10884

13.5 Температурный режим нижних бьефов ГЭС

Сооружения энергетического гидроузла пропускают большие расходы воды через турбины и водосбросы в нижний бьеф. Вода забирается из значительной по глубине зоны водохранилища, возможно и из всей водной толщи. В нижнем бьефе непосредственно за гидроузлом вода имеет ту температуру, с которой она сбрасывается из водохранилища.

На рис. 13.21 приведены данные наблюдений за температурой воды в верхнем и нижнем бьефах Красноярской ГЭС за многолетний период. Средние температуры по вертикали в бьефах близки. Максимальная разница отмечается в период наибольшего прогрева водохранилища (июль-сентябрь), когда наблюдается значительное различие температуры воды в нем по глубине. К осени, когда температура воды в водохранилище по глубине выравнивается, разница температуры воды в бьефах уменьшается, а затем вовсе исчезает [180; 279].

Рис. 13.21. Зависимость между температурой воды в нижнем бьефе ϑнб и на приплотинном участке водохранилища ϑвдхр Красноярской ГЭС:

1 – период нагревания июнь-август; 2 – период охлаждения сентябрь-март [279]

Обычно в течение двух-трех летних месяцев температура воды в нижних бьефах ГЭС бывает ниже температуры воды в реке в бытовых условиях. В остальное время, в том числе зимой, она выше бытовой.

280

Так, в нижнем бьефе Красноярской ГЭС температура воды у г. Красноярска в летние месяцы (июнь-сентябрь) стала ниже средней многолетней температуры р. Енисея на 3,9 С, у г. Енисейска – на 1,7 – 2,2 С. В октябре температура нижнего бьефа повысилась против бытовой на участке от ГЭС до г. Енисейска на 5,4 – 2,3 С, в зимние месяцы – на 2 С. Восстановление естественного температурного фона реки происходит на расстоянии не менее 700 – 800 км ниже Красноярской ГЭС [114; 279; 365].

Влияние водохранилища Вилюйской ГЭС на температурный режим р. Вилюя в зимние месяцы (I – V) проявляется на расстояние 35 – 80 км, летом и осенью (VI – IX месяцы) длина зоны температурного влияния составляет

600 – 800 км (табл. 13.6).

Т а б л и ц а 1 3 . 6

Температура воды р. Вилюя в естественных условиях и в нижнем бьефе Вилюйской ГЭС [587]

Попуски из неглубоких водохранилищ не приводят к существенным изменениям температурного режима воды по сравнению с речными условиями.

В природе наблюдается, что истоки рек, берущих начало из озер, не покрываются льдом даже во время сильных морозов. Вода, поступая в реку из озера, резко меняет гидравлический режим, переходя от медленного течения в озере к бытовым скоростям реки. Такой переход сопровождается охлаждением воды (рис. 13.22). За счет теплоты, которая при этом освобождается, в истоке реки поддерживается полынья [530].

Похожая картина имеет место в нижних бьефах ГЭС. За гидроэлектростанциями зимой остаются незамерзающие полыньи, так как для

281

охлаждения сбрасываемой через турбины воды до температуры замерзания необходимо некоторое время, зависящее от теплообмена речного потока с атмосферой. Протяженность полыней бывает в десятки и даже сотни километров, о чем можно судить по данным [122; 258; 315; 365; 701], помещенным в табл.13.7.

В зависимости от погодных условий и величины сбросов воды в нижнем бьефе Красноярской ГЭС зимой существует незамерзающий участок реки длиной от 50 до 225 км. У г. Красноярска лед образуется только в холодные зимы, причем средняя дата его появления приходится на 20 января, т.е. на 2 – 2,5 месяца позднее обычного. У г. Енисейска и в районе устья р. Ангары Енисей стал сковываться льдом на 15 – 20 дней позднее обычных сроков. Начало весеннего ледохода наступает раньше – у г. Енисейска на 15

дней [114].

Т а б л и ц а 1 3 . 7

Длина полыньи в нижних бьефах ГЭС

Благодаря непрерывному изменению во времени гидравлических и метеорологических факторов явление полыньи имеет неустановившийся характер. Кромка льда находится в непрерывном движении, приближаясь к ГЭС по мере понижения температур воды и воздуха и удаляясь при повышении температур. Так, в нижнем бьефе Бурейской ГЭС в период 2003 – 2008 гг. при наполнении водохранилища и работе от 1 до 6 агрегатов ГЭС наблюдалась полынья с длиной, изменявшейся в течение зим от 33 до 95 км

(рис. 13.23) [701].

