršiaus įtempimus 'τ ir dugninių nešmenų for-

mos įtempimus ''0τ :

,''0

'00 τ+τ=τ (5.12)

,8

2'0 vρλ=τ (5.13)

83

čia ρ – vandens tankis; v – vidutinis t÷km÷s greitis; λ – hidraulin÷s

trinties koeficientas. Norint apskaičiuoti up÷s dugno hidraulin÷s trinties koeficientą

λ , naudojamos empirin÷s formul÷s (pvz., Colebrook-White):

λ+=

λ Re

51,2

71,3log0,2

1

H

s

D

k, (5.14)

čia x

ARDH 2

1

2

1 == – hidraulinis skersmuo; sk – ekvivalentinis

šiurkštumo elementų aukštis; ν

HvD=Re – Reinoldso skaičius; R –

hidraulinis spindulys.

Ryšys tarp nešmenų dalelių dydžio ir '0τ n÷ra gerai apibr÷žtas,

nes priklauso ir nuo jų sm÷lio frakcin÷s sud÷ties. Dažniausiai

902dks = . Tačiau susiformavusios dugninių nešmenų bangos daro

daug didesnę įtaką t÷kmei. Tyrin÷tojų duomenimis, dugninių nešme-nų bangų formos sukeliamas pasipriešinimas gali siekti net 92 % viso pasipriešinimo (Kazemipour ir kt., 1983). Svarbu įvertinti tangenti-nius įtempimus, atsirandančius d÷l dugninių greičių epiūrų aptekant sm÷lio bangas deformacijos (5.9 pav.).

tlh

hv

22''

0 8

1ρ=τ , (5.15)

čia th – vandens t÷km÷s gylis, matuojamas nuo dugninių nešmenų

bangų viršaus; l – vidutinis sm÷lio bangos ilgis; bh – vidutinis sm÷-

lio bangos aukštis (žr. 5.9 pav.). Dugninių nešmenų formas bei dydžius tyrin÷jo daugelis moksli-

ninkų. Pagal jų duomenis 5.4 lentel÷je pateiktos dažniausiai pasitai-kančios santykin÷s sm÷lio bangų bei kitos hidraulin÷s charakteristi-kos. Nepaisant to, apskaičiuoti dugninių nešmenų lyginamuosius debitus sq pagal šiuos duomenis sunku: jie priklauso nuo vidutin÷s

perneštų dalelių koncentracijos priedugnio sluoksnyje sC , šio

84

sluoksnio storio sδ (kuris, savo ruožtu, priklauso nuo dalelių saltaci-

jos vidutinio aukščio) ir vidutinio dugnu velkamų nešmenų jud÷jimo greičio sv :

ssss vCq δ='' . (5.16)

Tiesiogiai išmatuoti šiuos dydžius sunku, tod÷l dažniausiai jiems nustatyti naudojamasi empirin÷mis formul÷mis (5.5 lentel÷).

5.4 lentel÷. Dugninių nešmenų būdingų formų dimensijos

Dugninių nešmenų formos, tyr÷jai

Skaičiuojamieji bangų parametrai

Pastabos

1 2 3

Bangos, Laursen (1958) 4=

th

l iki 7,1

Modelio duomenys:

.0018,0sin104

,47,0Fr28,0

,m 305,0076,0

mm, 1,0

4

50

≤θ≤×

≤≤≤≤

=

−

d

d

Bangos, Yalin (1964)

( )

ττ

−=0

016

1 cr

t

b

h

h

5≈th

l

Modelio ir lauko duomenys:

014,0sin101

m, 28,20,013

mm, 45,2137,0

5-

50

≤θ≤×

≤≤≤≤

th

d

Bangos, Engelung ir Hansen

(1967) λ

= 88,1

bh

l

Bangos, Van Rijn (1984 c)

3,0

5011,0

=

tt h

d

h

h

Modelio ir lauko duomenys:

m/s 1,550,34

m, 160,11

mm, 6,319,0 50

≤≤≤≤≤≤

v

h

d

t

85

5.4 lentel÷s pabaiga

1 2 3

( )

( )

−

ττ−

−

ττ−−

125

15,01

0

0

0

0

cr

cr

x

cxpx

Pastaba. 0τ ir ( )crτ –

tangentiniai įtempimai t÷km÷s dugne

Stovinčios bangos, Tison (1949)

14,0 iki 09,0

2,0

33,7

≈

=

=

lbh

hbh

h

l

t

t

Laboratoriniai duomenys:

0,68Fr0,42

m, 0,050,035

mm, 25,050

≤≤≤≤

=

th

d

Stovinčios bangos, Kennedy (1963)

<<π= 3,84,3 i.e.Fr2 2

tt h

l

h

l

Idealiam skysčiui, laboratoriniai duomenys

Atviros vagos matavimo duomenys (Chanson

1995 a): 9,0Fr7,0 <≤

Prieškop÷s Alexander ir Fielding

(1997) 0,13

m 1 iki 0,25

m 19 iki 8

≤

==

/lbhbh

l

Natūriniai matavimai: 7700=Q m3/s ir

3200 m3/s,

8,215,0 50 ≤≤ d mm,

42 ≤≤ th m

Pastaba. λ – hidraulin÷s trinties koeficientas; bh – dugninių nešmenų ban-

gos aukštis; l – ilgis Taigi, dugninių nešmenų lyginamajam debitui apskaičiuoti pagal

(5.16) formulę tenka nustatyti priedugnio sluoksnio charakteristikas pagal literatūroje rekomenduojamas priklausomybes bei t÷km÷s hid-raulines charakteristikas (žr. 5.5 lentelę).

86

5.5 lentel÷. Formul÷s ir charakteristikos dugninių nešmenų debitui skaičiuoti

Autorius Priedugnio sluoksnio charakteristikos Pastabos 1 2 3

Fernandez-Luque Beek

(1976)

( )

ττ

−=∗

∗

∗

crs

V

v7,012,9

Laboratoriniai duomenys: 3,39,0 ≤≤ sd mm;

12,008,0 ≤≤ d

Nielsen (1992)

( )( )

8,4

5,2

65,0

=

τ−τ=δ

=

∗

∗∗∗

V

v

d

C

s

s

s

s

Supaprastintas modelis:

sC – nešmenų koncentracija

priedugnio sluoksnyje;

sδ – priedugnio sluoksnio storis;

50dds = – vidutinis nešmenų dalelių

diametras

87

5.5 lentel÷s pabaiga

1 2 3

( ) ( )

−

ττ

−δ=

∗

∗ 11

117,03/12

crss g

v

dC

( )( ) 1

13,0

7,03/1

2−

ττ

−δ=δ

∗

∗

crs

s

s

v

gd

d

( )( ) 18

1log6,29

3/1

210 −ττ

−

−δ+=∗

∗

∗ crs

s

v

gd

V

v

D÷l ( ) 2<ττ

∗

∗

cr

ir laboratoriniai

duomenys 22,0 ≤≤ sd mm

1,0>th m; Fr < 0,9

( ) ( )

−

ττ

−δ=

∗

∗ 11

117,03/12

crss g

v

dC

( )( ) 1

13,0

7,03/1

2−

ττ

−δ=δ

∗

∗

crs

s

s

v

gd

d

Van Rijn (1984a, 1993)

7=∗V

vs

50dds −

Laboratoriniai duomenys: 22,0 ≤≤ sd mm;

1,0>th m; Fr<0,9;

( )cr∗τ – slenkstiniai tangentiniai

įtempimai, sukeliantys nešmenų jud÷jimą;

δ – lyginamasis tankis

88

Paprastai naudojama integralin÷ formul÷:

vdzCq s

h

st

s

∫δ

='' , (5.17)

čia sC nustatoma pagal (5.3) lygtį. Visas t÷km÷s pernešamas nešmenų

debitas susideda iš skendinčiojo 'sq ir dugninio ''

sq (žr. 5.9 pav.).

'''sss qqq += . (5.18)

5.9 pav. T÷km÷s greičių pasiskirstymas esant dugnin÷ms birių nešmenų

bangoms

Kaip matyti, nešmenų jud÷jimas upių vagomis yra gana sud÷tin-gas hidraulinis reiškinys, tod÷l nepaisant daugelio tyrin÷tojų pastan-gų, iki galo dar neištirtas. Šiuo metu skaičiuojant naudojami jau tu-rimi tyrimų duomenys. Skaičiavimui palengvinti Rijn (1993) sudar÷ nomogramą, siejančią t÷km÷s slenkstinius tangentinius įtempimus ir dugninių nešmenų formas (5.10 pav.). Jo ir kitų tyr÷jų sudarytos em-pirin÷s ir pusiau empirin÷s formul÷s, naudojamos suminiam lygina-majam nešamų nešmenų debitui sq nustatyti, pateiktos 5.6 lentel÷je.

89

5.6 lentel÷. Empirin÷s ir pusiau empirin÷s bendro nešmenų debito skaičiavimo priklausomyb÷s

Šaltinis Formul÷ Vartojimo ribos Pastabos 1 2 3 4

Einstein (1950) ( )

+

+= 21

301 I

d

dInIqq

sblss

1I ir 2I – integralai nustatomi iš nomogramų

Skendintieji mažos koncentracijos

nešmenys

Engelund ir Hansen

(1967) ( )gs

dfq s

s 14,0 0

−ρτ

= 93,019,0 ≤< sd mm

Pagal laboratorinius duomenis Guy et al. d50 > 0,15 mm ir

.6,1/ 1090 <dd

Graf (1971)

( )( ) 52,2

50

350

4/sin

1

1

4/39,10

−

θ−δ

×− H

Hs

D

d

gds

vD

q

q

( )15

4sin

11,0 50 <

θ

−δ<

HDd

Pagal matavimo eksperimentus atvirose vagose ir vamzdžiuose

90

5.6 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4

Van Rijn (1984 c) ( )

( )

( )( )

( )6,0

1

1012,0

1005,0

250

50

4.2

50

2.150

4,2

50

−

−δ

×

−δ−

+

−δ−

=

v

gd

d

d

gd

vv

d

d

gd

vv

q

q

c

cs

m/s

mm

5,25,0

201

4

21,0

m16

84

<<<<

=

<<

v

h

d

d

ds

čia θ –vagos dugno vidutinis nuolydžio

kampas

( )

=

5010

1,050 log19,0

d

Ddv H

c

25,0 50 << d mm

R

x

ADH 2

1

2== ,

ρρ

=δ s

Pastaba. B – kanalo plotis, HD – hidraulinis skersmuo, sq – bendras lyginamasis nešmenų debitas per m’, R – hid-

raulinis spindulys

91

5.10 pav. Vagos dugno formų klasifikacija ir matavimo eksperimentų taškai

(pagal Rijn, 1993)

92

5.4. T÷kmių ir nešmenų pusiausvyra

Kaip žinoma, judantys vagomis nešmenys formuoja ir keičia va-gas. Aukščiau pateiktos tik esmin÷s žinios, supažindinančios su neš-menų dinamikos upių vandens t÷km÷se d÷sningumais. Jos n÷ra išsa-mios, o norintiems detaliau susipažinti su šiuo sud÷tingu reiškiniu galima rekomenduoti specialią literatūrą (Rijn 1993; Chanson, 1999). Čia tik nor÷ta parodyti labai svarbus atvirų t÷kmių hidraulikoje bei ekohidraulikoje t÷kmių ir nešmenų sąveikos procesas. D÷l šios są-veikos visos gamtin÷s t÷km÷s „prisiderina“ prie reljefo ir grunto są-lygų, optimaliai paskirsto įgytą mechaninę energiją, o nusistov÷jusi dinamin÷ vaginių procesų pusiausvyra yra stabili ar l÷tai kintanti. Pavyzdžiui, lygumų up÷se t÷km÷s greičiai palyginti nedideli, inerci-nes j÷gas atspindintys Frudo skaičiai Fr = 0,01–0,10, tod÷l tiesiuose upių vagų baruose atsiranda stabilus tipiškas vaga tekančių debitų Q

ir vagos formą apibūdinančių pločio B bei gylio h ryšys:

const)(2/1

4/1== M

Q

gBh, (5.19)

čia 05,175,0 −=M – Grišanino kriterijus, nustatytas pagal eksperi-mentinius matavimus įvairiose lygumų up÷se (Grišanin, 1974; Rim-kus, 2004). Tyrimų duomenimis Grišanino upių vagų stabilumo kri-terijus priklauso ir nuo up÷s t÷km÷s kinetin÷s energijos, išreikštos per Fr skaičių (Vaikasas ir kt., 2005).

41

B

h

FrM = . (5.20)

Did÷jant t÷km÷s greičiams up÷s dugne esančių sm÷lio formų aukščiai ir hidraulinis pasipriešinimas iš pradžių did÷ja, o jiems dar padid÷jus – v÷l maž÷ja, tačiau tada dugne formuojasi jį nuo išplovimo deformacijų saugantis ir palyginti šiurkštus savigrindos sluoksnis iš stambių akmenų. Taip up÷s t÷km÷ tarsi pati save reguliuoja (saviregu-liacija). Tokioje t÷km÷je įsikūrusios ekosistemos pasižymi biologine

93

įvairove, stabilumu ir atsparumu (Zalewski, 2006), nes yra prisitaikiu-sios prie stabilių sąlygų ir būdingų hidraulinių ir hidrologinių periodiš-kų pokyčių (pavyzdžiui, potvynių). Deja, reguliuojant upes ir siekiant tik ūkinių ar ekonominių tikslų (pavyzdžiui, statant hidroelektrines, ge-rinant laivybos sąlygas ar intensyvinant žem÷s ūkio gamybą), ši t÷k-mių ir nešmenų pusiausvyra d÷l savo svarbos neįvertinimo dažnai pa-žeidžiama. Tuo pačiu pažeidžiamos ir stabilių ekosistemų egzistavimo sąlygos, kurias atkurti dažniausiai būna labai sunku ir brangu.

5.5. Upių vagų savigrindos susiformavimas

Pačios savaime up÷s vagos savigrinda įvyksta potvynių t÷kmei plaunant ir transportuojant smulkias dugninių nešmenų daleles, t. y. vykstant intensyviems eroziniams procesams up÷s vagos dugne. D÷l to stambesni akmenukai, žvyras ar skalda išplaunami į vagos dugno paviršių ir padengia jį tam tikro storio sluoksniu. Šis sluoksnis yra at-sparus plovimui ir tarsi „užgrindžia“ up÷s vagą, t. y. ją sustiprina. Savigrindą galima pamatyti tik po potvynio stipriai nusekus ar net vi-sai išdžiūvus vandeniui (žr. 5.11 pav.).

Natūraliai susiformavęs savigrindos sluoksnis ne tik stabdo t÷k-mę ir vagos dugno eroziją, tačiau yra svarbus sudarant palankią au-galų bei gyvūnų prisitvirtinimo terpę – substratą, jo mineralinę dalį (Tumas R., 2003). Nemažai bestuburių gyvių ir žuvų m÷gsta tik tam tikros rūšies substratą. Tačiau žuvys neršti renkasi tik tekančio tur-tingo deguonimi vandens vietas, t. y. ten, kur stipri srov÷ suformuoja jau min÷tą savigrindą. Daugiausia tai – akmenys ir mažesni akmenu-kai, žvyras. Nustatyta, jog vandeniui greitai tekant tarp akmenų į upę patenka daugiau oro ir deguonies, susidaro palankesn÷s ekohidrauli-n÷s sąlygos biofaunai. Beje, susiformavusi savigrinda toliau rutulio-jasi ir kinta pagal kiek kitokius d÷snius nei dugniniai nešmenys, nes ji up÷s dugne sudaro tik palyginti ploną apsauginį sluoksnį (10–25 cm), kuris didelių potvynių metu gali būti pralaužtas (Vaikasas, Okunevičius, 2001). Steb÷jimo ir šiuo metu skaičiuojant dažniausiai

94

a

b

5.11 pav. Vagos dugno savigrindos stambiais akmenimis pavyzdžiai (išdžiūvusios Creek up÷s Pietų Kolumbijoje dugnas, Australija, 1997 m.)

95

naudojamų formulių analiz÷ parod÷, kad iki šiol n÷ra bendros erozi-jos paveiktos vagos savigrindos proceso skaičiavimo metodikos ir šio reiškinio vertinimo būdų. Norint matematiškai modeliuoti tokios va-gos formavimąsi ir kartu nustatyti iš stambesnių žvyro dalelių ir ak-menukų t÷km÷s grindžiamą up÷s dugno savigrindos sluoksnį, reikia skaičiuoti ne tik t÷km÷s kitimą, bet ir atsižvelgti į vagos dugno me-džiagos frakcijų išplovimo dinamiką ir skendinčiųjų nešmenų povei-kį šiems procesams. Kadangi veikiant turbulentinei t÷kmei kiekvie-nas iš šių procesų yra sud÷tingas, tyrin÷tojams ir modeliuotojams iškyla sunkumų. Trumpai bus apžvelgta jau žinomos minimų procesų skaičiavimo formul÷s ir jų naudojimo sunkumai.

Vienas iš pirmųjų Lietuvos upių vagose savigrindos susidarymo procesą tyrin÷jo N. Ždankus (1965). Jo duomenimis kritiniai vagos dugno savigrindos susidarymo greičiai, apskaičiuojami pagal įvairių autorių siūlomas formules, labai skiriasi. N. Ždankus, remdamasis t÷km÷s dugninio sluoksnio momentinių greičių pasiskirstymo bei va-gos dugno sąveikos su t÷kme tyrimų duomenimis, siūlo papildomai vertinti ir vagos dugno būklę, apibūdindamas ją išplaunamos me-džiagos intensyvumu, o t÷km÷s plaunamąjį paj÷gumą – maksimalių momentinių dugninių greičių pasiskirstymu, amplitude bei dažniu (Ždankus, 1965).

Kadangi natūralioje vagoje visas šias ypatybes išmatuoti sunku, mokslininkas rekomenduoja nustatyti jas modeliavimo būdu. Pavyz-džiui, kritiniam plovimo greičiui nustatyti siūloma formul÷

( )

−++

+

++=

d

hg

dd

ddvn

2721,033,255,150

132,1

9,361,210,42, (5.21)

čia d – vienarūšio grunto dalelių skersmuo; h – t÷km÷s gylis; nv –

vidutinis vandens t÷km÷s kritinis greitis vertikal÷je (slenkstinis, dar neplaunantis dugno).

Ši formul÷, kaip ir kitos panašios empiriniu būdu nustatytos formul÷s, galioja tik esant panašiomis, kokiomis ir buvo ji išvesta ri-

96

bin÷mis sąlygomis, tod÷l n÷ra universali. Panašias formules kriti-niams dugno plovimo greičiams nustatyti siūl÷ ir kiti autoriai, pavyz-džiui, Velikanovas (1954).

006,01514,3 += dvn , (5.22)

čia nv kritinis (slenkstinis, neplaunantis dugno) greitis; d – viduti-

nis vagos gruntą sudarančių dalelių skersmuo. V. N. Gončiarovas, I. I. Levi, G. M. Šamotas, E.A. Zamarinas,

L. T. Gvelesianis, N. B. Egiazarovas, A. M. Latišenka, V. S. Kno-rozas, B. I. Studeničnikovas, A. Sundborgas bei Dou-go-ženis, nusta-tydami kritinius t÷km÷s greičius, siūlo įvertinti ir t÷km÷s gylį h arba hidraulinį spindulį R:

Rn Rv += 2 95,0 ; kai , 0,5 , 25,0 cmm ≤≤≤ dR (5.23)

čia R – hidraulinis spindulys. Nors ši formul÷ paprasta, tačiau nelabai tiksli, nes ją sudarant

neatsižvelgta nei į dugno grunto dalelių sankaupos sąveikos ypaty-bes, nei į t÷km÷s kinematinę struktūrą. Tod÷l Sundborgas band÷ iš-taisyti šį trūkumą, įrašydamas į savo formulę grunto vidin÷s trinties kampą ϕ bei pataisos koeficientus (Sundborg, 1956):

( )

0

0121

3

22,30lg 75,5

γϕ⋅γ−γδδ

= tgdg

d

hvn , (5.24)

čia h – t÷km÷s gylis; 1δ ir 2δ – pataisos koeficientai. Autoriaus

teigimu, ,35,01 ≅δ 30,02 ≅δ ; gs ⋅ρ=γ1 – nešmenų lyginamasis

svoris; g⋅ρ=λ0 – vandens lyginamasis svoris; ϕ – grunto dalelių

vidin÷s trinties byr÷jimo kampas. Nepaisant daugelio autorių pastangų, jų formul÷mis gauti rezul-

tatai, nors t÷km÷s ir plaunamo dugno parametrai buvo tokie patys, labai skyr÷si d÷l to, kad min÷tomis formul÷mis neįvertintas sud÷tin-gos turbulentinio srauto kinematin÷s struktūros poveikis savigrindos sluoksniui susidaryti ir jam pralaužti, taip pat priedugnio sluoksnio

97

storis ir pasipriešinimas t÷kmei, turbulentin÷s pulsacijos, nešmenų nevienarūšiškumas, dalelių sankibos j÷gos ir pan. Pastarųjų j÷gų reikšmę savigrindos bei nešmenų jud÷jimo procesams ištyr÷ Kinijos mokslininkas Dou-go-ženis. Jo pateiktame ant dugno gulinčios dale-l÷s pakilimą ribojančių veiksnių sąraše atsiranda dalelių sankibos j÷-gos, dugno šiurkštumą bei turbulentin÷s t÷km÷s pasipriešinimą verti-nantys veiksniai [Dou-go-žen, 1986]:

∆++

∆=

d

ghkgd

γ

γγ

nv

h

ε19,0

0

0 –

1

11ln265,0 , (5.25)

čia g – žem÷s gravitacin÷s traukos pagreitis; kε – nešmenų prili-

pimo j÷gos vertinamasis parametras, lygus 2,56 m3/s2 ant dugno nu-s÷dusiems nešmenims ir 0 m3/s2 – nerišlaus sm÷lio bei žvyro dale-l÷ms; ∆ – dugninio sluoksnio ekvivalentinis storis [m].

Panašiu keliu band÷ eiti ir prof. Mircchulava (Mircchulava, 1967), kurio pateikiamoje nerišlaus grunto kritinio plovimo formul÷-je bandomos įvertinti ne tik savigrindos dalelių sankibos j÷gos, bet ir skendinčiųjų nešmenų demferuojantis (gesinamasis) poveikis t÷km÷s pulsacijoms ir dugno plovimo greičiams. Taip pat Mircchulava ne-tiesiogiai patvirtino N. Ždankaus bei kitų tyrin÷tojų mintis apie būti-numą tiriant savigrindos procesą kartu matuoti ir vertinti t÷km÷s greičių pulsacijas:

×

=d

hvn

8,8lg

( ) ( )[ ],23

2241201

23110

khCgdkn

gm

yx

δ⋅+δγ−γλαδ+λαδγ

(5.26)

čia 1k ir 2k – grunto vienarūšiškumo ir dalelių sankibos (molekuli-

n÷s traukos) j÷gų vertinamieji koeficientai; xλ ir yλ – pasipriešinimo

t÷kmei ir dalel÷s pak÷limo koeficientai, priklausantys nuo t÷km÷s te-k÷jimo pobūdžio ir kliūčių aptek÷jimo sąlygų

98

)250,0 ;45,040,0(x

y =λλ

−≅λ x ; C – skendinčiųjų nešmenų priedug-

nio sluoksnyje koncentracija; 1α ir 2α – dalel÷s skersmens ploto nu-

krypimų nuo taisyklingos sferos formos veikiant t÷km÷s pak÷limo j÷goms vertinamieji koeficientai; 1δ , 2δ , 3δ , 4δ – dalelių sankaupos

(agregato) formos pak÷limo, sankibos bei svorio j÷gų momento po-veikio vertinamieji koeficientai; n – greičių pulsacijos poveikio dug-niniams nešmenims pakelti perkrovimo vertinamasis koeficientas; m – darbo sąlygų koeficientas. Šiuo atveju šis koeficientas vertina skendinčiųjų nešmenų poveikį dugninių greičių pulsacijoms gesinti. Švaraus vandens t÷km÷s 1=m ; kai drumstumas apie 100 mg/l,

4,1≅m . Koeficientui n nustatyti siūloma formul÷:

2

max

=

∆

∆

v

vn , (5.27)

čia max∆v – maksimalus t÷km÷s greitis priedugnio sluoksnio lygme-

nyje (∆ ≅ 0,7d); ∆v – vidutinis dugninis greitis.

Taip Mirchulava savo formul÷je koeficientais bando įvertinti ne tik t÷km÷s gylio bei dugno grunto dalelių dydžio, bet ir dugninių greičių pulsacijų, skendinčiųjų nešmenų bei dugno būkl÷s poveikį dugnui plauti ir savigrindai susidaryti. Nepaisant to, pusiau empiriniu būdu gauti koeficientai taip pat gali būti pritaikomi tik gana ribotai. Jie nepaaiškina savigrindos susidarymo bei suardymo reiškinio es-m÷s. Prof. Dou-go-ženis, taikydamas savo sukurtą stochastinę turbu-lentin÷s t÷km÷s sūkurių pasiskirstymo teoriją, surado momentinių t÷km÷s greičių pasiskirstymo ryšio formulę, kuri gal÷tų būti panau-dota šiems savigrindos procesams, darantiems lemiamą poveikį grei-čiams, nustatyti (Dou-go-žen, 1986):

( )i

mm

m

immiii x

v

x

vluu

∂∂

Γ−∂∂

Γ+−= ''''''

2

1

2

1, (5.28)

99

čia 'iu – pulsacinio t÷km÷s greičio taške pulsacija; ''

iu – sūkurio ju-

d÷jimo t÷km÷je santykinis greitis; ( )'mil – atstumo nuo koordinačių

pradžios horizontalin÷ projekcija. Šiuo atstumu pulsacinis greitis 'iu

išlieka nepakitęs; 'mΓ – atstumo tarp sūkurio centro ir matuojamo

taško horizontalin÷ projekcija. Tačiau nors ši formul÷ parodo pulsacinių greičių ir t÷km÷s tur-

bulentin÷s struktūros ryšį, praktiškai ją pritaikyti savigrindos susida-rymo procesui skaičiuoti bei prognozei taip pat sunku. Tod÷l šiam procesui aprašyti matematiškai geriausiai tinka Jovos universiteto prof. Holly siūlomos plaunamo up÷s dugno modeliavimo lygtys (Holly, 1990).

Vandens t÷km÷s mas÷s tvarumo (vientisumo) lygtis:

qx

Q

t

A =∂∂+

∂∂

; (5.29)

vandens t÷km÷s judesio kiekio tvarumo lygtis:

( ) ( ) 0

22

2

2=ρ+ρ

∂∂+

ρ

∂∂+

∂ρ∂

A

QQgDz

xgA

A

Q

xt

Q; (5.30)

skendinčiųjų nešmenų koncentracijų kaitos ir jų transportavimo lygtis:

( ) ( ) jj

jj Sx

CAK

xQC

xAC

t+

∂

∂

∂∂=

∂∂+

∂∂

; (5.31)

dugninių nešmenų prisotinimo smulkiais nešmenimis lygtis:

( )x

G

G

GGGP

x

G j

j

jjjj

j

∂

∂+−=

∂

∂ ∗

∗∗ ; (5.32)

dugno grunto medžiagos tvarumo (atsparumo išplovimui) lygtis:

100

( ) 0

111

=+∂

∂+

∂Γ∂ρ− ∑∑

==

j

jj

jj

jS

x

G

t; (5.33)

dugno paviršiaus grunto rūšiavimo (savigrindos formavimosi) lygtis:

( ) ( ) ( ) 011 =

−∂Γ∂β+++

∂

∂+β

∂∂− ∂

∂∗t

Ajj

jmj

m

tpS

x

GA

tp . (5.34)

Šiose lygtyse: x – srauto t÷km÷s krypties koordinat÷; t – laikas;

( )tx ,ρ – vandens ir skendinčiųjų nešmenų mišinio tankis;

∑= js CC – vidutin÷ visų skendinčiųjų nešmenų koncentracija

skerspjūvyje; ( )txC j , – skendinčiųjų nešmenų j frakcijos koncentracija;

( )txq , – intako vandens debitas; ( )txQ , – pagrindin÷s t÷km÷s vandens debitas;

p – nešmenų poringumas ( )txA , – t÷km÷s skerspjūvio plotas;

( )( )txAD , – vagos t÷km÷s transportinis paj÷gumas, lemiantis

skendinčiųjų nešmenų jud÷jimą; ( )txK , – skendinčiųjų nešmenų išilgin÷s dispersijos koeficien-

tas; ( )txG j , – dugninių nešmenų (j frakcijos ) transportinis paj÷gu-

mas; ∗jG – dinaminę pusiausvyrą atitinkantis dugninių nešmenų

transportinis paj÷gumas; ( )txPj , – j frakcijos nešmenų s÷dimo koeficientas;

ρ – nešmenų tankis;

( )tx ,Γ – virš dugno esančio priedugnio sluoksnio plotas;

( )tx ,β – j frakcijos dalelių virš aktyviai judančio dugninių

nešmenų sluoksnio kiekis;

101

j0β – j frakcijos dalelių žemiau aktyviai susidarančio savigrin-

dos sluoksnio kiekis; ∗β j – dinaminę pusiausvyrą atitinkantis j frakcijos dalelių apsi-

keitimo tarp skendinčiųjų ir dugninių nešmenų koeficientas;

( jj β=β∗ – jei dugninių nešmenų kiekis did÷ja);

( jj 0β=β∗ – jei dugninių nešmenų kiekis maž÷ja);

( )( )txQAm , – dugninio susidarančios savigrindos skerspjūvio

plotas; j – nevienarūšių nešmenų frakcijų kiekis;

jS – nešmenų išplovimo ar nus÷dimo vertinamasis narys.

(5.29) ir (5.30) įprastinių Sen-Venano lygčių sistemą prof. Holly rekomenduoja spręsti nenusistov÷jusiam vienmačiui srautui įprastu baigtinių skirtumų metodu. Vienintelis reikšmingas pokytis nuo įprastų sprendimo schemų yra tai, kad šiose lygtyse skerspjūvio plo-tas A bei t÷km÷s transportinis paj÷gumas D priklauso nuo up÷s va-gos dugno kitimo, t. y. n÷ra pastovus laikui b÷gant.

