10903

летнего сезона (VI, VII, VIII, IX месяцы) постоянный НПУ = 667,50, температуры воды: средняя за лето 9,37 ºС, за зиму 0,66 ºС.

По алгоритму переформирования термокарстового берега [584] был проделан прогнозный расчет берегопереформирования на водохранилище. Интенсивность отступания берега определялась скоростью оттаивания грунта на образующемся береговом уступе, которая главным образом зависит от температуры воды. Результаты прогноза по нескольким профилям нанесены на план водохранилища (рис. 16.50) в виде границы переформирования береговой полосы за 15-летний период и на конечную стадию. До конечной стадии процесс длится около 100 лет. Двадцатиметровая просадочная толща грунтов основания полностью протаивает за 80 лет. Продвижение берегового уступа продолжается до границы коренных пород 100 лет, в течение этого периода урез НПУ перемещается вслед за уступом на 260 м от первоначального положения. В результате тепловой осадки (6 м) с наложением слоя аккумуляции продуктов разрушения (3 м) поверхность берегового склона в месте проектного уреза при НПУ и дно водохранилища понижается на 3 м. Подводная часть берега в пределах смещения уреза получает уклон 0,010, примерно соответствующий уклону устойчивой отмели для супесчаного грунта.

По сведениям из 1990-х гг. перспектива создания водохранилища на р. Ваче осталось неопределенной [599].

Из опыта моделирования термоабразии берегов водохранилищ

известно, что любая модель является приближенной. Ее улучшение сводится обычно к учету все новых, ранее не учитывавшихся факторов. Увеличение же числа учитываемых факторов с некоторого момента начинает снижать точность прогноза. Поэтому роль сложных моделей более важна для понимания физической сущности процессов, а практическое прогнозирование целесообразно основывать на моделях простых и средней сложности, учитывающих небольшое количество факторов [182]. Характерной чертой рассматриваемых процессов является недостаточность и неточность исходной информации на уровне моделирования. А именно ошибки в исходных данных служат основной причиной погрешностей теоретических прогнозов. Это обстоятельство, в свою очередь, указывает на предпочтительность использования несложных моделей с небольшим количеством исходной информации, анализу которой следует уделять значительное внимание.

Расчет термоабразии при постоянном (среднелетнем) уровне водохранилища, но изменяющихся по месяцам температуре воды и параметрах

50

волнения дает тот же интегральный эффект, что и расчет при осредненных за период зима-лето исходных данных. В связи с этим при долгосрочном прогнозе берегового процесса не имеет смысла осреднять исходную информацию по промежуткам времени более коротким, чем летний и зимний сезоны. При дроблении этих сезонов на месяцы, тем более на декады или сутки, изучается уже не береговой процесс, а частные физические процессы в береговой зоне. Такое дробление целесообразно лишь при краткосрочных (на 1 год) прогнозах берегопереформирования [587].

51

ГЛАВА 17. ЗАКОНОМЕРНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СО ВРЕМЕНЕМ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ВОДОХРАНИЛИЩ

17.1. Актуализация вопроса

Основные морфометрические параметры любого поверхностного водоема отражаются кривыми объемов и площадей зеркала.

ОАО «Институт Гидропроект» рекомендует использовать для проектирования водохранилищ на равнинных реках топографические карты масштабов 1:100 000 – 1:25 000, на горных реках соответственно 1:25 000 – 1:5 000 [473]. На базе таких карт определяются проектные морфометрические параметры водохранилищ.

Уже на стадии определения проектных площадей зеркала и соответственно объемов водохранилища по топографическим картам не удается избежать погрешностей (рис. 17.1), которые еще возрастают по отношению к результатам, полученным путем воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки, интегрированным в ГИС (рис. 17.2). При этом проектные кривые площадей и объемов характеризуют первоначальное строение чаши водохранилища. Но, являясь переменными во времени, кривые площадей и объемов динамичны и отражают изменения в строении чаши, которые возникают вследствие процессов заиления, тепловой осадки (в криолитозоне) и переформирования берегов в период эксплуатации водохранилища.