В подпертых нижних бьефах полынья обычно короче, чем на свободных участках рек (рис. 13.24). Например, после заполнения Воткинского водохранилища длина полыньи в нижнем бьефе Камской ГЭС сократилась с 13 – 30 км до 1,5 – 15 км и у г. Перми восстановился устойчивый ледостав

[114].

Длина полыньи в нижнем бьефе ГЭС поддается приближенному расчету [522; 530; 588]. По результатам строится ее хронологический график [588]. В качестве примера на рис. 13.25 представлены расчетные данные

282

Рис. 13.22. Исток р. Ангары из оз. Байкал

Рис. 13.23. Длина полыньи в нижнем бьефе Бурейской ГЭС зимой

2006/2007 г. [701]

Рис. 13.24. Полынья в подпертом нижнем бьефе Саратовской ГЭС

283

ОАО «Ленгидропроект» о длине полыньи в р. Бурее за проектируемой Нижнебурейской гидростанцией. Расчет проводился по пятидневкам [701].

Рис. 13.25. Расчетные гидрометрические характеристики в нижнем бьефе проектируемой Нижнебурейской ГЭС [701]

Многовариантные расчеты температурного режима нижних бьефов ГЭС могут выполняться на ЭВМ. Так, в Институте водных и экологических проблем СО РАН (г. Барнаул) разработан программный продукт «Гидроле- дотермика-1ДН (Полынья)». Он построен на комплексе одномерных нестационарных моделей: движения речного потока под ледяным покровом; температурного режима реки; шугообразования; динамики толщины сплошного покрова льда; движения кромки льда в нижнем бьефе ГЭС [247].

284

Отрицательные последствия изменения температурного режима в нижних бьефах (существование полыней, зимние подъемы уровней воды вследствие зажоров, образование наледей) проявились на ряде гидроузлов европейской территории страны и на всех энергетических гидроузлах Сибири и Северо-Востока [296; 297; 365].

Как было показано, температурный режим в нижних бьефах определяется главным образом температурой воды, пропускаемой через турбины ГЭС. Поэтому одним из мероприятий, которое может обеспечить приближение температурного режима в нижнем бьефе к существовавшему до возведения гидроузла, является селективный отбор поверхностных слоев водохранилища, где температура ближе, чем в каком-либо другом слое к ее бытовому значению. В конце 1980-х гг. предпринимались усилия по реализации такой схемы на Красноярской ГЭС, но по многим причинам дальше лабораторных экспериментов дело не продвинулось и эффективность мероприятия в натурных условиях проверена не была [365].

Вторая задача, способствующая созданию благоприятного ледотермического режима в нижних бьефах высоконапорных гидроузлов – уменьшение величины колебания уровней в районе формирования кромки льда и исключение значительных подъемов уровней вследствие зажоров. Ослабить это отрицательное явление возможно посредством создания в нижнем бьефе контррегулирующего гидроузла с водохранилищем такого объема, который позволял бы при принятых на ГЭС графиках нагрузки, выдавать за пределы контррегулятора постоянные расходы воды [365]. Контррегуляторы предусматриваются во всех современных проектах высоконапорных энергетических гидроузлов.

В завершении главы о гидрологических процессах в водохранилищах начинающим гидрологам можем порекомендовать сравнительно недавно выпущенный учебник «Гидрология озер и водохранилищ» К.К. Эдельш-

тейна [739].

285

ГЛАВА 14. ФОРМИРОВАНИЕ БЕРЕГОВ ВОДОХРАНИЛИЩ

14.1. Разрушение берегов рек и морских берегов

Реки в течение своей жизни многократно меняют русло (рис. 14.1). Среди природных разрушительных процессов заметное место принадлежит размыву речных берегов.

От деформаций берегов рек страдают поселения (рис. 14.2), коммуникации, разрушаются водозаборы, опоры ЛЭП, мостовые переходы, утрачиваются сельскохозяйственные угодья, происходит потеря леса [383].