Skendinčiųjų nešmenų koncentracijų kaitos ir jų transportavimo advekcijos-difuzijos lygtis (5.31) yra taikoma kiekvienai nešmenų frakcijai j . Šioje lygtyje kintamasis jS įvertina skendinčiųjų ir dug-

ninių nešmenų apsikeitimą. Tai būtina tuo atveju, kai dugninių ir skendinčiųjų nešmenų jud÷jimas vertinamas atskirai: jS priklauso

nuo dviejų tarpusavyje susijusių procesų: s÷dimo ir nešmenų vilki-mo. (Šie procesai kai kuriuo atveju gali pasiekti ir dinaminę pusiaus-vyrą.) Šis dydis apskaičiuojamas pagal formulę:

jdj SSSj

+= ; (5.35)

sjd CBwSj

= ; (5.36)

( ) , jdejje jjCBwS λβ= (5.37)

102

čia jS – nešmenų apsikeitimo (tarp dugno ir t÷km÷s) vertinamasis

narys, kai pasiekta dinamin÷ pusiausvyra; B – vidutinis vagos dugno plotis; jw – j frakcijos dalelių s÷dimo greitis; dC – arti dugno

(priedugnio sluoksnyje) esančių nešmenų koncentracija; ( )jdeC –

priedugnio sluoksnio jd dydžio judančių dalelių (dinamin÷s pu-

siausvyros) koncentracija; jβ – koeficientas, ribojantis j dydžio da-

lelių įtraukimą į aktyvų susidarančios savigrindos sluoksnį; ( )10 j ≤λ≤λ j – išsid÷stymo koeficientas, priklausantis nuo t÷km÷s

velkamų dugnu nešmenų transportinio paj÷gumo ir dinamin÷s pu-siausvyros.

10 ,1 kai ≥=λ ∗

jj w

V,

4,0 , 0 kai ≤=λ ∗

jj w

V.

(5.32) lygtis įvertina asimptotišką dugnu velkamų smulkių neš-menų art÷jimą prie dinamin÷s pusiausvyros, kuri pažym÷ta dydžiu

∗jG . Ji apskaičiuojama pagal priklausomybę:

( ) ( )jjjjj dGyG ∗∗ ξβ−= 1 , (5.38)

čia ( )jdG* – dugninių j

d frakcijos nešmenų transportinis paj÷gu-

mas, kai pasiekta visų nešmenų apsikeitimo pusiausvyra; jξ – dale-

lių pasisl÷pimo koeficientas, įvertinantis mažesnių dalelių pasisl÷pi-mą už didesnių susidarant savigrindos susidarymo procesui.

(5.33) lygtimi aprašomas tradicinis dugno medžiagos atsparumo išplovimui d÷snis, o (5.34) – savigrindos formavimosi iš įvairaus dy-džio nešmenų d÷snis (atsižvelgiant ir į aktyvaus dugninių nešmenų sluoksnio storį mA ). Šios lygties antrasis ir trečiasis nariai įvertina

nešmenų patekimą į t÷kmę per vagos dugno paviršių ir aktyvaus

103

sluoksnio ribas. (Skaičiuojant imama, kad šiame sluoksnyje nešme-nys visiškai ir tolygiai susimaišo su vandens t÷kme.)

Čia pateikta lygčių sistema (5.29–5.34) parodo medžiagos ir ju-desio kiekio tvarumą natūraliose įvairaus dydžio vagose. Šiuolaikin÷ skaičiavimo technika jau suteikia galimybę atlikti savigrindos proce-sų diskretizaciją ir skaičiavimus. Tačiau iš pateiktų lygčių koeficien-tų taip pat matyti, kad daugelis jų yra įvertinami tik eksperimenti-niais tyrimais, taigi yra empiriniai. Tod÷l praktiniai savigrindos proceso skaičiavimai taikant amerikiečių mokslininko siūlomą meto-diką dar per ankstyvi. Tai pripažįsta ir kiti tyrin÷tojai. Pavyzdžiui, olandų mokslininkai, atlikę šiuo metu jiems žinomų nešmenų jud÷-jimo ir s÷dimo skaičiavimo metodų analizę, teigia, kad daugelis šiuo metu taikomų metodų yra neaiškūs ir diskutuotini (Boogerd et al., 2001). Kaip didžiausius trūkumus autoriai pažymi tai, kad neverti-nami arba neapibr÷žiami dalel÷ms s÷sti trukdantys veiksniai, įvairių frakcijų dydžio dalelių bei pasiskirstymo poveikis kitų frakcijų s÷di-mo greičiams, ir pan. Tod÷l reikia toliau tirti šiuos sud÷tingus proce-sus eksperimentiškai ir modeliuojant (fiziniu modeliavimu). Ypač tai aktualu d÷l savigrindos pralaužimo didelių retos tikimyb÷s potvynių metu, nes natūriniai įvairių sąlygų poveikio matavimai šiais atvejais praktiškai negalimi, nors pati savigrinda pralaužiama ir toliau susida-ro priklausomai nuo daugelio tarpusavyje susijusių veiksnių ir po-tvynio fazių eigos bei pobūdžio.

5.6. Vagos savigrindos formavimosi proceso fizikinio modeliavimo pavyzdys

Kaip min÷ta, įvairaus dydžio nešmenų daleles up÷ neša atsižvel-giant į jų dydį ir vandens t÷km÷s greičius. Kai šie greičiai maži, dug-nu velkamų nešmenų transportavimas visai nutrūksta, o skendinčiųjų nešmenų smulkiosios dalel÷s plaunamos toliau arba s÷da ir užpildo tarpus tarp stambesnių nešmenų. Kai į up÷s vagą patenka pakanka-mai sm÷lio, o t÷km÷s greičiai atitinka jo transportinius greičius, iš sm÷lio dalelių susidaro pamin÷tos dugnu slenkančios sm÷lio bangos,

104

kurios ne tik keičia t÷km÷s hidraulinį pasipriešinimą, bet gali už-slinkti ant susidariusios savigrindos ir taip pridengti ją ir apsaugoti nuo išardymo. Tod÷l savigrindos sud÷tis net ir toje pačioje up÷je įvairiu metų laiku būna skirtinga (Hsieh ir kt., 1993) (5.12 pav.).

5.12 pav. Savigrindos susidariusių sluoksnių tipai:

a – įvairaus dydžio žvyro ir sm÷lio mišinys; b – išplautos iš paviršinio sluoksnio sm÷lio dalel÷s; c – pradedančios s÷sti ant paviršiaus sumeštos

smulkios sm÷lio dalel÷s; d – susiformavusi stambaus žvyro dalelių sluoksnio savigrinda, apsaugojanti po šiuo sluoksniu esančias daleles nuo

tolesnio išplovimo

Kaip žinoma, fiziškai modeliuojant savigrindos susidarymo ir jos pralaužimo procesus, reikia suderinti keletą modeliuojamas t÷k-mes apibūdinančių panašumo kriterijų (Michalev, 1999; Šarp, 1984). Kadangi dalelių jud÷jimo Reinoldso skaičiai savigrindai susidarant yra gana dideli, pagal šį parametrą modeliuojamas reiškinys yra au-tomodeliškas.

Modelio masteliai parinkti pagal Šildso kriterijų, kompleksiškai įvertinantį svorio bei trinties j÷gų poveikį modeliuojamų nešmenų dalelių bei vandens jud÷jimui (žr. 5.6 formulę):

( ) ( ) idem// '

2

'

2

=

γγ=

γγ∗∗

mngd

V

gd

V, (5.39)

čia ghIV =∗ – dinaminis t÷km÷s greitis, atitinkantis išplovimo są-

lygas; γ−γ=γ s' – nešmenų dalelių lyginamasis svoris vandenyje;

105

sγ – nešmenų dalelių lyginamasis svoris; γ – vandens lyginamasis

svoris; d – būdingas nešmenų dalelių skersmuo; g – žem÷s traukos pagreitis; h – t÷km÷s gylis; n ir m – prototipą ir modelį žymintys in-deksai.

Kadangi modeliuojant savigrindos reiškinius taip pat buvo būti-na garantuoti turbulentin÷s t÷km÷s sukeliamus tangentinius įtempi-mus ties dugnu, trinties ir nešamų dalelių inercijos j÷gas, atsižvelgta

ir į t÷km÷s turbulentiškumą apibūdinantį parametrą d

h ir modeliuo-

jamų dalelių santykinį svorį γ

γ s :

idem=

=

mn d

h

d

h, (5.40)

idem=

γγ

=

γγ

m

s

n

s . (5.41)

Laboratorijos latako parametrai ir Nemuno up÷s vagos dydžiai

nul÷m÷ gylių mastelį 10==αm

nh h

h. Savigrindai modeliuoti buvo pa-

sirinktos tokio pačio lyginamojo svorio dalel÷s, kaip ir Nemune, t. y.

1=

γγ

γγ

=γ

m

s

n

s

a .

Šiuo atveju iš kritinių (5.39 –5.41) lygčių lygybių nustatyti kiti greičių masteliai:

dm

n

m

nv V

V

v

vα===α

*

* ; (5.42)

savigrindos dalelių dydžio:

106

hd α=α ; (5.43)

deformacijos laiko:

v

ht α

α=α , (5.44)

čia nv – up÷s prototipo t÷km÷s greitis; mv – up÷s modelio t÷km÷s

greitis. Apskaičiuotus savigrindos elementų parametrus modelyje buvo

galima sumažinti 10 kartų, nes Nemuno savigrindos dalelių mediani-nis skersmuo buvo 1,7 cm, o savigrindos pasluoksnio – 3 mm. Pa-rinkus atitinkamus modelio savigrindos ir pasluoksnio dalelių para-metrus, hidraulinio latako dugne buvo suformuotas modeliuojamos up÷s vagos dugno ruožas, kuriame savigrinda buvo sudaryta pagal susiformavusio sluoksnio pavyzdį (5.12 d pav.).

Kaip min÷ta, iki šiol daugiausia buvo modeliuojamos savigrin-dos susidarymo, o ne jos pralaužimo ir naujos savigrindos susidary-mo faz÷s. Šių fazių savigrindos stiprumas ir pasipriešinimas išplovi-mui, kai vandens t÷km÷s greičiai tokie patys, skiriasi tuo, kad susidarymo dugno išplovimo faz÷je priešinasi tik didesnių pavienių dalelių sankaupos, kurios t÷kmei plaunant pamažu kaupiamos ir per-klostomos, kol pasiekia pakankamą atsparumą atlaikyti vagą formuo-jančio potvynio greičius. Potvynio slūgimo faz÷s bei mažų debitų laikotarpiu smulkios skendinčiųjų nešmenų dalel÷s užpildo tarpus tarp stambesniųjų savigrindos darinių, suriša juos ir padaro atspares-nius išplovimui. Šį reiškinį pasteb÷jo ir kiti tyrin÷tojai. Pavyzdžiui, Parkeris, aprašydamas savigrindos sluoksnio susidarymo proceso ty-rimus Oak Creek up÷je JAV, steb÷jo savigrindos sluoksnio vidutinio dalelių dydžio skersmens maž÷jimą susidarant rišliam savigrindos pasluoksniui (Parker, 1990) (5.13 pav.).

Matyti, kad užsipildant tarpams tarp 4–4,5 cm žvyro dalelių smulkesniais 0,1–1 cm dariniais, dinamin÷ savigrindos formavimosi pusiausvyra pasiekiama ir tada, kai žvyro dalel÷s dvigubai mažesn÷s.

107

5.13 pav. Savigrindos sluoksnio vidutinio dalelių dydžio sgd

priklausomyb÷ nuo pasluoksnio dalelių vidutinio skersmens d50 bei savigrindos susidarymo būkl÷s faz÷s Oak Creek up÷je

(Parkerio duomenys, 1990)

Modeliuojant jau susidariusios ir nugludintos savigrindos pra-laužimo procesą, nustatyta, kad gana dideli t÷km÷s greičiai potvynių metu savigrindą pralaužia iškart keliose, ne tokiose atspariose plovi-mui vietose (5.14 pav.). Pakeltos smulkesn÷s pasluoksnio dalel÷s iš-nešamos skendinčios, o stambios – ridenamos dugnu kaip dugniniai velkamieji nešmenys. Did÷jant greičiams toliau plaunamos tik aukš-tutin÷s pralaužos, o žemutin÷s užnešamos iš aukščiau velkamų neš-menų ir beveik nedid÷ja. Tą veik÷ tiek t÷km÷s prisotinimas skendin-čiaisiais nešmenimis, tiek dugnu velkamų nešmenų sankaupos. Skaičiuojant matematiškai, šis procesas išreiškiamas min÷ta (5.38) lygtimi ir nešmenų išsid÷stymo koeficientu λ j (pamin÷ti Holly siū-

lomoje metodikoje), tačiau jam nustatyti reikia daug eksperimentų duomenų.

Modeliuojant pasteb÷ta ir tai, kad did÷jant t÷km÷s greičiams dugnu velkamų stambesniųjų dalelių sankaupos iš pradžių juda kaip slenkanti banga ar volas, o t÷kmei dar sustipr÷jus, nešmenys imami nešti nuolatos ir dugnas išlyginamas. Tai rodo, kad ir hidraulinio pa-sipriešinimo koeficientai skaičiuojant įvairias potvynio faze turi būti parenkami skirtingi. Pasiekus nuolatinio nešmenų nešimo fazę, sa-

108

vigrindos susidarymo procesas prasideda nuo pradžios, o plaunamas up÷s dugnas labai pagil÷ja. (Tai įmanoma nustatyti pagal 5.35 lygtį.) Beje, ištisinio nešmenų nešimo metu išplaunamo grunto kiekis TG

didinant dugno plovimo greičius dv did÷jo pagal eksponentinį d÷s-

ningumą:

dvT eG 909,30044,0= . (5.45)

Modelyje išmatuotas išplaunamo grunto intensyvumo did÷jimas po truputį didinant dugninį t÷km÷s greitį latake parodytas 5.14 pa-veiksle, o plaunamos savigrindos ardymo procesas – nuotraukose (5.15–5.16 pav.). Bandymais gauta, kad tada, kai dugninių t÷kmių greitis didesnis kaip 2,0 m/s, pradedama ištisai nešti plaunamą savig-rindos sluoksnį ir grunto išplovimo intensyvumas staiga padid÷ja. Kartu šis greitis yra kritinis jau nagrin÷tos Nemuno vagos savigrindai

kv . Palyginus šią reikšmę su apskaičiuotąja pagal N. Ždankaus, Ve-

likanovo ir Dou-go-ženio siūlomas formules, nustatyta, kad ji 20–40 % didesn÷. Tačiau padidinus vidutinį savigrindos sluoksnio dale-lių skersmenį %50d nuo 1,7 iki 3–4 cm, apskaičiuojami greičiai

gaunami artimi išmatuotiems. Tai dar kartą patvirtina, koks sud÷tin-gas savigrindos išplovimo procesas, ir priklausomybę nuo besikei-čiančios susidarant savigrindai vagos dugno paviršiaus būkl÷s. Kuo daugiau nuplaunama grunto, tuo daugiau lieka didesnių akmenukų, ir skaičiuojamasis skersmuo 50d tolydžio did÷ja.

Pavyzdžiui, skaičiuojant Nemuno vagos savigrindą, nustatyta tokia išplaunamų savigrindos sluoksnio vidutinio skersmens akme-nukų kitimo nuo išplovimo gylio priklausomyb÷ (Okunevičius ir kt., 1993):

( )dzzd −+= 0%50 007,0003,0 , (5.46)

čia %50d – medianinis savigrindos sluoksnio dalelių skersmuo; 0z –

pradin÷ vagos dugno altitud÷; dz – nuplauto vagos dugno altitud÷.

109

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1

Greitis t÷km÷s dugne v d m/s

Išp

lau

nam

o g

run

to k

ieki

s Gt g

/m2 m

in

7697,0

0044,02

909,3

=

=

R

eG dvT

5.14 pav. Nemuno vagos žemiau Kauno HE savigrindos grunto plovimo

intensyvumas priklauso nuo dugninio t÷km÷s greičio

5.15 pav. Bendras susiformavusios savigrindos latake bandymo metu

vaizdas prieš jos pralaužimą

110

5.16 pav. Ardoma savigrinda

D÷l šio did÷jimo reikia kartu skaičiuoti ir vagos dugno altitudžių kitimą. Natūrinių Nemuno vagos savigrindos tyrin÷jimų metu taip pat rasta pralaužtų vietų ir savigrindos stambiųjų dalelių sankaupų bei už-slinkusių sm÷lio bangų (5.16 pav.). Ši susidariusių hidraulinių savig-rindos patvirtina, kad numatant savigrindos pralaužimo per potvynį są-lygas, būtina tai vertinti kompleksiškai ir spręsti daugelį lygčių.

Laboratorijose modeliuojant savigrindos pralaužimo procesą nu-statyta:

1. Fiziškai modeliuojant savigrindos reiškinius, užtenka vertinti svorio ir trinties j÷gų poveikį modeliuojamų nešmenų dalelių ir t÷k-mių jud÷jimui ir atsižvelgti į formuojamo sluoksnio frakcinę sud÷tį, t. y. garantuoti Šildso kriterijų prototipo ir modelio identiškumą.

2. Modeliuojant Nemuno up÷s savigrindą paaišk÷jo, kad savig-rindos stiprumas ir atsparumas priklauso ir nuo potvynio eigos bei fazių. Stipriausia savigrinda susidaro nuslūgus potvynio bangai ir smulkiosioms skendinčiųjų nešmenų dalel÷ms užpildžius tarpus bei surišus ir nugludinus stambesniąsias. Modeliuojant nustatyta ir savig-rindos grunto plovimo intensyvumo priklausomyb÷ nuo t÷km÷s dug-ninio greičio, kol ji bus pralaužta (5.46 formul÷).

111

3. Kai nugludinta savigrinda per retai pasitaikantį didelį potvynį pralaužiama, nauja savigrinda susidaro kitaip, pamažu kaupiantis stambesniems pasluoksnio akmenukams. Šiam procesui reikia toles-nių tyrimų ir fizikinio modeliavimo.

4. Remiantis fizikinio modeliavimo rezultatais bei literatūroje skelbta medžiaga galima teigti, kad matematinis upių vagų savigrindos proceso modeliavimas gali būti atliekamas tik vienu metu sprendžiant vandens mas÷s, judesio kiekio ir dugno grunto tvarumo bei skendin-čiųjų ir dugninių nešmenų jud÷jimo ir sąveikos dinamines lygtis. Ka-dangi šių lygčių kintamieji priklauso vienas nuo kito, fizikinis mode-liavimas labai pravartus nustatant sud÷tingas ir nuolat kintančias ribines up÷s dugno formavimo sąlygas. Tai aktualu vertinant upių eko-sistemų prisitaikymą ir išlikimo galimybes katastrofinių potvynių bei dirbtinių poplūdžių metu (pavyzdžiui, norint prognozuoti savigrindos ir substrato būkl÷s kitimą užtvankų žemutiniuose bjefuose).

5.7. Potvynio nešmenų dinamika

5.7.1. Užliejamo sl÷nio vaginių procesų ir ekosistemų tvarumo ypatumai

Teigiama, jog visame pasaulyje up÷mis nuteka 32 000–37 000 km3 vandens (R.Tumas, 2003). Paprastai jomis nuteka neišga-ravęs paviršinių ir požeminių vandenų perteklius (Lietuvos up÷mis – apie 8–16 km3/metus). Šio vandens debitai metų laikotarpiu pasi-skirsto priklausomai nuo kritulių pertekliaus ir reljefo, tačiau apie 50 % metinio nuot÷kio tenka potvyniams. (Pavyzdžiui, didžiausios Lietuvos up÷s – Nemuno potvynio nuot÷kis.) Potvynių metu upių vandenys nebetelpa upių vagose ir išsilieja į sl÷nius bei salpas. Taigi, beveik kiekvienos up÷s metų nuot÷kio kaita pasireiškia pavasario po-tvyniais, vasaros ir rudens poplūdžiais, vasaros ir žiemos nuot÷kiu. Ši kaita turi įtakos ir upių vaginiams procesams bei jose įsikūrusių van-dens ekosistemų biologinei įvairovei, tvarumui ir dinamiškumui. Teigiama, kad upių vaginių procesų įvairov÷ ir dinamiškumas yra svarbiausi (kritiniai) upių egzistuojančių ekosistemų tvarumo rodik-

112

liai (Wasklewicz ir kt., 2005). Periodin÷ nuot÷kio kaita ypač pasireiš-kia upių žemupiuose, kur d÷l sumaž÷jusio nuolydžio bei tek÷jimo greičių vanduo dažniau užlieja pakrant÷s pievas ir ilgiau jomis teka. (Pavyzdžiui, Nemuno žemupyje vidutiniška sl÷nio užliejimo truk-m÷ – 35–40 parų per metus (Rainys, 1974).)

Periodiškai užliejamus upių sl÷nius (angl. floodplains) suforma-vo vandens erozijos procesai katastrofinių potvynių metu. Lietuvoje tokių potvynių būta v÷lyvajame ledynmetyje ir poledynmetyje [R. Tumas, 2003]. Šiuo metu natūralūs periodiški jau suformuotų salpų užliejimai pasitarnauja tiek up÷s vagai tolesniam morfologiniam vys-tymuisi ir atsinaujinimui (vaginiam procesui), tiek didesnei ekosis-temos įvairovei, dinamiškumui ir atsparumui išugdyti. D÷l dažnai už-liejamų upių deltų susidaro palankios sąlygos vandeniui apsivalyti ir augalams bei gyvūnams prisitaikyti: įvairus (mozaikinis) reljefinis kraštovaizdis, aktyvi biogenines medžiagas sulaikančių ir naudojan-čių makrofitų bei bakterijų veikla. To padarinys – ištverminga, gausi ir prisitaikiusi prie dažnų potvynių ekosistema (Schiemer, 1999).

Kita vertus, d÷l šių savybių užliejamų upių deltose egzistuoja sud÷tingi ir įvairūs tarpsisteminiai ryšiai (tarp hidrologijos, ekologi-jos, geomorfologijos, klimato, hidraulikos, biochemijos, žmonių ūki-n÷s veiklos). Salpos užliejimo metu išnešami į sl÷nį ir perskirstomi nešmenys, biogenin÷s medžiagos ir mikroorganizmai. Tai turi įtakos up÷s vagos ir sl÷nio ežerų vandens kokybei, svarbu d÷l apsivalymo ir tolesnio ekosistemos funkcionalumo. Savo ruožtu, d÷l išsiliejimo keičiasi t÷kmių veikiamos vagos ir sl÷nio erozija, nešmenų transpor-tavimas bei sedimentacija (transportinis paj÷gumas), vagoje ir sl÷ny-je formuojasi įvairios liekamosios dugninių nešmenų formos. Ūkin÷ žmonių veikla iki šiol taip pat buvo labai aktyvi būtent upių sl÷niuo-se: kūr÷si gyvenviet÷s ir miestai, buvo ariami aliuviniai dirvožemiai, statomi apsauginiai pylimai bei kiti hidrotechniniai ir komunaliniai įrenginiai. Pavyzdžiui, Vakarų Europoje tekanti Reino up÷ per tris paskutiniuosius šimtmečius buvo beveik visa apjuosta neperliejamais pylimais, sureguliuota ir pritaikyta intensyviai laivybai (Twice, 1999). Visa tai suformavo naują up÷s dinaminę pusiausvyrą ir ypa-

113

tingas ekohidraulines potvynio t÷kmių sąlygas, kurias svarbu įvertinti bei gerinti norint atkurti ir palaikyti kraštovaizdį, saugant ar atkuriant gamtinius ir socialinius užliejamų teritorijų išteklius, vandens ekolo-gin÷s sistemos atsparumą bei biologinę įvairovę. Pavyzdžiui, netgi atkūrus nutrauktą hidraulinį ryšį tarp vagos ir sl÷nio, t. y. išgriovus pylimus, potvynių dinamika gali likti pakeista vien tik d÷l pasikeitu-sių sl÷nio dangos ir akumuliacinių tūrių (kinta hidraulinis užliejamo sl÷nio šiurkštumas ir ežerų bei senvagių vandens lygiai) (5.7 lentel÷). Šios sąlygos bus trumpai analizuotos kituose skyriuose.

5.7 lentel÷. Gamtinių ir socialinių potvynių užliejamų teritorijų išsaugojimo ir atkūrimo būdai

Vandens ištekliai

Potvynio ir erozijos kontrol÷ Sumažinti potvynio bangos

sklidimo greitį Sumažinti potvynio bangos pikus Sumažinti v÷jo ir bangų poveikį

Stabilizuoti dirvožemius Požemin÷ kontrol÷

Sumažinti dirvožemių taršą

Paviršinio vandens kokyb÷ Sumažinti patekusius į upes nuplaunamus nuo paviršiaus

nešmenis Filtruoti maistines medžiages ir

nešvarumus Tvarkyti organines ir chemines

atliekas

Biologin÷s įvairov÷s ištekliai

Išsaugoti florą Išsaugoti užliejamų teritorijų

biologinį produktyvumą ir saugoti pelkių augaliją

Išsaugoti natūralią laukų būklę Užtikrinti genetinę įvairovę

Išsaugoti žuvų ir laukin÷s gyvūnijos išteklius

Gausinti neršto ir mitybos vietas Apsaugoti retas ir nykstančias

rūšis Sustiprinti vandenų ekologijos

bendrijas

Ekonominiai-socialiniai-kultūriniai ištekliai

Palaikyti natūralų žuvų ir žem÷s ūkio derlių

Saugoti žem÷s ūkio laukus Pl÷sti atsparių potvyniui miškų

juostas

Didinti rekreacines galimybes Kurti aktyvaus ir pasyvaus poilsio

vietas Išsaugoti estetinę vertę

Saugoti istorines ir archeologines vietoves

114

5.7.2. Užliejamų deltų ir salpų t÷kmių bei nešmenų dinamika

Kaip min÷ta, užliejimo dinamika yra labai svarbi salpos vande-nims (ežerų, senvagių, žiogių) atskiesti, iš dalies pasikeisti ir švarinti (5.17 pav.). Čia svarbiausia vaidmenį didelių potvynių trukm÷ ir dydis. Lietuvos up÷se didžiausi potvyniai būna pavasarį, tod÷l jų įtaka salpos vandens kokybei pati didžiausia. Tačiau ir nuslūgus potvyniams išlieka tam tikras ryšys tarp pagrindin÷s up÷s ir salpos – per filtracinius srau-tus. Kadangi salpas dengiantys aliuviniai-sąnašiniai dirvožemiai įvai-riu sluoksniu dengia užliejamos salpos paviršių, filtracinių srautų dydį sausojo periodo metu daugiausia lemia mažai laidaus paviršinio grunto (dažniausiai priemolio ar molio) ir vandens telkinio įsir÷žimas į giles-nius laidžius sluoksnius (priesm÷lius ir sm÷lius). Kaip matyti 5.17 pav. pavyzdyje, toliau nuo pagrindin÷s up÷s vagos esančiame, bet giles-niame sl÷nio ežere filtracija per sm÷lio pasluoksnį gali būti geresn÷, o vandens lygis sausojo periodo metu – aukštesnis, nei arčiau esančioje seklioje senvag÷je. Taigi, toks sud÷tingas ryšio tarp geomorfologinių ir hidrologinių sl÷nio charakteristikų pavyzdys.

5.18 pav. Nešmenų išnešimo į užliejamą sl÷nį ir jų nus÷sdinimo upių

žemupiuose schema. Ištisin÷s rodykl÷s rodo potvynio t÷kmių, punktyrin÷s – filtracinio srauto dinamiką (d÷l pastarojo priklausomyb÷s nuo nuos÷dų granuliometrin÷s sud÷ties sausojo periodo metu vandens lygiai sl÷nio

iškasose ar ežeruose gali būti skirtingi)

115

Didelę įtaką potvynio t÷kmių ir nešmenų režimams šiuo metu tu-ri ir žmonių ūkin÷ veikla, kuriai intensyv÷jant radikaliai keičiasi del-tos ir up÷s t÷kmių sąveika: potvynio metu aukšti apsauginiai (vadi-namieji „žiemos“) pylimai keičia iki tol nusistov÷jusius hidrologinius ir (ar) geomorfologinius ryšius. Pavyzdžiui, min÷toje Vakarų Euro-pos Reino up÷je d÷l aukštų žiemos tipo apsauginių pylimų dalis sen-vagių ir ežerų atskyr÷ nuo pagrindin÷s vagos, tod÷l buvo pažeista na-tūrali potvynių kilimo-slūgimo eiga (5.18 pav.).

Šiuo metu įvairiomis priemon÷mis stengiamasi mažinti didelių potvynių daromą ekonominę žalą, kartu atkuriant vandens telkinius ir ekosistemos ryšius.

Palyginti pateikiama Tarptautin÷s Reino apsaugos komisijos (ICPR, 1998) patvirtinta šios up÷s potvynių vadybos pagrindinių veiksnio schema. (Reino baseino plotas – 2 000 tūkst. km2 (dukart didesnis negu Nemuno), vidutinis debitas – 2 200 m3/s), (Nemuno – apie 650 m3/s), ilgis – 1 320 km2 (Nemuno daugiau kaip 900 km), gyventojų skaičius – 50 mln. (Nemuno baseine apie 5 mln.)).

Pagrindiniai tikslai: � mažinti potvynių žalą; � mažinti didelių potvynių vandens lygius; � pl÷sti žinias d÷l potvynių užliejimų; � tobulinti potvynių prognoz÷s sistemą. Vandenų inžinerijos uždaviniai: � sumažinti maksimalius debitus, didinant gruntų infiltracijos

savybes, kaupiant potvynių vandenį baseine, atkuriant užlie-jamus sl÷nius;

� užtikrinti greitą paviršinių vandenų nutek÷jimą, naudojant up÷s inžinerijos priemones;

� mažinti vandenų greitį, įdiegiant renatūralizacijos priemones baseino vagų tinkle;

� nuo potvynio saugotis dambomis ir pylimais; � pailginti išankstinio potvynio persp÷jimo laiką, tobulinant

prognoz÷s sistemą.

11

6

5.18 pav. Apipylimuoto Reino up÷s žemupio schema:

1 – žieminis (neperliejamas) pylimas; 2 – vasarinis (perliejamas pavasario potvynių) pylimas; 3 – pagrindin÷ up÷s vaga; 4 – iškastos vandens saugyklos sl÷nyje; 5 – naujai iškasti sl÷nio ežerai; 6 – sl÷nio ežerai, iš dalies apsaugoti nuo

užliejimo

117

� užtikrinti greitą paviršinių vandenų nub÷gimą, naudojami up÷s inžinerijos priemones;

� sumažinti vandenų greitį, įdiegiant renatūralizacijos priemones baseino vagų tinkle;

� nuo potvynio saugotis dambomis ir pylimais; � pailginti išankstinio potvynio persp÷jimo laiką, tobulinant

prognoz÷s sistemą; � vykdyti prevencinę apsaugos nuo potvynių politiką, skiriant

žemes pl÷trai ir atliekant erdvinį planavimą; � saugoti esamas ir potencialias paviršinio vandens akumulia-

vimo vietas; � išvengti būsimos žalos, varžant pavojingų užliejimams teri-

torijų ūkinį naudojimą ir pateikti aiškias žinias apie esamą potvynių gr÷smę;

� derinti upių tinklą su miestų pl÷tra, tvenkinių ir kritulių infil-tracijos plotus su gyvenviečių pl÷tra;

� mažinti maksimalius debitus apsaugant ir pl÷tojant atvirus užliejimams plotus.

