§ 42. Кривая подпора

После строительства на реке плотины естественный характер движения воды в русле нарушается, с верхней по течению стороны плотины (в верхнем бьефе) образуется водохранилище (рис. 70) с характерным негоризонтальным продольным профилем, который называют кривой подпора Z_H.

Кривая подпора имеет сложный характер, зависящий от уровня воды в водохранилище, от площади поперечного сечения русла и долины реки, от скорости потока и коэффициента шероховатости русла и поймы. Кривая подпора на больших водохранилищах распро­страняется на значительные от плотины расстояния. Место, где кривая подпора выходит на естественный уровень реки, называют выклиниванием подпора. В зависимости от степени напол­нения водохранилища выклинивание кривой подпора меняет свое положение. Так, в периоды половодий и паводков выклинивание подпора происходит на более высоких отметках и на большем уда­лении от плотины, при меженных уровнях — на более низких отмет­ках и соответственно ближе к плотине.

Приближенное расстояние L от плотины до места выклинивания кривой подпора можно подсчитать по формуле

где h — созданный у плотины напор,

i — средний продольный уклон водной поверхности реки.

В непосредственной близости к плотине, когда значительные массы воды поступают на лопасти турбин, уровни воды могут быть несколько ниже НПУ.

Необходимость знания кривой подпора диктуется важными, положениями. Отметки уровня воды в водохранилище на участке, Z_H-Z_K оказываются выше отметки НПУ (см. рис. .7.0), поэтому при обозначении на местности (отбивке) контура водохранилища должна быть учтена эта величина возвышения уровня, так как в про­тивном случае часть объектов после наполнения водохранилища может оказаться в зоне затопления или подтопления. Помимо этого, на указанном участке создается дополнительный (против НПУ) запас воды, который при сработке водохранилища дает дополнительно некоторое количество электроэнергии. В итоге знание положения кривой подпора дает возможность предрассчитать величину этого резервного источника.

Детальное изучение кривой подпора и характера ее изменения целесообразно только для больших водохранилищ. Как уже говори­лось, расчет кривой подпора делается на основе гидравлической теории. Однако существующая теория пока еще не в состоянии учесть всю массу факторов, влияющих на характер кривой подпора на конкретном участке реки, поэтому для проверки теории необхо­димо иметь материалы фактических наблюдений за кривой подпора. Для этой цели наиболее пригодны геодезические методы, в частности методы высокоточного геометрического нивелирования. Однако задача определения фактической кривой подпора достаточно сложная, так как в связи с большими размерами водохранилищ необходимо Длительное время прокладывать нивелирные ходы большой длины и высокого класса (второго и первого), во многих частях водохрани­лища вести наблюдения за уровнями и учитывать другие факторы.

§ 43. Речные наносы

Частицы грунта, переносимые и откладываемые водой, называют наносами.

Хозяйственное использование рек требует знания не только ее водного режима, но и режима переносимых рекой наносов.

Наносы образуются вследствие размыва русла реки (боковая и глубинная эрозия) и в результате смыва грунта и почвы с поверхности бассейна (водная эрозия почвы). Влияние каждого из названных факторов существенно различное. Продукты размыва составляют обычно 1—3% от общего количества наносов, перемещаемых рекой. Главное место занимают продукты смыва, которые и образуют основ­ную массу наносов.

Интенсивность смыва с поверхности бассейна зависит от состава и состояния грунта, состояния и вида растительного покрова, от уклона рельефа, от величины и характера стока (ливни или обложные дожди). Большее количество наносов несут горные реки; у равнинных рек наносов меньше; в водах северных рек наносов меньше, чем в южных.

По характеру перемещения речные наносы делят на взвешенные, донные, растворенные.

Взвешенные наносы представляют собой тонкие илистые или глинистые частички грунта, удерживаемые во взвешенном состоянии только благодари турбулентности речного потока. Более тяжелые частички грунта не могут быть подняты завихряющимся водным потоком, и поток их перекатывает по дну — это донные или влекомые наносы.

Вес влекомых частиц грунта прямо пропорционален шестой степени скорости потока. В итоге водный поток, движущийся со скоростью 0,6 м/с, в состоянии перемещать крупный песок; при скорости 1—1,2 м/с поток увлекает за собой гравий и гальку разме­ром до 20 см.

Речная вода всегда содержит какой-то процент растворенных в ней веществ — растворимых наносов. Растворимые наносы чаще представлены ионами углекислого кальция, хлористого натрия, а на заболоченных территориях гумусовыми кислотами. Минерализация воды выше у рек засушливой зоны и менее у рек избыточного увлажнения (северные реки).

Из названных выше трех видов наносов наибольшее значение имеют взвешенные наносы, поскольку они для равнинных рек соста­вляют основную массу — около 95% и только 5% приходится на долю донных.

Количественное содержание в воде взвешеных наносов опреде­ляют двумя показателями: относительной мутностью воды и расхо­дом взвешенных наносов.

Относительной мутностью называют весовое Р количество наносов, содержащихся в единице объема v воды, т. е.

Относительная мутность значительно меняется по глубине потока: она выше у дна и минимальна у поверхности. Относительная мутность подвержена колебаниям в связи с временем года: весной и после прошедших ливней летом мутность резко возрастает. Это происходит от усиливающегося смыва грунта и почвы с поверхности бассейна.

Расход r взвешенных наносов подсчитывают по фор­муле

в которой Q — расход воды на исследуемом створе.

Расход g донных наносов вычисляют по формуле

где — среднее количество донных наносов, приходящихся на 1 м ширины реки;

В — ширина реки.