На р. Лене в 1998 – 2000 гг. размыв русла и левого берега у г. Якутска послужил причиной разрушения водоприемных и фильтрационных сооружений городского водозабора, вызвав чрезвычайную ситуацию в водоснабжении города. Напротив г. Якутска на правом берегу р. Лены расположен пос. Нижний Бестях. В 1990-е гг. здесь рекой была смыта береговая полоса шириной 300 м, уничтожены целые улицы жилых домов, под угрозой обрушения оказались строения нескольких предприятий и организаций [200].

На р. Амуре в паводки размыв берегов достигает 10 м/год и угрожает существованию многих населенных пунктов. Протяженность берегов Амура, нуждающихся в первоочередной защите по оценкам на 2000 г. составляла: в Читинской области – 0,75 км, в Амурской области – 10,5 км, в Еврейской автономной области – 4 км, в Хабаровском крае – 10,6 км [114].

Своей жизнью живут берега озер (рис. 14.3).

Вследствие волнового воздействия разрушаются берега морей. Пример – обжитый Таганрогский залив Азовского моря, куда впадает р. Дон. По сравнению с открытой частью моря залив характеризуется меньшими параметрами волн. Протяженность берегов залива в Ростовской области 150 км. Из них 70 км – абразионные (размываемые волнами) и 39 км – оползневые. Средняя скорость размыва абразионных берегов за прошедший 25-летний период составила 0,6 м/год. Наиболее высокие скорости абразии

286

Рис. 14.1. Река в лесотундре Ненецкого АО: видно современное русло и

ее путь в прошлом [www.discovery-russia.ru, 2010]

Рис. 14.2. Строительство берегоукрепления на р. Конде у пос. Междуреченский в Ханты-Мансийском АО для защиты 45 домов,

«зависших» на обрыве высотой 25 м. 2005 г.

Рис. 14.3. Берег Онежского озера в 40 км от г. Вытегры

287

Рис. 14.4. Абразионный берег у с. Весело-Вознесенска в Таганрогском заливе Азовского моря [316]

Рис. 14.5. Размываемый берег Воткинского водохранилища [419]

Рис. 14.6. Дилетант. Художник В.Г. Перов, 1862 г.

288

наблюдались на северном побережье у с. Весело-Вознесенска (рис. 14.4). Здесь за 2002 – 2007 гг. отступание кромки берегового обрыва, при его высоте 13 м, составило от 4,9 до 12,4 м [316].

Разрушение берегов рек и морей является неизбежным природным процессом, сопутствующим жизни водотоков и водоемов в их естественном состоянии. Население прибрежных территорий с этим процессом привычно мирится, сосуществует, при необходимости и по возможности от него защищается (см. рис. 14.2).

Переформирование берегов водохранилищ – процесс, наведенный человеческой деятельностью (антропогенный). Он (рис. 14.5), хотя и относится к категориям умеренно- и малоопасного явления [500], эпизодически вызывает озабоченность специалистов, практиков, хозяйственников, собственников, арендаторов, депутатов, государственных служащих, партийных функционеров, изумление дилетантов (рис. 14.6), ажиотаж неравнодушной общественности, подогреваемый СМИ. Далее этот процесс рассмотрен с позиций общих представлений и количественной оценки размеров берегопереформирований.

14.2. Общие данные о переформировании берегов водохранилищ

В табл.14.1 представлены опубликованные данные о протяженности береговой линии и участков берегов, подверженных разрушению, по некоторым большим водохранилищам России. Указывается, что абразионные берега этих водохранилищ составляют от 18 % (Братское) до 76 % (Вилюйское) длины береговой линии. Протяженность береговой линии на всех водохранилищах России объемом свыше 0,1 км3 называется равной 75400 км [176], разрушающихся берегов – 25000 км [500; 683]. Но к подобным данным следует относиться с осторожностью: они могут не соответствовать ни первоначальному ни современному состоянию берегов.

В табл. 14.2 представлена сводка данных из разных источников о состоянии берегов водохранилищ Волжско-Камского каскада. Эти данные также не лишены противоречий. Например, протяженность береговой линии Волгоградского водохранилища называется 1 678 или 2 080 км, Камского – 913 или 2 713 км без указаний на момент времени, масштаб карты и способ измерений. Режимные наблюдения за динамикой берегов равнинных

289