Gamtos apsaugos uždaviniai: � mažinti maksimalius debitus atstatant užliejamas teritorijas,

renatūralizuojant vandens telkinius; � mažinti maksimalius debitus, saugant ir atkuriant pelkes,

siekiant padidinti vandens akumuliaciją visame baseine; Žem÷s ir miškų ūkio uždaviniai: � mažinti maksimalius debitus didinant žem÷s ūkio plotų infil-

tracines savybes; � išplečiant užliejamų žemių plotus; � mažinti laukų vandens eroziją, naudojant tinkamas agro-

technikos priemones; � mažinti maksimalius debitus plečiant miškus. Tačiau naujausi hidroekologiniai tyrimai parod÷, jog planktono

bendrijų, žuvų ir vandens drumstumo charakteristikos Reino up÷s urbanizuoto sl÷nio dalyje labai įvairuoja, o egzistuojantys tarpusavio ryšiai gali būti išreikšti tik kokybiškai (žr. 5.19 pav.) (Roozen, 2005).

11

8

5.19 pav. Planktono bendrijų įvairumo, vandens drumstumo ir potvynio dinamikos scheminiai ryšiai

119

Saugant ar atkuriant deltų ekologinę ir biologinę įvairovę labai svarbu gerai ištirti ir suprasti šiuos ryšius. Visame pasaulyje paskuti-niaisiais dešimtmečiais atliekami tyrimai, kurių rezultatai skelbiami mokslo straipsniuose ir monografijose. Šiuo metu labiausiai paplitusi ir priimtina yra vidutiniškų potvynių dinamikos išsaugojimo hipotez÷, teigianti, kad biologinių rūšių atsparumui bei gamtinei įvairovei nau-dingiausi vidutinio dydžio ir trukm÷s potvyniai (Van den Brink, 1994).

Pagal vidutinių potvynių dinamikos išsaugojimo naudingumo hipotezę, tokie potvyniai lemia vidutiniems gyviesiems organizmams poveikį. Kai kurie vandenyje gyvenantys organizmai priversti mig-ruoti arba geriau prisitaikyti, o į jų vietą t÷km÷s atneša atsparesnius kitos ar tos pačios rūšies organizmus (rekolonizacija) (Connell, 1978). Taip iš l÷to susiformuoja atsparios ir pasižyminčios didele rū-šių įvairove bendrijos (Townsend, 1989). Tuo tarpu labai dideli (ka-tastrofiniai) potvyniai palieka egzistuoti keletą rūšių ar net tik vieną atspariausią rūšį (Bayley, 1995). Taigi šiuo atveju ekosistemos rūšin÷ įvairov÷ maž÷ja. Tas pats atsitinka ir kai būna labai maži potvyniai – stipriausia sausrai populiacija įsigali kitų rūšių sąskaita, jas nustelbia, t. y. įvyksta „ekologinis sprogimas“.

Per vidutinius potvynius fizikinių, biocheminių ir biologinių or-ganizmų egzistavimo sąlygų visumai didelę įtaką turi ir vandens t÷kmių pasiskirstymas sl÷nyje. Pavyzdžiui, vandens lygių pulsacijų dažnis, t÷kmių greičiai, drumstumas ir stiprumas, nuos÷dų dalelių dydis, nešmenų ir biogeninių medžiagų koncentracijos, fitoplankto-no, moliuskų bei žuvų biomas÷ did÷ja potvynio vandenų periodiškai užliejamuose vandens telkiniuose ir ežeruose, art÷jant prie up÷s va-gos (5.20 pav). Priešingai, tolstant nuo up÷s nuos÷dose padaug÷ja smulkių molio ir dumblo dalelių, padid÷ja hidrokarbonatų koncentra-cija ir kai kurių pusiau sausumos makrofitų ir skaidraus vandens gy-vūnų mas÷ (Van den Brink, 1994).

Potvynio t÷kmių išnešamų ir upių deltose nusodinamų skendin-čiųjų nešmenų smulkios molio ir dumblo dalel÷s sulipdo frakcin÷s sud÷ties agregatus. Smulkių 0,01–0,001 mm dalelių sud÷tis šiuose

120

5.20 pav. Sl÷nio vandenų fizikinių, biocheminių ir biologinių savybių

priklausomyb÷ nuo užliejimo sąlygų ir ežerų lokacijos (juoda rodykl÷ rodo stipr÷jantį ryšį, balta – silpn÷jantį)

agregatuose gali siekti net 40–50 % (Vaikasas ir kt., 2004). D÷l dide-lių molekulin÷s traukos j÷gų absorbuoti mikrodalel÷se biogeniniai junginiai sunkiai išplaunami, o jų sedimentacijos procesą potvynių metu gali veikti daugyb÷ veiksnių. Pavyzdžiui, Van Rijn (1993) tei-gia, kad kai dumblo sud÷tyje molio dalelių (d < 0,004 mm) yra dau-giau kaip 10 %, elektrostatin÷s traukos j÷gos tampa lygios ar net di-

121

desn÷s už gravitacines. Tai keičia dalelių būsenas s÷dimo metu –formuojasi agregatai, kurių s÷dimo greitis (hidraulinis stambumas) priklauso nuo susidariusių agregatų dydžių (Neprin ir kt., 2004). Gi-piškio (1999), Gražio ir Katučio (2002) Nemuno nuos÷dų tyrimų duomenys rodo, kad būtent smulkiausiose skendinčiųjų nešmenų frakcijose sunkiųjų metalų, azoto ir organinių junginių koncentracija daug kartų didesn÷ už jų koncentraciją, nustatytą pačiame potvynio vandenyje (5.21 pav.).

5.21 pav. Fizinio molio dalelių ir bendrojo švino bei azoto lokalizacija Nemuno salpoje (pagal V. Gipiškio ir K. Katučio duomenis)

Tą patvirtina ir Nev÷žio up÷s dumblo bei vandens m÷ginių, paim-tų 2007 m. pavasario potvynio metu, tyrimų duomenys (5.8 lentel÷).

Šie tyrimų duomenys taip pat įrodo, kad yra koreliacinis ryšys tarp fizinio molio ir bendrojo azoto kiekio Nemuno deltos skendin-čiųjų nešmenų m÷giniuose (sugretinus atskirų nešmenų frakcijų ir azoto kiekį m÷giniuose, gauta, kad didžiausią organinio azoto kiekį

122

suriša frakcija, kurią Kačinskis klasifikavo kaip vidutinio stambumo dulkes (d = 0,01–0,005 mm) (Neprin ir kt., 1967). Tod÷l smulkaus dumblo nusodinimas pakrant÷se ir užliejamuose plotuose prilygsta potvynio vandens apvalymui nuo biogeninių teršalų – į upių žiotis ir jūras atitekantis vanduo švaresnis ir geresn÷s kokyb÷s.

5.8 lentel÷. Biogeninių medžiagų kiekiai Nev÷žio up÷s vandenyje ir nuos÷dose

Azoto N Fosforo P Kalio K

Paimto m÷ginio vieta

van

den

yje

mg

/l

nu

os÷

do

se

mg

/kg

van

den

yje

mg

/l

nu

os÷

do

se

mg

/kg

van

den

yje

mg

/l

nu

os÷

do

se

mg

/kg

Nr. 23–3 19,4 7217 0,32 1876 6,6 7000

Nr. 23–4 13,8 5052 0,70 1734 13,0 7500

Nr. 23–5 19,1 5886 0,96 1921 17,0 7625

Nr. 23–6 5,5 6315 0,08 1768 6,3 7000

Nr. 23–7 16,7 5954 0,43 1793 27,0 7500

5.7.3. Estuarijų ir upi ų t÷kmių sąveika

Vieta, kur up÷ įteka į ežerą, jūrą ar kitą upę, vadinama žiotimis. Didesnių upių žiotyse iš intensyviai nugulančių sąnašų susidaro ly-gumos (R.Tumas, 2003). Labai praplat÷jusios estuarijos vadinamos limanais, o uždarus limanus nuo jūros atskyrus nerijomis (sausumos juostomis), gaunamos vadinamosios lagūnos.

Estuarijos savo ekohidraulin÷mis savyb÷mis ir ekologiniu jaut-rumu žymiai skiriasi nuo likusių upių vagų dalių. Pavyzdžiui, lagū-nas su jūra paprastai jungia neplatūs sąsiauriai, tod÷l vandens drus-kingumas būna kitoks, negu jūros ar up÷s. Pagrindiniai skirtumai tarp šių vandens (akva) sistemų išvardyti 5.9 lentel÷je.

123

5.9 lentel÷. Ekohidraulinių charakteristikų estuarijose ir up÷se skirtumai

Charakteristika Up÷s Estuarijos (žiotys) 1 2 3

1. T÷km÷s kryptis viena, pastovi kintanti

2. Gyliai, lemiami t÷km÷s potvynių

(daugiausia)

3. T÷kmių skerspjūvio charakteristikas lemia

nešmenų režimas

nešmenų režimas, flokuliacija,

litoralinis dreifas (žemynų)

4.Vandens mas÷ g÷las vanduo g÷las ir sūrus vanduo

5. Teršalų patekimo būdas per liūtis ir paviršinį nuotakį

per liūtis, paviršinį nuotakį ir jūros potvynių t÷kmes

6. Vandens kokyb÷s pokyčiai žemiau taršos

šaltinio nuo šaltinio į abi

puses

7. Biotos įvairiarūšiškumas ribotas įvairesnis

8. Ekologin÷ sąveika ne tokia

sud÷tinga sud÷tingesn÷

9. Literatūros šaltinių apie ekologines t÷kmes

daug mažai

10. Supratimas apie ekohidraulinį t÷kmių poveikį

ribotas labai ribotas

Taigi estuarijos pasižymi didesne biologine įvairove, tačiau ir

didesniu jautrumu pažaidoms ir hidraulinio režimo sutrikimams d÷l to, jog estuarijose paprastai įsivyrauja labai jautri dinamin÷ pusiaus-vyra tarp up÷s ir jūros potvynių bei atoslūgių. Bet koks šios pusiaus-vyros pažeidimas neigiamai veikia lagūnos vandens kokybę (kinta vandens druskingumas, drumstumas, biogenin÷ tarša, vandens svyra-vimo lygių periodas ir amplitud÷).

Nors lagūnų ekosistemos pasižymi didesniu atsparumu ir prisi-taikymu, pažeidžiamos taip pat gana lengvai. Lietuvoje tokio režimo lagūna yra tik viena – Kuršių marios, sąsiauriu susisiekiančios su Baltijos jūra bei maitinamos g÷lu vandeniu per Nemuno up÷s deltą

124

(Kuršių marios, 1967). Nepaisant daugelio tyr÷jų pastangų, lagūnų ir estuarijų ekohidraulinis režimas iki šiol ištirtas dar nepakankamai.

Amerikiečių mokslininkai taip pat nustat÷, kad ypatingu ekohid-rauliniu režimu pasižymi ir upių žiotys. Toje vietoje up÷s hidrologi-nis režimas keičiasi į priimtuvo (įlankos, jūros ar lagūnos) režimą. Priimtiniausias ekohidraulinis t÷kmių žiotyse modelis – t÷km÷s šuo-lio gesinimas (greičių stabdymas), lydimas skendinčiųjų nešmenų iš-kritimo, taip pat – nešmenyse absorbuotų teršalų (sunkiųjų metalų, bakterijų) sulaikymo, nus÷dimo ir taršos pokyčių.

Pagrindiniai hidrodinaminiai upių žiočių procesai: 1) t÷km÷s greičiai maž÷ja, įtraukdami į pagrindinę srovę aplin-

kines estuarijos (lagūnos) stovintį vandenį; 2) žiočių ribose tiek up÷s t÷km÷, tiek v÷jo bangų energija ir grei-

čiai intensyviai „gesinami“ ir vyksta disipacija (didžiausia – už 5 up÷s pločių (5B));

3) d÷l 1) ir 2) priežasties upių žiotyse nešmenys intensyviai nuso-dinami ir akumuluojami – formuojasi sm÷lio bei dumblo seklumos ar nerijos. Lemiama hidrodinamin÷, dugną formuojanti j÷ga priklauso upei, jūros bangos tik šiek tiek modifikuoja up÷s kuriamą dugno reljefą.

Eksperimentai, atlikti Kaspijos jūros, Kuros ir Jordano upių (Iz-raelis) žiotyse patvirtino, kad čia taršos dinamiką lemia skendinčiųjų nešmenų režimo pokyčiai. Pavyzdžiui, didesnį nei > 0,05 mm dalelių nus÷dimą keičiantis greičiams rodo empirin÷ formul÷

kxx ev

v 3

0

−= , (5.47)

kur xv ir 0v – vidutiniai skerspjūvio t÷km÷s greičiai pradiniame

pjūvyje, nutolusiame per x atstumą; k – empirinis koeficientas. Eksperimentas taip pat parod÷, kad atviroje jūroje ties Kuros up÷s žio-timis nešmenys s÷do 8–10 % intensyviau nei Jordano up÷je, įtekančio-je į uždarą g÷lo vandens lagūną. To priežastis – vandens tankis ir skir-tingi dalelių flokuliacijos procesai. Sąlygiškai stambių dalelių nuos÷dos sudar÷ apie 70–80 %, smulkių – 10–20 %. Nešmenų sedi-mentaciją ypač atitiko bakteriologin÷ tarša ir jos kitimo procesas.

125

Išvada. Upių žiotys – natūralūs (gamtiniai) kolektoriai, kuriuose akumuliuojami nuo upių baseinų nuplauti nešmenys ir teršalai. Ter-šalus absorbavusių skendinčiųjų dalelių nus÷dimas lemia tai, kad upių žiotys yra natūralūs geocheminiai taršos barjerai (slenksčiai). 5.7.4. Biogeninių medžiagų apykaitos vandenyje ir

vandens t÷kmių įtakos modeliavimo pavyzdžiai

Vienu iš ekohidraulinių sąlygų matematinio modeliavimo pa-vyzdžių gali būti biogeninių medžiagų apykaitos mangrovin÷se pel-k÷se modeliavimas. Tokiame modelyje nitratų transportas įvertintas d÷l filtracijos iš grunto į upę ir modeliavimo rezultatai palyginti su eksperimentų. Dvimačiam modeliui sukurti panaudotos min÷tos ma-s÷s ir energijos tvarumo lygtys paviršinių t÷kmių srautams mode-liuoti:

( ) ( )

0=∂

∂+∂

∂+∂∂

y

vh

x

uh

t

h, (5.48)

( ) ( ) ( ) =

∂∂+

∂∂+

∂∂

y

uvh

x

hu

t

uh 2

( ) ( )hvuy

hux

F

x

Zgh xbybxs '''2 −

∂∂+−

∂∂+

ρ−

ρτ

−ρ

τ−∂

∂− , (5.49)

čia h – t÷km÷s (vietinis) gylis; u ir v – greičio (vidutin÷s pagal gylį) dedamosios x ir y kryptimi; g – gravitacinis pagreitis; bxτ ir byτ –

atitinkami tangentiniai įtempimai dugne x ir y kryptimis; xF ir yF –

augalų pasipriešinimo t÷kmei j÷gos; 2'u− , ''vu− , 'v− – vidutiniai pagal gylį Reinoldso įtempimai (d÷l turbulentinių t÷km÷s pulsacijų).

Filtraciniam srautui į up÷s vagą apskaičiuoti panaudota lygtis

( )[ ]

ρρ+

∂ψ∂

∂∂+

∂ψ∂

∂∂+

∂ψ∂

∂∂=

∂ψ∂β+ψ

fzyxw z

kzy

kyx

kxt

SC 0 ,

(5.50)

126

čia ψ – filtracinio sl÷gio potencionalas; xk , yk ir zk – hidraulinio

pralaidumo (filtracijos) koeficientai x , y ir z kryptimis; ρ ir fρ –

vidutiniai pagal gylį sūraus ir g÷lo vandens tankiai; ( )ψwC – filtraci-

nio vandens grunte kreiv÷s nuolydis; S – specifin÷s biogeninių me-džiagų atsargos; 0β – skaitinis koeficientas.

Atsižvelgus į grunto poringumą, vidutinis pagal gylį transpor-tuojamų ištirpusių maistinių medžiagų ir planktono koncentracijų ki-timas modeliuojamas pagal lygtį

,

∂∂+

∂∂ε

∂∂+

∂∂ε

∂∂=

∂∂+

∂∂+

∂∂ ∗

t

c

y

c

yx

c

xh

y

cv

x

cu

t

ch shsh (5.51)

čia c – medžiagų koncentracija; shε – vietin÷s difuzijos (medžiagų

ar planktono) koeficientas; t

c

∂∂ ∗

– medžiagų koncentracijų pasikei-

timas laikui b÷gant d÷l cheminių ar biologinių procesų;

00 z

zy

f−

ρρ

= – grunte telkšančio sūraus ir g÷lo vandens atstumas

nuo žem÷s paviršiaus; ( ) 3/5hfq = – filtracinis lyginamasis debitas

(pagal žinomą Maningo formulę). Ribin÷mis reikšm÷mis buvo orientuotasi pagal natūrinių mata-

vimų rezultatus ir potvynio bangos jud÷jimo kryptį (jūroje ar up÷je). Modelis gerai atitiko natūrą. Modeliuojant gauta, kad pavasario po-tvynių metu maistinių medžiagų atnešama iš mangrovin÷s pelk÷s į jūros pakrantę 2–5 kartus daugiau nei liūčių potvynių metu, taigi pa-vasario potvynių įtaka didesn÷.

Lauko tyrimai ir matavimai pakrančių zonoje Sanbannse lagūno-je patvirtino, kad potvyniai ir atoslūgiai šioje zonoje sukuria savitą režimą: vandens filtraciją keičia periodiškas pakrant÷s grunto išdžiū-vimas. Potvyniai ir bangos aprūpina (prisotina) gruntą deguonimi ir organine medžiaga, kurią vartoja v÷žiagyviai, apvalydami vagos pa-viršių nuo dumblo.

127

Ekologiniai dinaminiai (gamtosauginiai) konceptualūs modeliai Rodrige de Freitas lagūnoje ir Guadiena estuarijoje pad÷jo ruošiant šio regiono ilgalaikio vystymo strategiją. Konceptualiuose modeliuo-se vertinta vandens eutrofikacija („žyd÷jimas“) ir deguonies prisoti-nimo vandenyje laipsnis, sūraus ir g÷lo vandens sąveika. Naudotas dvimatis hidrodinaminis (2HD) modelis. Gauti druskingumo ir de-guonies pasiskirstymo profiliai įvairių hidrologinių režimų metu.

Ribotas žinias apie upių gamtosaugines t÷kmes ir pakrant÷se nykstančių ekosistemų vystymąsi papild÷ Marchant ir Monteiro ty-rimai (2004). Remdamiesi koreliacija tarp metinio v÷žių sugavimo ir įvairių hidrologinių parametrų (metinių debitų dydžių), jie išk÷l÷ 3 turinčias lemiamą įtaką v÷žiagyvių populiacijai hipotezes:

1) migraciją (hidrodinamikos lemiama įtaka moliuskų ir lervų jud÷jimui bei žuvų neršto sąlygoms);

2) sveikatą (biochemin÷ up÷s vandens taršos įtaka ekosistemai d÷l nešmenų ir nitratų neigiamo poveikio);

3) stresus (d÷l druskingumo ir temperatūros staigių pokyčių kei-čiantis up÷s hidrologin÷ms charakteristikoms).

Tai, kad grįžtantys (įsiliejantys) vandens srautai turi poveikį jū-ros ekotopams, druskingumui ir vandens temperatūrai, patvirtina Knaled ir Odeh (2004) tyrimai. Net silpnos grįžtamosios srov÷s (V > 0,037 m/s), keičiantis v÷jui, turi skirtingą poveikį ekosiste-moms.

Ežero makrofitų (nendrių, sąžalynų) bangų energijos gesinimo efektyvumą fizikinio modeliavimo būdu tyr÷ Yagc ir kt. (2004). Pa-grindin÷s vandens bangos charakteristikos – aukštis, statumas ir pe-riodas modeliuotos išd÷stant simetriškas strypelių eiles 24 × 1 × 1 m latake, sukuriant 1 : 5 nuolydžio sm÷lio paplūdimį ir matuojant ban-gas, „per÷jusias“ per 7, 15, 30, 45 ir 60 eilių 5mm kas 2,0 × 2,0 m iš-d÷stytų strypelių. Vertinti tokie bedimensiai dydžiai:

128

( )( ) ;;i

tt

yx

yx

H

HC

dldl

LL=

−−=λ (5.52)

1 ;1 −=−=i

tRtR T

TRCD , (5.53)

čia λ – „apaugintos“ strypeliais erdv÷s lyginamasis hidraulinis pra-laidumas (d÷l makrofitų tankio); xL – atstumas tarp eilių x kryptimi;

yL – atstumas tarp eilių y kryptimi; xl ir yl – atstumai tarp strype-

lių (x ir y kryptimis); d – stiebelių diametras (5mm); tC – transmi-sijos (poveikio) koeficientas; tH – paveiktas (transmisinis) bangos aukštis; iH – pradinis (generuotas) bangos aukštis; RD – bangos aukščio gesinimo norma %; RR – bangos periodo trumpinimo nor-

ma %; tT – poveikio periodas; iT – pradinis periodas.

Nustatyta, kad: 1) yra stiprus tiesioginis ryšys tarp bangos aukščio gesinimo

normos RD ir pakrant÷s augalų makrofitų tankio;

2) gesinimo efektas RD bangai ilg÷jant apaugusioje augalais

erdv÷je maž÷ja. F. Martinas ir kt. (2004) ištyr÷ Portugalijos miestų nuotakų iš-

sklaidytos taršos (nitratų) hidrodinaminių sąlygų poveikį pakrančių vandens kokybei.

Naudotasi trimačiu (3HD) MONID modeliu, paruoštu Businesko lygčių pagrindu. Vertinta temperatūra, druskingumas, turbulentišku-mas, dispersija. Modelis „dirbo“ Lagranžo ir Eulerio koordinat÷se, modeliavo denitrifikacijos-nitrifikacijos ciklą, ištirpusio deguonies O2 koncentraciją, BOD, zooplanktono ir fitoplanktono populiacijų dinamiką. Nustatyta, kad morfologin÷s ir hidrodinamin÷s charakte-ristikos dažniausiai yra lemiančios, o nitratų sumaž÷jimo žiotyse są-lygos priklauso daugiausia nuo vandens telkšojimo laiko; kad biolo-giniai faktoriai (temperatūra, šviesa ir nitratai) turi poveikį tik ten, kur hidrodinaminiai faktoriai (pvz., stovinčio vandens zonos ar bu-vimo lagūnoje laikas) yra panašūs (lemia poveikio laikas).

129

Natūriniais potvynio t÷kmių matavimais Nemuno užliejamoje deltoje nustatyta, kad biogeninių medžiagų ir druskų koncentracijos kaitai išsiliejusiame vandenyje apskaičiuoti tinkamiausia eksponenti-n÷ empirin÷ formul÷ (Phelps’o formul÷) (Vaikasas, 2002):

kti eCC −= 0 , (5.54)

čia iC – biogeninių medžiagų koncentracija skaičiuojamojo t÷km÷s

skerspjūvio taške; 0C – biogeninių medžiagų koncentracija pradin÷s

taršos taške; t – nekonservatyvios medžiagos skilimo (koncentraci-jos maž÷jimo, pavyzdžiui, denitrifikacijos) laikas; k – empirinis koeficientas, priklausantis nuo skilimo reakcijos sąlygų (pavyzdžiui, vandens temperatūros).

Kaip matyti, biogeninių medžiagų vandenyje pokyčiai priklauso tiek nuo jų hidraulinių sąlygų (disipacijos ir konvekcijos), tiek nuo biocheminių faktorių, jų kaitos (žr. 2.23–2.25 formules). Kadangi vi-sas šias sąlygas įvertinti didesniais modeliais yra sud÷tinga, modelia-vimo praktikoje dažniausiai tenkinamasi supaprastintais modeliais, modelių paketais arba hibridiniu modeliavimu, verifikavimui būtinai naudojant ir išsamius lauko tyrimus bei per ankstesnius tyrimus su-kauptus duomenis.

130

6. VANDENS ORGANIZMŲ IR HIDRAULINI Ų SĄLYGŲ SĄVEIKA

Visa aprašyta hidraulinių ir hidrologinių sąlygų įvairov÷ neiš-vengiamai veikia gyvuosius vandens organizmus, savo ruožtu for-muodama rūšių įvairovę bei jų prisitaikymo sąlygas, t. y. jų atsparu-mą. Akivaizdu, kad gamta keičiasi labai pamažu, tod÷l įgytas vandens organizmų atsparumas bei prisitaikymas yra pakankamas jiems išlikti. Kas kita dirbtinai įveistos (introdukuotos) rūšys ir paly-ginti staigūs, žmogaus veiklos nulemti pokyčiai (pavyzdžiui, užtven-kus upę ir keičiant jos hidrologinį režimą pagal HE energijos parei-kalavimo grafiką).

Nustatyta, kad t÷kmių hidrologinis-hidraulinis (ypač nenatūralus) režimas veikia žuvų (pvz., up÷takių) augimo ir vystymosi dinamiką. Dažnai pasikartojantys potvyniai inkubaciniu periodu labai mažina mailiaus kiekį, o esant sausrai – dydį (Hitsedsen, 2004). Moksliniais tyrimais įrodyta, kad daugelis vabzdžių yra palyginti tolerantiški orga-ninei vandens taršai, daugiausia m÷gsta ramias žemumas (upių ar eže-rų), tačiau dumblių ir dumblo bei vabzdžių migravimas iš užtvenktų tvenkinių stipriai keičia jų rūšis žemiau užtvankos (sąveikaujama žuvų takais ir potvynių pralaidomis). Mažos užtvankos nedaro žymesnio neigiamo efekto makrofitų ir planktono jud÷jimui, nors tyrimais nusta-tyta bendrojo azoto N koncentracijos sumaž÷jimas tvenkin÷liuose (juose vandens buvimo laikas paprastai per trumpas ženkliam denitri-fikacijos bakterijų poveikiui). Tačiau didel÷s užtvankos (kai vandens gylis 10>h m) veikia kaip bioreaktoriai, t. y. net keičia per dugnines angas ištekančio vandens temperatūrą ir režimą.

Tyrimais nustatyta, kad apsemtų ir t÷km÷s veikiamų žolių ir auga-lų kiekis bei polinkio kampas taip pat turi įtakos potvynio t÷kmių turbu-lentiškumui. Jam did÷jant, ger÷ja vandens gyvūnų apsirūpinimas deguonimi, nes padid÷ja vandenyje ištirpusio deguonies O2 kiekis (eks-perimentas latake 4,03,07 ×× m, 0004,0=i ; v = 0,11– 0,13 m/s).

Taip pat nustatyta, kad vandens – grunto dugninio pasluoksnio lervų kiekis gali pakeisti sm÷lio ir žvyro – akmenų sukibimą, tod÷l

131

ir – t÷km÷s velkančios j÷gos sukeliamus tangentinius įtempimus. Pa-vyzdžiui, lervų biomas÷s lemta akmenų prilipimo prie dugno j÷ga po 6 dienų išauga nuo 0 iki 6000 N/m2, kai tos biomas÷s kiekis did÷ja iki 500 g/m2. Tai taip pat turi įtakos dugninių nešmenų jud÷jimui, nes keičia hidraulines t÷km÷s charakteristikas.

( )

−ρρρ⋅+τ=τ ∗

∗∗css

c

mcu gd

f

Af

As

1/1

3

2 , (6.1)

čia u*τ ir c∗τ – velkančiosios t÷km÷s j÷gų sukeliami tangentiniai

įtempimai (atitinkamai esant lervų biomasei ir kai jos n÷ra); mf –

hidraulinis t÷km÷s trinties pusiausvyroje koeficientas; 3

2

A

A – dugni-

nių nešmenų formos vertinamasis (2 ir 3 dimensijų nešmenų bangų) santykinis koeficientas; ∗s – t÷km÷s paviršiaus sukibimo su dugni-

niais nešmenimis norma; cf – dugninių nešmenų dalelių sukibimo

j÷ga; ρ – vandens tankis; sρ – sm÷lio dalelių tankis; cd – ekviva-

lentinis akmenų skersmuo; g – gravitacinis pagreitis.

( ) ss dg

RIc 1/

0

−ρρ⋅ρτ

=τ∗ , (6.2)

čia 0τ – tangentiniai įtempimai vagos dugne; R – hidraulinis spin-dulys; I – dugno nuolydis; sd – sm÷lio dalelių skersmuo.

Dumblių mas÷ ir pasiskirstymas vandenyje labai kinta sezono metu, ypač vasarą. Sietuvose jų mas÷ ir tankis paprastai būna dides-nis nei r÷vose, o struktūra – identiška abiejose vietose. Labiausiai dumblius veikia hidrologinis režimas. Pavyzdžiui, esant dažniems dideliems potvyniams dumblių t÷km÷se išlieka mažai, o vidutinių potvynių periodu – palyginti daug. Taigi vidutiniški potvyniai ge-riausiai užtikrina up÷s visos ekosistemos vystymąsi ir išlikimą.

Įvairių hidrotechnikos priemonių poveikis taip pat neviena-reikšmis. Atkuriant up÷s pralaidumą ir tuo tikslu pašalinus vagoje slenkstį, padid÷ja vandens greičiai aukštutiniame bjefe, bet sumaž÷ja

132

vagos gyliai ir pločiai. Taip pagerinama up÷s morfologija ir gyvūni-jos rūšių (pvz., v÷žiagyvių) migracija bei pasiskirstymas vandentako-je, tačiau taip pat padidinama jų išgyvenimo rizika sausrų periodo metu. Moksliniais tyrimais buvo ištirti įvairūs sud÷tingesni gyvų or-ganizmų ir t÷kmių sąveikos atvejai ir nustatyta, kad makrofitų sąva-šynai ežeruose palyginti mažai lemia (gesina) bangas. Jie (pvz., nen-dr÷s) ežeruose auga tik ten, kur bangų spaudimo j÷ga neviršija 15 N/m2, tod÷l ir didesn÷s gyvūnų ar augalų bendrijos ant sm÷lio dugno įsitvirtina tik ten, kur dugniniai t÷km÷s greičiai (bangavimo metu) neviršija 0,2 m/s. Be to, m÷gstamesn÷s tos vietos, kur 25–30 % grunto sudaro akmenys ir žvyras (Ladogos ežere tik 9 iš 120 makrofitų įsitvirtino priešv÷jin÷je litoralin÷je ežero zonoje).

Ekologiniai tyrimai taip pat parod÷, kad valgomieji jūrų molius-kai yra jautrūs ištirpusio vandenyje deguonies kiekio sumaž÷jimui. Potvynių metu į vandentaką patenkanti organika ir dumblas labai sumažina DO (dissolved oxygen) kiekį 1 cm storio priedugnio sluoksnyje ( 11,0 −=∗V cm/s). Ištirta, kad dumblo ir molio nešmenys

gali sumažinti 2O koncentraciją up÷s dugne nuo 8 iki 0–2 mg/l.

