Mathematical modelling of sediment dynamics and their deposition in Lithuanian rivers and their deltas (case studies)

Abstract

Mathematical modelling of sediment transport and deposition in the floodplains and canals of rivers is closely related to the hydrodynamics, as well as the design of engineering measures, of water pollution control and reduction. The dynamics of flow velocities and water level in the urban section of the Nevežis River at Kedainiai were estimated by applying a hydraulic‐mathematical model, DELTA. It was established that there were no conditions for undesirable river‐bed siltation. During the dry season (Qv.f = m3/s), flow velocity did not exceed 0.5 m/s in the study section. When the discharge affected the formation of the riverbed (Qv.f = 70 m3/s), the flow velocity reached 1.2–1.3 m/s and accumulated bed sediments were washed away. A two‐meters high dam near Skongalis does not stimulate bed silting, as it is not high enough to have much influence on the bed formation processes or the reduction of riverside overgrowth. When the water level is low and the flow velocity is small (0.1 m/s), the water in the river is only slightly turbid (turbidity is 2–6 mg/l), so there is no scope to decrease sedimentation in this case. To improve the aesthetical view of the river, it is advisable to regulate the riverbed by reducing the river width to a 30 m maximum. Floods in the Nemunas delta inundate the bright areas of the valley, where the significant amount of sediments brought by the water is deposited. This decreases the water pollution entering the Curonian Lagoon and the Baltic Sea. It is, therefore, desirable to find ways to intensify this deposition and to put them into practice. The possibility of increasing the discharge of water flowing through the flood plane was investigated, applying the DELTA model. The influences of road banks built across the floodplain and the growth of bushes in the valley were tested. They cause increases in depth and decreases in flow velocity, which can alter the amount of sediment deposition. Santrauka Upiu taršos mažinimo inžineriniu priemoniu projektavimas ir ju būkles kontrole imanoma tik matematiškai sumodeliavus skendinčiuju nešmenu hidrodinamika bei ištyrus tu priemoniu veiksminguma taršai sumažinti ir nešmenims nusodinti. Tam Nevežio reguliuotoji atkarpa Kedainiuose ir Nemuno užliejama delta ties Pagegiais buvo ištirtos taikant hidraulini matematini modeli DELTA. Nustatyta, kad Nevežio vaga, nepaisant jos mažu debitu sausmečiu (Q s.p.v ≈ 3 m3/s) ir greičiu (v ≤ 0,5 m/s), nedumbleja. Taip yra del to, kad per potvynius, kai upes vaga formuojantys debitai Q v.f = 70 m3/s, o tekmes greičiai dideli (v = 1,2–1,3 m/s), anksčiau nusedes dumblas periodiškai išplaunamas ir išnešamas i sleni bei žemupi. Dvimetrinis vandens paimos slenkstis ties Skongaliu taip pat šio proceso neveikia, nes per potvyni yra apsemiamas. Vasara čia vandens lygiai žemi, o tekmes greičiai ne didesni kaip 0,1 m/s, todel Nevežio vanduo palyginti skaidrus (drumstumas 2–6 mg/l), o jo skendinčiuju nešmenu reguliavimo priemones gali būti konstruktyvios arba visai nereikalingos. Iš skaičiavimu akivaizdu, kad per potvynius Nemuno deltoje nemažai anksčiau atneštu skendinčiuju nešmenu kartu su vandeniu išplukdoma i sleni ir jame nuseda. Del čia sulaikomu nešmenu sumažeja vandens, patenkančio i Kuršiu marias ir Baltijos jūra, drumstumas ir biogenine tarša. Taigi reiketu didinti išsiliejančius i slenius potvyniu debitus ir ju išnešamu skendinčiuju nešmenu nusodinima. Straipsnyje aptartas ivairiu slenio tekmiu debitu ir greičiu reguliavimo priemoniu – senvagiu atverimo bei gilinimo, sleni pertveriančiu kelio pylimu irengimo ir krūmu bei medžiu užauginimo efektyvumas skendintiesiems nešmenims sulaikyti. Резюме Проектирование инженерных средств для регулирования загрязнения рек и определение их эффективности возможно лишь при математическом моделировании гидродинамики и осаждения влекомых наносов. С этой целью при помощи двухмерной математической модели DELTA был исследован участок реки Нявежис в городе Кедайняй и дельта реки Нямунас у поселка Пагегяй. Установлено, что несмотря на сравнительно малые расходы воды в межсезонный период (Qs.p.v ≈ 3 м3 /с) и скорости течения (v ≤ 0,5 м/с), в русле р. Нявежис ил и взвешенные наносы не скапливаются, так как они регулярно выносятся во время паводков при наличии руслоформирующего расхода (Qv.f = 70 м3 /с) и возросших скоростях (v = 1,2–1,3 м/с). Влияние подтопления двухметрового порога у Сконгалис в это время ничтожно, а сам порог бывает полностью подтоплен. При помощи расчетов на модели DELTA также установлено, что значительная часть влекомых наносов в низовья р. Нямунас может быть осаждена и задержана при их выносе паводковыми течениями на периодически затопляемую дельту. Осаждаемая часть зависит от распределения расходов между основным руслом и поймой. Поэтому необходимо увеличивать выливание воды в пойму. В статье приведены результаты математического моделирования эффективности различных средств регулирования воды: открытия и углубления старых русел и вымоин, устройства дамб, дорожных насыпей в пойме, уменьшения скоростей течения при помощи посадки кустарников и деревьев в виде полос. First Publish Online: 10 Feb 2011 Reikšminiai žodžiai: hidraulinis modeliavimas, vaginiai procesai, užliejami slėniai, nešmenų reguliavimas. Ключевые слова: гидравлическое моделирование, русловые процессы, затопление поймы, регулирование наносов.

Keywords

• hydraulic modelling
• riverbed process floodplains
• sediment dynamics
• regulation