Режим работы водохранилищ в России регламентируется документом «Основные правила использования водных ресурсов водохранилища» для каждого из них [462; 496], включающим данные о морфометрических параметрах водохранилищ.

В прежние годы на многих водохранилищах России целенаправленно велось изучение переформирования берегов и осадконакопления (см. главы

52

Рис. 17.1. Кривые зависимости площадей F и объемов W от уровней воды Z Усть-Хантайского водохранилища: 1 – проектная 1969 г. и 2 – проверочная

1989 г., определенные по топографической карте масштаба 1:100000 и показывающие возможную погрешность 3 – 5 % их определения [456]

Рис.17.2. Результаты определения площади зеркала водохранилища F Канкунской ГЭС на р. Тимптон для двух вариантов НПУ по топографическим картам и данным воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки [145]

53

14, 15, 16), но специальные исследования изменения морфометрических параметров со временем как таковые не ставились, и большинство российских водохранилищ эксплуатируются с использованием проектных морфометрических показателей, теряющих с течением времени первоначальную относительную достоверность. Так, в правилах использования водных ресурсов Камского и Воткинского водохранилищ на р. Каме издания 2004 г. [496] информация о площадях водного зеркала и объемах воды полностью повторяет проектные данные 1960-х гг. Но, например, по Воткинскому водохранилищу за годы эксплуатации объем и площадь зеркала при НПУ уменьшились соответственно на 712 млн м3 (7,6 %) и на 52,7 км2 (4,7 %). Использование же в гидрологических и водохозяйственных расчетах неверных или устаревших значений морфометрических показателей заведомо ведет к неверным результатам [399].

Морфометрические параметры, в том числе кривые объемов и площадей зеркала, следует уточнять, связывая с определенными периодами существования водохранилища. Сравнение первоначальных кривых с последующими дает наглядную информацию об изменении размеров его чаши вследствие процессов заиления (тепловой осадки) и берегопереформирования, предоставляет возможность корректировать отдачу по воде, электроэнергии, экономические показатели работы водохранилища в составе водохозяйственного комплекса.

На российской территории наибольшее количество водохранилищ – равнинные [112]. В ННГАСУ было реализовано стремление выявить и обосновать общие количественные закономерности изменения с возрастом основных морфометрических параметров равнинных водохранилищ России – объема, площади водного зеркала, длины береговой линии [538; 576]. Итоги

спояснениями представлены в данной главе книги.

17.2.Уточнение морфометрических параметров действующих водохранилищ

Начало работ. В 1998 г. в составе российско-германского научно-ис- следовательского проекта «Волга-Рейн» (1998 – 2003 гг.), одним из организаторов которого выступал ННГАСУ [420], было инициировано создание цифровой модели рельефа (ЦМР) долины р. Волги для использования с целью оптимизации гидравлического режима каскада волжских

54

водохранилищ. Модель была создана на базе топографических карт масштабов от 1:200000 до 1:10000 и лоций для участка протяженностью около 1200 км от г. Твери до Чебоксарского гидроузла, включая Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское и Чебоксарское водохранилища [721]. Фактически это был первый опыт цифровизации волжского рельефа.

В 2000-х гг. с Волжско-Камского каскада начались работы по уточнению морфометрических параметров больших энергетических водохранилищ в европейской части России: в 2006 г. ОАО «Инженерный центр энергетики Поволжья» представил уточненные ННГАСУ против проектных данные по Чебоксарскому водохранилищу [441]; в 2007 – 2008 гг. выполнены работы для Рыбинского водохранилища Государственным институтом прикладной экологии (ГИПЭ) с последующей корректировкой ННГАСУ [319] и для Камского водохранилища ООО «НПО Омега» (г. Пермь) с участием ПГУ [400; 401]; в 2008 – 2009 гг. – для Иваньковского, Угличского, Горьковского, Волгоградского водохранилищ ФГУ «ГОИН» [243; 244; 652] с участием ННГАСУ [319; 322; 575] и для Воткинского водохранилища

ООО «НПО Омега» с участием ПГУ [399].