Kadangi vandens augalų (makrofitų) augimas labai priklauso nuo hidraulinių t÷km÷s sąlygų (t÷km÷s greičių, jų kaitos ir pan.), tvenkinių priežiūra, kaip ir hidrologinis režimas, daro įtaką makrofitų vystymuisi. Atsižvelgiant į įvairių gyvūnijos rūšių bruožus ir hidro-dinaminių t÷kmių sąveiką, galima nustatyti vietas ir rasti optimalius išilginį–skersinį t÷kmių ir arealų pasiskirstymo gradientus. Galima s÷kmingai modeliuoti bestuburių moliuskų dreifą naudojant dalelių trajektorijų sekimo modelį. Dvimačiu modeliu tereikia nustatyti:

1. Vektorių lauką. 2. Vagos dugno ir vandens paviršių lygmenis. 3. Individų (dreifuojančių moliuskų) pasiskirstymą ploto vie-

nete (m2). 4. Moliuskų sud÷tį. 5. Moliuskų vandenyje nus÷dimo ir pak÷limo greičius (t. y. ekvi-

valentinį „hidraulinį stambumą“ kiekvienai moliuskų grupei).

133

Dumblių mas÷s erdvinį pasiskirstymą Japonijos up÷se modelia-vo Toda ir kt. (2004). Pl÷vel÷ iš dumblių ir jos kitimas erdv÷s ir laiko aspektu buvo modeliuoti įvertinant mas÷s tvarumo d÷snį

0=−−+= iiii DRCPdt

dM, (6.3)

čia dt

dM – dumblių lyginamosios mas÷s prieaugis laiko aspektu;

iP – produkcijos (prieaugio) lyginamosios mas÷s prieaugis per laiką;

iC – dumblių kolonizacijos lyginamosios mas÷s prieaugis per kont-rolinį laiką; iR – kv÷pavimo lemti lyginamosios mas÷s nuostoliai kontrolinio laiko aspektu; iD – d÷l medžiagos išplovimo (nuplovi-

mo) lyginamosios mas÷s nuostoliai laiko aspektu. Nustatytas vandenyje ištirpusių nitratų pagal gylį pasiskirsty-

mas:

∑ ∑−ε=

ε

i iiDiNN rEP

dz

dN

dz

di 0

, (6.4)

čia Nε – nitratų difuzijos koeficientas (vandenyje ištirpusiems nitra-

tams);0DE – vandenyje ištirpusio deguonies difuzijos koeficientas.

Vandenyje ištirpusio deguonies pasiskirstymui pagal gylį nusta-tyti naudota formul÷:

∑ ∑= =

ε+ε−=

ε

nfi nfiiDoiDD rP

dz

dD

dz

dii

1 100

0 , (6.5)

čia iD0

ε – deguonies lyginamosios difuzijos koeficientas; 0D – van-

denyje ištirpusio deguonies kiekis. Difuzijos koeficientai nustatyti pagal turbulentin÷s klampos koe-

ficientą tυ �:

134

( )

+

υδ−+υ=υ ∗ 141

2

2s

t

zKV kai sz δ≥ , (6.6)

čia sδ – dumblių mas÷s pasluoksnio storis; υ – kinematinis klam-pis; K – Karmano konstanta; ir – kv÷pavimo norma.

tNN υγ=ε ; tDD υγ=ε00

. (6.7)

Taigi dumblių pl÷vel÷s mas÷ auga greičiau, kai did÷ja hidrauli-nis šiurkštumas ir priedugnio dinaminis greitis ∗V – d÷l to did÷ja

priedugnio sluoksnio turbulencija ir jo aprūpinimas deguonimi. Eks-perimentais laboratorijoje taip pat nustatyta, kad net pavieniai mak-rofitai (augalai) gali reikšmingai paveikti tiek t÷kmių greičių lauko pasiskirstymą, tiek ir t÷km÷s turbulentiškumą ir kinetinę energiją. Vadinasi, makrofitai gali veikti t÷kmę trejopai: a) užimti skersplotį; b) padidinti t÷km÷s greičius tarp stiebų priedugnio sluoksnyje, taip pat tangentinius įtempimus ir nešmenų vilkimo j÷gą; c) didinti pulsa-cijas (turbulentiškumą). Tiriant makrofitų pasiskirstymą Anglijos up÷se nustatyta, kad ryšiai tarp jų pasiskirstymo laiko ir erdv÷s at-žvilgiu egzistuoja, ir tai gali būti svarbu norint ištirti ir suprasti tiria-mo arealo gyvūnų elgesį ir ypatybes. Taigi vandentakų priežiūra re-guliuojant makrofitų paplitimą ir augimą taip pat turi esminį poveikį ekosistemai.

135

7. UPIŲ TöKMI Ų BIOLOGIN ö VANDENS KOKYB ö IR JOS GERINIMAS

7.1. Upių vaginiai procesai ir hidroekologija

Kaip teigia mokslininkai G. Petts ir P. Calow (1996), intensyv÷-jant žem÷s ūkiui ir vystantis pramonei ankstesn÷ upių t÷kmių dina-min÷ pusiausvyra d÷l apipylimavimo, užtvankų, kanalizacijos, regu-liuojamų vagų ir sl÷nių žemių įdirbimo buvo drastiškai pakeista. Sunyko flora ir fauna, sumaž÷jo biologin÷ įvairov÷, į blogąją pusę pasikeit÷ kraštovaizdžio kokyb÷. Upių sistemos sparčiau degradavo ir d÷l nuolat augančių žmonijos poreikiams tenkinti skirtų hidrotech-ninių priemonių vystymo: dr÷kinimo, vis intensyvesnio hidroenergi-jos vartojimo, žmonių bendruomenių pl÷tros ir t. t. Visa tai tęsiasi ir šiuo metu besivystančios ekonomikos šalyse. D÷l pamin÷tų aplinky-bių per paskutinius dešimtmečius visuomen÷je stebimas didelis pa-žeistų upių sistemų atkūrimo (restauravimo) ar natūralių vagų išsau-gojimo poreikis. Tapo labai svarbu tinkamai ištirti ir nustatyti natūralių ir pakeistų vagose ekohidraulinius procesus.

Vertinant ekologiškai, tekantis vanduo palyginti su stovinčiu turi daugybę privalumų:

1. Vandens t÷km÷ yra turbulentin÷ ir besimaišanti, mažiau už-teršta biogenin÷mis medžiagomis.

2. Ji geriau aprūpinta ištirpusiu deguonimi (O2), tekant vandens paviršiuje nuolat vyksta oro ir vandens apykaita.

3. T÷km÷je intensyvesni esančių teršalų savaiminio apsivalymo procesai (denitrifikacija, oksidacija ir t. t.).

4. Tekantis vanduo yra labai svarbi terp÷ suspenduotų bei orga-ninių medžiagų transportui ir paskirstymui, dumblių, makrofitų bei bestuburių gyvūnų bendrijų migravimui ir veisimuisi. Nors periodiš-kai pasikartojantys potvyniai sukelia tam tikrą pavojų aplinkai ir gy-ventojams, tačiau, kaip min÷ta, jie yra labai naudingi suformuojant biologinę įvairovę vagoje bei pakrančių užliejamose zonose. (Pavyz-

136

džiui, išsiliejus vandeniui į sl÷nį kartu patenka denitrifikacijai reika-linga organin÷ anglis.)

Upių abiotin÷s aplinkos svarbiausi komponentai – vagos morfo-logija ir vandens temperatūrų gradientai atsispindi regioniniuose hid-raulinių sąlygų, klimato bei geologijos pokyčiuose. Taigi, tiriant up÷s vietines hidraulines sąlygas bei projektuojant jų atkūrimą tikslinga atsižvelgti ir į jų dydį, specifiką bei kitas nuo to priklausančias sąly-gas ir savybes. Pagal amerikiečių mokslininką Frissell (1986), atski-rų up÷s sistemą sudarančių dalių jautrumas bei pažeistos ekologin÷s pusiausvyros atkūrimo (atstatymo) laikas yra atvirkščiai proporcingi dydžiai (7.1 pav.).

7.1 pav. Atskirų up÷s dalių jautrumo pažeidimams ir jų tikimybinio

atkūrimo laiko priklausomyb÷ [Frissell ir kt., 1986]

Analizuojant 7.1 paveiksle pateiktą hierarchinį up÷s skirstymą pagal tiriamo ruožo vietą ir jautrumą matyti, kad jautriausi t÷kmių režimams yra upių deltose trumpai gyvenantys mikroorganizmai. Jų vystymuisi labai svarbu vandens srov÷, ypač arti dugno, nes vande-niui judant kinta dugno maitinamosios terp÷s koncentracija (Tumas, 2003). Tod÷l viena dalis faunos linkusi gyventi sraunesniame vande-nyje, kita – ne tokiame srauniame. Pavyzdžiui, vandens vabzdžių

137

apsiuvų lervos Hydropsyche instabilis daugiausia renkasi up÷s vietas su vyraujančiais 0,2 m/s t÷km÷s greičiais, o jų giminait÷s Plactoroc-nemia conspersa – daugiausia ten, kur greičiai neviršija 0,1 m/s. Įvertinus tai, kad l÷toje turbulentin÷je t÷km÷je egzistuoja gana storas (1–3 mm) laminarinis priedugnio sluoksnis, o daugelio dugne gyve-nančių zoobentoso organizmų (pavyzdžiui, moliuskų) dydis – apie 2 mm, tampa aiški ekohidaulinių t÷kmių įtaka vandens gyvūnų egzis-tencijai. Vieni, kaip augalija ir dumbliai, turintys šaknis, labiau m÷gsta ramų, l÷tai tekantį vandenį, tuo tarpu kiti, neįsikibę į dugną – tekantį, nes jis atneša daugiau deguonies ir maisto, suformuoja pa-lankią maitinamąją terpę, nuo kurios priklauso vandens organizmų gyvyb÷ bei atsparumas. Tačiau jautriausia pažaidoms žemupio eko-sistemos dalis kartu ir lengviausiai atsikuria – tam dažnai užtenka trumpesnio nei metai laikotarpio (pavyzdžiui, po potvynio). Priešin-gai, upių aukštupius maitinančių mažų upelių t÷kmių baseinų poky-čiai yra palyginti nežymūs ir pasireiškia tik per 1000–10000 metų, o ši upių dalis pažaidoms palyginti nejautri, tačiau ir čia prisitaikiusių gyventi vandens organizmų atsikūrimas trunka labai ilgai. Tarpinę pad÷tį šioje hierarchijoje užima upių vidurupiuose esančios ekosis-temos organizmai – juose vykstantys hidrauliniai pokyčiai ir pažei-dimai pasireiškia per 10–100 metų.

Kaip matyti, upių baseino fizikin÷s, chemin÷s ir biologin÷s cha-rakteristikos kinta vandeniui tekant nuo aukštupio žiočių link ir yra glaudžiai tarpusavyje susijusios. Tod÷l daugelis tyrin÷tojų m÷gina skirstyti upes į zonas pagal t÷kmę (Strachler, 1952).

Labiausiai paplitęs šiuo metu skirstymas į 3 zonas (7.2 pav.). Taigi, upių hidraulin÷s ir hidrologin÷s charakteristikos turi le-

miamą įtaką ekosistemos egzistencijai. Labai daug lemia zooplanktono (smulkių gyvūnų – v÷žiagyvių, vandens blusų, dugninių gyvūnų lervų) ir zoobentoso (dugne gyvenančių gyvūnų – mažašerių žieduotųjų kir-m÷lių, minkštakūnių moliuskų, vabzdžių lervų) migracija ir papliti-mas, nes jie yra mitybos pagrindas stipresniems vandens organizmams (žuvims, paukščiams). Skiriami s÷slieji, prisitvirtinantys, laisvai

138

7.2 pav. Upių hidrosistemos atskirų dalių sąveika ir jos suskirstymas

zonomis: a – trys svarbiausios zonos: bioprodukcijos gamybos, perk÷limo ir

saugojimo (atsargų kaupimo) (pagal Schumm, 1977); b – produkcijos zonos vandens kokyb÷s ir kiekyb÷s ryšiai;

c – žemupio zonos potvynių ir vandens kokyb÷s bei augalijos ir gyvūnijos kaita laiko atžvilgiu (metų laikotarpiu) (pagal Ward, 1989)

gulintys, šliaužiantys, įsigręžiantys ir plaukiojantys organizmai. Jų gausa priklauso nuo dugno grunto savybių, kuris, savo ruožtu, priklau-so nuo up÷s vandens t÷kmių dydžio ir pasiskirstymo (pavyzdžiui, zoo-bentoso daug÷ja sm÷l÷tame ar padengtame žvirgždu up÷s dugne). Šiuo metu populiaru sieti smulkiųjų vandens gyvūnų (bestuburių) paplitimą

139

upių sistemoje ir su hidrauliniais t÷km÷s parametrais: pločiu bei intakų eiliškumu (du smulkiausi intakai susijungdami sudaro antros eil÷s, pastarieji – trečios eil÷s intakus ir t. t.) (7.3 pav.).

7.3 pav. Fizin÷s up÷s aplinkos konceptualus modelis

(pagal Vannote ir kt., 1980)

140

Upių aukštupiuose tekantys 1–3 eil÷s upeliai yra tik 0,5–6 m pločio, tod÷l krantuose augantys krūmai ir medžiai savo šeš÷liais temdo siauros up÷s dugną. Tai mažina šeš÷liuojamo vandens tempe-ratūrą (1–2 0 C) bei l÷tina organin÷s medžiagos skaidymą. Visa tai tu-ri įtakos čia gyvenantiems stipresniems vandens organizmams: aukš-tupiuose apsigyvena up÷takiai ir kitos švarų ir sraunų vandenį m÷gstančios žuvys, kurios minta gausiai besiveisiančiais smulkinto-jais ir rinkikais (zoobentosu), skaidančiais ir perdirbančiais įvairiarū-šes šiukšles bei organines pūvančių augalų liekanas.

Vidurin÷je upių dalyje vandens t÷km÷s išplat÷ja iki 50–75 m, jas maitina jau didesni (4–6 eil÷s) intakai. Tod÷l pakrančių augalų ben-dra įtaka vagos šviesos pralaidumui sumaž÷ja, maž÷ja up÷s išilginiai nuolydžiai ir greičiai. D÷l to kinta zoobentoso rūšin÷ sud÷tis: padid÷-ja mintančiųjų t÷km÷s atnešamomis maisto medžiagomis, daug÷ja šviesą m÷gstančių dumblių. Visa tai turi įtakos ir žuvų gyvavimo są-lygoms bei up÷s morfologijai – įsivyravus hidraulinių sąlygų įvairo-vei, did÷ja ir žuvų rūšių įvairov÷ (Statzner ir kt., 1988).

Upių žemupiuose sutek÷jus dideliems (8–12 eil÷s) intakams ir dar labiau sumaž÷jus t÷km÷s greičiams bei padid÷jus vagos gyliams ir pločiams (iki 700 m), v÷l keičiasi vandens organizmų mitybos bei gyvenimo sąlygos: drumstesnis ir gilesnis vanduo mažiau praleidžia šviesos iki up÷s dugno, d÷l sumaž÷jusių t÷km÷s greičių dugne kau-piasi smulkių nešmenų ir dumblo sluoksnis. Šioje up÷s dalyje padi-d÷ja potvynių kaitos įtaka, nes periodiškai užliejama delta sukuria savitą ekohidraulinių sąlygų įvairovę.

Aprašytasis up÷s ekohidraulinių sąlygų konceptualus modelis yra labai apibendrintas ir mažai pritaikomas kiekvienu konkretaus up÷s at-kūrimo ar reguliavimo atveju. Pagrindin÷, dažniausiai pasitvirtinanti taisykl÷ yra ta, kad gamtoje susidaro daug didesn÷ hidraulinių, hidro-loginių ir morfologinių sąlygų įvairov÷, nei dirbtin÷se žmogaus iškas-tose vandentakose. Reguliuojant vagas ši įvairov÷ paprastai buvo tik mažinama (pavyzdžiui, vienodinami t÷km÷s greičiai ir vagos forma). D÷l to maž÷jo ir vandens ekosistemos atsparumas, skurd÷jo gamta. Šiuo metu sudarant upių vagų atkūrimo ir priežiūros projektus visa tai

141

tenka įvertinti ir taisyti, kontroliuoti ūkinę žmonių bendruomenių veik-lą ir numatyti jos galimus neigiamus padarinius. Ekologiškai prižiūrint upes, rekomenduojama laikytis šių pagrindinių reikalavimų:

1. Taškinių taršos šaltinių kontrol÷s (ypač nutekamųjų vandenų kokyb÷s kontrol÷s).

2. Baseino žem÷s naudojimo kontrol÷s (įskaitant ir vandens ap-sauginių juostų bei saugos nuo pasklidusios taršos).

3. Intakų ir pakrančių vandenų sezoninę kaitą atitinkančio debitų reguliavimo.

4. Up÷s vagos ir užliejamos salpos morfologinių sąlygų įvairovę skatinančios priežiūros.

5. Rekreacijos ir žvejybos sąlygų kontrol÷s. 6. Biotos ekspansijos kontrol÷s siekiant išvengti ekologinio

sprogimo – vienos ar kelių rūšių įsivyravimo d÷l tyčin÷s ar atsitikti-n÷s introdukcijos ar biologin÷s invazijos.

7.2. Upių antropogenin÷ tarša ir vandens kokyb÷

Upes terš÷ dar viduramžiais. XIII a. Anglijoje buvo išleistas įsa-kymas, draudžiantis Temz÷s up÷je plauti medžio anglis baiminantis užteršti žemupį. Daugelis didžiųjų Europos ir JAV upių – Elb÷, Du-nojus, Reinas, Ohio, Connecticut, Hudson buvo ypač užterštos XIX a. pabaigoje ir XX pradžioje. Pagrindinis taršos šaltinis – neva-lytos miestų nuotekos, pasižyminčios organin÷s medžiagų, skendin-čiųjų dalelių ir biogeninių medžiagų gausa ir biocheminiu deguonies suvartojimu (BDS). D÷l šios taršos labai sumaž÷jo ar visai išnyko kai kurios bestuburių gyvių rūšys ir augalai. V÷liau teršiamose up÷se žu-vys išnyko visai, o išliko ir suklest÷jo 1–2 išnyrančių iš vandens au-galų (makrofitų) bei 2–3 atspariausių taršai bestuburių rūšys, gausiai žyd÷jo dumbliai (Klein, 1962).

Problemos buvo didžiul÷s, tačiau jų sprendimo būdas paprastas ir palyginti aiškus. Anglijoje ši problema buvo išspręsta sukūrus Ka-rališkąją taršos valdymo komisiją. Panašiu keliu einama ir šiuo metu

142

besivystančiose šalyse – kuriamos analogiškos komisijos nuot÷kų debitams kontroliuoti.

Vienas iš pagrindinių nuotekų kiekio kontrol÷s padarinių buvo tai, jog visuomen÷ pripažino upes tinkamas nuotekoms nuvesti (paša-linti). Žmon÷s įvertino tai, kad, priešingai nei kituose g÷lo ar sūraus vandens telkiniuose, up÷se teršalai visada vandens t÷km÷s yra nune-šami žemyn nuo jų išleidimo vietos. Tol, kol žmonija buvo daugiau gamtos nei visuomen÷s dalis ir gyveno palyginti retai apgyvendinto-se teritorijose mažomis grupel÷mis, up÷s paj÷g÷ pačios susitvarkyti su biogenine tarša – apsivalyti ir išsaugoti palyginti gerą vandens ko-kybę. Deja, augant miestams, pramonei ir žem÷s ūkiui, daug÷jant gyventojų, padid÷jus gamtos išteklių vartojimui, vien nuotekų debitų kontrol÷s ÷m÷ nepakakti – tapo būtina kontroliuoti ir išleidžiamų į upes nuotekų išvalymo kokybę, t. y. upių intakų taršą. Nuotekų va-lymas pad÷jo išlaikyti tam tikrą (gana gerą) vandens telkinių kokybę. Šiuo metu pripažįstama, kad up÷s atneša daugeriopą naudą, tod÷l jų vandens kokyb÷ turi būti gana gera (atsižvelgiant į gamtosauginę ka-tegoriją ir upei keliamus tikslus). Pavyzdžiui, Anglijoje pagal tai up÷s suskirstytos į 6 pagrindines grupes:

1) žuvims tinkamas upes (6 grup÷s – nuo up÷takių iki netinkamų jokioms žuvims);

2) geriamo vandens vandenvietes (pagal ES direktyvų reikala-vimus);

3) žem÷s ūkio kultūroms dr÷kinti ir gyvuliams girdyti tinkamus upių sl÷nius;

4) pramoninio vandens vandenvietes; 5) specialaus gamtosauginio įstatymo saugomas teritorijas, kur

introdukuotos specialios augalų ar gyvūnų rūšys; 6) žmonių maudyn÷ms ir vandens sportui tinkamas (pagal che-

minius ir bakteriologinius standartus) upes. Aišku, kad up÷mis tekančio vandens kokyb÷ suprantama kaip kri-

tin÷ vert÷, kuri turi atitikti tam tikras leistinų normų ribas kiekvienai vandens vartojimo sričiai: g÷rimui, maudymuisi, buitin÷ms reikm÷ms, pramonei. Tokios Lietuvos mitybos centro bei Vilniaus universiteto ir

143

Radiacin÷s saugos centro parengtos geriamojo vandens higienos nor-mos pagal 12 toksinių medžiagų pateiktos 7.1 lentel÷je (HN, 1998).

7.1 lentel÷. Geriamojo vandens saugos ir kokyb÷s reikalavimai (Lietuvos higienos norma, HN 24:2003)

Analit÷s pavadinimas

Rai

ško

s vn

t.

Lei

dži

ama

ne

dau

gia

u n

ei

Analit÷s pavadinimas

Rai

ško

s vn

t.

Lei

dži

ama

ne

dau

gia

u n

ei

1 2 3 4 5 6

1. Arsenas, As l

gµ 10 13. Benzpirenas l

gµ 0,01

2. Cianidas, Cn l

gµ 50 14. 1,2-dichlore-tanas, C2H4CL2 l

gµ 3

3. Chromas, Cr l

gµ 50 15. Tetrachlore-tanas, C2Cl4 l

gµ 10

4. Fluoridas, F l

gµ 1,5 16. Trichlore-tenas, C2HCl3 l

gµ 10

5. Gyvsidabris Hg l

gµ 1 17. Boras, B l

mg 1

6. Kadmis, Cd l

gµ 5 18. Selenas, Se l

gµ 10

7. Nikelis, Ni l

gµ 20 19. Stibis, Sb l

gµ 5

8. Nitratai, NO3 l

mg 50

20. Benzenas, C6H6 l

gµ 1

9. Nitritai, NO2 l

mg 0,5

21. Epiclorhi-drinas, C3H5Cl l

gµ 0,1

10. Švinas, Pb l

gµ 25

(nuo 2013 m –10)

22. Pesticidai l

gµ 0,1

11. Varis, Cu l

mg 2

23. Pesticidų suma l

gµ 0,5

144

7.1 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4 5 6

12. Daugiacikliai aromatiniai angliavandeniai

l

gµ 0,1 24. Vanilo cloridas, C2H3

l

gµ 0,5

Upių ir ežerų taršos normas ir jų vandens kokybę paprastai nu-

rodo chemin÷s ir biologin÷s vandens taršos klasifikacija pagal ribinį (slenkstinį) biogeninių medžiagų ir bakterijų kiekį, leistiną (ne-kenksmingą) žuvims ir vandens organizmams egzistuoti ir vystytis. Daugeliu atvejų šios normos yra dar tik kuriamos (pagal biogenin÷s taršos įtakos gyviems organizmams tyrimų duomenis). Pavyzdžiui, yra patvirtintos 5 upių vandens kokyb÷s klas÷s (7.2 lentel÷).

Taigi upių ir ežerų vandens kokyb÷ priklauso nuo jo hidroche-minių parametrų (spalvos, šarmingumo, kietumo) ir biologinių van-dens ypatybių (kvapo, skonio, bakterijų kiekio). Pagrindiniai jų iš-vardyti 7.3 lentel÷je. Pagal biologinius rodiklius nustatoma vadi-namoji biologin÷ (mikrobiologin÷) vandens kokyb÷.

7.3. Biologin÷s vandens kokyb÷s nustatymo faktoriai

Biologinei vandens kokybei (arba vandens užterštumui) įvertinti reikia žinoti vandens užterštumą organin÷mis medžiagomis – sapro-biontiškumą, t. y. vandens organizmų geb÷jimą gyventi irstančių or-ganinių medžiagų terp÷je ir atsparumą nuodingiems tų medžiagų ski-limo produktams (pavyzdžiui, H2S, CO2, NH3 ) (Tumas, 2003).

Kiekvienas augalas ar organizmas sugeba pūti skirtingai, tod÷l gali būti naudojamas kaip biologinio užterštumo indikatorius. Lietu-vos vandens telkiniai pagal saprobiškumą skirstomi į 4 zonas (7.4 lentel÷, Pečiulis, 1985):

I – oligosaprobinę; II – beta mezosaprobinę; III – alfa mezosaprobinę; IV – polisaprobinę.

14

5

7.2 lentel÷. Lietuvos upių vandens kokyb÷s klasifikavimo kriterijai (patvirtinta LR aplinkos ministro 2001 m. spalio 25 d. įsakymu Nr. 525)

Kokyb÷s klas÷s Parametrai

Labai gera Gera Patenkinama Bloga Labai bloga

1 2 3 4 5 6

Visos up÷s ir upeliai

pH ≥7–≤8 ≥6–≤9 ≥6–≤9 ≥5–≤10 ≥4–≤11

Nejonizuotas amoniakas (mg/l) ≤0,020 ≤0,025 ≤0,025 ≤0,040 –

Lašišiniai vandens telkiniai

Maksimalus temperatūros padid÷jimas (°C) 0 1,5 2 4 >4

Maksimali temperatūra (°C) ≤18 ≤21,5 ≤24 ≤27 ≤30

Deguonis (m÷ginių skaičius %, koncentracija mg/l O2)

50%, ≥10 50%, ≥9 50%, ≥7 50%, ≥6 50%, ≥3

Deguonis, minimali koncentracija (mg/l O2) 8 6 6 3 –

Amonio jonai (mg/l NH4) <0,25 ≤1 ≤1,3 ≤2,5 ≤9

BDS7 (mg/l O2) <2,5 ≥2,5–≤4 >4–≤6 >6–≤17 >17

Karpiniai vandens telkiniai

Maksimalus temperatūros padid÷jimas (°C) 0 3 5 7 >7

Maksimali temperatūra (°C) ≤28 ≤28 ≤28 ≤30 ≤32

14

6

7.2 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4 5 6

Ištirpęs deguonis (m÷ginių skaičius %, koncentracija mg/l O2)

50%, ≥8 50%, ≥7 50%, ≥6 50%, ≥4 50%, ≥2

Ištirpęs deguonis, minimali koncentracija (mg/l O2)

6 4 3 – –

Amonio jonai (mg/l NH4) <0,25 ≤1 ≤2 ≤4 ≤9

BDS7 (mg/l O2) <4 ≥4–≤6 >6–≤10 ≥10–≤20 >20

147

7.3 lentel÷.Vandens kokybę lemiantys hidrocheminiai ir biologiniai rodikliai (pagal Kemp, 1998)

Fizikiniai Cheminiai Biologiniai

Spalva. Spalvingas vanduo – ne visada žalingas (vanduo,

tekantis per durpynus, dažnai yra rudo atspalvio, tačiau nekenksmingas)

Rūgštingumas ar šarmingumas. Švarus vanduo paprastai yra neutralios reakcijos

(pH = 6–7), o nukrypimai rodo

vandens taršą

Mikroorganizmų kiekis. Vanduo

netinkamas vartoti, kai jame yra dumblių ar

bakterijų. Koli bakterijų kiekis rodo

vandens bakteriologinį užterštumą

Drumstumas. Dumbl÷tas ar su daug bakterijų vanduo yra

drumstas. Prieš vartojant dažniausiai

yra filtruojamas

Kietumas. Jį nusako ištirpę kalcio ir

magnio junginiai – skalbiant nesusidaro putos, o kaitinant – susidaro nuos÷dos

ant paviršių

Skonis ir kvapas nusakomas

ištirpusiomis vandenyje kietomis

biologin÷s, mineralin÷s kilm÷s

dalel÷mis. Net maži jų kiekiai daro vandenį

neskanų

Ištirpęs deguonis. Svarbus

biologiniams ir cheminiams

procesams. Jo kiekis nusakomas cheminiu

ir biocheminiu deguonies

suvartojimu

Oligosaprobin÷ zona pasižymi nedideliu bakterijų ir nepatvarių

organinių junginių skaičiumi, dumble mažai detrito, mikrobų ir ben-toso organizmų (moliuskų, kirminų). Tokiame vandenyje gausu de-guonies, vanduo „nežydi”, O2 ir CO2 kiekis per parą kinta nežymiai. Tod÷l ši zona būdinga praktiškai švariems vandenims.

Beta mezosaprobin÷je zonoje O2 ir CO2 ypač kinta paros laiko-tarpiu: dieną deguonies daug, CO2 gali visai išnykti, naktį – priešin-gai, deguonies deficitas. Dumble daug detrito, intensyviai vyksta ok-sidaciniai procesai. Šiai zonai priklausančiuose vandenyse beveik

148

n÷ra nepatvarių organinių junginių, masiškai dauginasi siūlin÷s bak-terijos ir dumbliai.

Alfa saprobin÷s zonos vandenyje vyksta oksidaciniai ir redukci-niai procesai, daug CO2, maža O2, labai didelis vandens užterštumas pagal BDS, saprofitinių bakterijų – 10 000–100 000 /mililitre.

Polisaprobin÷s zonos vandenyje – daug baltyminių medžiagų ir jų anaerobinio irimo produktų, daug (100 000–1 000 000 /mililitre) saprofitinių bakterijų. Dugno nuos÷dose n÷ra deguonies, bet daug detrito, fotosintez÷ silpna, deguonis į vandenį patenka tik d÷l banga-vimo, vandenyje yra metano ir H2 S (toks vanduo vasarą dvokia). Šioje zonoje vystosi heterotrofiškai mintantys augalai, įvairios bakte-rijos (7.4 pav., c zona).

Apie vandens saprobiotiškumo lygį galima spręsti pagal bioindi-katorius (pavyzdžiui, raudonuosius dumblius ir vandens samanas), tačiau pavieniai indikatoriai negali tiksliai parodyti, kiek biologinis vanduo užterštas. Tam reikia kompleksiškai įvertinti bendrą bakteri-jų, vyraujančio zooplanktono, fitoplanktono, zoobentoso ir perifoto-no rūšių skaičių, t. y. nustatyti saprobiškumo indeksą SI (Biologinio paviršinių vandenų užterštumo nustatymo metodai, 1995). Šiam in-deksui nustatyti naudojami grybai, dumbliai, aukštesnieji augalai, pirmuonys, kirm÷l÷s, moliuskai, v÷žiagyviai, žuvys. Suskaičiuojamas hidrobiontų – indikatorių rūšių santykinis dažnumas ir jų priklauso-myb÷ tam tikroms klas÷ms (smulkiau galima paskaityti specialioje li-teratūroje). SI nustatymui naudojama formul÷:

( )∑∑=

h

hsSI

,, (7.1)

čia SI – saprobiškumo indeksas; s – kiekvienos indikatorin÷s rūšies saprobiškumo reikšm÷ (kinta nuo 1 iki 5); h – kiekvienos rūšies su-d÷tis procentais.

