10884

препятствуют поступлению в Ахтубу расходов воды, покрывающих надобность водопотребителей. Проблемой озабочены местная администрация, население и хозяйствующие субъекты [33]. В числе возможных решений разработано встраивание водопропускного сооружения в напорный фронт Волгоградского гидроузла с отводом потока в 100 – 150 м3/с в р. Ахтубу [77; 410].

Рис. 14.65. Понижение уровней в нижнем бьефе Волжской ГЭС при

расходах: 1 – 10000 м³/с; 2 – 15000 м³/с; 3 – 20000 м³/с; 4 – 25000 м³/с [ 366]

В нижнем бьефе Новосибирского гидроузла на р. Оби, созданного в 1956 г., в результате глубинной эрозии русла к концу 1980-х гг. посадка уровня воды составила непосредственно за гидроузлом 1,5 – 1,6 м, а в районе водомерного поста г. Новосибирска 0,9 – 1,0 м. Здесь только за 1986 – 1988 гг. кривая связи расходов и уровней сместилась вниз по высотной оси на 15 – 20 см (рис. 14.66). При этом на понижение уровня воды в районе г. Новосибирска существенно повлияли карьерные разработки грунта в русле реки, при отсутствии которых посадка уровня могла составить лишь 0,15– 0,20 м [70].

Руслоформирующим процессам в нижних бьефах ГЭС присущ как разрушительный (например, в смысле потери земель), так и созидательный (например, для гидроэнергетики) характер. Из-за понижения кривых = ( ) в нижних бьефах энергетических гидроузлов увеличиваются напоры и, соответственно, выработка ГЭС [28; 100; 258]. Так, на величину посадки

360

уровня воды в створе станции (1,5 –1,6 м) возрос максимальный напор Новосибирской ГЭС и достигает в сентябре-октябре 20,5 – 21,0 м при проектном значении 19,6 м [459]. За счет этого выработка электроэнергии гидроэлектростанцией увеличивается на несколько процентов [70].

Рис. 14.66. Зависимость Q = f (H) р. Оби, водпост « г. Новосибирск»:

1 – 1986 г.; 2 – 1988 г.; Н – от нуля водпоста [70]

14.9. Об оценке потери земель в береговой зоне

Публикации о потерях прибрежных земель в результате берегопереформирований на водохранилищах [7; 112; 121; 123; 199; 419; 683; и др.] не сообщают каким способом и на базе каких данных потери подсчитаны, зачастую не разделяя и употребляя как синонимы понятия берега, береговой линии, береговой зоны [112]. Коснемся этого вопроса применительно к абразионным берегам.

Вдоль периметра водохранилища выделяется береговая зона. Бровка надводного абразионного берегового уступа представляет собой границу береговой зоны на суше. Надводная часть береговой зоны простирается от бровки берегового уступа до береговой линии. Между бровкой уступа и проектной (первоначальной) береговой линией заключается полоса теряемых земель в период эксплуатации водохранилища.

Береговая линия в ходе эволюции водохранилищной котловины может

361

перемещаться вглубь прилегающей территории или наоборот – в сторону акватории. Процесс же перемещения бровки абразионного уступа однонаправленный – вглубь территории. Определение положения бровки надводного абразионного берегового уступа на местности – наиболее простое измерение при оценке динамики потери земель в береговой зоне.

Описанный принцип оценки потери земель проиллюстрирован в табл. 14.16 данными по участку наблюдений №1 между д. Вашуриха и д. Андроново на левом берегу Горьковского водохранилища. На космическом снимке (см. рис. 14.30) можно рассмотреть выпрямление береговой линии со сдвигом в сторону суши. В связи с затуханием абразии (см рис. 14.31) потери земель, отнесенные к 1 км длины береговой зоны на данном участке, уменьшились от 1,37 га/год в 1957 – 1959 гг. до 0,11 га/год в 2009 – 2010 гг. и по прогнозу сократятся до 0,08 га/год к 2030 г.

Таблица 14.16

Усредненные показатели потери земель по участку № 1 между деревнями Вашуриха и Андроново на левом абразионном берегу Горьковского водохранилища

Использование означенного принципа должно способствовать сопоставимости данных, получаемых независимыми исследователями.

362

ГЛАВА 15. ФОРМИРОВАНИЕ ЛОЖА ВОДОХРАНИЛИЩ

15.1. Процесс занесения и заиления водохранилищ

В результате эрозии и аккумуляции в эксплуатируемых водохранилищах происходит перестройка подводного рельефа.

Седиментация (аккумуляция) эрозионного материала в водохранилище представляет собой детерминированный, саморегулируемый, однонаправленный динамический процесс. Седиментационный баланс водохранилища включает наносы разного генезиса, играющие различную роль в его занесении и заилении. Интенсивность занесения и заиления горных водохранилищ чаще всего обуславливают наносы, поступающие извне (аллохтонные) с речным стоком. Для равнинных водохранилищ преобладающими могут оказаться образования, формирующиеся внутри них (автохтонные) [404]. На этапе становления рельефа ложа равнинных водохранилищ основным поставщиком материала являются продукты разрушения берегов, островов и повышений дна в мелководных зонах. Происходит нивелировка дна, как в мелководных, так и в глубоководных зонах за счет отложения наносов в понижениях рельефа. На этапе относительной стабилизации ложа водохранилищ все более существенную роль приобретает твердый сток с водо-

сбора [7; 92].

