10884

Рис. 13.2. Поверхностное течение в виде замкнутой циркуляции на Куйбышевском водохранилище у г. Ульяновска, 2003 г.

Рис. 13.3. Схема поверхностных течений в береговой зоне водохранилища:

1– вдольбереговое течение; 2 – зона прибоя; 3 – разрывные течения; 4 – вершина разрывного течения; 5 – перенос воды волнами; 6 – зона береговых течений; 7 – зона при-

брежных течений; 8 – потоки, питающие разрывные течения [122]

Рис. 13.4. Канал разрывного течения, обнажившийся в береговой зоне Новосибирского водохранилища при пониженном уровне воды [682]

260

ветровыми волнами, образуется система прибрежных течений, показанная на рис. 13.3 [673]. В этой системе любопытны разрывные течения. Они образуются при участках берега, открытых действию волн и имеющих прямолинейное или слегка вогнутое плановое очертание, в месте встречи разнонаправленных береговых потоков. Узкой струей уходят от берега в водохранилище со скоростью до 1 – 2 м/с, на малых глубинах захватывают толщу воды от поверхности до дна, могут перемещать с собой донные наносы (рис. 13.4), с увеличением глубин переходят в поверхностные слои воды и затухают. Легко обнаруживаются визуально по поперечному относительно уреза направлению мощных струй и наличию на их границах завихрений

[570].

В экологической литературе фигурирует понятие водообмен водохранилищ. Стандарт определяет водообмен как отношение объема стока воды через гидроузел в средний по водности год к полному объему водохранилища, 1/год [174], т.е. число раз в год обмена полного объема. Показатель этот условный, так как рассчитывается в предположении, что вся вода

впределах полного объема водохранилища замещается новой, чего может никогда не быть. Табл. 13.1 содержит данные о водообмене водохранилищ, заимствованные из разных источников. Показатель водообмена в этой таблице представлен диапазоном значений, вычисленных разными учеными

вразные годы. [2; 112; 122]. Все перечисленные водохранилища относят к

интенсивной (показатель водообмена 5) или умеренной (0,1…5,0) категориям по водообмену [174].

Оперируя данными табл. 13.1 по Волжско-Камскому каскаду водохранилищ получено, что водообмен в каскаде происходит 1,4 раза в год. Иногда утверждают, что «до строительства плотин гидроэлектростанций вода добегала от г. Рыбинска до г. Волгограда за 50 суток (в половодье – за 30 суток), а теперь – за 1,5 года (400 – 500 суток), т.е. в среднем скорость водообмена снизилась в 12 раз» [114]. О водообмене так говорить нельзя.

Т а б л и ц а 1 3 . 1

Показатель водообмена водохранилищ [2; 112; 122]

Продолжение таблицы 13.1

13.2. Волновые явления

Наряду с колебаниями уровня водохранилища при наполнении-сра- ботке существуют его спорадические изменения, вызываемые ветровыми волнами, сгонно-нагонными явлениями, сейшами, неравномерной работой ГЭС.

Наиболее существенное развитие имеет в водохранилищах ветровое волнение. В каждом водохранилище в зависимости от скорости и продолжительности ветра, длины разгона, глубины, плановой конфигурации акватории, рельефа дна, высоты берегов, наличия затопленной древесной растительности существуют свои пределы параметров ветровых волн (табл. 13.2).

Судоводители пользуются балловой оценкой волнения. В табл. 13.3 приведена связь баллов с размерами волн, а из табл. 13.2 явствует, что на

262

водохранилищах волнение ограничивается 5-ю баллами.

Т а б л и ц а 1 3 . 2

Физическая сущность возникновения ветровых волн состоит примерно в следующем. Во время ветра к поверхности воды оказываются приложенными со стороны воздуха силы трения, которые порождают вначале возникновение небольших волн. После появления волн ветер начинает оказывать большее давление на надветренную сторону волн и меньшее давление на их подветренную сторону, при этом волны растут по величине.

Размеры волн характеризуются их высотой – от подошвы до вершины, и длиной – между вершинами соседних волн. Ветровые волны одинакового размера, следующие одна за другой, называют регулярными, чередующиеся волны различного размера – нерегулярными. Иногда волны являются двумерными (плоскими): гребни таких волн параллельны в плане [702].

263

На водохранилищах различают: глубоководные зоны глубиной H ≥ λ/2, где дно водохранилища не оказывает влияния на волны и параметры волн (высота hв, длина λ) не зависят от глубины H; мелководные зоны, когда H < λ/2, в этом случае дно водохранилища ощутимо влияет на формирование волн [702]. Наиболее четкое выражение указанные зоны получают на больших долинных водохранилищах равнин [673].