14

9

7.4 lentel÷. Vandens saprobiškumo apibūdinimas (pagal Pečiulį)

Saprobiškumo zonos Rodikliai

Polisaprobin÷ α-mezosaprobin÷ β-mezosaprobin÷ Oligosaprobin÷

Bakterijų skaičius 1 cm3 Šimtai tūkstančių,

milijonai Šimtai tūkstančių

Dešimtys tūkstančių

Dešimtys, šimtai

Bakterijų ÷dikai – konsumentai Labai daug Daug Nedaug Labai mažai

Organin÷s medžiagos – producentai

N÷ra Mažai Nedaug Daug

Žiediniai vandens augalai N÷ra N÷ra arba mažai Nedaug Daug

Ištirpusio deguonies šaltinis Difuzija Silpna fotosintez÷ Stipri fotosintez÷ Energinga fotosintez÷

Biocheminių procesų sąlygos, atsižvelgiant į deguonies kiekį

Anaerobin÷s Pusiau anerobin÷s Aerobin÷s Aerobin÷s

Biocheminių procesų pobūdis Redukciniai Redukciniai-oksidaciniai

Oksidaciniai Oksidaciniai

Mineralizuojamos organin÷s medžiagos

Baltymai, polipeptidai,

angliavandeniai

Amoniakas, aminorūgštys

Amoniakas, nitritai, nitratai

Nitratai

Anglies dvideginis Labai daug Daug Nedaug Labai mažai

Sieros vandenilis Daug Daug Labai mažai N÷ra

Geležies junginių forma FeS FeS + Fe2O3 Fe2O3 Fe2O3

15

0

7.4 pav. Ežero vandens skirstymas į ekosistemų juostas ir zonas [Heinrich and Hergt, 2000]:

a – trofogenin÷, t. y. maistą gaminanti zona; b – kompensacin÷ plokštuma; c – trofolitin÷, t. y. neperšviečiama zona)

151

SI indeksas apibūdina up÷s vandens kokybę, tačiau turi ir trū-kumų:

1) vienų hidrobiontų taksonomija yra nepakankama ar dis-ku-tuotina; dažnai jie n÷ra universalūs visoms up÷ms ir geografin÷ms vietov÷ms ir įvairiarūšiams teršalams; reikia tirti daug pavyzdžių;

2) kadangi hidrobiontų „tolerancija“ taršai nustatyta daugiausia steb÷jimais, o ne eksperimentais, ji gali būti subjektyvi (Slooff, 1983);

3) kiekvieno hidrobionto saprobiškumas vertinamas atskirai, ne-siejant su kitomis indikatorin÷mis rūšimis.

Aukščiau min÷tieji trūkumai iš dalies pašalinami vandens orga-nizmų įvairov÷s ir jų biologin÷s kokyb÷s vandens kokybei nustatyti kriterijais (K-indeksais). Apie 60 stebimų indikatorinių hidrobiontų skirstomi į 5 grupes, kurių kiekvienai priskiriamas taršos lygis (fak-torinis koeficientas, nuo 1 iki 5). Po to kiekvienos indikatorin÷s rū-šies organizmų individų kiekis dauginamas iš grup÷s taršos lygio koeficiento ir sumuojama, t. y. nustatoma K indekso vert÷ (nuo 100 iki 500):

135K = (% Eristalis + Chironomus grup÷) × 1 +

(% Hirudinca grup÷) × 3 +

(%Gammarus + Calopteryx grup÷) × 5. (7.2)

Deja, ir biologin÷s įvairov÷s indeksai n÷ra universalūs, tinka-miausi tik atliktų eksperimentų vietoms. Tod÷l šiuo metu vandens organizmų biologinę įvairovę vertinantys kriterijai vis dar tobulinami ir kiekvienoje šalyje gali skirtis. Visų tiriamųjų faktorių patikimumas vertinamas statistiškai, tam panaudojant daugiakriterę analizę ir eks-

perimentą, ypač atsižvelgiant į rūšių įvairov÷s indeksą ∗H (Washington, 1984):

N

N

N

NH ii

2log∑−=∗ , (7.3)

čia N – bendras visų pasirinktų indikatorinių rūšių skaičius; iN –

pasirinktoms rūšims priklausančių individų skaičius.

152

Taigi įvairov÷s indeksas matematiškai aprašo tris svarbiausius bendrijos komponentus: turtingumą (pasirinktų rūšių skaičius), vie-narūšiškumą (individų kiekis rūšyje) ir gausumą (bendras pasirinktų organizmų skaičius). Nepažeistos ekosistemos pasižymi didele bio-logine įvairove ir turtingumu (Mason ir kt., 1985). Vandens tarša or-ganin÷mis medžiagomis paprastai lemia įvairov÷s ir vienarūšiškumo sumaž÷jimą (išnyksta jautriausios taršai rūšys) bei biomas÷s padid÷-jimą d÷l atsparių taršai rūšių ir maistinių medžiagų pagaus÷jimo. Priešingai, toksin÷s medžiagos ar rūgštys mažina ir įvairovę, ir bio-masę, nes neatsiranda papildomo maisto, tačiau padid÷ja likusių in-dikacinių rūšių vienarūšiškumas (Kovalak,1981).

Ekohidrauliniu požiūriu svarbu tai, kad vandens t÷km÷s teigia-mai veikia planktono migraciją, aeraciją ir turbulentinį susimaišymą, t. y. vandens biologinę kokybę. Stovintys vandenys (nors vanduo į juos gali įtek÷ti ir ištek÷ti) yra santykinai uždaros ekosistemos, te-kantys – atviros, glaudžiai susijusios su sausuma ir nuolat keičiančios savo formą (d÷l krantų ir dugno erozijos ar nešmenų akumuliacijos). Taigi, kokybinis ir kiekybinis vandens organizmų (biocenozių) pasi-skirstymas parodo priedugnio vandens sluoksnio ir telkinio dugno užterštumo lygį. Kaip min÷ta, gana švariuose vandenyse yra didel÷ bentoso bendrijų rūšin÷ įvairov÷, normali vandens ekosistemos būk-l÷. Užterštuose vandenyse išnyksta kai kurioms medžiagoms jautrios organizmų grup÷s, o kartais – ir rūšys, arba jos persiskirsto. Tod÷l biotinio indekso nustatymo sistema d÷l did÷jančio užterštumo remia-si labiausiai paplitusių organizmų išnykimu (7.5 lentel÷): žinomų plokščiųjų kirm÷lių rūšių, visų d÷lių rūšių, v÷žiagyvių, moliuskų, vandens erkių, lašalų lervų, mašalų, blakių ir apsiuvų lervų, uodų ir jų lervų.

Žinant biotinį indeksą bei indikatorinių organizmų kiekį, nusta-toma tiriamo vandens užterštumo klas÷ (7.6 lentel÷).

153

7.5 lentel÷.Vandens telkinių biotinio indekso nustatymas

Biotinis indeksas pagal bendrą grupių skaičių Atstovaujantys

organizmai Rūšin÷ įvairov÷

0–

1

2–

5

6–

10

11

–15

16

ir >

Ankstyvių lervos Daugiau nei 1 rūšis. Tik 1 rūšis

- -

7 6

8 7

9 8

10 9

Lašalų lervos Daugiau nei 1 rūšis. Tik 1 rūšis

- -

6 5

7 6

8 7

9 8

Apsiuvų lervos Daugiau nei 1 rūšis. Tik 1 rūšis

- -

4 4

5 5

6 6

7 7

Gamaridai Anksčiau išvardytų rūšių n÷ra

3 4 5 6 7

Vandens asiliukas

Anksčiau išvardytų rūšių n÷ra

2 3 4 5 6

Tubificidai arba hironomidų lervos

Anksčiau išvardytų rūšių n÷ra

1 2 3 4 -

Visų anksčiau išvardytų rūšių n÷ra

Gali būti rūšių, nereiklių deguoniui

0 1 2 - -

7.6 lentel÷.Vandens kokyb÷s klas÷s pagal biotinį indeksą

Vandens klas÷

Vandens kokyb÷

Santykinis mažašerių kirmin÷lių kiekis proc. nuo bendro dugno organizmų

kiekio

Biotinis indeksas

I Labai švarus 1–20 10

II Švarus 21–35 7–9

III Vidutiniškai

užterštas 36–50 5–6

IV Užterštas 51–65 4

V Labai užterštas 66–85 2–3

VI Nepaprastai

užterštas 86–100 arba makrobentoso

nerasta 0–1

154

Kaip min÷ta, vertinant upių (tekančio vandens) kokybę gali būti atsižvelgiama ir į fizikinius (hidraulinius) bei cheminius faktorius. Pavyzdžiui, Anglijos up÷mis tekančio vandens kokybei nustatyti naudojami tokie fizikiniai ir cheminiai kriterijai (7.7 lentel÷):

7.7 lentel÷. Įvairių gamtosauginių fizikinių ir cheminių kriterijų (kintamųjų), naudojamų nustatant upių vandens kokybę Anglijoje, sąrašas (Wright ir kt., 1989)

Fizikiniai kriterijai Cheminiai kriterijai 1 2

Atstumas nuo taršos šaltinio Nuolydis Altitud÷ Debitas Vidutinis vagos plotis Vidutinis vagos gylis Paviršiaus t÷km÷s greitis (maks., vid., min.) Vidutinis substrato dydis Vyraujantis (dominuojantis) nešmenų dalelių dydis (maks., vid., min.) Substrato nevienarūšiškumas Makrofitų (augalų) dangos, % (maks., vid., min.) Oro temperatūrų kitimo diapazonas Vidutin÷ oro temperatūra

pH Ištirpęs deguonis Bendras ištirpusio azoto kiekis Chloridai Ištirpę fosfatai Bendras šarmingumas

Vandens kokyb÷s kriterijai daugelyje šalių suprantami panašiai,

tačiau juos lyginti ir pritaikyti praktikoje n÷ra paprasta d÷l ribinių są-lygų įvairov÷s ir sud÷tingų tarpusavio. Visa tai lemia tolesnio hidro-ekologijos mokslo vystymo poreikį.

7.4. Ištirpusio deguonies įtaka vandens kokybei

Ištirpusio vandenyje deguonies kiekis yra vienas iš svarbiausių indikatorių analizuojant upių ir kitų natūralių telkinių vandens koky-bę. Nuo jo priklauso vandens augalų (dumblių) ir gyvūnų (biologi-

155

nis) (BDS5) deguonies suvartojimas. BDS5 naudojamas kaip biologi-nio vandens kokyb÷s indekso indikatorius, parodantis bendrą deguo-nies kiekį, būtiną į vandenį patekusiems teršalams suardyti. Deguo-nio reikia ir azoto oksidavimo (nitrifikacijos) procesams, dumbliams kv÷puoti, dugniniuose nešmenyse esančių bentosinių organizmų po-reikiams tenkinti. Ištirpusio vandenyje deguonies koncentracija pri-klauso ir nuo vandens augalų fotosintez÷s proceso metu pagaminamo deguonies, ir nuo iš atmosferos į vandenį patenkančio ar į ją atgal sugrįžtančio O2 kiekio. Taigi vandenyje nuolat vyksta nuo BDS5, nit-rifikacijos, fotosintez÷s, sedimentacijos, augalų kv÷pavimo ir aeraci-jos priklausoma deguonies apykaita (7.5 pav.).

7.5 pav. Vandens telkinyje ištirpusio deguonies balansas

Vandenyje ištirpusio deguonies kiekis n÷ra pastovus, priešingai, jis nuolat kinta. Egzistuoja priklausanti nuo temperatūros ir sl÷gio ri-bin÷ ištirpusio vandenyje deguonies koncentracija (Tumas, 2003). Gamtin÷mis Vidurio juostos sąlygomis atvirų vagų paviršiuje esant normaliam atmosferiniam sl÷giui bei keičiantis vandens temperatūrai nuo 1 °C iki 30 °C, viršutiniame ežero vandens paviršiuje 1 litre van-dens ištirpsta iki 14,2–7,6 mg O2 (7.8 lentel÷).

156

7.8 lentel÷. Prisotinto, ištirpusio vandenyje deguonies ir vandens temperatūros eksperimentin÷ priklausomyb÷ [R. Tumas, 2003]

Vandens temperatūra (°C ) Ištirpusio vandenyje deguonies

kiekis (mg O2/l)

1 14,2

5 12,8

10 11,3

15 10,0

20 9,1

25 8,3

30 7,6

Vandens t÷km÷je ištirpusio deguonies koncentracijos pokyčiams

d÷l temperatūros apibūdinti gali būti naudojamasi konceptualia de-guonies balanso lygtimi:

[ ]

( ) ),()(

)()()()()(

21

0000

2

2

tAkktckk

tckkh

SODtcktctck

dt

tdc

ii

aabbs

ρµα

α

η−η+

−−−−−= (7.4)

čia ( )tc0 ir ( )tcs0 – ištirpusio vandenyje deguonies koncentracija ir

prisotinimo deguonimi koncentracija; )(tcb – BDS5 koncentracija

esant t vandens temperatūrai (°C); +− 4)( NHtca – koncentracija

esant t vandens temperatūrai (°C); −− 2)( NOtci – koncentracija esant t vandens temperatūrai (°C); ( )tA – dumblių biomas÷s koncentracija, esant t vandens temperatūrai (°C); 0k – aeracijos koeficientas;

−bk BDS5 (irimo, puvimo) koeficientas; +− 4NHka – oksidacijos

koeficientas; −− 2NOki – oksidacijos koeficientas; µk – dumblių

augimo koeficientas; ρk – dumblių kv÷pavimo koeficientas; SOD –

pagal temperatūrą pritaikyta nešmenų oksidavimo norma; h – vidu-tinis up÷s gylis skerspjūvyje;

1αk – azoto vienetiniam kiekiui oksi-

duoti į nitritus sunaudojamas deguonies kiekis; 2αk – nitritų vieneti-

157

niam kiekiui oksiduoti į nitratus sunaudojamas deguonies kiekis;

1η – dumblių biomas÷s (d÷l fotosintez÷s) vieneto pagaminamas de-

guonies kiekis; 2η – deguonies kiekis, sunaudojamas dumblių bio-

mas÷s vienetui kv÷puoti. Deguonies apykaitos vandenyje procesas yra gana sud÷tingas ir

jam įvertinti reikia žinoti daugelį empirinių koeficientų. Juos nustaty-ti yra daugelio mokslo tiriamųjų darbų tikslas ir tai neįeina į šį eko-hidraulikos kursą. Ekohidrauliniu požiūriu aktualiausias yra tekančio vandens aeracijos koeficiento 0k nustatymas. Įrodyta, kad atmosfe-

ros oras gali būti „pagaunamas“ audringai t÷kmei atsimušant į pavir-šiuje stovinčią bangą (hidraulinį volą) ir įtraukiamas į vandens srauto paviršinį sluoksnį (Chanson, 1997). Audringose t÷km÷se gali net šiek tiek pakilti vandens lygis. Taigi atmosferos deguonis paprastai „gau-domas“ hidraulinio šuolio formavimosi vietose (7.6 pav.).

a b

7.6 pav. Hidraulinio šuolio per Dotnuv÷l÷s upelio slenkstį (a) ir bebrų užtvanką (b) metu susidarę vandens-oro purslai

Tyrimai parod÷, kad įtraukiamo į vandenį atmosferos oro debitas ypač priklauso nuo audringos t÷km÷s pasikeitimo ramiu tek÷jimu są-lygų, kurios, savo ruožtu, gali būti apibūdinamos hidraulinio šuolio kinetine energija (Frudo skaičiumi) ir kitomis t÷km÷s viršutiniame bjefe sąlygomis (pavyzdžiui, įtek÷jimo į t÷kmę mažinantį šulinį).

158

Ekohidrauliniams skaičiavimams gali būti naudojamos empirin÷s formul÷s (Rajaratnam, 1967, Wisner, 1965):

( ) 245,11 1Fr018,0 −≈

Q

Qoro , (7.5)

( ) 4,11 1Fr014,0 −≈

Q

Qoro , (7.6)

čia oroQ – į t÷kmę įtraukiamo oro debitas; Q – vandens t÷km÷s de-

bitas; 31

2

2

1

21

1FrhgB

Q

gh

v == – Frudo skaičius pirmajam audringam hid-

raulinio šuolio ruožui; 1h – pirmasis susietas hidraulinio šuolio gylis;

B – vagos plotis skaičiuojamajame stačiakampiame skerspjūvyje;

1v – vidutinis t÷km÷s greitis pirmajame susietame hidraulinio šuolio

skerspjūvyje. Gamtin÷se vagose t÷km÷ netolygin÷, ramų tek÷jimo režimą daž-

nai keičia audringas, ir atvirkščiai. D÷l aukščiau pamin÷to atmosferos oro įtraukimo r÷vose tokios t÷km÷s pasižymi didesniu ištirpusio de-guonies vandenyje kiekiu, taigi ir geresn÷mis vandens organizmų eg-zistavimo sąlygomis. Be to, mažų upelių šlaitus apaugę krūmai ir me-džiai dalinai uždengia vagas ir taip karštomis vasaromis sumažina vandens įšilimą. D÷l jo tokių upelių vandenyje irgi išlieka daugiau iš-tirpusio deguonies. Taigi gamtin÷s dirbtinai nereguliuotos vagos yra palankesn÷s žuvims bei kitiems vandens organizmams net ir vandeny-je ištirpusio deguonies atžvilgiu. Papildomą gamtinių vagų aeraciją paprastai sukelia bebrų sukasti ar žmonių įrengti neaukšti slenksčiai. Kai kurių mokslininkų duomenimis, tokie slenksčiai ir greitviet÷s gali padidinti vandens prisotinimą deguonimi net iki 60 % (Toombes and Chanson, 2000, Kim and Walters, 2001). Į tai naudinga atsižvelgti at-kuriant (renatūralizuojant) anksčiau kanalizuotas vagas. Tačiau žmo-gaus įrengti slenksčiai ar kiti up÷s vagą pertveriantys hidrotechniniai statiniai paprastai keičia nusistov÷jusį nešmenų režimą, blogina žuvų ir kitų vandens organizmų migracijos sąlygas – visa tai taip pat reikia

159

įvertinti. Tuo tarpu pačios gamtos siūlomos natūralios vandens aeraci-jos priemon÷s – stambūs, retai apsemiami akmenys tokių neigiamų padarinių paprastai nesukelia. Pavyzdžiui, Istambulo technikos univer-siteto mokslininkai (Cokgor et. al., 2004), atlikę eksperimentinius iš-tirpusio vandenyje deguonies matavimus už pavienio 15 × 15 × 15 cm dirbtinio akmens nustat÷, kad tokie akmenys up÷s vagoje priklauso nuo vandens t÷km÷s charakteristikų ir gali padidinti vandens prisoti-nimo deguonimi laipsnį nuo 0 iki 26 % (7.7 pav.).

Beje, ne visai apsemti akmenys ne tik pagausino ištirpusį vande-nyje deguonį (visiškas prisotinimas eksperimento sąlygomis buvo 8,25 mg/l), tačiau ir suvienodino jo pasiskirstymą vertikal÷je, nes ge-riau išsilygino turbulentin÷s t÷km÷s greičių epiūros. Taigi stambiais akmeniais stiprinant up÷s dugną kartu gerinamas ir t÷km÷s prisotini-mas deguonimi, t. y. jos ekohidraulin÷s sąlygos.

7.7 pav. Ištirpusio vandenyje deguonies kaita aptekant pavienę akmens

kliūtį [Cokgor ir kt., 2004]

7.5. Lietuvos upių vandens taršos biogenin÷mis medžiagomis analiz÷s pavyzdys

Intensyv÷janti Lietuvos ūkin÷ veikla taip pat l÷m÷ ir gamtą, o hid-rotechnin÷ melioracija sudar÷ palankias sąlygas pl÷sti ir skatinti žem÷s

160

ūkio gamybą. Tačiau pasikeitus planinei ekonomikai į rinkos ekono-miką, tiek pramon÷s, tiek žem÷s ūkio gamyba Lietuvoje sumaž÷jo, mažiau buvo naudojama trąšų. Tapo aktualu analizuoti, kaip kinta vandens telkinių kokyb÷, pasikeitus ūkin÷s veiklos intensyvumui. Bu-vo analizuojamas upių nuot÷kis ir biogeninių medžiagų vidutinių kon-centracijų kaita per ilgą laikotarpį (1974–2003 m.). Tyrimai atlikti 10 upių, esančių skirtingose Lietuvos hidrologin÷se srityse, kuriose skir-tingos fizin÷s-geografin÷s sąlygos (A. Lukianas ir kt., 2006).

Nustatyta, kad pirmojo laikotarpio metu (1974–1990 m.) nitratų vidutinių koncentracijų didžiausia kitimo amplitud÷ buvo Vakarų Lietuvos up÷se – Akmenoje (nuo 0,030 iki 4,858 mg/l), Ventoje (nuo 0,044 iki 3,964 mg/l) bei Šešuvyje (nuo 0,040 iki 2,845 mg/l) (7.8 pav.).

7.8 pav. Lietuvos upių plukdomo azoto N ir fosforo P vidutiniai kiekiai

1993–1998 m. (Tumas, 2003)

161

Kitose up÷se ši amplitud÷ šiek tiek mažesn÷ – nuo 0,00 iki 2,86 mg/l. Antrojo laikotarpio metu biogeninių medžiagų koncentra-cijų kitimo amplitud÷s kai kuriose up÷se (Neryje, Šventojoje, Jūroje, Akmenoje) sumaž÷jo, tačiau daugelyje kitų upių padid÷jo. Išanalizavus nitratų ir fosfatų didžiausių leistinų koncentracijų (DLK) viršijimų tendencijas nustatyta, kad DLK ypač viršytos per 1991–2003 m. laikotarpį, ir ypač Vidurio Lietuvos up÷se (iki 32–42 %). Šią tendenciją puikiai iliustruoja nitratų koncentracijų L÷vens up÷s vandenyje chronograma (7.9 pav.).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Merkys Šventoji Žeimena Neris L÷vuo Šešup÷ Venta Akmena Jūra Šešuvis

DLK viršijimų skaičius

1974–1990 m.

1991–2003 m.

7.9 pav. Nitratų DLK viršijimų skaičius 10 Lietuvos upių (Lukianas, 2006)

Ši analiz÷ rodo, kad yra gana didel÷s metinių mineralinio azoto srautų kitimo amplitud÷s. Didžiausi srautai stebimi Vakarų Lietuvos up÷se, kuriose vandeningais metais jie viršijo net 1000 kg/km2. Vidutinio vandeningumo metais šiose up÷se biogeninių teršalų srautai svyravo nuo 297 iki 1530 kg/km2, o mažo vandeningumo – nuo 168 iki 938 kg/km2. Mažiausi srautai buvo Pietryčių Lietuvos up÷se – vandeningais metais jie svyravo nuo 157 iki 573 kg/km2, vidutinio vandeningumo – nuo 110 iki 338 kg/km2, o mažo vandeningumo metais – nuo 94 iki 381 kg/km2. Vidutiniškai per 1993–2003 m. laikotarpį metiniai mineralinio azoto srautai Pietryčių

162

Lietuvos up÷se kito nuo 145 iki 327 kg/km2, Vidurio Lietuvos up÷se – nuo 252 iki 445, o Vakarų Lietuvos – nuo 475 iki 1044 kg/km2. Per šį laikotarpį absoliučiai didžiausias srautas buvo stebimas Akmenoje 1998 m. (1626 kg/km2), o mažiausias – L÷venyje 2002 m., kai jis tesiek÷ tik 61 kg/km2.

Analizuojant tiek mineralinio azoto, tiek fosfatų srautų kaitą, nustatyta, kad ji pagal metų sezonus yra panaši upių nuot÷kio pasiskirstymui per metus. Lietuvoje metų nuot÷kio mažiausią dalį (vidutiniškai 16,0 %) sudaro vasaros nuot÷kis, o pavasario bei rudens–žiemos sezonų metu nuot÷kis atitinkamai 43,3 ir 40,7 %. Mineralinio azoto daugiausia pernešama rudens–žiemos sezonu. Pavyzdžiui, Pietryčių Lietuvos up÷se šiuo sezonu pernešama vidutiniškai 51,7 % nuo metinio srautų dydžio, Vidurio Lietuvos up÷se – 51,9 %, o Vakarų Lietuvos up÷se – 65,4 %. Mažiausiai – vasaros sezoną. Jo metu srautai up÷se pagal min÷tas hidrologines sritis atitinkamai sudar÷ 13,7; 13,1 ir 7,2 %. Pavasario metu srautai buvo atitinkamai 34,6; 35,0 ir 27,4 % nuo metinio dydžio. Taigi patenkamų biogeninių medžiagų į Lietuvos upes kiekiai kur kas labiau priklauso nuo hidroekologinių sąlygų (kritulių nuotakio pasiskirstymo) nei nuo kitų (pavyzdžiui, agrotehninių) veiksnių. Beje, fosfatų srautų absoliutūs dydžiai yra žymiai mažesni, negu mineralinio azoto, be to, jų kaitos amplitud÷s taip pat yra mažesn÷s, n÷ra tokių ryškių skirtumų tarp srautų dydžių up÷se, tekančiose skirtingose hidrologin÷se srityse. (Pavyzdžiui, fosfatų srautai Pietryčių Lietuvos up÷se kito nuo 4 iki 24 kg/km2, Vidurio Lietuvos up÷se – nuo 3 iki 43 kg/km2, o Vakarų Lietuvos up÷se – nuo 4 iki 42 kg/km2).

Norint užtikrinti gana gerą Lietuvos upių vandens kokybę, tai-komos įvairios (organizacin÷s, ekonomin÷s) vandens kokyb÷s kont-rol÷s priemon÷s.

163

8. REGULIUOTŲ UPELIŲ ATKŪRIMO IR SAVAIMIN öS NATŪRALIZACIJOS HIDRAULINIAI KLAUSIMAI

Sausinant žemes daugelis upelių buvo reguliuoti, t. y. pagilinti ir ištiesinti. Tokiems upeliams prižiūr÷ti ir palaikyti projektinę būklę reik÷jo ir tebereikia vis daugiau darbo ir l÷šų šlaitų bei dugno augali-jai ir dumblui šalinti. Tačiau pakeistos upelių vagos pakeit÷ ir eko-hidraulinį pralaidumą, valomajį vandens augalų poveikį. D÷l to upe-liuose ÷m÷ trūkti švaraus vandens, labai pablog÷jo gamtin÷s įvairov÷s sąlygos vandens gyvūnams ir žuvims. Pasikeitus ekonomi-n÷ms sąlygoms žem÷s ūkyje, sumenkus tokių upelių gamtinei įvairo-vei ir nenaudinga linkme keičiantis hidroekologiniam režimui, aktua-lu peržiūr÷ti tokių reguliuotų upelių priežiūros technologiją ir praktiką, ieškoti būdų, kaip nors iš dalies atkurti sutrikdytą hidrolo-ginę ir gamtinę pusiausvyrą, tam naudojant kuo mažiau l÷šų. Kartu svarbu analizuoti natūralių reguliuotų upelių vagų deformacijas ir se-dimentacijos, t÷kmių kaitos sąlygas.

8.1. Upelių ir kanalų hidraulini ų ir nešmenų dinamikos procesų analiz÷

Ekohidraulinio proceso požiūriu natūralūs ir reguliuoti upeliai yra ir panašūs, ir skirtingi. Vienas iš svarbiausių skirtumų – natūra-laus upelio meandravimas horizontalioje ir vertikalioje plokštumose (8.1, 8.2 pav.).

Danų mokslininkų išmatavo, kad meandrų ilgis L priklauso nuo upelio pločio B. Dažniausiai ( )BL 1410−= . Daugelis tyrin÷tojų tvir-

tina, kad tekantis vandens srautas energiją atiduoda įveikti savo t÷k-m÷s kelio hidraulinius pasipriešinimus ir sudaryti vagos formą (Altu-nin, 1979, Grishanin, 1974). Natūraliose, žmogaus veiklos nepakeistose upelių vagose per ilgą laiką paprastai įsivyrauja vadi-namoji dinamin÷ pusiausvyra, reiškianti, kad atsižvelgiant į t÷km÷s

164

8.1 pav. Natūralaus upelio meandravimo pavyzdys

a

b

8.2 pav. Upelio vagos dugno meandravimas

debitą ir nuolydį susidaro atitinkama vagos forma ir transportuojamų nešmenų kiekis. Planinių deformacijų – meandrų ilgiui aprašyti nau-dojamos ir gana sud÷tingos teoriniu bei empiriniu būdu išvestos for-mul÷s. Pvz., žem÷je iškastiems kanalams ir vagoms stabilios planin÷s

165

deformacijos ilgį L T. G. Voinič-Sianoženskis ir N. V. Kereselidz÷ siūlo nustatyti pagal formulę (Voinich, 1975)

2/1

12

β−

β=

f

f

Ck

g

ChL , (8.1)

čia fC – Šezi koeficientas; β – Businesko koeficientas

( 2422−≈β m1/2/s), apskaičiuojamas pagal (3.10) formulę; k – lo-

garitminio t÷km÷s greičių pasiskirstymo parametras; h – vidutinis t÷km÷s gylis; g – gravitacin÷s j÷gos pagreitis; L – stabilios planin÷s

deformacijos ilgis. Pritaikius Šezi koeficientui V. N. Gončiarovo formulę, gauna-

mas ribinis stabilios meandros ilgis LГ:

−

≈Γ

6/16/1

2140

h

dk

d

hhLk , (8.2)

čia d – vidutinis vagą formuojančių nešmenų dalelių dydis; krL –

stabilios meandros ribinis ilgis. Smulkaus sm÷lio ir priesm÷lio gruntuose iškastiems kanalams

formul÷s (8.2) kvadratiniuose skliautuose esančio reiškinio dydis ar-timas 1, tod÷l ši formul÷ gali būti pakeičiama paprastesne:

6/1

40

≈Γ d

hhLk . (8.3)

Pagal Gončiarovą, jeigu tiesia linija tekančiame sraute atsiradusi kliūtis iškreivina vagą daugiau kaip krL , atsiranda vagos planin÷ de-

formacija, kuri tampa stabili ir formuoja vagą. Be abejo, šiuos d÷sningumus pritaikant praktikoje, susiduriama

su sunkumais, kadangi upeliuose ir kanaluose tiek vandens t÷km÷s debitai, tiek vandens gyliai ir nešamų nešmenų dydžiai yra nepasto-vūs laikui b÷gant ir nuolat kinta. Vis d÷lto up÷s vagos formą lemia vadinamasis vagos formavimo debitas, kai dažnai pasitaikantis tam tikros tikimyb÷s vandens srautas pripildo vagą iki kraštų. (Savaimi-

166

nei vagos savigrindai didžiausią poveikį daro dalel÷s, didesn÷s kaip 15 % vagos grunto granuliometrin÷s sud÷ties, t. y. 15dd ≥ .)