Общее количество наносов, переносимых водным потоком через живое сечение в единицу времени (с, год) называют расходом наносов, иначе – твердым стоком. Предельный расход наносов, сверх которого поток при данных гидравлических характеристиках не способен перемещать твердый материал, принято называть транспортирующей способностью потока. Твердый сток считают (несколько условно) состоящим из двух частей: взвешенных наносов и донных наносов.

Взвешенные наносы движутся в потоке воды. Это наиболее мелкие частицы, для которых неразмывающая скорость (табл. 15.1) намного мень-

363

ше средней скорости течения нер ср.

Т а б л и ц а 15.1

Неразмывающие скорости для различных грунтов при равномерном движении воды [620; 702]

Донные (влекомые) наносы перемещаются под влиянием силы лобового давления (скоростного напора), возникающей при непосредственном воздействии воды на движущиеся твердые частицы [541]. Донные наносы в нижних участках рек составляют обычно около 5 – 12 % от взвешенных и до 20 – 50 % и более в предгорных и горных участках рек [240] и нижних бьефах ГЭС. Примеры соотношения количества донных (QД) и взвешенных (QВ) наносов QД/QВ: р. Терек – 3 %; р. Дон, г. Калач – 9,62 %; р. Обь, нижний бьеф Новосибирской ГЭС – 40 – 50 %; р. Кама, верхнее течение – 99 % [37; 292].

Количество взвешенных наносов в воде характеризуется мутностью, т.е. содержанием их в 1 м³ воды, и выражается в г/м³ [240] (табл. 15.2). Мутность воды в реке неодинакова в течение года, обычно она существенно выше в период половодья по сравнению с меженью (рис. 15.1).

Расход взвешенных наносов определяют, пользуясь гидрометрическими данными, как QВ = S ·Q, кг/с, где – мутность воды, кг/м³, Q – расход воды, м³/с [240].

В водохранилище скорость течения, а следовательно, и транспортирующая способность потока, уменьшаются по мере приближения к гидроузлу (рис. 15.2), в результате чего наносы большей частью осаждаются на дно, сортируясь по крупности. Сосредоточенная аккумуляция донных наносов (занесение) происходит в зоне выклинивания подпора. Взвешенные наносы (заиление) проходят транзитом в следующие мелководную, средних глубин

364

и глубоководную зоны водохранилища и выстилают там дно слоем аллювия (включающего и продукты абразии берегов). Толщина этого слоя обычно убывает в сторону плотины.

Т а б л и ц а 1 5 . 2

Среднегодовая мутность воды некоторых рек России

[7; 92; 140; 240; 292]

Остановка движения частиц взвешенных наносов происходит при выполнении условия Vак = 0,8 Vнер , т.е. скорость потока Vак, соответствующая началу аккумуляции наносов, в среднем на 20 % меньше неразмывающей скорости Vнер [120; 541]. Часть взвешенных наносов в виде мельчайших фракций проноситься через водосбросы и турбины ГЭС в нижний бьеф. Для водохранилищ на горных реках эта часть может составлять более 40 %, для русловых водохранилищ – около 10 %. В контексте изложенного рис. 15.3 иллюстрирует данные о стоке наносов р. Камы у г. Сарапула до и после ввода в эксплуатацию Камского и Воткинского гидроузлов при различных расходах воды.

Изучением занесения и заиления водохранилищ, начиная с Г. И. Шамова [705], занималась большая группа отечественных исследователей, получивших эмпирические зависимости, разработавших балансовые методы и создавших компьютерные модели для анализа и прогнозирования этого процесса.

Седиментационный баланс водохранилища в общем случае скла-

дывается из следующих составляющих:

Rп + Rб + Rр + Rэ + Rв = Rс + Rх + Rо ± Rвз + R ,

365

где Rп – поступление наносов по основному водотоку; Rб – боковая приточность наносов и их склоновый смыв; Rр – поступление наносов от размыва берегов и дна водохранилища; Rэ – то же с ветром; Rв – поступление вещества в результате внутриводоемных процессов; Rс – сброс наносов в нижний бьеф через гидроузел; Rх – изъятие наносов при заборе воды на хозяйственные нужды; Rо – аккумуляция наносов в водохранилище; Rвз – изменение количества взвесей в водохранилище за расчетный период; R – ошибка (невязка) баланса. Все составляющие баланса представляют обычно в размерности массы. Отрицательный баланс указывает на аккумуляцию наносов, положительный – на эрозию.

