3. Основные характеристики водохранилищ

Для морфологических и морфометрических характеристик во­дохранилищ применимы те же показатели, что и для озер. Из морфометрических характеристик водохранилища наиболее важны площадь его поверхности F и объем V. Форма водохранилища опре­деляется характером заполненного водой понижения. Котловинные водохранилища обычно имеют озеровидную форму, долинные — вытянутую. Многие долинные водохранилища расширяются по направлению к плотине, имеют изрезанные берега и многочислен­ные заливы (затопленные устья притоков). Форма водохранилища изменяется с изменением уровня воды.

Л юбое водохранилище рассчитывается на накопление некото­рого объема воды в период наполнения и на сброс этого же объема в период сработки. Накопление нужного объема воды сопровожда­ется повышением уровня до некоторой оптимальной величины. Такой уровень обычно достигается к концу периода наполнения, может поддерживаться плотиной в течение длительного времени и называется нормальным подпорным уровнем (НПУ) (рис. 8.2). В редких

Рис. 8.2. Основные элементы (а) и зо­ны (б) водохранилища (по А. Б. Авакя­ну, В. П. Салтанкину, В. А. Шарапову):

7—плотина; 2— верхний бьеф плотины (гид­роузла); 3— нижний бьеф плотины (гидроуз­ла); 4 — река выше водохранилища; 5 — река в нижнем бьефе; 6 — зона выклинивания под­пора; 7, 8, 9— верхняя, средняя и нижняя зоны водохранилища; 10, 77 —меженный и половод­ный (паводковый) уровни воды в реке до со­оружения водохранилища; 12, 13 — меженный и половодный (паводковый) уровни воды в реке в условиях подпора; ФПУ — форсированный подпорный уровень; НПУ — нормальный под­порный уровень; УМО — уровень мертвого объема; PO — резервный объем; ПО — полезный объем; МО — мертвый объем

случаях, во время высокого половодья или больших паводков, допускается временное превышение НПУ на 0,5—1 м. Такой уро­вень называют форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Предель­но возможным снижением уровня воды в водохранилище является достижение уровня мертвого объема (УМО), сработка ниже которого вообще невозможна.

Объем водохранилища, находящийся ниже УМО, называется мертвым объемом (МО). Для регулирования стока и периодической сработки используют объем водохранилища, находящийся между УМО и НПУ. Этот объем называют полезным объемом (ПО) водо­хранилища. Сумма полезного и мертвого объемов дает полный объем, или емкость водохранилища. Объем воды, заключенный между НПУ и ФПУ, называют резервным объемом.

В пределах запрудного водохранилища выделяют несколько зон: зону переменного подпора, верхнюю, среднюю и нижнюю (см. рис. 8.2).

4. Водный режим водохранилищ

Водный баланс водохранилищ, так же как и водный баланс озер, может быть охарактеризован уравнением (7.3), а в среднем для мно­голетнего периода — уравнением (7.6).

Характерная черта структуры водного баланса водохранилищ — преобладание притока речных вод в приходной и преобладание стока вод в расходной части уравнения водного баланса. На долю осадков в большинстве случаев приходится лишь 2—3 % прихода вод, на долю испарения — обычно не более 10 % расхода вод. Основная причина этого — весьма большие значения величины удель­ного водосбора ф для большинства водохранилищ. Так, величи­ны К_х и K_v определенные по формулам (7.9) и (7.10), равны для водохранилищ: Куйбышевского — соответственно 1 и 1 %, Красно­ярского — 1 и 1 %, Братского — 2 и 2 %, Цимлянского — 5 и 9 %.

Исключение составляют лишь либо очень большие водохрани­лища, либо водохранилища, расположенные в районах с весьма значительными величинами осадков и испарения. Так, в очень крупном водохранилище Вольта в Гане на долю осадков приходит­ся 22 % приходной части водного баланса (величина осадков Н00 мм), а на долю испарения — 25 % расходной части водного баланса (испарение с поверхности водохранилища 1570 мм). Ве­лико значение коэффициента K_z и для водохранилищ Насер на Р- Ниле (^ =13 %, £_вдхр = 2000 мм), Кариба на р. Замбези (K_z = 14 %, £_ВДхр= 1670 мм), Лейк-Мид на р. Колорадо (K_z = 10 %, г_идхр = 2100 мм). Все три последних водохранилища расположены в условиях весьма засушливого климата.