Вода всегда спокойна у подветренных берегов, при движении к открытой части высота волн возрастает, на мелководьях размеры волн уменьшаются. На больших водохранилищах повторяемость волн высотой более 1,2 м составляет около 5 % продолжительности безледоставного периода, более 1,5 м – около 2 % и свыше 2 м – около 0,5 %. Для достижения предельных размеров волн бывает достаточно действия ветра в течении 1 часа [7]. Наглядное представление о распределении волнения по акватории дает картограмма изолиний высот волн на Рыбинском водохранилище при скорости ветра 18 м/с (рис. 13.5). Наибольшие высоты волн отмечены в районах затопленных долин рек Шексны и Мологи, с приближением к району междуречья и берегам высоты волн заметно уменьшаются. Максимальная наблюдавшаяся при этом ветре высота волны в центральной части водохранилища была более 2,5 м [92].

Для обслуживания народного хозяйства СССР с 1930-х гг. [378] разрабатывались методы расчетов ветровых волн на водохранилищах [122; 347; 510; 702]. В 1950-х гг. появились методы, базирующиеся на энергетической теории волн, родоначальником которой считается В.М. Маккавеев. Они были реализованы в номограммах, которые до сих пор используются в практических целях [387; 521]. Имеются возможности компьютерных расчетов параметров ветровых волн [352; 691].

Большинство исследователей считают, что основными факторами развития ветрового волнения служат скорость ветра, длина разгона волн и глубина водохранилища. Вместе с этим результаты наблюдений Ю.М. Матарзина за волнами на камских водохранилищах в 1970-х гг. показали (рис. 13.6), что влияние длины разгона на увеличение параметров волн ограничено и обычно не превышает 16 км [122].

Надежным средством определения волновых характеристик, в том числе на защищенных акваториях (в портах-убежищах и т.п.), являются лабораторные исследования волнения на неискаженных моделях [510], что широко практиковалось в прошлом (рис. 13.7), иногда делается и теперь

[683].

264

Рис. 13.5. Картограмма высот волн (м) в Рыбинском водохранилище при ветре 18 м/с северного направления [92]

Рис. 13.6. Зависимость высоты волны (h) от длины разгона L и скорости ветра (V) по результатам наблюдений [122]

Сгонно-нагонные изменения уровня водохранилищ обусловлены воздействием длительного однонаправленного ветра, вследствие чего у подветренного берега возникает сгон воды и уровень понижается, а у наветренного берега образуется нагон воды и уровень повышается.

Размеры ветровых денивеляций на глубоководных водоемах, как правило, невелики (10 – 15 см); на обширных неглубоких водохранилищах они

265

бывают весьма значительными, достигая 1 м и более [122].

Рис. 13.7. Лабораторные исследования волнения на водохранилище во ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева [Огонек,1958. – №49]

На Рыбинском водохранилище в результате действия длительного ветра со скоростью около 12 м/с и с частыми порывами до 16 – 20 м/с при длине разгона около 100 км 26.05.1953 г. наблюдался перекос зеркала в 0,72 м, а превышение наивысшего уровня над средним было 0,46 м; средний уровень водохранилища равнялся 102,12 м БС (рис. 13.8) [347]. На Горьковском водохранилище у плотины гидроузла величина ветрового нагона при расчетной скорости ветра 2 % обеспеченности может достигать 0,7 м [462].

На Цимлянском водохранилище длительность сгонов-нагонов измеряется как несколькими часами, так и несколькими сутками. Большой перекос уровня наблюдался, например, 12 – 18 октября 1956 г. при ветре юго-запад- ного направления с максимальной скоростью 24 м/с. Он составил 1,58 м: нагон у хутора Ложки равнялся 0,91 м, сгон у г. Цимлянска – 0,67 м [292].

Для приблизительного вычисления разности уровней воды во время сгонных и нагонных явлений в двух точках водохранилища, не имеющего заметного транзитного расхода, применяют формулу А.В. Караушева [122; 347; 510], по которой для отдельных водохранилищ составлены соответствующие номограммы [510].

Сейши – это колебания уровня, возникающие вследствие резкого изменения атмосферного давления в разных частях над акваторией водохранилища, сильного ливня, захватившего часть водохранилища, и других причин, нарушающих равновесие водных масс [347]. Различие в атмосферном давлении в 1 мб вызывает разность уровней в 1 см [122].

