Течения и колебания уровней на водохранилищах и озерах

Течения воды на водохранилищах возникают под воздействием ветра и стока. Нижняя (приплотинная) частьводо­хранилища имеет небольшую протяженность, в ней находится зона активного стока. Скорости течения в этой зоне повышенные, особенно в период сброса в нижний бьеф весеннего паводка.

Приплотинная часть водохранилища глубоководная при любых уровнях воды. Волнение здесь наибольшее по сравнению с другими частями водохранилища, дно не подвергается воздействию волн.

Средняя часть водохранилища имеет наибольшую протяженность и слабое течение. Она имеет большие глубины только при высоких уровнях. При понижении уровня глубины над поймой небольшие, волнение сильное, распространяющееся до дна. При нормальных подопорных уровнях условия плавания здесь такие же, как в нижней зоне.

Верхняя (речная) часть водохранилища при высоких уровнях представляет собой мелкий водоем. При низких уровнях и сохранив­шемся небольшом подпоре вода входит в меженное русло. Волнение здесь слабое, глубины небольшие и часто меняются из-за колебаний уровня, русло постоянно переформировывается.

Зона выклинивания подпора представляет собой устье главной реки со сложным гидрологическим режимом.

Длина подпорного участка, зависящая от колебаний уровня воды в водохранилище распространяется на несколько десятков километров. У перекатов, расположенных в зонах выклинивания подпора, происхо­дит наращивание гребней. При высоких уровнях река несет много на­носов и намывает гребни. При низких уровнях будет происходить раз­мыв переката, но этот процесс идет медленнее. Часть отложенных на­носов может остаться несмытой вплоть до начала следующего па­водка.

В зоне выклинивания подпора высота гребней перекатов возраста­ет на 30—35 см по сравнению с их высотой до создания подпора. Это уменьшает глубины, достигнутые общим подъемом уровня. Глубины в зоне подпора часто меняются, плавание судов затруднительно.

Особенно сильные течения на водохранилищах наблюдаются в по­ловодье. В этот период скорость течения в узких местах достигает 1 м/с и более. В центральных зонах водохранилища в половодье ско­рость течения бывает. 0,5—0,8 м/с, а у берегов—0,3—0,5 м/с.

На водохранилищах течения создаются также и при попусках воды. В этом случае в водохранилище, которое является нижним бьефом верхней ГЭС, наблюдаются скорости течения, достигающие несколь­ких километров в час. В межень попуски, а следовательно скорости течения, меньше.

Ветровые течения, называемые дрейфовыми, возникают под влия­нием трения воздушного потока о поверхность воды и давления ветра на наветренные склоны волн. Скорость ветрового течения зависит от скорости ветра, продолжительности его действия, скорости и направ­ления предшествующих ветров, от глубины, близости берегов и остро­вов. Обычно скорости течения составляют l—7% от скорости ветра. Например, в нижней зоне Цимлянского и Куйбышевского водохрани­лищ при ветре силой 8—13 м/с (5—6 баллов) скорость дрейфового те­чения составляет 0,20—0,35 м/с (0,7—1,2 км/ч).

Направления и скорости дрейфовых течений часто меняются, осо­бенно при слабых ветрах. Вблизи берегов на ветровое накладывает­ся течение, возникающее от сгонов и нагонов воды.

Течения на озерах возникают под влиянием впадающих и вытекающих рек, вследствие неравномерного нагревания и охлажде­ния масс воды и под влиянием ветра. На судоходство оказывают влия­ние лишь постоянные течения, вызываемые реками. Однако скорость этих течений невелика и в редких случаях достигает 1 см/с.

Уровни воды на водохранилищах постоянно меняются и зависят во многом от изменения величины естественного притока воды, испарения, сгонов и нагонов под воздействием ветра, сбросов воды в нижний бьеф и потерь ее на фильтрацию.

Характерными уровнями водохранилища являются следующие:

подпорный уровень ПУ — уровень воды, образующийся в водотоке или водохранилище в результате подпора;

нормальный подпорный уровень НПУ — наи­высший проектный подпорный уровень верхнего бьефа, который мо­жет поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротех­нических сооружений;

форсированный подпорный уровень ФПУ — подъемный уровень выше нормального, временно допускаемый в верх­нем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений.

Колебания уровней воды в водохранилищах при регулировании стока составляют несколько метров в год.

Обычно в весенний период (в течение двух-трех месяцев) водо­хранилище наполняется стоком талых вод и уровень воды повышается на несколько метров. В течение лета и зимы происходит сработка воды и снижение уровня, что сказывается на судоходных глубинах. Напри­мер, при снижении уровня на З м на Цимлянском водохранилище дви­жение судов в средней части возможно только по фарватеру, в ниж­ней — судоходство возможно даже вне фарватеров.

Колебания уровней воды во многом зависят от вида регулирования стока водохранилища и количества поступающей воды при весеннем половодье.

В маловодные годы при недостаточном стоке воды с бассейна уро­вень может быть ниже нормального подпорного уровня. В следующий год водохранилище может не восполнить израсходованную воду и уро­вень не достигнет прежних отметок.

Нагонно-сгонные колебания уровней воды про­исходят под воздействием ветра. При ветре поверхностное течение при­водит к подъему уровня воды у наветренного берега. В результате раз­ности уровней в глубине водоема образуется обратное — компенса­ционное течение, которое встречает сопротивление дна и поэтому име­ет меньшую скорость, чем поверхностное течение. Нагон происходит до тех пор, пока разность в уровнях не усилит компенсационное тече­ние настолько, что между ним и поверхностным течением установит­ся скоростное равновесие и уровень воды получит определенный ук­лон.

У глубоких водоемов с обрывистыми берегами влияние дна на ком­пенсационное течение меньше, чем у мелких, поэтому компенсацион­ное течение у первых водоемов несколько сильнее и скорее приходит в равновесие с поверхностным. Следовательно, у глубоких водоемов величина нагона воды будет меньше, чем у мелководных.

Наибольший подъем уровня бывает в начале нагона, когда водная масса еще не приобретает глубинного компенсационного течения. На­гоны особенно велики в узких и мелких заливах, вытянутых по на­правлению ветра.

Величина нагона зависит от силы ветра и характера берега. На­пример, на Цимлянском водохранилище нагоны у берегов достигают 20—30, а иногда 50—60 см. Нагоны вдоль водохранилища составляют 70—100 см. На Рыбинском водохранилище разность в уровнях у про­тивоположных берегов может достигать 1 м. На приплотинном участ­ке Горьковского водохранилища при нагонных ветрах уровень воды поднимается до 45 см выше НПУ.

При ориентировочных расчетах разность уровней, м, зеркала водо­хранилища при стонах и нагонах можно определить по формуле Л. С. Кускова

где D — длина разгона волн, м;

Н — средняя глубина водоема в пределах разгона, м;

w — скорость ветра на высоте 10 м от поверхности воды, м/с;

а—угол между направлением ветра и продольной осью водохранилища, град.

Большую опасность для судоходства представляют стоны, которые могут вызвать посадку судов на грунт. Величина стонов может при­ближенно приниматься равной величине нагонов.

При плавании по трассам, проходящим вблизи берегов водохрани­лища, особенно в верхней его зоне, необходимо учитывать влияние на глубину стонов и нагонов воды.

Колебательные движения всей массы воды в водохранилище или озере называют сейшами. Поверхность воды при этом приобрета­ет уклон то в одну, то в другую сторону. Ось, вокруг которой колеблет­ся поверхность водоема, называется узлом сейши. Сейши могут быть одноузловые (рис. 40, и), двухузловые (рис. 40, б) и т. д.

Рис. 40. Сейши

Сейши возникают при резких изменениях атмосферного давления, прохождении грозы, при резких изменениях силы и направления вет­ра, способных раскачать массу воды. Водная масса, стремясь возвра­титься в прежнее положение равновесия, приходит в колебательное движение. Колебания под воздействием трения будут постепенно за­тухать. Траектории частиц воды в сейшах подобны траекториям, на­блюдаемым в стоячих волнах.

Чаще всего сейши имеют высоту от нескольких сантиметров до метра. Периоды колебаний сейш могут быть от нескольких минут до 20 ч и более. Например, в приплотинной части Цимлянского водохра­нилища наблюдаются одноузловые сейши с периодом 2 ч и высотой 5—8 см.