Для водохранилищ, расположенных в условиях избыточного ^и Достаточного увлажнения, Y_up < Y_CT, т. е. ниже водохранилища происходит некоторое увеличение речного стока. Наоборот, в усло­виях недостаточного увлажнения Y_np > 7_ct, и в водохранилищах теря­ется часть стока, причем тем больше, чем больше величина z_Bmp - х_вдхр и площадь водохранилища.

Интенсивность водообмена для водохранилищ обычно больше, чем для озер. Поскольку роль местных осадков и испарения в вод­ном балансе большинства водохранилищ невелика, значения коэф­фициента условного водообмена, рассчитанные по формуле (7.14), для водохранилищ обычно значительно больше, чем для озер, что объясняется меньшими объемами искусственных водоемов. Для большинства водохранилищ России значения К_в находятся в пре­делах 0,3—10, т. е. период условного обновления вод в этих водо­хранилищах составляет приблизительно от 3 лет до 1 месяца. Наи­большие коэффициенты условного водообмена для наиболее круп­ных водохранилищ мира составляют: Насер — 0,5—0,6; Вольта — 0,3—0,4, Кариба —0,3, Братское — 0,5 (вода в этих водохранили­щах обновляется, таким образом, приблизительно за 2—3 года).

Как показал М. А. Фортунатов, для более детальной оценки характера водообмена в водохранилищах необходимо коэффициен­ты условного водообмена К_в и периоды условного водообмена т_в рассчитывать отдельно для полного и полезного объемов водохра­нилища. Для полезного объема величина К_в больше, а т_в меньше, чем для полного.

Колебания уровня воды в водохранилищах в основном являют­ся следствием искусственно регулируемого процесса наполнения и сработки водохранилища (рис. 8.3) и могут быть оценены с по­мощью полного уравнения водного баланса водоема (7.3).

В период наполнения, обычно во время половодья и паводков на реке, уровень воды в водохранилище может подняться на зна­чительную величину (иногда от уровня мертвого объема до нор­мального подпорного уровня) (см. рис. 8.2). На такую же величину уровень снижается в период сработки водохранилища. В равнин­ных водохранилищах величина сезонных колебаний уровня состав­ляет обычно 5—7 м, на горных 50—80 м, т. е. она значительно больше, чем на озерах. Велика на водохранилищах и интенсивность сезонных повышений и понижений уровня воды. Существенно меньшие по величине колебания уровня сопутствуют недельному и суточному режиму наполнения и сработки водохранилищ. Наи­большие колебания уровня свойственны нижней зоне водохранили­ща, в зоне переменного подпора изменения уровня сходны с реч­ными.

Так же как и на озерах, на водохранилищах (особенно на мел­ководьях) довольно обычны сгонно-нагонные колебания уровня. Для долинных водохранилищ наиболее значительные сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются в тех случаях, когда ветер дует вдоль водохранилища.

Рис. 8.3. Типичный график изменения уровня воды в водохранилище в течение года:

1 — наполнение; 2 — сработка полезного объема водо­хранилища (I—XII — месяцы)

Течения в водохранилищах имеют много общего с течениями в озерах (см. разд. 7.6), но отличаются более сложной простран­ственной структурой и нестационарным характером. Наиболее силь­ные течения наблюдаются иногда в затопленных речных руслах, в заливах встречаются застойные зоны. В водохранилищах с большой площадью поверхности, как и в озерах, наблюдаются сильные вет­ровые течения, во многих водохранилищах — плотностные течения.

Волнение на водохранилищах зависит от их размера. Обычно оно слабее, чем на озерах, но сильнее, чем на реках. На больших водохранилищах высоты волн достигают 2—3 м. Важнейшие по­следствия ветрового волнения на водохранилищах — вертикальное перемешивание вод, особенно на мелководьях, абразия берегов, ухудшение условий жизнедеятельности макрофитов.