Лекция 21. Водохранилища и регулирование стока

21.1. Общие сведения

В результате деятельности человека создаются водохранилища, по своим размерам не уступающие самым крупным озерам.

Водохранилища принято делить по гидрографическому признаку на три вида  озерные, долинные и смешанные.

Озерные водохранилища образуются в чашах озер. Подпор только поднимает уровень этих озер и увеличивает площадь зеркала.

Долинные водохранилища создаются за счет затопления части речной долины.

Смешанные водохранилища размещены в долине реки и в чаше озера, из которого река вытекает.

Основной характеристикой всякого водохранилища служат кривые зависимости площади его зеркала F и объема V от уровня воды h (рис. 21.1). Их строят на основании подробной съемки чаши водохранилища. На эти графики наносят установленные проектом расчетные уровни воды  НПУ, до которого водохранилище наполняется при нормальной эксплуатации, уровень навигационной сработки (УНС), до которого разрешается срабатывать водохранилище в период навигации, уровень мертвого объема (УМО)  предельный уровень сработки. Объем, заключенный между НПУ и УМО, называется полезным объемом водохранилища, а объем, лежащий ниже УМО,  мертвым объемом. Последний для регулирования стока не используется. Кроме трех указанных уровней, расчетом определяется форсированный подпорный уровень ФПУ, до которого возможно кратковременное повышение уровня воды при пропуске половодья с обеспеченностью 0,01 %, повторяющегося один раз в 10 000 лет.

Рис. 21.1. Кривые площадей зеркала и объемов водохранилища

21.2 Геологическая деятельность водохранилища.

На состояние свободной поверхности водохранилищ вследствие большой площади их зеркала сильное влияние оказывает ветер. Кинетическая энергия воздушного потока посредством сил трения на поверхности раздела двух сред передается массам воды. Одна часть переданной энергии расходуется на образование волн, а другая идет на создание движения поверхностных слоев воды в направлении ветра. В водоемах ограниченных размеров также перемещение водных масс приводит к наклону свободной поверхности. У наветренного берега уровень воды понижается и возникает ветровой сгон, у подветренного берега уровень повышается и возникает ветровой нагон. Разности уровней достигают у подветренного и наветренного берегов 1 м и более. При длительном ветре перекос становится стабильным. Массы воды, которые подводятся к подветренному берегу ветровым течением, отводятся в обратную сторону придонным градиентным течением.

В водохранилищах также наблюдается абразивная работа вод, но в них она происходит более интенсивно. Это объясняется тем, что речные долины, в которых создаются водохранилища, образовались под действием речной эрозии и их профиль не соответствует новым условиям, которые возникают при заполнении почти всей долины водой. Водохранилища стремятся выработать новый профиль берегов, и размыв вдоль рек береговой линии происходит особенно интенсивно. Переработка берегов и формирование чаши водохранилища – сложный процесс, в котором принимает участие ряд факторов, различных по своей значимости. Его действие проявляется в волнах, течениях и периодических колебаниях уровня воды в водохранилище.

Для руслового процесса в водохранилищах характерны три основных явления: аккумуляция наносов, деформация берегов и занесение входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов  прямое следствие падения скоростей течения при переходе от речного потока к водоему с малыми, часто близкими к нулю скоростями. Весь сток русловых наносов реки, на которой создано водохранилище, и весь сток русловых наносов рек, впадающих в водохранилище, остается в чаше водохранилища. Оседает в водохранилище и значительная часть наносов, транспортируемых реками во взвешенном состоянии. Таким образом, с течением времени чаша водохранилища заполняется наносами. У горной реки объем годового стока наносов может быть соизмерим с объемом водохранилища. Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, так как объем годового стока наносов у них составляет малую долю объема водохранилища.

Следует учитывать такое частное проявление процесса аккумуляции наносов как повышение гребней перекатов в верховой зоне водохранилища. На рис. 21.2 показаны продольные профили свободной поверхности водохранилища при НПУ и УНС, а также продольные профили свободной поверхности реки при большом весеннем и при меженном расходах воды в естественном состоянии. При большом расходе воды подпор от гидроузла выклинивается в зависимости от высоты уровня у плотины между точками 1 и 2. С переходом к меженным расходам подпор распространяется значительно выше по реке  участок выклинивания находится между точками 3 и 4. Зона водохранилища, расположенная между весенним (12) и меженным (34) участками выклинивания, представляет собой зону переменного подпора: при больших весенних расходах движение потока здесь такое же, как в естественных условиях, а с уменьшением расходов воды эта зона попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах в период высоких уровней происходит здесь так же, как в реке. Однако размыва отложений не происходит, так как при надвижении подпора скорости течения резко уменьшаются. В результате наносы на перекатах из года в год накапливаются и гребни перекатов растут. После нескольких годовых циклов рост гребней затухает; достигается состояние равновесия между потоком и руслом, которому отвечают более высокие отметки гребней перекатов, чем при естественном режиме.

Рис. 21.2. Отложение наносов на перекатах в зоне переменного подпора: