Уровенный, волновой и ледовый режимы водохранилищ

После создания водохранилища происходит существенное изменение уровенного режима по сравнению с рекой. Амплитуда колебания подпорных уровней (глубина сработки) у водохранилищ, созданных низконапорными и средненапорными плотинами высотой до 30-35 м, всегда бывает меньше амплитуды колебания уровней в реке в естественном состоянии. Например, из всех водохранилищ Волжского каскада самую большую глубину сработки имеет Самарское водохранилище р. Волги - около 7,5 м, причем, в навигационный период – 4 м. При естественном состоянии реки амплитуда в районе г. Самары достигла 12 м.

У водохранилищ, созданных постройкой высоконапорных плотин, глубина сработки может быть очень большой. Так, у Красноярского водохранилища р. Енисей она равна 18 м, а в естественном состоянии амплитуда колебания уровней была около 10 м.

Годовой ход уровней у водохранилищ отличается плавностью, и характер его из года в год меняется сравнительно мало. В естественном же состоянии ход уровней является весьма изменчивым.

У водохранилищ годичного регулирования имеются три фазы (рис. 9.5) годового хода уровней.

1. Весенний подъем от уровня мертвого объема до нормального подпорного уровня (наполнение водохранилища).

2. Поддержание нормального подпорного уровня (в это время излишний приток воды сбрасывается через плотину в нижний бьеф).

3. Медленный спад уровней, продолжающийся большую часть года.

При этом во время третьего цикла происходит расходование воды из водохранилища для обеспечения потребностей народного хозяйства. Иногда в зимний период особенно перед началом паводка интенсивность спада увеличивается, что объясняется необходимостью выработки большого количества электрической энергии гидроэлектростанций и полного опорожнения водохранилища до уровня мертвого объема.

Годовой ход уровней у водохранилищ многолетнего регулирования имеет свою особенность, а именно, нормальный подпорный уровень достигается только в многоводные годы, а в годы средней и малой водности после некоторого подъема уровней воды (1 фаза) сразу наблюдается спад уровней (3 фаза).

Таким образом, уровенный режим существенно меняется после создания водохранилища, что учитывается при выборе типа и размеров причальных сооружений; расположении навигационных знаков для обеспечения безопасного движения судов; выборе мест водозаборов и водоспусков для снабжения водой населенных пунктов и предприятий; расположении рыборазводных заводов; определении мест дамб обвалования для защиты сельскохозяйственных угодий, лесных массивов и отдельных сооружений; расположении мест отдыха и спортивных сооружений и др.

После создания водохранилища существенно изменяется волновой режим. Вследствие большой площади водного зеркала водохранилищ под действием ветра образуются высокие волны и происходят сгонно-нагонные колебания уровня, чего не было на реке в естественном состоянии.

Высота ветровых волн h_в зависит в общем случае от скорости ветра V_в, длительности его действия t_в, длины разгона волны D_в и глубины водоема h

(9.3)

Под длиной разгона волны D_в понимается расстояние от наветренного берега до места, где наблюдается уже развитая волна (рис. 9.6). При дальнейшем удалении от берега влияние D_в уменьшается и перестает сказываться. Аналогичная картина наблюдается с длительностью действия ветра t_в. Если скорость ветра постоянна, то по прошествии некоторого времени рост высоты волны прекращается, волнение становится квазистационарным, при котором его осредненные характеристики не изменяются во времени.

Глубина водоема h влияет на высоту волны только в мелководных водоемах. Поэтому различают волны глубокой и мелкой воды. К волнам глубокой воды, высота которых не зависит от рельефа дна, принято относить волны в тех частях водоемов, где глубины превышают половину длины h ³ 1/2l_в. В том случае, когда глубина меньше половины длины h < 1/2l_в, то волны мелководные и рельеф дна водоема влияет на высоту волны.

Кроме перечисленных особенностей, следует отметить, что волны не бывают строго плоскими, они легко перекашиваются из-за порывов ветра и различной плотности воды. Таким образом, мгновенная водная поверхность представляет собой сложную систему валов различной высоты и длины, имеющих ограниченное простирание по фронту. Поэтому важно знать, кроме высоты волны, ее обеспеченность.

Из-за имеющихся математических сложностей волновое уравнение в общем виде еще не решено, но имеются приближенные решения при упрощающих допущениях. Наибольшее распространение на практике получил способ расчета высоты волны, предложенный А.П. Браславским. Этот способ позволяет при известном рельефе дна водоема, скорости ветра и дальности разгона волны находить высоту волны 1% обеспеченности в любой точке водоема. Для облегчения расчетов им построены номограммы. Каждая номограмма отвечает определенной скорости ветра V_в= const и состоит из двух семейств кривых зависимости высоты волны от дальности разгона и глубины водоема h_в=f(D_в, h) (рис. 9.7). Одно семейство кривых (сплошные восходящие линии) для расчета hв на участках, где глубины с удалением от берега увеличиваются, а другое (пунктирные нисходящие линии) – на участках, где глубины уменьшаются.

Расчеты ветрового волнения составляют необходимую и важную часть проектов судоходного освоения водохранилищ. Данные этих расчетов используются для выбора типов судов транспортного и технического флота, навигационных знаков, конструкций причальных и берегоукрепительных сооружений, а также для выбора места расположения портов-убежищ, где речные суда укрываются при сильных штормах.

Волнение повышает требования к остойчивости судна и к прочности его корпуса. Поэтому суда, плавающие на водохранилищах и озерах, делятся на три класса: «Р» – речные, которые могут безопасно плавать при высоте волны h_в до 1,2 м; «О»- озерные при h_в до 2 м и «М» – морские при h_в до 3м и более. Плотовые составы, транспортирующие древесину, должны укрываться в портах-убежищах при высоте волны h_в=1 м.

Волнение на водохранилищах принято оценивать по высоте волны с обеспеченностью 1%, т.е. по высоте самой высокой волны в группе из 100 волн. На судоходных трассах больших водохранилищ Волжского каскада высота волн с обеспеченностью 1% при скорости ветра 10 м/с достигает 1,0-1,5 м, а при скорости ветра 20 м/с h_в=2,5-3,0 м. Для сравнения укажем, что при скорости ветра 20 м/с высота волн с обеспеченностью 1% достигает значений на трассах Онежского озера до 5 м, а на трассах Ладожского озера до 6 м.

Кроме волнения при действии ветра, возникает перекос свободной поверхности воды: понижение (сгон h_сг) у наветренного берега и повышение (нагон h_н) у подветренного (рис. 9.8). На широких участках крупных водохранилищ сгоны и нагоны иногда достигают значений 1 м и более. Поэтому они должны учитываться при назначении отметок дна акваторий у причалов и подходных каналов, а также отметок территорий портов.

Основные отличия ледового режима свободных участков рек заключаются в следующем:

- увеличение толщины ледового покрова;

- изменение сроков вскрытия и замерзания;

- образование незамерзающего участка ниже плотины.

Образование в водохранилищах ледяного покрова повышенной толщины объясняется малыми скоростями течения и, следовательно, уменьшением количества тепла, переносимого от дна водоема к нижней поверхности ледяного покрова.

Если в реках центральных районов Европейской территории России толщина льда редко бывает больше 0,5 м, то на водохранилищах этих районов она составляет 0,6-0,8 м. Даже на Цимлянском водохранилище р. Дон, которое находится южнее центральной части территории, толщина льда в холодные зимы достигает значений 0,7 м.

Малые (а в нижней части водохранилища – практически нулевые) скорости течения имеют еще одно последствие – на водохранилищах невозможен ледоход, там лед тает на месте под действием солнечного тепла. Даже когда ветер нагоняет ледяные поля к плотине, сброс льда через отверстия водослива не производится, так как это вызвало бы большие потери воды из водохранилища.

Таяние льда на месте требует времени, и начало физической навигации сдвигается на водохранилищах на более поздние даты по сравнению со свободной рекой. На водохранилищах Европейской территории России начало физической навигации запаздывает на 5-10 суток. На этот отрезок времени сокращается и общая продолжительность навигации; так как появление льда (замерзание воды) происходит на реках и водохранилищах примерно одновременно.

Для устранения такого негативного явления в настоящее время осуществляется проводка судов за ледоколами глубокой осенью и ранней весной, что позволяет компенсировать уменьшение продолжительности навигационного периода из-за задержки очищения водохранилищ от льда весной. Иногда таким способом удается даже увеличить продолжительность навигации по отношению к естественному режиму, что существенно влияет на экономические показатели отрасли (водного транспорта). Однако использование (строительство и эксплуатация) мощных ледоколов, в свою очередь, требует больших затрат.

Участки ниже плотины (нижние бьефы) характеризуются тем, что вода туда поступает относительно теплой, прошедшей через турбины гидроэлектростанций, и обладающей большой турбулентностью (интенсивным перемешиванием отдельных слоев воды по глубине потока). Прежде чем вода охладится при отрицательных температурах воздуха, она проходит значительное расстояние. Поэтому в нижних бьефах всех гидроэлектростанций в течение всей зимы имеются незамерзающие участки (полыньи) различной длины. Ниже крупных водохранилищ длина полыньи равна 20-30 км. В предвесенний период, в результате усиливающейся солнечной радиации, длина полыньи начинает быстро расти и перед вскрытием иногда увеличивается до 100-150 км. Наличие полыньи в нижних бьефах позволяет осуществлять местное судоходство круглый год, что является положительным моментом.

Однако иногда наличие полыньи может вызвать негативные последствия. В некоторых случаях в конце полыньи, где температура воды близка к нулю, образуется шуга (внутриводный кристаллический лед). Поступая вниз по течению в массовом количестве, шуга способна заполнить все живое сечение русла подо льдом (обычно в местах крутых поворотов и сужений), т.е. создавать зажоры (ледяные плотины), преграждающие течение воды. В результате на вышележащем участке происходит повышение уровня. Высота зажорных подъемов уровня может составлять несколько метров, что приводит к затоплению прилегающих территорий, где могут быть населенные пункты, промышленные и сельскохозяйственные строения. Это обстоятельство приводит к значительным экономическим потерям при устранении последствий зимних подъемов уровня воды.