Šitoks srautas ne tik suformuoja palyginti stabilią vagą, bet ir d÷l skersinių t÷kmių cirkuliacijos paj÷gus nešti didelį kiekį į vagą iš lau-kų patekusias smulkiąsias nešmenų daleles kaip skendinčiuosius nešmenis. Kaip teigia V. S. Altuninas, remdamasis gausia savo ir ki-tų mokslininkų surinkta medžiaga, meandruojančios t÷km÷s paneša-mas skendinčiųjų nešmenų debitas mq yra 3,0–3,5 karto didesnis už

tokių pat hidraulinių parametrų tiesios t÷km÷s panešamą debitą tq

[Altunin, 1988]. V. S. Altunino duomenimis, tai priklauso nuo t÷k-mių vidutinio greičio v bei neplaunamojo greičio 0v santykio ir gali

būti aproksimuota priklausomybe

320220

,v

v,

q

q

t

m −= . (8.4)

Taigi meandruojanti vaga yra mažiau užnešama dumblu. To pa-ties V. S. Altunino duomenimis, d÷l t÷km÷s poveikio susidariusi že-m÷s kanalų pastovi vagos forma, t. y. vagos pločio B ir jos gylio h santykis, taip pat priklauso nuo aukščiau išvardytų parametrų ir gali būti apibūdinamas plačiai žinoma vagos hidromorfologinio proceso stabilumo lygtimi

,

8/1

2

α=

gdd

Q

h

By (8.5)

čia

=α

0v

vfy – kinematinis-morfologinis vagos pastovumo api-

būdinamasis parametras; Q – t÷km÷s debitas; d – vidutinis vagos

dugną sudarančio grunto ar savigrindos sluoksnio dalelių skersmuo. Pagal (8.5) formulę atlikti pastovios vagos formos skaičiavimai

atitinka pagal (5.18) formulę apskaičiuotą M. Grišanino pastovumo

kriterijų ir parodo, kad didelių upių vagoms h

B gaunamas 20–25.

167

Mažų upelių, kurių vagą formuoja maži debitai iki 20 l/s, šis dydis yra 6–8, o visai mažoms vagel÷ms, besivingiuojančioms platesniu l÷kštu sl÷nio šlaitu, jis sumaž÷ja iki 4–5. Visų pastovių gamtinių va-gų forma – parabolin÷. D÷l did÷jančio debito, maž÷jančių nuolydžių ir besikeičiančių gruntų natūralaus upelio meandrų dažnis ir vagos forma tekant jam nuo ištakų žiočių link kinta – meandrų ilgis bei va-gos plotis žemupio link did÷ja (8.1 pav.). Natūralioje meandruojan-čioje vagoje d÷l inercinių srauto j÷gų bei cirkuliacinio t÷km÷s pobū-džio atsiranda ir laisvo meandravimo pobūdį atitinkančios vertikalin÷s cikliškos deformacijos. Tai reiškia, kad vagos posūkiuo-se plaunamame krante atsiradusias sietuvas cikliškai keičia tiesiuose ruožuose atsiradusios r÷vos (8.2 pav.). Atitinkamai pasikeičia ir va-gos forma: dalis išplauto vienam krante sm÷lio paprastai nusodinama priešingoje dugno pus÷je, o plaunamose r÷vose susidaro atspari t÷k-m÷s eroziniam poveikiui žvyro ir akmenukų savigrinda. Jeigu tokios meandruojančios vagos krantų erozija stabdoma apaugančių žolių, krūmų ir medžių šaknų bei stiebų, tai natūralios vagos dugnas tampa įvairus: sraunias r÷vas keičia sietuvos, saul÷s apšviestas vietas – pa-v÷sis. Įvertinus dar krantuose augančių vandens augalų bei krūmų didelį apvalomąjį poveikį, matyti, kad natūralioje vagoje vanduo ne-abejotinai geriau apsivalo, o d÷l besikeičiančios t÷km÷s susidariusi dugno įvairov÷ skatina žuvų, bestuburių ir kitų vandens gyvių įvairo-v÷s vystymąsi.

D÷l melioracijos reguliuojant upelius, visos šios išvardytos natū-ralių meandruojančių t÷kmių savyb÷s sunyko. Ištiesinus vagas, neiš-vengiamai 1,5–2,0 kartus padid÷jo jų išilginiai nuolydžiai ir t÷km÷s greičiai, t. y. t÷km÷s erozinis paj÷gumas ir velkamų nešmenų debitas. Nors kažkiek didesnių upelių ir upių buvo palikti natūralūs, išaugęs jų ištiesintų intakų velkamų nešmenų debitas keičia ir pastarųjų vagų tolesnį formavimąsi. Kanalų aukštupiuose, padid÷jus jų plaunamajai galiai, erozijos veikiami nepakankamai sutvirtintas dugnas ir krantai; jie dažnai paplaunami ir nuslenka (8.3 pav.).

168

8.3 pav. T÷km÷s erozinis poveikis d÷l krantų paplovimo nesustiprintoje

reguliuotoje vagoje

D÷l šios priežasties reguliuotų upelių aukštupių projektin÷ vagų forma keičiasi, upelių vagos plat÷ja ir sekl÷ja. Žemutin÷je dalyje nešmenų prisotintas srautas l÷t÷ja, nešmenys iškrenta kaip dumblas, nes bet kokios t÷km÷s skendinčiųjų nešmenų transportinis paj÷gumas priklauso nuo t÷km÷s greičio v , nešamų nešmenų hidraulinio stam-bumo 0w ir t÷km÷s turbulentiškumo.

Šis transportinis paj÷gumas paprastai išreiškiamas tokio tipo formul÷mis (Grishanin, 1969, Velikanov, 1958):

0

4

gw

vkq x

s = , (8.6)

čia v – vidutinis t÷km÷s greitis; g = 9,81 m/s – žem÷s traukos pagrei-tis; w0 – hidraulinis skendinčiųjų nešmenų stambumas (nešmenų da-lelių nusistov÷jęs skendimo greitis); xk – t÷km÷s turbulentiškumo

vertinamasis empirinis koeficientas, nustatomas hidrometriniais ma-tavimais; sq – t÷km÷s nešmenų lyginamasis transportinis paj÷gumas

(lyginamasis debitas). Be abejo, meandruojančios t÷km÷s vidutinis greitis v d÷l suma-

ž÷jusio nuolydžio mažesnis nei ištiesintos, tod÷l, nepaisant padid÷ju-sio turbulentiškumo koeficiento, gali sumaž÷ti lyginamasis debitas qs. Atkuriant meandras mažo nuolydžio vagose, tai nepageidautinas reiškinys, nes gali sukelti vagos dumbl÷jimą. Tokiu atveju padeda vagos gylio h padidinimas, suspaudžiant ją šonuose paliekama auga-

lija, nes ( ) 32 /hfv = , t. y. priklauso nuo gylio.

Koeficientą xk įvairūs autoriai pateikia skirtingą. Pavyzdžiui,

AGNPS modelyje pritaikytoje R. A. Bagnoldo formul÷je kx ≈ 0,0006 (AGNPS, 1987). Šis koeficientas daug priklauso ir nuo t÷km÷s

169

makroturbulentinių pulsacijų, kurių intensyvumas, kaip jau min÷ta, meandruojančiose vagose yra 3,0–3,5 karto didesnis nei tiesiose. D÷l šios priežasties reguliuojant ištiesintų upelių žemupius, net ir padid÷-jus nuolydžiui, t÷km÷s transportinis paj÷gumas maž÷ja ir vaga dumb-l÷ja. Tokių upelių monotoniška uždumbl÷jusi t÷km÷ nebetinka žu-vims ir vandens gyvūnijai įsikurti ir gyventi.

Be abejo, reguliuojant natūralių vagų dinaminę pusiausvyrą, va-gos erozija ir nešmenų transportavimas veikia šios pusiausvyros atsi-kūrimo linkme. Tačiau daugeliu atvejų šiam procesui buvo priešina-masi: statomi t÷km÷s energijos „gesinimo“ slenksčiai, krantai stiprinami vel÷na ir žabų tvorel÷mis. Deja, visos šios kanalų stiprinimo bei eksploatavimo priemon÷s neatkūr÷ buvusios gamtin÷s įvairov÷s ir natūralios dinamin÷s pusiausvyros, tod÷l palaikyti dirbtinę projektinę būklę reik÷jo ir tebereikia daug darbo ir l÷šų sąnaudų (pavyzdžiui, slenksčių viršutiniai bjefai potvynių metu prinešami sm÷lio ir dumblo, tod÷l turi būti periodiškai valomi, vel÷na stiprinama reguliariai šienau-jant ir prižiūrint, atkuriamas projektinis vagos pralaidumas valant ir ša-linant krantų bei dugno augaliją. Taip dar labiau naikinama tokiuose upeliuose bandanti įsikurti vandens gyvūnija, o dideli neužliejami slenksčiai tampa beveik neįveikiama kliūtimi žuvims.

8.2. Reguliuotų upelių renatūralizacijos (atkūrimo) priemon÷s

Upių ir upelių reguliavimo metodai ir patirtis Lietuvoje panaši į daugelio Vakarų Europos valstybių patirtį. Iki šiol pagrindinis upelių hidrotechninio reguliavimo tikslas buvo suprantamas tik kaip grei-tesnis ir geresnis sumažintas vandens lygis ir nuleistas vandens pe-rteklius nuo aplinkinių dirbamų laukų, o reguliuotų upelių eksploata-vimas bei priežiūra buvo vertinami tik ūkinio efektyvumo požiūriu. Tod÷l plečiant drenuojamus laukus vis labiau did÷jo darbo ir l÷šų są-naudos jų hidrotechnikos statinių būklei palaikyti. Tačiau vis labiau teršiamas vanduo ir sumenkusi gamtin÷ įvairov÷, nenaudinga linkme besikeičiantis hidrologinis režimas ir žem÷s ūkio produktų perpro-

170

dukcija privert÷ peržiūr÷ti ankstesnes upelių reguliavimo bei priežiū-ros koncepcijas, technologijas ir praktiką, ieškoti būdų, kaip atkurti sutrikdytą hidrologinę ir gamtosauginę pusiausvyrą. Šiuo metu Olan-dijoje, Vokietijoje, Danijoje, Norvegijoje, Anglijoje ir kitose Vakarų Europos šalyse per 10–15 metų sukaupta nemaža reguliuotų upelių atkūrimo patirtis bei praktika, įvertinanti gamtin÷s įvairov÷s sąlygų išsaugojimą ir atkūrimą (Mette, 1995; John ir kt., 1997; Report, 1997/98; River, 1998; Newsletter, 1998). Numatomas tokių upelių formos bei meandravimo atkūrimas panaudojant tiek pačių t÷kmių energiją, tiek šlaitų augalijos bei krūmų išsaugojimą ir įveisimą. Pvz., Danijoje šiuo metu plačiai taikoma vadinamoji „švelni“ regu-liuotų upelių priežiūra, kuri suprantama kaip giliausių vagos dalių pavalymas ir augalijos pašalinimas, dažniausiai darbus atliekant ran-komis. Įdomu tai, kad šitaip prižiūrint upelius, įmanoma suderinti pakankamą hidraulinį pralaidumą ir pamažu grąžinti upelių hidrodi-naminę pusiausvyrą bei atkurti gamtinę įvairovę. To siekiant, skati-namas savaiminis reguliuoto upelio vagos meandravimas šienaujant centrinę vagelę ir ją iškreivinant pagal anksčiau aptartus meandravi-mo d÷sningumus, t. y. norint, kad meandros ilgis būtų lygus 10–14 vagel÷s pločių B. Likusi šlaituose žolin÷ augalija bei krūmai savo šaknimis sustiprina nevalomą dalį, šlaitai užnešami nešmenimis, – taip formuojasi siauresn÷ ir gilesn÷ meandruojanti vaga.

Kaip parod÷ prof. C. E. Mirchulavos rišlių priemolio gruntų stip-rinimo augalija tyrimai, šlaitų aps÷jimas kultūriniais augalais padidi-na atsparumą išplovimui 1,4–2 kartus (Mirchulava, 1967). Pvz., avi-žuol÷s šaknys leido padidinti leistinąjį t÷km÷s greitį priemolio grunto kanale nuo 0,60 iki 1,15 m/s. C. E. Mirchulava taip pat pažymi, kad piktžolių ir hidrofitų šaknys paprastai labiau išsišakojusios, kuples-n÷s ir galingesn÷s nei jo bandytų kultūrinių žolių, tod÷l dar geriau su-tvirtina šlaitus ir apsaugo juos nuo išplovimo. Tod÷l natūraliai žole ir krūmais apaugę krantai yra gana pastovūs ir gali formuoti netolyginį up÷s t÷km÷s judesį bei ribotą vagos meandravimą. Reikia priminti, kad ypač pavojingas eroziniu atžvilgiu dažnai pasitaikantis šlaitų

171

apatin÷s dalies apgadinimas mechanizuotomis dugno valymo prie-mon÷mis, nes tokie šlaitai netenka biologin÷s apsaugos.

Tyrimai patvirtina, kad po 3–5 švelniosios priežiūros metų d÷l krantų augalijos apvalomojo poveikio labai švar÷ja upių vanduo, susi-aur÷jus vagai stipr÷ja vandens t÷km÷ ir jos makroturbulencija, vande-nyje padaug÷ja ištirpusio deguonies. Kartu atsinaujina ir vertikalin÷s vagos deformacijos, v÷l formuojasi sietuvos ir r÷vos (Madsen, 1995; Rehabilitating, 1995; A European, 1998). Visos šios priemon÷s, taip pat žuvų migracijos takų įrengimas bei kliūčių šalinimas padidino Da-nijos up÷takinių žuvų skaičių 3–5 kartus. Be to, krantuose palikta aukšta žolin÷ ir krūmų augalija šeš÷lino vagą ir stelb÷ čia augančias nepageidaujamas vandens žoles. 8.1 lentel÷je pateikiamas Haverslevo apskrityje taikytos įprastin÷s ir švelniosios priežiūros paliekant kran-tuose augaliją poveikio vagai užželti palyginimas.

8.1 lentel÷. Krantų augalijos šeš÷linimo poveikio palyginimas Danijoje, Haverslevo apskrityje

Įprastin÷ priežiūra

Švelnioji priežiūra

Stelbiamos žol÷s rūšis

Žal

ioji

mas÷,

kg

Sau

soji

mas÷,

g

Žal

ioji

mas÷,

kg

Sau

soji

mas÷,

g

Kalkiažol÷ + vandens salierai 6,07 558,5 1,60 115,0

Kitos žol÷s 0,90 121,0 1,03 10,0

Plaukuotieji dumbliai 0,07 4,7 0 0

Bendras svoris, kg 7,04 684,2 2,63 224,0

Žolių svoris, m2 0,37 36,4 0,14 11,9

Vagos 1 m2 išaugusios žol÷s, taikant pastarąjį metodą, buvo apie

3 kartus mažiau, visai išnyko plaukuotieji dumbliai, o krūmų šeš÷lių teikiamas pav÷sis atv÷sino vandenį vasarą. Rekomenduojamas prie-žiūros metodas leido pagerinti up÷s vandens kokybę ir kartu sutaupy-ti darbo ir l÷šų.

172

Apie medžių bei krūmų šeš÷linimo efektyvumą Lietuvos sąly-gomis kalb÷ta įvairių tyr÷jų darbuose (European, 1998; Rimkus ir kt., 1993; Rimkus ir Vaikasas, 1998; Rimkus, 1996; Chester ir kt., 1997). Gaila, kad tai akcentavus kartais padaromos klaidingos išva-dos apie gamtin÷s įvairov÷s nuskurdinimą ir įprastin÷s griovių prie-žiūros būtinumą (Berankien÷, 1997). Dažnai be reikalo baiminamasi ir d÷l mažiau šienaujamų kanalų hidraulinio pralaidumo sumaž÷jimo. Šie eksperimentiniai tyrimai ir matematinio modeliavimo rezultatai rodo, kad didžiausią poveikį hidrauliniam pralaidumui apaugusiose vagose daro centrin÷, giliausia, kanalų dalis ir potvynių vanduo daž-niausiai telpa vagoje (Rimkus, 1997). Be to, did÷jant vandens grei-čiams žole apaugusioje vagoje, stipr÷janti t÷km÷ pati paj÷gi prilenkti ar net suguldyti žolių stiebus ir taip padidinti vagų pralaidumą per potvynius (Dabrovski ir kt., 1997). Taigi gamta tarsi pati reguliuoja apaugančių vagų pralaidumą. Daugelis Lietuvoje reguliuotų upelių

yra labai gilūs ir turi gana di-delę potvynių pralaidumo at-sargą. Prireikus melioracijos tarnybos „įtartinų“ barų pra-laidumą visada gali patikrinti hidrauliniais skaičiavimais, tam panaudodamos šį siūlomą matematinį modelį, ir imtis priemonių jam sureguliuoti. Tuo tarpu apželiančių kanalų natūrinių steb÷jimų duomenys patvirtina, kad Lietuvoje taip pat vyksta savaimin÷ regu-liuotų upelių renatūralizacija ir meandravimo atsikūrimas. Pvz., riboto mini meandravi-mo požymiai matomi Utenos rajone iškasto kanalo dugne (8.4 pav.). Toks ribotas

8.4 pav. Apriboto mini meandravimo

pavyzdys

173

meandravimas vyksta ir Danijos reguliuotų upių vagose, tik čia šiam reiškiniui nesipriešinama, o stengiamasi jį skatinti vingiuojant up÷s vagą pagal min÷tus riboto meandravimo d÷sningumus (8.5 pav.).

8.5 pav. Up÷s vagos meandrų dirbtinis kūrimas, formuojant jas iš naujo

Taigi šiuo atveju t÷km÷s d÷sningumai panaudojami upelių ūki-nei ir gamtosauginei funkcijai derinti. Vokietijoje ir kitose Vakarų Europos šalyse dirbtinai ištiesintos upių vagos v÷l natūralizuojamos (8.6 pav.).

Kitu steb÷to reguliuoto upelio vertikalaus savaiminio meandra-vimo atkūrimo pavyzdžiu gali būti Bitvano upelio vertikalios dugno deformacijos. Nuo 1991 m. matuojant šio K÷dainių r. į Gynę įtekan-čio ištiesinto upelio hidraulines charakteristikas nustatyta, kad 0,3–0,40 m gylio ir 6–8 m ilgio sietuvos periodiškai keičiamos 2–4 m il-gio vandens lelijomis ir kitais žoliniais augalais apaugusiomis r÷vo-mis (8.7 pav.).

Šiose r÷vose po žol÷mis ir 2–3 cm sm÷lio sluoksniu yra 20–30 cm storio ir 2–20 cm skersmens akmenų savigrinda. Žolin÷ auga-lija čia taip pat periodiškai kaitaliojasi su neapaugusiomis vietomis (8.2 lent.), vagos dugno skersinis profilis artimas paraboliniam. Upe-

174

lyje rastos žvejų varžos liudija, kad į tokį upelį jau grįžta žuvys ir kiti vandens gyvūnai.

8.6 pav. Reguliuoto Bitvano upelio dugno vertikalios deformacijos:

1 – vandens paviršius tekant vasaros potvynio debitui; 2 – tas pat, tekant minimaliam debitui; 3 – dugno linija

a b

8.7 pav. Enz up÷s Baden-Wurttemberge dalis: a – prieš renatūralizavimą, b – po renatūralizavimo

175

Apskaičiavus pagal (8.3) formulę stabilios vertikalios meandros bangos ilgį rasta, kad 64=krL m, t. y. irgi atitinka priesm÷lio grun-

tams siūlomą taikyti priklausomybę (skaičiuojant imta, kad 5,0=h m, 0005,0=vidd m). Be abejo, savigrindai reikalingų ak-

menukų gausa ir savigrindos susidarymo procesai stabilios bangos ilgį gali iš esm÷s pakoreguoti.

Analizuojant 8.2 lentel÷je pateiktus duomenis taip pat matyti, kad B/H santykis maždaug atitinka mažo upelio santykį, t. y. dau-giausia svyruoja nuo 4 iki 10. Sietuvos ir r÷vos kaitaliojasi kas 25–28 m, o visas meandros ilgis 53=L m.

8.2 lentel÷. Išmatuoto Bitvano upelio dugno būkl÷s kitimas

Ats

tum

ai m

Sie

tuvų

ir r÷vų

gyl

is H

m

Du

gn

o p

lotis

B m

Dugno būkl÷ (apaugimas žoline augalija)

Vag

os

form

os

vert

inam

asis

B

/H s

anty

kis

1 2 3 4 5

10 0,19 1,6 Švaru, savigrinda 8,5

10 0,45 3,0 Švendrai, nendr÷s 6,7

16 0,36 2,6 Švaru 7,2

20 0,49 2,4 Švaru 4,9

20 0,30 1,5 Įvairios vandens žol÷s 5,0

15 0,14 1,4 Švendrai, nendr÷s, savigrinda 10,0

16 0,26 1,9 Švaru 7,3

8 0,30 1,7 Švaru 5,7

7 0,06 0,6 Įvairios vandens žol÷s, savigrinda,

10,0

13 0,19 1,4 Švendrai, nendr÷s 7,4

6 0,28 1,7 Švaru 6,1

13 0,06 1,1 Įvairios vandens žol÷s, savigrinda

18,3

7 0,62 2,5 Švendrai, nendr÷s 4,0

176

8.2 lentel÷s pabaiga

1 2 3 4 5

6 0,06 1,8 Švaru, savigrinda 30,0

6 0,35 2,6 Švendrai, nendr÷s 7,4

0,22 1,6 Švaru, savigrinda 7,3

Įvertinus tai, kad vagą formuojančio debito metu vidutinis vagos

plotis B siek÷ apie 4,0 m, rasta, kad 2,13≈LB , t. y. upelio meand-ravimo cikliškumas maždaug atitinka danų mokslininkų nustatytą d÷sningumą pagal apskaičiuotas formules.

Šiuo metu praktikuojamas intensyvios reguliuotų upelių priežiū-ros būdas, kai dažniausiai neatsižvelgiama į natūralaus meandravimo ir vagos formavimosi d÷sningumus, kenkiama žuvims bei vandens gyvūnijai; be to, šis būdas brangus. Vandens imtuvuose vykstančių natūralių dinaminių procesų įvertinimas leistų ir Lietuvoje panaudoti palankesnį gamtai švelniosios priežiūros būdą.

Apibendrinant galima teigti, kad: 1. Kiekvienos t÷km÷s inercijos j÷gos bei vidutinis vagą formuo-

jančių nešmenų dydis ir savigrinda suformuoja palyginti stabilią meandruojančią vagą.

2. Meandruojančiose vagose d÷l makroturbulentinių pulsacijų t÷km÷s transportinis paj÷gumas yra 3–3,5 karto didesnis nei tiesiose tokių pačių hidraulinių parametrų vagose.

3. Seniau iškastuose Lietuvos upeliuose savaime deformuojasi dugnas, iš dalies atkuriantis sutrikdytos gamtin÷s pusiausvyros sąly-gas ir natūralių vagų formą.

4. Taikant tam tikrus švelniosios kanalų priežiūros būdus, įma-noma sustiprinti ištiesintų kanalo ruožų makroturbulenciją, sukelti vagos meandravimą, sietuvų bei r÷vų susidarymą ir kartu pagerinti žuvų ir vandens organizmų egzistencijos bei migracijos sąlygas.

177

8.3. Apaugančių reguliuotinų vagų hidrauliniai skaičiavimai

Eksploatuojant sausinimo sistemų vandens imtuvus – reguliuotus upelius ir griovius, tenka spręsti klausimą, kaip kuo mažesn÷mis išlai-domis palaikyti tokią jų būklę, kad priimamas iš sausinimo sistemų vanduo nekliudytų joms veikti. Natūraliuose upeliuose tarp t÷km÷s poveikio ir vagos būkl÷s įsivyrauja dinamin÷ pusiausvyra ir visi vagos persiformavimo procesai vyksta l÷tai. Vaga natūraliai tampa gana sta-bili. Reguliuotuose upeliuose tokios pusiausvyros n÷ra, iškyla konfron-tacija gamtai. Kertami krūmai greitai atželia, išvalytos vagos netrunka v÷l priželti (8.7 pav.). Priešinimasis gamtai, t. y. dirbtin÷, reguliuojant upelius sukurta, palaikoma statin÷ pusiausvyra yra brangi ir skurdina aplinką. Natūralizacijos procesų tyrimai parod÷, kad yra galimyb÷ kur-ti gamtos palaikomą dinaminę pusiausvyrą ir reguliuotuose upeliuose, tik reikia keisti ir tobulinti tokių upelių eksploatavimo būdus. Tačiau min÷ti sunkumai yra ne vienintel÷ priežastis, d÷l kurios reguliuotus sausinant žemes upelius daugelyje šalių v÷l imta natūralizuoti, nes, kaip ir Lietuvoje, pasteb÷ta, kad hidrotechninis upelių reguliavimas per daug pakeit÷ gamtos sąlygas ir d÷l to tapo daugelio nenumatytų, nepa-geidautinų reiškinių priežastis. Tai ne tik natūralių, biologiškai turtingų ir aplinką puošiančių upelių pavertimas paprastais grioviais, ir ne tik kraštovaizdžio skurdinimas – greitai nutekant vandens pertekliui, pa-blog÷jo upių, ežerų ir jūrų vandens apsivalymas bei kokyb÷.

Natūraliuose upeliuose ir jų sl÷niuose vanduo teka l÷tai ir susp÷-ja apsivalyti nuo patenkančių iš žemdirbyst÷s laukų azoto ir fosforo bei kitų cheminių junginių. Labai padeda ir apaugę medžiais, dažnai dr÷gni potvynių užliejami upelių sl÷niai. Vakarų Europoje ir JAV dabar grioviai net tvenkiami ir įrengiami šlapžemiai, kurie sulaiko vandens nešamas chemines medžiagas ir dirvų erozijos produktus. Tačiau tai – gana brangūs būdai.

Natūralizuojant kanalizuotus upelius Lietuvoje galima naudoti gamtą, kai kanalų šlaitai natūraliai apauga medeliais ir susidaro sie-tuvos bei brastos, plaunant dugną potvynių t÷kmei. Viskas yra natū-

178

ralu, reikia tik šiuos procesus reguliuoti, kad vandens imtuvai funk-cionuotų sausinimo sistemoms palankiausiomis sąlygomis. Būtina nustatyti, ar apaugę medeliais kanalai – reguliuoti upeliai praleis po-tvynius, t. y. ar jų vanduo neišsilies ir nepridarys nuostolių. Be to, į kanalus dažnai prinešama dirvų erozijos produktų, kuriuos t÷km÷ ne visada paj÷gia nešti toliau. Kyla klausimas, kaip tokius, apaugusius medžiais, uždumbl÷jusius kanalus valyti. Pasitaiko, kad kanalai pri-želia stambiastiebių žolių (kiečių, dilg÷lių), kurios ypač mažina kana-lų hidraulinį pralaidumą. Planuojant ir projektuojant kanalų eksploa-taciją, tokias situacijas reikia vertinti inžinerijos požiūriu. Svarbiausia, kad tokios apaugančios vagos pasižymi padid÷jusiu hid-rauliniu šiurkštumu, kurį sukelia suž÷lę krūmų bei kietastiebių žolių kamienai ir šakos (panašiai kaip dugninių nešmenų bangos). Jam įvertinti sukurtos specialios formul÷s, pagrįstos apaugusių vagų hid-raulinio pasipriešinimo skaičiavimais.

Tokie skaičiavimai pradedami naudojant žinomą cilindrin÷s formos stiebo hidraulinio pasipriešinimo t÷kmei j÷gos T∆ formulę:

g

vHdKCT If 2

2

∆γ=∆ , (8.7)

čia γ – skysčio tūrinis svoris; fC – krūmo ar medelio kamieno for-

mos vertinamasis koeficientas; lK – krūmų kamienų tankumo verti-

namasis koeficientas; H∆ – stiebo elemento aukštis; d – stiebo skersmuo; ν – t÷km÷s greitis. Koeficientas fC apvaliems stiebams

esant kanaluose kvadratin÷s pasipriešinimo zonos t÷kmei pastovus:

2,1=fC . (8.8)

Kai stiebai išsid÷stę vienas už kito, koeficientas lK skaičiuoja-

mas taip:

l

dK l

5,11−= , (8.9)

179

čia l – atstumas tarp stiebų. Visos panardintos vandenyje stH aukš-

čio stiebo dalies hidraulinio pasipriešinimo j÷ga pagal (8.7) formulę yra tokia:

g

vdHKCT stlf 2

2αγ= . (8.10)

Šioje formul÷je panaudotas energetinis netolygumo (Koriolio) koeficientas α , nes vertikal÷je pagal stiebelio aukštį vandens grei-čiai nepastovūs. Ši j÷ga paskirstyta visam t÷km÷s skerspjūvio plotui A , ir taip gaunami t÷km÷s sl÷gio nuostoliai ξh , susidarantys apte-

kant vieną stH panardinto aukščio stiebelį:

g

v

g

v

A

dHKC

A

Tph st

ef 22

22

ξ=α=γ

=γ

=ξ , (8.11)

čia ξ – medelio kamieno pasipriešinimo koeficientas; A – t÷km÷s

skerspjūvio plotas.

A

dHKC st

ef α=ξ . (8.12)

(8.12) formul÷je esantis užlietos stiebelio dalies aukštis pakei-čiamas taip:

m

bhH st

st−

= , (8.13)

čia h – vandens gylis virš žemutin÷s šlaito briaunos; stb – vidutinis

šlaito medelių kamienų atstumas nuo šlaito apačios; m – šlaito koe-ficientas (8.6 pav.). Po šio pakeitimo medelių kamienų hidraulinio pasipriešinimo koeficiento išraiška bus tokia:

−α=ξm

bh

A

dKC st

lf . (8.14)

Jei 0<stH , tai medelių kamienai vandens t÷km÷s neveikiami, ir

stiebo hidraulinio pasipriešinimo j÷ga 0=T .

180

Jei L∆ ilgio vagos ruože yra n stiebelių, tada hidrauliniai nuo-stoliai tame ilgyje

g

vnh

2

2

ξ=∆ . (8.15)

Hidraulinis nuolydis, susidarantis L∆ atkarpoje d÷l šių pasiprie-šinimų

g

v

L

n

L

hi

2

2

ξ∆

=∆∆= , (8.16)

čia dalmuo n

L∆ yra vidutinis atstumas l tarp medelių kamienų kanalo

ilgyje L∆ , tod÷l (8.16) formul÷ perrašoma taip:

g

v

li

2

2ξ= . (8.17)

Skaičiuojant visą hidraulinio pasipriešinimo veikiamą atviros vagos vandens paviršiaus nuolydį I , jį reikia sud÷ti su kanalo hid-rauliniu nuolydžiu, gaunamu d÷l trinties į vagos dugną ir šlaitus:

g

v

RlI

24

2

λ+ξ= , (8.18)

čia λ – hidraulinis t÷km÷s trinties į kanalo dugną ir šlaitus (kelio nuostolių) koeficientas; R – hidraulinis spindulys.

Gauta formul÷ analogiška žinomoms Darsi-Veisbacho ir Veis-bacho formul÷ms, taikomoms vietinių ir kelio hidraulinių nuostolių skaičiavimams vagoje.