Расход растворимых наносов вычисляют по формуле

где - весовое количество наносов в единице объема воды.

Суммарное количество взвешенных, донных и растворенных наносов, проносимых через живое сечение потока за определенное время (год, месяц, сутки), называют твердым стоком.

Сток взвешенных наносов за время Т находят по формуле

сток за год будет равен

где m — расход растворимых наносов.

Суммарный твердый сток равен

По аналогии с модулем стока воды вычисляют и модуль твер­дого стока, т. е. находят отношение

определяющее количество наносов_в приходящихся на 1 км² площади F водосбора.

На многих реках ведутся наблюдения за взвешенными и влеко­мыми наносами, однако фактических данных имеется еще очень мало, особенно на малых водосборах. Это обстоятельство осложняет расчеты твердого стока и делает их недостаточно надежными.

В зависимости от материала для расчета твердого стока при­меняют специальные карты, эмпирические формулы, метод аналогии.

При полном отсутствии наблюдений за наносами для расчетов твердого стока используют специальную карту мутности рек СССР (рис. 71), составленную Г. В. Лопатиным и Г. И. Шамовым; на этой карте вся территория разделена на семь зон с различной относитель­ной мутностью, изменяющейся от 50 и менее до 5000 г/м³ и более.

Карта может применяться для рек с площадью водосбора 500— 20 000 км². Более точные карты помещаются в изданиях водного кадастра Советского Союза, именуемого «Ресурсы поверхностных вод СССР».

Расчеты твердого стока необходимы при проектировании гидро­технических сооружений, так как наносы могут существенно влиять на работу этих сооружений.

Наличие в воде наносов вызывает ускоренный износ насосных и дождевальных установок, турбин гидростанций, заиление каналов и водохранилищ. Для ослабления вредного воздействия наносов на механизмы и сооружения проектировщикам приходится принимать специальные конструктивные решения; в каналах, например, на­значать так называемые незаиляемые скорости (уклоны), устраивать отстойники.

Особенно вредно воздействие наносов на водохранилища.

Скорость речного потока, впадающего в водохранилище, в силу значительного увеличения площади живого сечения падает до нуля, и наносы, лишенные удерживающей или толкающей силы (от тур­булентности потока и лобового давления), отлагаются на дне во­доема.

Заполнение водохранилища взвешенными наносами называют заилением, а донными наносами — занесением. Заиле­ние и занесение водохранилища происходит непрерывно, и не только за счет наносов, приносимых рекой, но и за счет разрушения берегов водохранилища при их переработке.

Заиление и занесение приводят к потере водохранилищем его регулирующей способности — способности перераспределять речной сток во времени, обеспечивать бесперебойное снабжение водой на­селенных пунктов, промышленных предприятий, удовлетворять нужды сельского хозяйства.

Очистка водохранилища от наносов — задача исключительно трудоемкая и дорогостоящая. Поэтому обычно предусматривается ряд мер по борьбе с заилением. В частности, уменьшение смыва почвы с поверхности речного бассейна путем насаждения раститель­ности (травяной и древесной), определенную систему вспашки полей и размещения сельскохозяйственных культур, укрепление активно Размываемых береговых участков реки, систематические промывки водохранилища путем сброса воды через донные отверстия в плоти­нах. При строительстве ГЭС ослабление вредного воздействия нано­сов на работу сооружения достигается проектированием в водохранилище так называемого мертвого объема (рис. 72), т. е. выделением из всего объема водохранилища его наиболее низкорас­положенной части, которая не может быть использована при регу­лировании стока, а играет лишь вспомогательную роль — поддер­живает в водохранилище требуемый уровень воды (НПУ), поэтому не столь существенно, будет ли этот объем заполнен водой или нано­сами. Главное для водохранилища — полезный объем, или объем

сливной призмы, кото­рая обеспечивает регулирование стока и необходимый запас воды.

Итак, наличие мертвого объ­ема хотя и не препятствует заилению водохранилища, су­щественно удлиняет сроки его заполнения наносами. В связи с этим при проектировании во­дохранилищ и ГЭС ведется рас­чет времени заиления, для чего применяют различные методы: детальные и приближенные. Эти методы с различной сте­пенью детальности учитывают: годовой объем твердого стока, гра­нулометрический состав и объемный вес наносов, расход воды, характеристики водохранилища.

Приближенно расчет времени заиления может быть выполнен на основе сравнения проектного объема заиления и объема наносов W_H за время Т, т. е. по формуле

Емкость всего водохранилища и его частей при различных НПУ, в том числе и мертвого объема, подсчитывают на основе планиметри­ческих измерений по топографическим картам и указывают в проекте. Объем наносов W_H находят на основе суммарного годового твердого стока (R + G) с учетом объемного веса наносов по формуле

Для пояснения приведем пример.

Определим продолжительность заиления водохранилища объемом = 207 тыс. м³, созданного на р. Цыганка — с. Краснополье (район г. Умани, УССР), имеющей площадь водосбора F = 248 км².

Вычисления начнем с определения по карте среднего годового стока (см. рис. 64), для центра тяжести бассейна, величины модуля M₀ = 1,8 л/с*км2; далее с известной площадью бассейна по формуле (5) находим Q₀

по карте средней многолетней мутности (см. рис. 71) находим вели­чину относительной мутности = 300 г/м³ = 0,3 кг/м⁸ и расход взвешенных наносов по формуле

Полагая, что донные наносы составляют около 5% от взвешенных находим

Объем взвешенных и влекомых наносов, поступающих в водо­хранилище за 1 год, при = 0,8 т/м³ составляет

Длительность заиления составит