По каждому из водохранилищ комплекс работ включал: сбор и обработку базового картографического материала; полевые работы, основной составляющей которых являлись батиметрические съемки; построение цифровой модели рельефа; создание специализированной ГИС «Морфометрия водохранилища».

Элементы технологии. Для выполнения промеров глубин на водохранилищах в наше время используют лазерные технологии с применением летательных аппаратов, а также акустическое эхолотирование с плавательных средств совместно с позиционированием при помощи глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS). Первый метод дорогой, второй активнее применяется в мировой, а также в отечественной практике [243; 244; 399; 400; 401; 575; 592].

При ведении батиметрической съемки равнинных водохранилищ практичны промерные комплексы, установленные на судах с малой осадкой (рис. 17.3), особенно многофункциональная аппаратура, когда три элемента комплекса – компьютер, эхолот и GNSS GPS-приемник – являются одним устройством, отличающимся невысокой ценой, допустимой точностью измерений, малым энергопотреблением, водонепроницаемостью головного модуля, способностью вести непрерывную съемку в течение длительного времени, применением распространенных форматов итогового файла

55

данных. В зависимости от плановой формы водного объекта применяются разные схемы ведения промеров, в частности – прямыми П -образными или косыми V -образными галсами (рис. 17.4).

По окончании экспедиции выявляются сведения об уровнях воды по гидрологическим постам, на участках промеров глубин на даты проведения работ. Помимо экспедиционных материалов в качестве топографической основы задействуются карты доступных масштабов, чаще 1:25 000 и 1:50 000. Урезы воды на сложных участках идентифицируются при помощи данных зондирования Земли из космоса, а иногда – средствами наземной геодезии. В итоге создаются растр высот и цифровая модель донного рельефа водохранилища [244; 575].

Основным инструментом для создания ГИС-проектов использован программный комплекс ArcGIS ArcView компании ESPI, США. ГИС «Морфометрия водохранилища» составляется из нескольких слоев: контур береговой линии (урез при НПУ); изолинии рельефа берегов; изолинии рельефа дна; положение линии максимальных глубин (фарватера); поперечные профили водохранилища (через 500 – 250 м); цифровая модель рельефа; таблица морфометрических показателей; кривые площадей и объемов водохра-

нилища [243; 319; 399; 400].

Примеры ЦМР. На рис. 17.5 – 17.9 представлены цифровые модели рельефа некоторых волжских и камских водохранилищ и графические зависимости площадей зеркала и объемов от уровней воды – проектные и полученные в результате проведенных в 2000-е гг. изысканий, а в табл. 17.1 – 17.6 выписаны морфометрические характеристики водохранилищ. Добавим, что, например, по водохранилищам Верхней Волги (Иваньковскому, Угличскому, Рыбинскому, Горьковскому, Чебоксарскому) в Верхне-Волж- ском БВУ имеется ГИС «Морфометрия водохранилищ», включающая их ЦМР и сформированная при участии ННГАСУ [320; 322].

Адекватность ЦМР натурным ситуациям. Точность определения морфометрических параметров, включаемых в ГИС, вызывает непраздный интерес у проектировщиков и исследователей водохранилищ (см. раздел 17.1) [59; 145; 434]. Рассмотрим этот вопрос на примере измерения длины береговой линии [578; 601].

56

Рис. 17.3. Маломерное судно РГР 13-61 с эхолотным промерным комплексом ННГАСУ [575]

Рис. 17.4. Схемы ведения эхолотных промеров глубин на Горьковском

водохранилище: а – в речной части; б – в озерной части; в – на притоке р. Волги; г – в Костромском разливе [575]

57

Рис. 17.5. Угличское водохранилище. Цифровая модель рельефа в виде растра высот и кривые площадей зеркала F и объемов W:

1– на 1940 г. введения водохранилища в эксплуатацию; 2– уточненные на 2008 г. [244]

58

Рис.17.6. Рыбинское водохранилище. Цифровая модель рельефа в виде растра высот (слева) и в трехмерном изображении (справа) и кривые

площадей зеркала F и объемов W: 1 – на 1941 г. введения водохранилища в эксплуатацию; 2 – уточненные на 2008 – 2010 гг. [319]

59