Седиментационный баланс, в отличие от водного баланса, определяют за длительный период эксплуатации водохранилища, поскольку трудно получить за короткий период (год и меньше) такие его составляющие как объем отложений, объем продуктов переработки берегов. Оценка количества наносов, переносимых рекой, тоже отличается большой неточностью. Величину отдельных составляющих и для многолетнего периода представляется возможным оценить лишь ориентировочно. Поэтому прогнозы заиления водохранилищ балансовым методом во многих случаях оказываются несостоятельными [506; 534].

Вобстоятельствах неточности теоретических прогнозов непреходящее значение приобретают натурные изыскания количества донных отложений в водохранилищах.

Особенно быстро происходит занесение и заиление речными нано-

сами небольших водохранилищ, расположенных в горной местности.

Наиболее неблагополучны в этом отношении водохранилища Средней Азии, Закавказья, Карпат [63; 404; 673; 678].

ВРоссии показательным объектом можно назвать Чир-Юртское водохранилище (рис. 15.4), эксплуатируемое в каскаде на р. Сулак в Дагестане

[140; 645].

Впроекте Чир-Юртской ГЭС полная емкость водохранилища определена равной 108 млн. м³, а регулирующая емкость – 6,5 млн. м³ (рис. 15.5А). Среднегодовой расход воды р. Сулак был 175 м³/с, наибольший расход наблюдался в паводок 8 июля 1963 г. и достигал 2120 м³/с, средняя мутность воды в реке составляла 2900 г/м³, среднегодовой расход взвешенных наносов 545 кг/с. Гранулометрический состав взвешенных наносов: ил и глина – 73 %, пыль – 11 %, песок – 16 %. Влекомые (донные) наносы представлены валунами (24 %), крупной (27 %), средней (32 %) и мелкой (11 %) галькой и

366

Рис. 15.1. Слияние мутной воды р. Оки с осветленной Горьковским водохранилищем водой р. Волги. Весна 2018 г.

Рис. 15.2. Мутность воды Куйбышевского водохранилища в 1961 г.:

1 – 1…3 июня; 2 – 1…14 июля; 3 – 9…14 октября; 4 – 10…11 ноября [262]

Рис. 15.3. Сток наносов р. Камы у г. Сарапула до (●) и после (о) ввода в

эксплуатацию Камского и Воткинского гидроузлов [710]

367

Рис. 15.4. План Чир-Юртского водохранилища на р.Сулак:

I - X – створы промеров глубин; ▼ – водомерные посты; 1 – земляная плотина; 2 – водосброс; 3 – деривационный канал ГЭС [645]

Рис. 15.5. Показатели заиления Чир-Юртского водохранилища [645]

368

гравием (6 %).

Наполнение Чир-Юртского водохранилища начали в марте 1959 г., к концу 1961 г. оно было наполнено до НПУ и пущены агрегаты ГЭС. За период с 1959 г. по 1964 г. чаша водохранилища заполнилась наносами более чем на 60 % объема, к 1968 г. (за 9 лет эксплуатации) оно почти полностью (на 95 млн м³) заилилось, свободная емкость в июле 1968 г. составляла только 13 млн м³ (рис. 15.15Б). В верхней части водохранилища отложились гравий, галька и валуны, а в нижней – песчано-глинистые частицы.

Впроцессе заиления водохранилища проявилась рельефообразующая роль мелководной растительности: камыша, осоки, тростника, рогоза, ивы. Во время паводка заросли в его верховье и средней зоне на островах у берегов уменьшали скорость потока воды, тем самым определяли осаждение влекомых и взвешенных наносов. В таких местах происходило быстрое нарастание берегов водохранилища [673].

Всвязи с заилением водохранилища осложнилась эксплуатация ЧирЮртской ГЭС. В августе 1968 г. была предпринята очистка водохранилища от отложившихся наносов путем глубокого промыва [675]. Водохранилище сработали через донные отверстия водосброса от уровня 34,0 м до 22,0 м за 2,5 суток со скоростью снижения уровня 0,2 м/час при расходе реки от 1 000 до 400 м³/с. По всей длине водохранилища было смыто до 8 млн. м³ наносных отложений, промывка оказалась относительно эффективной, хотя желаемый результат полностью достигнут не был. С постройкой выше по течению р. Сулак Чиркейского, а затем Миатлинского гидроузлов в 1978 и 1985 гг. в Чир-Юртское водохранилище стала поступать осветленная вода и процесс интенсивного заиления прекратился. Периодически проводимыми мероприятиями по удалению наносов с помощью земснаряда наряду с гидравлическими промывами в пределах двухметровой призмы сработки поддерживается регулирующий объем 7 – 8 млн м³ [130].

15.2. Осадконакопление в чашах больших равнинных водохранилищ

Каскад волжских водохранилищ привел к уменьшению стока нано-

сов р. Волги. До его создания среднегодовая мутность воды в верховье реки у г. Твери составляла около 20 мг/л, а в низовье у с. Лебяжьего – до 120 мг/л. После создания каскада среднегодовое содержание взвесей в потоке воды у

369