Тягун представляет собой резонансные волновые колебания воды в портах, бухтах и гаванях, вызывающие циклические горизонталь­ные движения судов, стоящих у причалов. Период колебаний воды при тягуне от 0,5 до 4,0 мин.

Тягуны создают длиннопериодные стоячие волны, где частицы воды движутся по орбитам узлов. Однако под вершиной и подошвой волны движение их направлено вертикально. Период колебания поверхности воды и скорость движения частиц зависят в основном от конфигурации берегов и глубины бассейна.

Порт не является полностью замкнутым бассейном, он сообщается с открытым водоемом или морем сравнительно узким проходом. Лю­бое колебание воды в этом проходе под действием внешних сил вызывает собственные колебания воды в бассейне. Внешними силами могут быть:

послештормовая долгопериодная зыбь; барические волны, возникаю­щие после быстрого выхода циклона и антициклона с моря на сушу;

внутренние волны, образующиеся под действием штормов в открытом море или озере, которые, приближаясь к мелководью, выходят на поверхность и проникают на акваторию порта. Если период внешней силы близок к периоду собственных колебаний воды портовой аквато­рии, то эти колебания быстро нарастают и достигают наибольшей ве­личины. После прекращения действия внешних сил колебания зату­хают.

В зависимости от того, в какой точке тягуна находится судно, оно испытывает или горизонтальные, или вертикальные перемещения. Если размеры судна и места крепления швартовов таковы, что период его собственных колебаний близок или совпадает с периодом сейш, то возникают сильные резонансные движения. Причем рядом может находиться судно, которое практически не испытывает действие тягуна, так как оно отличается от первого размерами, массой, периодами качки и собственных колебаний.

Во время тягунов пассажирские суда вынуждены отходить на рейд, так как стоянка у причалов становится невозможной, а грузовые — прекращать работы. Даже при очень маленьких ускорениях в дви­жении судна возникают ударные силы, способные повредить его кор­пус. Тягуны воздействуют на суда неодинаково, поэтому судоводите­ли должны знать их особенности в данном порту, период колебаний воды в акватории, а также особенности поведения своего судна при тягуче.

При изменении объема воды (прихода и расхода), а также при дви­жении водной массы в озерах происходят колебания уровней воды. Чем больше изменение водного объема, тем больше амплитуда колеба­ний уровня воды (она может быть от 2—3 см и до нескольких метров).

Величина колебаний уровня во многом зависит от площади и ха­рактера берегов озера. В течение года в отдельных климатических зонах периоды колебаний уровня бывают различны. В северных ши­ротах наибольшие колебания бывают в начале лета и наименьшие в конце весны. На северо-западе европейской части СССР в течение года максимальные уровни бывают весной и осенью и минимальные — зимой и летом. В озерах средней части Сибири (например, на Байкале) наи­больший уровень наступает летом, а наименьший осенью, зимой и весной.

В засушливых местностях Северного Казахстана и Прикаспий­ской низменности наибольшие уровни наблюдаются весной от снего­таяния и наименьшие — летом.

Кроме годовых колебаний, у озер различают вековые колебания уровней. Они вызываются изменениями условий питания озер. В связи с колебаниями количества атмосферных осадков, летних температур воздуха, испарения и т. д. иногда несколько лет подряд наблюдаются многоводные или маловодные годы. При тектонических процессах мо­жет происходить поднятие или опускание озерной котловины, что так­же сказывается на уровенном режиме озера. Многолетняя амплитуда колебаний уровней различна и составляет несколько метров.

Колебания уровней на озерах вызываются сейшами и сгонами-нагонами воды (причинами появления их те же, что и на водохранили­щах). Амплитуда колебаний уровней воды при сейшах составляет не­сколько сантиметров (например, на Байкале 5—14 см).Сгонь1инагоны воды повышают или понижают от нескольких сантиметров до несколь­ких метров (например, на Аральском море 2—3 м, на Байкале до 40 см).

Приливы на озерах имеют небольшую величину, повышение уровня составляет несколько сантиметров (например, на Байкале 1,5—4 см, на Аральском море 2—3 см),