Iš (8.18) formul÷s apskaičiuojamas vidutinis t÷km÷s greitis stambiastiebe augmenija apaugusiame kanale

Rl

gIv

4

2λ+ξ

= . (8.19)

181

Pagal šią formulę bus skaičiuojami vidutiniai greičiai kanaluose su viena medelių eile, augančia šlaituose.

Pasinaudota lenkų mokslininkų atliktų laboratorinių tyrimų re-zultatais (Seczepan et al., 1997) ir sudaryta matematiniam modeliui tinkama hidraulinių skaičiavimų metodika. Panaudotas ekvivalenti-nio hidraulinio dugno metodas (Vaikasas ir kt., 1976; Radiuk, 1973). Nustatas ekvivalentinis t÷km÷s suguldytų žolių storis t. Jam apskai-čiuoti sudaryta tokia empirin÷ formul÷:

( )

( ) 27,02

68,0

/29,81

/28,209,0

zol

zolzol

ghv

hhtt

+

+= , (8.20)

čia tzol – vidutinis žolių aukštis; h – vandens gylis kanalo skerspjūvio nagrin÷jamoje vietoje; v – t÷km÷s greitis toje pačioje vietoje; g – gravitacin÷s j÷gos pagreitis.

Ši formul÷ tinka, kai t < 0,5tzol. Kai apskaičiuota (7.26) formule t reikšm÷ šios sąlygos neišpildo, ji koreguojama taip:

( )

−+−=

5,0/31

25,075,0

zolzolkor ht

ht . (8.21)

Hidrauliniame matematiniame modelyje, skaičiuojant žolių po-veikį, apaugusios šlaito juostos ar dugno paviršiaus lygis paaukšti-namas per ekvivalentinį žolių storį.

8.4. Žolin÷s ir krūmin÷s augalijos poveikio kanalų hidrauliniam pralaidumui skai čiavimų pavyzdžiai

Medeliais, o ne krūmais, vadinami maži, jauni ir tankūs medžių formos augalai, kurie paaugę tikrai būna medeliai. Tai alksniai, ber-žai, medžių pavidalo gluosniai ir kitos kanaluose rečiau pasitaikan-čios medžių rūšys. Krūmais vadinama krūmų pavidalo augalija, au-ganti neaukštų šakotų stiebų kerais. Tai dažniausiai karklai. Nors pastarieji botanikoje priskiriami prie gluosnių šeimos, tačiau vagų hidraulinio pralaidumo požiūriu prie krūmų bus skiriami tik šie šei-

182

mos krūmų pavidalo augalai. Medžių pavidalo gluosniai pralaidumą veikia kelis kartus mažiau negu krūmai. Per 2–3 metus jauni mede-liai paprastai paauga tiek, kad per potvynius gali būti apsemiami tik jų kamienai. Žolin÷ ir krūmin÷ augalija per potvynius visada apse-miama, tod÷l jos poveikis pralaidumui skaičiuojamas kitaip. Pavyz-džiui, minkštos žol÷s (varpin÷s, ankštin÷s ir kt.) per potvynius sugul-domos ir esminio poveikio pralaidumui nedaro. Hidraulinį pralaidumą labai mažina kietastieb÷s žol÷s (kiečiai, dilg÷l÷s ir kt.), kurios būna tankios ir vandens praleidžia mažai.

Medelių kamienų hidraulinis pasipriešinimas šiame modelyje skaičiuojamas kaip cilindrinių stiebų pasipriešinimas. Panašiai gali-ma būtų vertinti ir žolin÷s augalijos poveikį, pavyzdžiui, M. Jurčiuk darbe [1985]. Taikant tokią metodiką, reik÷tų įvertinti žolių stiebų skersmenis, jų tankumą, stiebų formą, apaugimą lapais, žolių aukštį, užliejimo gylį ir gretimų t÷kmių sąveiką. Tai sud÷tinga ir daugeliu atvejų netikslinga.

Savita metodika aprašyta H. P. Ritzemos knygoje (1994). Meto-dika taikoma t÷km÷ms per užlietus laukus skaičiuoti. Nurodoma, kaip nustatyti apsemtos augalijos šiurkštumo koeficientą, skirstant augaliją į klases.

Kanalams buvo rasta galimyb÷ pritaikyti daug paprastesnį, bet šiuo atveju patenkinamą būdą tod÷l, kad kietastieb÷s žol÷s kanaluose būna labai tankios ir mažai pralaidžios. Panagrin÷jus žolių tankumo kitimo pagal aukštį duomenis, nustatyta, kad pralaidumo sumaž÷jimą galima vertinti, pakeičiant iki pus÷s apsemtų aukščio t÷km÷s nelai-džiu sluoksniu. Visi hidrauliniai skaičiavimai atlikti taip pakeistos geometrijos up÷s vagos skerspjūviui. Dažniausiai nelaidus sluoksnis nesiek÷ 0,4–0,5 m, tod÷l apskaičiuoto tokiu būdu vandens lygio pa-klaida buvo ne didesn÷ už vidutinio apsemtų žolių aukščio nustatymo paklaidą. Šiurkštumo koeficientas ir šiuo atveju buvo n = 0,04– 0,05 (toks būna paprastai ilgai eksploatuotų vagų). Matuojant žolių aukštį, abiejuose šlaituose rekomenduojama išskirti po dvi juostas, kaip pa-rodyta 8.8 paveiksle. Lauko tyrin÷jimų metu šie duomenys surašomi

183

į jiems skirtą lentelę, v÷liau suvedami į asmeninį kompiuterį ir skai-čiuojama.

Kietastieb÷s žol÷s iš esm÷s mažina kanalo pralaidumą tik per va-saros potvynius (8.8–8.10 pav.). Žiemos sniegas ir vandens t÷km÷ žoles sulaužo ir suguldo, tod÷l per pavasario potvynį jos esminio po-veikio nedaro.

8.8 pav. Šiurkštumo koeficiento M = l /Cf kitimas upelio vagoje per metus

d÷l jo apaugančio vandens augalais dugno (vertikaliai besileidžianti šiurkštumo linija rodo žolių šienavimo efektą)

bžK1 b bžD1

hžD2

hžD1

hžK1

hžK2

hž

bst Hst h

8.9 pav. Kietastieb÷mis žol÷mis apaugusio kanalo parametrai

Kokios įmanomos situacijos ir vaginiai procesai upeliuose, kurių baseinas 30 km2? Toks baseinas ir atitinkami debitai yra, pavyzdžiui,

184

Aluonos upelio reguliuoto tarpo viduryje. Žemutin÷s jo dalies nuoly-dis yra vidutiniškai 1,5 ‰, viršutin÷s – 2,5 ‰.

Hidraulinio šiurkštumo koeficientas tokios būkl÷s vagose būna n = 0,040. Vagų gyliai reguliuotuose upeliuose paprastai yra ne ma-žesni kaip 2 m (Aluonos vagos gylis svyruoja nuo 2,5 iki 3 m, tik ties 37 ir 43 piketais 100–200 m ilgio ruožuose yra 2,0–2,3 m gylio ba-rų). Apskaičiuota vandens gyliai kanalo, kurio plotis b = 2 m, centri-n÷s vagel÷s gylis Hpl = 0,4 m, šlaito koeficientas m = 2, medelių juostos plotis abiejuose šlaituose bKrK = bKrD = 1,5 m (8.8 pav.), me-delių kamienų skersmuo d = 0,05 m, t. y. abiejuose šlaituose vieno-das, o atstumas tarp jų l = 0,5 m (tokie tankūs paprastai būna paaugę ir praret÷ję 4–5 metų medeliai). Atlikti skaičiavimai taip pat tan-kiems medeliams, kai d = 0,02; l = 0,2 m.

8.10 pav. Vagos matmenys ir krūmuotumo rodikliai

Skaičiavimo rezultatai tolyginio judesio atvejui pateikti 8.11 pa-veiksle. Panašiai apaugę Aluonos barai buvo steb÷ti 1994 m. Kaip matyti iš grafike pavaizduotų gylių, Aluona neišsilieja nei per pava-sario, nei per vasaros potvynius, nes apskaičiuoti vandens gyliai va-goje yra ne didesni kaip 2,1 m. Ne per dideli Aluonos vandens gyliai per potvynius gal÷tų būti augant tankiems medeliams, kokie jie būna atž÷lę (iki l = 0,2, d = 0,02 m. Kai beaugantys medeliai išret÷ja (iki l = 0,5, d = 0,05 m), Aluonos vandens gyliai (kai I = 1–2 ‰) sumaž÷ja per 0,15–0,2 m.

185

8.11 pav. Vandens gyliai, kai F = 30 km2, b = 2m, bKrK = bKrD = 1,5 m,

bBeKrK = bBeKrD = 0, Hpl = 0,4 m

Vandens lygio pakilimas kanalui apaugus medeliais, palyginti su neapaugusiu kanalu, priklauso nuo vagos nuolydžio, pavyzdžiui, kai I = 1–2 ‰, vandens lygis siekia iki 70 cm, o kai medeliai tankūs, – net iki 90 cm.

Mažo nuolydžio upeliuose pavasario potvynio vandens gylis, kaip matyti iš grafiko, būna didesnis kaip 2,50 m ir siekia net 3,3–3,5 m, kai I = 1–2 ‰, o per vasaros potvynius – atitinkamai 2,2–3,1 m. Iš tokių upelių, kai vagos gylis apie 2 m, vanduo jau lietųsi. Norint to išvengti, reikia arba sudaryti neapaugusią juostą šlaito apačioje, arba medelius išretinti, arba nuo vieno šlaito juos visai iškirsti. Vandens gyliai, esan-tys pastaruoju atveju, pavaizduoti 8.12 paveiksle.

Vandens gylio mažinimas, kai medeliai nuo vieno šlaito (geriau šiaurinio) kertami, taikomas, kai medelių priaugę daug abiejuose šlaituose, ir vagos pralaidumo neužtenka. Dažniausiai taip būna iš-kirstiems medeliams ataugus. Lyginant 8.11 ir 8.12 paveikslų kreives matyti, kad pašalinus medelius nuo vieno šlaito, kritinis vandens ly-gis sumaž÷ja, atsižvelgiant į kanalo nuolydį, per 0,3–0,7 m. Neapau-gusiame kanale medeliai didesni nedaug – (15–30 cm), tod÷l net au-gant tankiems krūmams šios priemon÷s paprastai užtenka. Taigi kirsti medelių nuo abiejų šlaitų paprastai nereikia.

186

8.12 pav. Vandens gyliai Aluonos upelyje, kai F = 30 km2, bKrK = 1,5 m, bKrD = 0, bBeKrK = bBeKrD = 0, Hpl = 0,4 m, kai medeliai auga tik viename

šlaite

Vandens gyliai, kai nuolydis labai mažas (0,2–0,5 ‰) ir mede-liai išretinami paliekant tik vieną eilę (galima pasklidą), pavaizduoti 8.13 paveiksle.

8.13 pav. Vandens gyliai, kai up÷s baseino plotas F = 30 km2, Hpl = 0,4 m ir

medeliai auga tik viena eile. P – per pavasario potvynį, V – per vasaros potvynį. Vandens gyliai neapaugusiame kanale: 1 – pavasario potvynio, kai I = 0,2 %; 2 – vasaros potvynio, kai I = 0,2 %; 3 – pavasario potvynio, kai

I = 0,5 %; 4 – vasaros potvynio, kai I = 0,5 %

187

Kai medeliai auga prie pat šlaito apačios, vandens lygis, kaip matyti iš grafiko, gali būti iki 40 cm aukštesnis negu neapaugusiame kanale. Tod÷l retinant medelius reikia palikti kuo aukščiau augan-čius. Grafike pavaizduoti vandens gyliai, kai medeliai auga abiejuose šlaituose. Jei iš pradžių medeliai būtų palikti tik vienoje pus÷je, tai vandens lygis pakiltų perpus mažiau.

Didelio baseino ir mažo nuolydžio upeliuose hidraulinio pralai-dumo atsargą sudaryti sunku. Kyla klausimas, kaip ji susidar÷ Aluo-noje ir kod÷l tokia didel÷. Aluona buvo reguliuota 1963 ir 1980 m. Jos vaga per tą laiką labai pasikeit÷. Vagos dugnas ir šlaitų pap÷d÷s per potvynius buvo plaunamos, tod÷l vagos dugnas išplat÷jo, pralai-dumas padid÷jo. Vagos viduryje susiformavo tokiems upeliams bū-dinga stačiakamp÷ vagel÷.

Likę plaunant dugną ir šlaitų pap÷dę akmenukai dugną užgrind÷. Dabar visame reguliuotame Aluonos ruože susidar÷ gana stipri savig-rinda, ir upelio dugnas daugiau neplaunamas. Beveik vertikalūs sta-čiakamp÷s vagel÷s šonai arba perpinti šlaituose augančių medelių ir žolių šaknų, arba yra šlaitų kabančios vel÷nos nišoje, kur t÷km÷s greičiai maži, tod÷l vaga gana stabili. Griūvančių upelio šlaitų beveik n÷ra. 1995 m. buvo sudarytas Aluonos ir jos baseino kanalų tvarky-mo ir rekonstravimo projektas. Pati Aluona projekte įvertinta kaip gana stabili, ir jokių jos tvarkymo darbų, išskyrus drenažo žiočių re-montą, nebuvo numatyta. Kaip rodo vagos dugno niveliavimo duo-menys, dugno altitud÷s artimos projektin÷ms. Dugnas daugiausia kiek aukštesnis už projektuotąjį (niveliuota 1995 m. pavasarį, kai upelio dugnu buvo nešamas iš laukų per polaidį nuplautas sm÷lis. Tai kiek aukščiau niveliuojamo dugno altitud÷s. 1994 ir 1995 m. vasa-romis sm÷lio dugne jau nebuvo – t÷km÷ jį nuplov÷). Apžiūr÷jus dug-ną ir šlaitų pap÷des nustatyta, kad tur÷jo būti paplautas viso upelio dugnas 0,2–0,6 m gyliu, o vietomis ir daugiau, tačiau niveliavimo duomenys to nerodo. Galima sp÷ti, kad vaga gana ilguose ruožuose 1980 m. buvo iškasta seklesn÷ negu projektuota. (Iš tikrųjų ir vagos atkūrimo projekte yra teisinga numatyti išplovimą iki savigrindos su-

188

sidarymo, t. y. kasti ją per išplovimo gylį seklesnę. D÷l to plaunant vagą lieka daugiau akmenukų ir dugnas užsigrindžia greičiau.)

Buvo analizuojama projekte pateiktų vagos skersinių pjūvių for-ma ir jos pasikeitimai. Daug kur vagos šlaitai sul÷kšt÷jo. Ypač tai ryš-ku 500 m ilgio žemutiniame reguliuoto ruožo gale, kur veik÷ natūra-lios mažesnio pralaidumo vagos patvanka. Čia šlaitai sul÷kšt÷jo iki 1 : 6, o centrin÷s vagel÷s krantų aukštis pasidar÷ didesnis nei metras. Matyt, čia per potvynius d÷l sulaikomo dugno vyksta šlaitų kolmataci-ja. Tai ir padidino centrin÷s vagel÷s krantų aukštį. L÷kšt÷ja ir viso upe-lio šlaitai. Matyt, šis procesas tęsis dešimtmečius ir vagos pralaidumą vis mažins. Greičiausiai ir vagos dugnas dar kiek plat÷s, tod÷l siekiant šlaitų stabilumo bus svarbu, kad apačioje augtų medžiai.

Reguliuoti šį procesą neturi būti sunku, nes šlaitų stabilumui di-dinti auginami medeliai, pagal skaičiavimus, vagos pralaidumo per daug nemažina. Priežiūros darbus nesunkiai gal÷tų atlikti gretimų žemių savininkai. Jiems reikia parengti priežiūros taisykles. Upelio vagos šlaitai tiktų medžiams kurui auginti ir taip atlygintų priežiūros darbus. Medelius būtų galima auginti iki tinkamo malkoms kamieno skersmens.

Panašiems į Aluoną upeliams būdingas dugno plat÷jimas, o vie-tomis – ir nemažas šlaitų paplovimas. Šio proceso intensyvumas pri-klauso nuo išilginio upelio nuolydžio. Pavyzdžiui, Volastoje (Tra-kų r.), kur nuolydis apie 3,0 ‰, naujai reguliuotoje vagos dalyje yra labai eroduojamų ruožų, kuriuos reik÷tų tvarkyti. Rekomenduojama išplautų ruožų pakrant÷je vandenyje kalti žalio gluosnio kuolus ir apipinti juos taip pat žaliomis kartel÷mis. Kuolai ir užbirusios gruntu iš šono kartel÷s suželtų, ir augantys medeliai vagos deformaciją su-stabdytų. (Panaši krantų stiprinimo konstrukcija išbandyta Švento-sios up÷s krantams sustiprinti Ukmerg÷je. Ypač gerai suž÷l÷ šlaite įkastos kartel÷s.)

Aprašytieji procesai vyksta gana didelio nuolydžio upeliuose, kai i = 1–3 ‰. Kai nuolydis mažas (kaip matyti iš pavyzdžių pa-veiksluose), tankiai augantys medeliai verčia vandenį per potvynius išsilieti. Net neapaugusias mažo nuolydžio vagas dideliems potvy-

189

niams praleisti reikia daryti plačias, taigi pralaidumo atsargos nebū-na. Tačiau ir tokiose vagose (pavyzdžiui Ventos aukštupyje) mede-liai dažnai auga natūraliai ir būna naudingi tuo, kad slopina vandens augaliją – taip išvengiama drenažo sistemų tvenkimo ir dažno kanalo valymo, nes žolių priaugusios vagos greitai dumbl÷ja.

Prižiūrint tokio dydžio kanalus, jų šlaitai šienaujami šienapjo-v÷mis, tačiau šlaito apačios ir kanalo dugno jos nepasiekia (reik÷tų šienauti dalgiais). Mažo nuolydžio ir didelio baseino upelių įprasta priežiūra brangi. Kadangi ir tokiais atvejais medeliai yra naudingi, reikia pasirinkti jų tiek, kad beveik nekliudytų praleisti potvynius, bei taikyti aukščiau aprašytą švelnųjį vagų priežiūros metodą.

Mažo baseino vandens imtuvai dažnai intensyviai priželia kie-tastiebių žolių ir pradedančių augti jaunų medelių bei krūmų. Tokia kanalo būkl÷ pagal įprastas kanalų priežiūros tradicijas pripažįstama bloga, tod÷l visa ta augalija anksčiau buvo naikinama. Kol medelių ir krūmų buvo mažai, šlaitai būdavo šienaujami, kai jų gana daug – naudojamos krūmapjov÷s. Ir nors tokia kanalo būkl÷ akiai neįprasta, vandens imtuvo funkcijų požiūriu dažnai ji visai patenkinama.

Mažo baseino kanaluose dugno plotis būna mažas (0,4 m). Aukšta stambiastieb÷ žol÷ pav÷sina dugnu tekančią vandens t÷kmę, sudaro virš jos šeš÷lį ir veikia panašiai kaip medeliai, t. y. slopina vandens žolių augimą – dugnas nepriželia vandens žolių, būna švarus ir gerai priima iš drenažo žiočių tekantį vandenį. Galimybę atlikti ar nepaj÷gti atlikti vandens imtuvo funkcijų, t. y. netvenkti drenažo si-stemų vandens ir praleisti neišsiliejančius potvynius iliustruoja 8.14 paveikslo hidraulinių skaičiavimų duomenys. Vandens lygiai ir t÷k-m÷s greičiai apskaičiuoti pavasario bei vasaros potvyniams ir vegeta-cijos laikotarpiui.

Visa tai apskaičiuota 3, 6, 9 ir 12 km2 baseino kanalams, pavasa-rio bei vasaros potvynių ir vegetacijos laikotarpiu debitai atitinkamai lygūs 0,8, 0,6, 0,012; 1,6, 1,2, 0,024, 2,4, 1,8, 0,036 ir 3,2, 2,4, 0,048 m3/s.

190

8.14 pav. Vandens gyliai kietastiebe žole apaugusiuose kanaluose, kai dugno plotis b = 0,4 m, centrin÷s vagel÷s gylis Hpl = 0,2 m, kietastieb÷s žol÷s aukštis hžol = 0,8 m, šlaito koeficientas m = 2, baseino plotas F km2

nuolydžiams i = (1–0,2, 2–0,5, 3–1,0 ir 4–2,0 ‰)

Vasaros potvynių vandens lygiai tokiuose kanaluose aukštesni negu pavasario, nes žiemą kietastiebes sudžiūvusias žoles sulaužo ir suguldo sniegas bei potvynio vandens srov÷. Vasaros potvynių metu vandens lygiai būna didesni nei 2 m, ir vanduo gali išsilieti tik esant labai mažam nuolydžiui i = 0,2 ‰, kai baseino plotas 9 ir daugiau kvadratinių kilometrų.

191

9. ŽUVŲ MIGRACIJOS IR T öKMI Ų HIDRAULINI Ų CHARAKTERISTIK Ų SĄSAJA

9.1. Bendros žinios

Ekohidraulika, mokslo apie gyvosios ir negyvosios gamtos są-veiką disciplina, pirmiausia buvo vystoma ir taikoma tiriant vertingų žuvų išsaugojimo bei gausinimo galimybes d÷l ūkin÷s veiklos pasi-keitus hidraulin÷ms vandens t÷kmių charakteristikoms up÷se bei eže-ruose. Šiuo metu įgyta nemaža patirtis s÷kmingai taikoma toliau kompleksiškai tiriant ir analizuojant žuvų elgseną d÷l įvairių hidrau-linių sąlygų. Stengiamasi ištirti ir įvertinti tai, kad žuvis yra gyvas organizmas, paklūstantis gyvosios gamtos d÷sningumams ir ankstes-n÷s aplinkos suformuotiesiems refleksams. Pavyzdžiui, bandymais hidrauliniame latake ( 75,05,112 ×× m) nustatyta (US Army Corps of

Engineers), kad lašišinių žuvų jaunikliai vengia tokių vietų, kur t÷k-m÷s sąlygos staiga keičiasi arba pralaidos yra uždengtos. Beje, įvai-rių rūšių ir dydžių žuvų elgesys yra skirtingas.

Hidroelektrin÷s kelia didžiausią pavojų, įtraukdamos žuvų jau-niklius į turbinas. Inžinieriai ÷m÷ projektuoti priedangos priemones (ekranus, žuvų užtvaras), nuo turbinų nukreipti mailių link greitvie-čių, kurdami jo „surinkimo“ baseinus, tačiau praktika parod÷, kad šios priemon÷s efektyvumas žymiai mažiau efektyvios nei tik÷tasi.

Pasirodo, inžinieriai ir projektuotojai nekreip÷ d÷mesio į žuvų elgseną, traktuodami jas kaip vandenyje plūduriuojančius, pasyvius (negyvus) objektus, nekreipdami d÷mesio į žuvų reakciją pasikeitus vienai ar kelioms aplinkos sąlygoms. Tai ypač aktualu žemyn keliau-jančių žuvų jauniklių (migruojančių žuvų) elgsenai tranzitinių t÷kmių atžvilgiu. Aiški hipotez÷, kad žuvų migracija labai priklauso nuo šių pavojingų pereinamųjų up÷s ruožų, d÷l to sumaž÷ja tokių žuvų pro-duktyvumas ir populiacijos tvarumas.

192

9.2. T÷km÷s greičiai ir žuvų migracija

Nors pripažįstama, kad blogai prižiūrimos pralaidos trukdo suau-gusių žuvų ir jauniklių migracijai aukštyn jų neršto metu, tačiau į že-myn migruojančias žuvis iki šiol mažai kreipta d÷mesio. Buvo galvo-jama, kad jeigu yra kelias migracijai, žuvys praplauks. Deja, neįvertintas žuvų elgesys, nes tokios žuvų pralaidos susiję su padid÷ju-siais jų gyvybin÷s energijos nuostoliais ir didesne pl÷šrūnų rizika.

2003 m. atlikti eksperimentiniai tyrimai Kolumbijos up÷s už-tvankoje (JAV) įrengtame latake. Du keliai buvo palikti žuvims plaukti į žemutinį bjefą. Srov÷s greičiai kito nuo 0,49–1,55 m/s l÷ta-me latake ir nuo 0,62–1,61 m/s – greitame. Be to, vienas iš jų per specialių bandymą būdavo pridengiamas iš viršaus (0,65 m aukščiau vandens) ištisine medine danga per visą ilgį. Abiejų eksperimentų metu kanalų pad÷tys buvo kaitaliojamos. Uždengta sekcija buvo dirbtinai apšviesta.

Nustatyta, kad apie 81 % mailiaus pasirinko neuždengtą (atvirą) kanalą. Debito dydis netur÷jo tiesiogin÷s įtakos pasirinkimui, tačiau daugelis mailiaus steng÷si išvengti didelių greičių zonos, pajutę stipr÷-jant t÷kmę band÷ plaukti prieš srovę. Staiga pakeitus atvirą lataką už-daru, žuvų reakcija nepakito – didesn÷s žuvys drąsiau įplaukdavo į stiprios t÷km÷s zonas nei smulkios, tačiau daugelis esant galimybei rinkosi l÷tesnę t÷kmę. Tyrimų rezultatai rodo, kad mechaniškai parink-tos žuvų apsaugos nuo patekimo į turbinas priemon÷s gali būti mažai efektyvios, jeigu staiga pagreit÷jusi t÷km÷ inicijuoja žuvis tokių latakų vengti. Nustatyta, kad tą patį efektą sukelia ir atvirų latakų uždengi-mas. Tai ypač aktualu ten, kur žuvys gali rinktis migracijos kelius. Šios žinios leidžia projektuoti patrauklesnias žuvims pralaidas bei pa-didina apsaugos priemonių efektyvumą, žuvų išgyvenimo tikimybę.

Eksperimentai ties Anginių užtvanka ant Šušv÷s up÷s taip pat parod÷, kad migruojančioms žuvims ne tik būtinas žuvitakis, tačiau svarbus ir hidroelektrin÷s darbo režimas, nes žuvys vengia greitos vandens lygių ir greičių kaitos staiga įjungiant ar išjungiant turbinas (Vaikasas ir Poškus, 2006).

193

9.3. Kritiniai migravimo grei čiai

Įvairių žuvų slenkstinis (kritinis) įveikiamas t÷km÷s greitis yra labai skirtingas ir priklauso nuo individo dydžio (9.1 pav.), bet ne vi-sada realiai parodo individualios žuvies galimybes. Pavyzdžiui, smulkiaburniam ešeriui šio greičio priklausomyb÷s ribos yra nuo 65 iki 100 cm/s, nors buvo atvejų, kai šis greitis crU buvo viršijamas

dvigubai [Peake, 2004]. Tai tik patvirtina slenkstinių greičių sąlygiš-kumą ir suponuoja naujų tyrimų būtinybę.

9.1 pav. Kritinio migracinio greičio cm/s critU priklausomyb÷ nuo žuvies

ilgio (smulkiaburniam ešeriui)

Iki šiol daugiausia slenkstiniai greičiai buvo nustatomi vertingo-sioms žuvims: lašišoms, unguriams ar up÷takiams. Tačiau Brazilijoje jau atlikti eksperimentai nustatant kritinius greičius jų l÷čiausioms ir labiausiai paplitusioms rūšims – šamams. Naudotas laboratorinis ty-rimų metodas (Santos et al., 2004). Daryta prielaida, kad plaukiančią žuvį veikia šios j÷gos:

1) stabdymo; 2) plūdrumo; 3) k÷limo;

4) svorio; 5) traukos; 6) inercijos.

Pavyzdžiui, stabdymo j÷ga DF atsiranda d÷l vandens t÷km÷s

sl÷gių skirtumo į žuvies krūtinę ir pel÷kus, o taip pat d÷l vandens sū-

194

kurių trinties į žuvų odą. Ji gali būti skaičiuojama pagal greitinio sl÷-gio (kinetin÷s plaukimo energijos) formulę:

2

2

1AUCF dD ρ= , (9.1)

čia dC – koeficientas; ρ – vandens tankis; A – paviršiaus plotas; U –

žuvų jud÷jimo greitis. Keliamoji j÷ga LF yra sukeliama žuvų pelekų

ir plūdrumo (Archimedo) j÷gos. Ji gali būti skaičiuojama pagal Mag-nusan (1978):

( ) gM

Ff

ffL ρ

ρ−ρ= , (9.2)

čia fρ – žuvų kūno tankis; ρ – vandens tankis; fM – žuvų mas÷;

g – gravitacinis pagreitis.

T÷km÷s traukos j÷ga atsiranda vandens suspaudimo vietose, inercijos – ten, kur t÷km÷s greičiai staiga keičiasi. Jiems apskaičiuoti naudojamos hidraulikoje žinomos formul÷s įvertina t÷km÷s ir plau-kiančio kūno sąveiką (River Flow, 2004).

Žuvų plaukimo sugeb÷jimai įveikiant t÷kmes (slenkstiniai grei-čiai) skirstomi į keletą rūšių:

1. Palaikomojo plaukimo greitis. Tokiu greičiu žuvis gali plaukti neapibr÷žiamai ilgą laiką (> 200 min.) nejausdama nuovargio. Šio greičio porūšiai yra kreiserinis ir mokomasis greičiai.

2. Ilgai trunkančio plaukimo greitis. Plaukimo laikas 20–200 min., plaukimas baigiamas žuvų nuovargiu. Porūšis – kritinis greitis. Plau-kimo greitis palaikomas trumpą ribotą laiką.

3. Spurto greitis. Palaikomas tik < 20 sekundžių. Didelis greitis.

Kritiniam žuvų plaukimo greičiui crU apskaičiuoti gali būti tai-

koma formul÷

∆

∆+= u

t

tuU f

icr , (9.3)

195

čia iu – didžiausias palaikomasis greitis cm/s (kol žuvis pavargsta); u∆ – greičio prieaugis; ft – laikas, kol žuvis pavargsta (min.); t∆ –

tiriamojo individo steb÷jimo laikas. Gauta ir empirin÷ kritinio greičio crv formul÷

045,0894,0 Cvcr += , (9.4)

čia C – žuvies tūrin÷s biomas÷s (kg/m3) vertinamasis faktorius (9.1 lentel÷ ir 9.2 pav.).

Žuvų spurto greičiams spv gauta kita formul÷

tvsp 484,0726,2 −= , (9.5)

čia spv – žuvų spurto greitis, m/s; t – laikas, s.

Pritaikius šias formules žuvų migraciniams latakams įrengti gau-ta, kad šamams t÷km÷s greičiai žuvitakiuose neturi viršyti 2 m/s, o palankiausias kritinis greitis – 1,3 m/s.

Šiuose tyrimuose taip pat nustatyta žuvų spurto greičio spv at-

virkščias ryšys su šio spurto trukme (9.3 pav.).