266

Рис. 13.8. Отметки водной поверхности Рыбинского водохранилища при ветровом нагоне 26.V.1953 г., м БС [347]

Рис. 13.9. Торошение льда на Куйбышевском водохранилище перед ГЭС, вызванное колебаниями уровня при сбросе-набросе нагрузки [108]

Возмущения уровня, вызванные неравномерной работой ГЭС,

возможны при резкой остановке агрегатов. В этом случае из-за инерции потока в верхнем бьефе уровень мгновенно повышается, что сопровождается формированием отраженной волны. Скорость распространения волны может достигать значительных величин, например, на Куйбышевском водохранилище – до 52 км/час [122]. По мере продвижения вверх по водохранилищу колебания уровня постепенно затухают. Отчетливо эти колебания проявляются при ледоставе [298], когда они не затушевываются ветровыми денивеляциями (рис. 13.9).

267

13.3. Температурный режим водохранилищ

Температура воды водохранилищ складывается под влиянием двух групп факторов. Первая группа включает поступления и потери теплоты в результате теплообмена воды с атмосферой и грунтом дна, а также от внутренних источников – таяния льда, внутреннего трения, биологических процессов. Ко второй группе относят факторы, благодаря которым поступившая теплота перераспределяется внутри водной толщи: ветровое, динамическое и свободно-конвективное перемешивание. Указанные процессы протекают единовременно и во взаимодействии [180].

Большое влияние на температурный режим оказывают морфометрические параметры водохранилищ, в первую очередь глубина и площадь водной поверхности, а также проточность. Сообразно существующей термической классификации [180; 523; 530] водохранилища различают по проточности как слабопроточные и проточные, по глубине как неглубокие (примерно до 25 м) и глубокие (более 40 – 50 м). Отдельные участки водохранилищ могут относиться к разным типам по проточности и глубине. Кроме того, в связи с колебаниями уровня воды, тип водохранилища может изменяться в течение года.

Различия в температурном режиме водохранилищ, связанные с проточностью, вытекают из того, что при достаточно больших скоростях течения (как в реке) температура воды в данном створе зависит от температуры ее в вышерасположенном участке водохранилища. Различия, связанные с глубиной, происходят от того, что в неглубоких водохранилищах на формирование температуры воды оказывает влияние теплообмен между водой и дном, а в глубоких водохранилищах это влияние незначительно или вовсе отсутствует.

В годовом термическом цикле всех водохранилищ выделяются периоды весенне-летнего нагревания, осеннего охлаждения и зимнего режима под ледяным покровом. При весеннем нагреве и осеннем охлаждении наблюдается гомотермия – когда температура воды на некоторое время становится постоянной по глубине.

Температурный режим неглубоких водохранилищ начал исследо-

ваться с развитием строительства гидроэлектростанций на равнинных реках. Его характерной особенностью, как отмечалось, является зависимость от теплообмена воды не только с атмосферой, но и с дном водоема. Летом

268

равномерное прогревание воды водохранилищ происходит по всей глубине, охватывая вместе с водой и дно. На всю толщу может распространяться перемешивание воды под действием ветров. Температура воды неглубоких, особенно проточных, водохранилищ в теплый период года близко следует за температурой воздуха. В зимний период наблюдается низкая температура воды по всей глубине и некоторое повышение ее со временем, вызванное теплоотдачей от грунтов дна, аккумулировавших летнее тепло. Годовой температурный режим неглубоких водохранилищ с достаточной точностью характеризуется средней по глубине температурой воды.

Равнинное Иваньковское водохранилище площадью зеркала 327 км2 распространилось по долинам рек Волги и Шоши, получив вытянутую плановую форму из трех плесов – Иваньковского (приплотинного), Волжского и Шошинского. Его наиболее глубокая зона (батиальная) тянется узкой полосой над бывшим руслом р. Волги, где глубина достигает 19,0 м (рис. 13.10), при средней глубине по водохранилищу 3,4 м. В табл. 13.4 приведены сведения о продолжительности периодов годового термического цикла Иваньковского водохранилища и температурном режиме этого неглубокого водоема.

Рис. 13.10. Схема чаши Иваньковского водохранилища. Глубинные зоны:

1 – прибрежная; 2 – литоральная; 3 – сублиторальная; 4 – батиальная. Гидрологические районы: II, III, IV,V – Волжский плес; VI,VII,VIII – Иваньковский плес; IX, X – Шошинский плес [120; 122; 530]

269