9.1 lentel÷. Šamų kritinio plaukimo greičio vcr priklausomyb÷ nuo jų tankio vandenyje (tūrin÷s mas÷s – pagal Magnusan eksperimento rezultatus)

Žu

vų in

div

idų

skaiči

us

Tem

per

atūra

°C

Kri

tinis

p

lau

kim

o

gre

itis,

m/s

Žu

vies

ilg

is,

mm

Svo

ris,

kg

Bio

mas÷,

g/m

3

11 27,9 1,402 260 0,180 10,24

12 29,3 1,413 200 0,100 12,50

21 27,5 1,343 260 0,170 9,67

22 27,5 1,386 270 0,180 9,14

23 28,0 1,285 260 0,155 8,82

24 27,6 1,176 220 0,070 6,57

25 28,7 1,198 250 0,125 8,00

38 27,7 1,349 250 0,160 10,24

196

9.2 pav. Šamų kritinio plaukimo greičio crv priklausomyb÷ nuo žuvų

tūrin÷s mas÷s t÷km÷je faktoriaus C (kg/m3 )

9.3 pav. Šamų spurto greičio spv priklausomyb÷ nuo spurto trukm÷s t

Tyrimais Paranos up÷je (Argentina) nustatyta, kad žuvims gali kenkti ir per didelis vandenyje ištirpusio deguonies kiekis (aeracija), kuris patenka į žuvų kraują hidroelektrinių žemutiniuose bjefuose, kai vanduo dirbtinai aeruojamas siekiant išvengti betono kavitacijos. Be to, šiuose tyrimuose nustatyta, kad didžiausią teigiamą poveikį įvairių rūšių žuvų produktyvumui turi vidutinio metinio debito dydis (9.4 pav.). Esant vidutiniškam potvynių debitui apie 20000 m3 /s, su-gautų žuvų biomas÷ didžiausia.

Tyrimai taip pat parod÷, kad intensyviai kintantys vandens lygiai turi neigiamą poveikį žuvų, ypač mažų, prieaugiui. Tai – dar vienas ar-gumentas, jog nustatant elektrin÷s turbinų darbo grafikus tikslinga įver-tinti ir vandens lygių svyravimus žemutiniame bjefe. Be to, atstatyti žu-vų migracijai būtina įrengti žuvitakius. Galimos įvairios jų

197

konstrukcijos, tačiau projektuojant reikia apskaičiuoti kritinius vandens tek÷jimo latakuose greičius taip, jog jie neviršytų žuvų plaukimo gali-mybių. 9.5 ir 9.6 paveiksluose pateikta keletas šiuo metu plačiausiai naudojamų žuvitakių konstrukcijų. Matyti, kad naudojant vamzdinius žuvitakius, tikslinga juose įrengti angas šviesai įleisti (žr. 9.6 pav.).

9.4 pav. Paranos up÷je (Argentina) sugaunamų žuvų produktyvumo

priklausomyb÷ nuo up÷s vidutinio metinio debito (m3/s)

9.5 pav. Daugiakamerio atviro žuvitakio pavyzdys

19

8

9.6 pav. Daugiasekcijinio vamzdinio žuvitakio pavyzdys

199

9.4. Žuvų pralaidų hidrauliniai skai čiavimai

Projektuojant žuvų pralaidas hidrauliniais, stabilumo ir stiprumo skaičiavimais reikia:

a) parinkti tinkamiausią žuvų pralaidos vietą; b) nustatyti optimalius parametrus, vandens lygius, debitus ir

tek÷jimo greičius, užtikrinančius efektyvią žuvų migraciją; c) parinkti patikimas ir ekonomiškas konstrukcijas; d) užtikrinti saugų statinių ir įrenginių naudojimą, nepaken-

kiant gamtinei aplinkai. Prieš atliekant hidraulinius skaičiavimus pagal žuvų biotechni-

nes charakteristikas, hidrologinius ir morfologinius duomenis ir mig-racijos kliūties parametrus parenkamas žuvų pralaidos tipas, vieta ir preliminarūs žuvitakio matmenys. Hidrauliniais skaičiavimais pa-rinkti matmenys ir komponavimas tikslinami pagal žuvų viliojimo valkties ir kitų žuvų pralaidos elementų techninius reikalavimus. Skaičiuojama priart÷jimo keliu, koreguojami parinkti žuvų pralaidos matmenys, nuolydis, vandens lygiai ir komponavimas, užtikrinant leistinus vandens tek÷jimo greičius, optimalius debitus ir atitinkamus vandens lygius.

Pirmasis žuvų pralaidų hidraulinių skaičiavimų etapas yra žuvų viliojimo valkties efektyvumo ilgio lef ir efektyviojo pločio bef nusta-tymas:

( )

upvi

viai

vi

upju

juupviaief

vv

vb

v

vv

vvvl

−+

−

−−= .8,0

.5

1

25, (9.6)

( )juupju

upviaitf vvv

vvbb

+

−=

7,2

4 22.

, (9.7)

200

čia bi.a – žuvų pralaidos ištek÷jimo antgalio plotis; vvi, vup, vju – atitin-

kamai viliojantysis, up÷s ir juntamasis greičiai; – absoliutin÷s ver-

t÷s simbolis. Žuvitakį sudaro šios dalys: žemutinis antgalis, žuvitakio traktas,

aukštutinis antgalis (reguliatorius) ir pludmenų sulaikymo priemo-n÷s.

Žemutinis (įplaukimo) antgalis – tai atvira gelžbetonin÷ dokin÷ konstrukcija, skirta žuvims įplaukti. Antgalio šonuose numatomos iš÷-mos remontiniam uždoriui. Antgalis projektuojamas tokio pat pločio kaip ir žuvitakio traktas. Minimalus vandens gylis jame turi būti ne mažesnis kaip 0,6 m. Skaičiuojami ištek÷jimo hidrauliniai nuostoliai.

Traktas – tai pagrindin÷ žuvitakio dalis, skirta žuvims plaukti iš žemutinio bjefo į aukštutinį ir priešingai. Trakto hidrauliniai skaičia-vimai yra specifiniai skirtingiems žuvitakių tipams.

Latakinio pertvarinio slenkstinio arba su paviršine anga žuvita-kio praleidžiamasis debitas skaičiuojamas pagal žinomą slenksčio formulę:

5,12 ljHgmbQ = , (9.8)

čia m – slenksčio (ar paviršin÷s angos) debito koeficientas; b – slenksčio (ar paviršin÷s stačiakamp÷s angos) plotis; g – gravitacijos pagreitis; Hlj – liejimosi per slenkstį aukštis.

Vidutinis vandens tek÷jimo greitis virš slenkstin÷s pertvaros ar paviršin÷je angoje skaičiuojamas pagal formulę:

ljbH

Qv = . (9.9)

Latakinio pertvarinio su gilumine anga žuvitakio praleidžiamasis debitas skaičiuojamas pagal patvenktos angos formulę:

gzAQ 2µ= , (9.10)

čia µ – gilumin÷s angos debito koeficientas; A – angos plotas; z – pertvaros patvankos aukštis.

201

Vidutinis vandens tek÷jimo greitis gilumin÷je angoje skaičiuo-jamas pagal formulę:

A

Qv = . (9.11)

(Taip apskaičiuoti vidutiniai vandens tek÷jimo greičiai angose neturi viršyti žuvų spurtinio greičio.)

Latakinių pertvarinių žuvitakių basein÷lių (tarp pertvarų) mat-menys turi tenkinti papildomą sąlygą:

leiEE < , (9.12)

čia E – vandens energijos sklaida basein÷lyje; Elei – leidžiamoji ener-gijos sklaida.

Vandens energijos sklaida basein÷lyje skaičiuojama pagal šią formulę:

b

b

V

zgQE

ρ= , (9.13)

čia ρ – vandens tankis, ρ = 1000 kg/m3; bQ – visas žuvitakio debi-

tas, m3/s; bV – basein÷lio vandens tūris, m3; z – pertvaros patvankos

aukštis.

bbbb lhbV = , (9.14)

čia bbb lhb , , – atitinkamai basein÷lio plotis, vandens gylis ir basei-

n÷lio ilgis, m. (Leidžiamoji energijos sklaida priimama tokia: lašišin÷ms žu-

vims – 300250−=leiE W/m3, kitoms žuvims – Elei = 150 –

200 W/m3.) Aukštutinio žuvitakio antgalio konstrukcija priklauso nuo aukš-

tutinio bjefo vandens lygio (ABVL) svyravimų. Aukštutinis žuvitakio antgalis paprasčiausiu atveju (kai aukštu-

tinio bjefo vandens lygis svyruoja mažai, < 10 cm) gali būti analo-giškas žemutiniam antgaliui.

202

Kai ABVL svyruoja daugiau, aukštutinis antgalis projektuojamas kaip atviras šliuzas-reguliatorius su viena ar keliomis atšakomis, prisi-derinant prie būdingų ABVL kitimo. Šiuo atveju parenkama patikima hidromechanin÷ įranga (uždoriai, jų valdymo prietaisai), plūdmenų su-laikymo priemon÷s, kurios sukelia papildomus hidraulinius nuostolius. Prireikus įrengiama žuvų apsaugos nuo nunešimo į žemutinį bjefą si-stema, kuri taip pat reikalinga žemyn migruojančias žuvis nukreipti į žuvitakį. Visa tai pagrindžiama hidrauliniais skaičiavimais.

203

LITERAT ŪRA

ABBOTT, M. B. 1974 Computational Hydraulics; Elements of the Theory of Free Surface Flows. London: Piman Publishing Limited.

AGNPS. 1987 A Watershed Analysis Tool. US Agricultural Research Service, No 35, p. 77.

ALEXANDER, I. and FIELDING, C. 1977 Gravel antidunes in the tropical Burdekin River. Sedimentology, 44, Quensland, Australia, p. 327–337.

ALTUNIN, V. S. 1988 Hydraulic dimensions for the design of canals. In Proc. of V Internat. Symposium of Hydrology, Vol (10)1, p. 62–77 (in Russian).

BACHMAN, R. A. 1983 Foraging behavior of free-ranging wild brown trout (Salmo trutta) in a stream. Trans. Am. Fish. Soc., 113, 1–32.

BAGDONOVIČIUS, A. 2004 Panašumo teorijos ir modeliavimo pagrindai. Vilnius: Technika, 152 p. ISBN 9986-05-463-X.

BAGDŽIŪNAITö-LITVINAITIEN ö, L; LUKIANAS, A. 2005 Studien of Biogenic Pollytion of Lithyanan Rivers Water. In Proc. of 6th International Conferency “Environmental Engineering”, May 26–27, Vol 1, p. 521.

BAYLEY, P. B. 1984 Understanding large river-floodplain ecosystems. Signifi-cant economic advantages and increased biodiversity and stability from res-toration of impaired systems. Bio Science, 45(3), p. 153–158.

BARIŠNIKOV, N. V. 1984 Morfologija, gidrologija i gidravlika poim. Lening-rad: Gidrometroizdat.

BARIŠNIKOV, N. V.; IVANOV, S. V.; SOKOLOV, YU. N. 1971 Role of Flood Plain in Flood Discharge of River Channel. In Proc. of 14-th JAHR Cong., Paris, 5, p. 141–144.

Bent Lange Madsen. Danish Watercourses/ Danish Environmental Protection Agency. Denmark, 1995. 208 p.

BERANKIENö, L. 1997 Melioracijos griovių augalin÷s dangos tyrimai. Van-dens ūkio inžinerija: mokslo darbai. LŽŪI; LVŪI, Kaunas, Nr. 3(25), p. 178–183.

BERZ, G. 1999 Flood disasters: lessons from the past-worries from the future. In XXVIII JAHR Congress Proceedings. General and Special Lectures. Post congress volume, Graz, Austria, Europe, 22–27 August, p. 9–16.

BOOGERD, P. SCARLETT, B. and BROUWES, R., 2001. Recent Modelling of sedimentation of Suspended Particles: a Survey. Irrigation and Drainage, 50(2), p. 109–128.

BURT, T. N. 1990 Cohesive sediment and Physical Models. In Proc. of Intern. Conf. „Modeling of Sediment Transport”, MIT, Cambridg, p. 798.

204

CELLINO, M and GRAF, W. H. 1999 Sediment laden flow in open-channels under no capacity and capacity conditions, J. Hydraul. Eng., 125(5), p. 456–462.

CHANSON, H. The Hydraulics of Open Channel Flow. Oxford, Auckland, Boston, Johannesburg, Melbourne, New Delhi.

CHESTER, C.; WATSON; STEVEN, R. ABT, and DERRICK D. 1997 Willow Posts Bank Stabilization. Journal of the American Water Resources Asso-ciation (AWRA), April, 19, Vol 33, No 2, p. 293–300.

COGOR S.; KUCUKALIS, S and CIKGOR E. U. 2004 Experimental study of oxygen disturbation in open channel flow around boulders. In Proc. of V In-tern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, September 12–17, p. 813–816.

COLEMAN, N. L. 1986 Effects of suspended sediment in the open-channel velocity distribution. Wat. Res., 22(10), p. 1377–1384.

CONNELL, J. H. 1978 Diversity in tropical rain ferests and coral reefs., Scien-ce, 199, p. 1302–1310.

COOP, G. H. 1989 The habilitat diversity and fish reproductive function of floodlain ecosystems. Environ. Biol. Fishes, 26, p. 1–27.

Corp of US Army Engineers. HEC-2 Water Surface Profiles. Hydrologic Engi-neering Center. US Army. Davis, California, 1990.

CUMMINS, K. W.; WILZBACH, M. A.; GATES, D. M., PERRY, J. B. and TALIAFERRO, W. B. 1989 Shredders and riparian vegetation. Leat litter that falls into streams influences communities of stream invertebrates. Bio Science, 39(1), p. 24–30.

CUNGE, L. A. 1995 Two-dimensional Modeling of Flood Plains. Water Re-sources Publication. – Fort Collins, Colorado, USA.

DABROVSKI, SZ.; POPEK, Z. 1997 Flow Resistance Overgrown Hydraulic Channel. Journal of Water and Land Development, p. 105–127.

DOLGOPOLOVIENE, A.; ZDANKUS, N. 2003 The investigations on the state of naturalized drainage channels. Water Management Engineering. Tran-saction, Vol 23(43)–24(44). Vilainiai, p. 87–89 (in Lithuanian).

DOU-GO-ŽEN. 1986 Statičeskaja teorija ruslovoj turbulentnosti i jejo primene-nije. Trudy 5 Vsesojuznogo gidrologičeskogo sjezda, 10(2), p. 302–314.

DOU-GO-ŽEN. 1986 Teorija modelirovanija dviženija rečnych nanosov i primery jejo primenenija. Trudy 5 Vsesojuznogo gidrologičeskogo sjezda, Vol 10(2), p. 315–322.

205

GAILIUSIS, B.; KOVALENKOVIENö, M.; RIMAVICIUTö, E. 2000 Impact of ponds on Lithuanian river flow discharge. Yearbook of Geography, Vol 33, p. 97–107 (in Lithuanian).

GONZALEZ, M. A.; SERVIA, M. J.; VIEIRA-LANERO, R.; ANDCOBO, F. 2004 Fluctuations in the distribution of biomass and abudance of bentic macroinvertebrates as a tool for detectiora levels of hydraulics stress. In Proc. of V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, September 12–17, p. 1092–1096.

GRISHANIN, K, V. 1974 Stability of river and canal channels. Leningrad: Gidrometeoizdat, 143 p.

GRISHANIN, K. V. 1990 Fundamentals of river flow dynamics. Moskva: Transport.

HANSKI, I. 1991 Single species met population dynamics: concepts, models and observations. Biol. I. Linnean Soc., 42, p. 17–38.

HEJDEN, H; VAN DER JONG, P.; DE KUIJIPER, C; ROOLFREMA, A. 1994 Clibration and Adjustment Procedures for the Regime – Meuse Estuary Scale Model. Hydraulic Laboratory. Delft, Netherlands, publ. 1(326), p. 1–17.

HEINRICH, D. and HERGT, M. 2000 Ekologijos atlasas. Vilnius: Alma Litera, p. 280.

HOLLY, F. M.; RAHUEL, I. L. 1990 New numerical/physical framework for mobile-bed modeliing. Journal of Hydraulic Research, 28(4), p. 401–416.

HSIEH WEN SHEN PIERE, Y. JULIEN. 1993 Hydrology, Ch. 12. Erosion and Sediment Transport. Handbook of Hydrology. USA, Mc Graw, Hill, INC, p. 1235.

YAGE, O.; KABDASLI, M. S. and TURKER, U. 2004 Wave damping and reterdance by emergent vegetation. In V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, p. 1265–1269.

IAHP CONGRES PROCEEDINGS. 2004 Fifth International Symposium, on Ecohydraulics. Aquatic Habilitats: Analisis and Restoration. Madrid, Spain, 1453 p.

YOUNG, D. L.; WANG, Y. F. and ELDHI, T. J. 2002 Three-dimensional Transient Shallow Water Flow Simulation Using a Boundary Integral Equation Model. Journal of Hydraulic Research, Vol 40(4), p. 403–412.

JUNK, W. I.; BAYLEY, P. B and SPARKS, R. E. 1989 The flood pulse concept in river – floodplain systems in dodge, DP. In (Ed) Proc. Int. Large River Symposium, Can. Spec. Publ. Fish. Aquat. Sci., 106, p. 110–127.

206

KAZEMIPOUR, A. K. AND APELT, C. I. 1983 Effects of irregularity of form on energy losses in open channel flow. Australia Civil Engineering Tran-sactions, CE25, p. 294–299.

KENNEDY, J. F. 1963 The mechanics of dunes and antidunes in erodible-bed channels. Journal of Fluid Mechanics, 16, p. 521–544.

KHALED, A. M. and ODEH, M. 2004 Effect of residual flows in tidal seas on the ecological system. In V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, p. 1262–1264.

KING JACKIE. 2004 Environmental flows fluvial maintenance and concerva-tion. In Proc. of V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, Septem-ber 12–17, p. 25–40.

KIUNŽ, K. A.; XOLLI, F. M.; VERVEI, A. 1985 Čislennyje metody v zadačach rečnoj gidravliki. Moskva.

KOBUS, H. 1984 Symposium on Scale Effects in Modeling Hydraulic Structu-res. Technische Akademie, Esslingen, Editor H. Kobus, JAHR, September 3–6.

KRUOPIENö, J. 1999 Nemuno dugno nuos÷dos ir jų įtaka ekosistemos būklei: daktaro disertacijos santrauka. Kaunas. 23 p.

KUIJPER, C. 1992 Sedimentation and consolidation of mud. Literature review Report 2161-31. Delft Hydraulics. The Netherlands.

1967 Kuršių marios. Kompleksinio tyrin÷jimo rezultatai. Vilnius. 545 p. LEIDER, S. A. 1989 ncreased straying by adulf steelhead trout, Solmo gairdne-

ri, following the 1980 eruption of Mount St. Helens. Environ. Biol. Fishes, 24, p. 219–229.

LIATCHER, V. M.; PRUDOVSKI I.I. Gidravličeskoje modelirovanije. Moskva: Energoatomizdat, 1984.

Lietuvos higienos norma HN 24:2003 „Geriamojo vandens saugos ir kokyb÷s reikalavimai“, patvirtinta Lietuvos Respublikos sveikatos apsaugos ministro 2003 m. liepos 23 d. įsakymu Nr. V-455.

LIGGETI, J. A. AND CUNGE, L. A. 1975 Numerical Methoods of Solution of the Unsteady equations. Fort Collins, Colorado, USA, 1975.

LUKIANAS, A. 2006 Melioracijos hidrotechninių statinių poveikio gamtinei aplinkai tyrimai ir vertinimas: habilitacijos procedūrai teikiamų mokslo darbų apžvalga. Vilnius: Technika, 31 p.

MAIDMENT, R. D. 1993 Handbook of hidrology. USA, Mc Graw-Hill, INC. MAN, R. I.; MELILLO, I. M.; LOCK, M. A.; FORD, T. E. and REICE, S. R.

1987 Longitudinal patterns of ecosystem processes and community structu-re in a subartic river continuum. Ecology, 68, p. 1139–1156.

207

MARCHAUD, M. and MONTEIRO, P. 2004 Setting environmental flows for coastal ecosystems: policy demands and research needs. In V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, p. 1257–1264.

MARTINS, F.; PINO, P.; BRAUNSCHWEIG, F.; SARAIVA, S.; SANTOS, M. and NEVES, R. 2004 EU Water franuwork directive: will the nitrate load reduction from diffuse sources proeduce the same results in all estuaries? In V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, p. 1270–1276.

METTE DAHL. 1995 Flow dynamics and water balance in two freshwater estuaries. Denmark.

MICHALEV, M. A. 1999 Search for a dependance of numbers of similarity from criteria at phycical of hydraulic phenomena. In Proceedings of XXVIII JAHR congress. Engineering for Sustainable Water Resourses Management at the Turn of the Millenium, Austria, Graz, p. 216–220.

MIRCHULAVA, C. E. 1967 Razmyv rusel i metodika ocenki ich ustojčivosti. Moskva: Kolos.

NAIMAN, R. I.; MAGNUSON, I. I.; MCKNIGHT, D. M. and STANFORD, I. A. (EDS). 1995 Freshwater Imperative: A Research Agenda, 1 st edn., Is-land Press, Washington, D C., p. 165.

OKUNEVIČIUS, S.; RIMKUS, A.; VAIKASAS, S.; RIMKUS, G., 1993. Hidroįtvarų ir vaginių procesų modeliavimas. Melioracija: mokslo darbai, 22, p. 16–45.

PARKER, G. 1990. Surface-based Bed load Transport Relation for gravel Rivers. Journal of Hydraulic Research, 28(4), p. 417–436.

Paviršinio vandens telkinių klasifikavimo tvarka ir kokyb÷s normos. Patvirtinta Lietuvos Respublikos aplinkos ministro 2001 m. spalio 25 d. įsakymu Nr. 525.

PEETS, G and CALOW, P. 1996 River Restoration. Selected Extracts From the Rivers Hand book. Oxford, London. ISBN 0-86542-919-7.

PETTS GEOFFREY and CALLOW PETER. 1996 River restoration 4 k, p. 231. POFF LEROY, N. 2004 Natural flow regime as paradigm for river restoration.

A hydroecological context for ecohydraulics? In Proceed. of V Intern. Symp. on Ecohydraulics. Madrid, Spain, September 12–17, p. 19–24.

Rehabilitating Danish Streams. Ministry of Environment and Energy, Denmark. Denmark, 1995, Miljo Th, No 11, p. 28.

Rehabilitation of Danish Streams. Ministry of Environment and Energy, Den-mark, 1995, Miljo, No 11, p. 28.

RIJN, L. C. 1993 Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas. Aqua Publications, p. 1117.

208

RIMKUS, A. 1996 Hydraulic Calculation of Overgrown by Trees and Washed Canals. In Proc. Of Intern. Scientitic Conf., Kaunas, 9–10 October, p. 103–107.

RIMKUS, A. 1999 Žole apaugusių kanalų hidaruliniai skaičiavimai taikant žolių sluoksnio ekvivalentinį storį. Vandens ūkio inžinerija, t. 7(29), p. 71–80. ISSN 1392-2335.

RIMKUS, A. 1993 Nemuno dugno plovimo, vykstančio Kauno HE įtakoje, prognozavimas. Melioracija: mokslo darbai, 22, p. 57–64.

RIMKUS, A.; VAIKASAS, S. and PUKŠTAS, R. 2007 Calculation of Suspen-ded Deposition Intensity in Grass-covered Floodplains. Nordic Hydrology, Vol 38, No 2, p. 151–163.

RIMKUS, A.; VAIKASAS, S. 1997 Apaugusių medeliais ir deformuotų kanalų hidrauliniai skaičiavimai. Vandens ūkio inžinerija: mokslo darbai, Nr. 2(24), p. 85–95

RIMKUS, A.; VAIKASAS, S. 1997 Kanalų priežiūros ir natūralizavimo plana-vimas. Vilainiai, p. 47.

RIMKUS, A.; VAIKASAS, S. 1998 Natūralizuojamų kanalų hidraulinio-mate-matinio modelio papildymas ir jo taikymas. Vandens ūkio inžinerija: mokslo darbai. LŽŪI; LVŪI. Kaunas-Akademija, Vilainiai, t . 5(27), p. 80–88.

RIMKUS, Z. 2004 Investigation of Lithuanian river channels classification. River Flow 2004. In Proc. of the second International Conf. on Fluvial Hydraulics. Napoli, Italy, 23–25 June, Vol 1, p. 143–149.

RIMKUS, A.; PUKŠTAS, R. and VAIKASAS, S. 2004 Investigation on su-spended sediment concentration and grain-size composition in the of river floodplains. In Proc. of V Intern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, September 12–17, p. 1416–1422.

River Restoration News. Newsletter of the RRC. Issue 1, Denmark, Silsoe Campus, 1998, Nowember, p. 8.

ROOZEN, F. C. I. M. 2005 Transparency of floodplain lakes; a study of plankton and suspended matter along the lower Rhine. Riza, Lelystad. 198 p.

SCENDBORG, A. 1956 The river kinetic study of fluvial processes. Geografiska Annaler. Stocholm.

SEAR, D. A.; CARLING, P. A.; GREIG, S. M. 2004 Fine sediment accumula-tion in spawning gravels and the effects on interstitial flow. In Proc. of V In-tern. Symp. on Ecohydraulics, Madrid, Spain, September 12–17, p. 808–812.

SELIM YALIN, M.; FARREIRA DA SILVA, A. M. 2001 Fluvial Processes. The Netherlands; Delft, p. 723.

209

SHIJ; THOMAS, T. G. and WILLIAMS, J. J. R. 1999 Large-eddy Simulation of Flow in a Rectangular Open Channel. Journal of Hydraulic Research, Vol 37(3), p. 345–363.

STANFORD, I. A. and WARD, I. V. 1993 An ecosystem perspective of alluvial rivers: connectivity and the hyporheic corridor. I. North Am. Benthol. Soc., 12(1), p. 48–60.

STATZNER, B.; GORE, I. A. and RESH, V. H. 1988 Hydraulic stream ecolo-gy¨Observed patterns and potential applications. I. North Am. Benthol. Soc., 7(4), p. 307–360.

Stream Corridor Restoration. Principles, practices and processes. (1998). Prieiga per internetą: <http:/www:usda:gov/stream restoration newtofc.htm>.

ŠARP, DŽ. 1984 Gidravličeskoje modelirovanije. Moskva: Mir. ŠIKŠNYS, A. 2000 Gis duomenų bazių panaudojimas Nemuno žemupio hidrau-

likos skaitmeniniam modeliavimui. LŽŪU ir LVŪI mokslo darbai, Kaunas-Akademija, Vilainiai, Nr. 10(32), p. 53–61.

TOWNSEND, C. R. 1989 The patch dynamics concept of stream community ecology. Journal of the North American Bentbiological Society, 8, p. 36–50.

TODA, Y.; AKAMATSU, Y. and IKEDA, S. 2004 Numerical modelling of primary production and interspecific competition of filamentous and non-filamentons periphyton on flat channel bed. In V Intern. Symp. on Ecohyd-raulics. Aquatic Habitats. Analysis and Restouration, Madrid, Spain, p. 1123–1128.

TUMAS, R. 2003 Vandens ekologija. Kaunas. IBBN 9955-03-202-2. Twice a River. RIZA report No 99003. Arnheim-Lelystad, 1999. 126 p. ISBN

9036952239. VAIKASAS, S. 1993 Hidraulinio modeliavimo metodo išsivystymas ir pritaiky-

mas polderių tyrimuose. Daktaro disertacijos tez÷s. Vilainiai. 8 p. VAIKASAS, S. 2001 Flood Dynamics and Sedimentation-Diffusion Processes

in River Beds and Inundated River Valleys. Abstract of doctor halibut’s dis-sertation. K÷dainiai, Vilainiai.

VAIKASAS, S.; RIMKUS, A. 1985 Sovietsko ir Nemano miestų kanalizacijos vandens išleistuvų vietos parinkimas hidraulinio modelio pagalba. Santech-nika ir hidraulika: LTSR aukšt. m-klų mokslo darbai. Vilnius, p. 65–87.

VAIKASAS, S.; LUKIANAS, A. AND RIMKUS, A. 2004 Suspended sediment deposition in floodplain meadows. In Proc. of V Intern. Symp. on Ecohyd-raulics, Madrid, Spain, September 12–17, p. 1423–1427.

210

VAIKASAS, S. 1999 Hydraulic Issues in View to Self-naturalization of Canali-zed Brooks and Streams. Transact. of LUA and LIWM, 7(29), p. 31–40. ISSN 1392-2335 (in Lithuanian).

VAIKASAS, S. and ŽDANKUS, N. 2005 Analysis of Lithuanian channels bed stability (Reffering to Grishanin number). In Proc. of LUA WMI, Water Management Engineering, Vol 2(5), p. 107–112.

VAIKASAS, S. 2002 Sedimentation and self-purification in the Nemunas floodplain. In Proceeding of Intern. Conf. Latvia University of Agriculture, Jelgava, p. 121–125.

VAIKASAS, S. AND STANKEVIČIUS, M. 2004 Some Aspects of Modelling Bed Processes in Trained Rivers. Journal of Environmental Engineering and Landscape Management, Vol 12, No 1, p. 30–37.

VAIKASAS, S.; OKUNEVIČIUS, S. 2001 Upių vagų savigrindos tyrimai ir modeliavimas. Vandens ūkio inžinerija: mokslo darbai. Kaunas-Akademija, Vilainiai, Nr. 17(39), p. 114–121.

VAIKASAS, S.; RIMKUS, A. 2000 Nešmenų dinamikos užliejamoje Nemuno deltoje modeliavimas. Aplinkos inžinerija, t. 8, Nr. 4, p. 188–197.

VAN DEN BRINK, F. W. B. 1994 Impact of hydrology on floodplain lake ecosystems along the Lower Rhine and Meuse. Nijmegen.

VASILČENKO, G. V. 1985 Vozdeistvije potokov na meliorativnyje vodocho-ziajstvennyje sooruženija. Minsk: Urodžaj.

VELIKANOV, M. A. 1950 Dinamika ruslovych potokov. 3-e izd. Moskva: Gostechizdat.

WATSON CHESTER, C.; ABT STEVEN, R., and DERRICK, DAVID. 1997 Willow post bank stabilisation. Journal of the American Water Resources Association, Vol 33, No 2, p. 293–300.

WISNER, P. 1965 On the role of the Froude criterion for the study of air ent-rainment in high velocity flows. In Proceedings of the 11-th IAHR Congress Leningrad, USSR, Paper 1.15 (in French).

WOOD, I. R. 1991 Air entrainment in tree-surface flows. IAHR Hydraulics Structure Design. Manual No 4, Hydraulic Design Calculations. Balkema: Rottedam, the Netherlands, 149 p.

ŽDANKUS, N. 1965 Issledovanije ustoičivosti razlivu nesviaznych gruntov v prizmatičeskich kanalach s učiotom donnych mgnovennych skorostej. Kau-nas.

211

Saulius Vaikasas

Ekologin÷ hidraulika

Mokomoji knyga

Redagavo Giedra Ribokien÷ 2007-06-05. 13,5 sp. l. Tiražas 100 egz. Vilniaus Gedimino technikos universiteto leidykla „Technika“, Saul÷tekio al. 11, 10223 Vilnius Spausdino UAB „Biznio mašinų kompanija“, J. Jasinskio g. 16A, 01112 Vilnius