1, 2  Русловые границы участка выклинивания подпора в половодье;

3, 4  То же, в межень

Переработка берегов идет наиболее интенсивно в первые годы эксплуатации водохранилищ, а затем постепенно затухает. Период активной переработки берега занимает обычно от 5 до 10 лет, а для стабилизации берега требуется 2030 лет. Характер переформирования берегов показан на рис. 21.3. Разбиваясь о береговой склон, волны подмывают берег примерно на высоте нормального подпорного уровня. Надводный откос обрушается, часть обрушившегося материала, состоящая из мелких частиц, взвешивается в волноприбойной зоне и может быть унесена далеко от места обрушения. Однако большая часть материала остается на месте, формируя подводный пляж. Процессы подмыва и обрушения берега прекращаются тогда, когда ширина пляжа становится настолько большой, что, вкатываясь по пляжу, разбитая волна теряет свою кинетическую энергию.

Рис. 21.3. Переформирование берегового склона:

ACE  профиль берега до затопления чаши водохранилища;

abde  то же после переработки волнением;

B1  ширина пляжа; B2  отсутствие береговой линии

Ледовый режим водохранилищ и нижних бьефов гидроузлов отмечается такими особенностями, как большая толщина льда, позднее освобождение ото льда, существование протяженной полыньи в нижнем бьефе в течение всего зимнего периода (например, полынья Красноярской ГЭС).

Гидроэнергетика, основанная на регулировании стока рек, оказывает негативное влияние на природную среду не только в водохранилищах, но и в нижних бьефах. Из-за снижения уровней воды в половодье и уменьшения его продолжительности влажные, прежде плодородные, богатые растительностью поймы превращаются в сухую степь, исчезают рыбные нагульные площади. С ростом в придонной области скорости потока и усилением его турбулизации зона размыва русла в нижнем бьефе постоянно перемещается вниз от гидроузла. Например, ниже Новосибирской ГЭС эта зона вначале распространилась на 30 км, а за 40 лет зарегулированного стока увеличилась до 140 км.

21.3 Регулирование стока

Водохранилища создаются с целью регулирования стока, т.е. для перераспределения стока во времени, в соответствии с потребностями хозяйственной деятельности человека. В перераспределении стока заинтересованы такие отрасли народного хозяйства, как энергетика, водный транспорт, мелиорация земель и водоснабжение. Путем задержки половодного стока в водохранилище решается также задача предотвращения наводнений. Требования, предъявляемые к регулированию стока различными потребителями, во многом противоречивы. Так, подача из водохранилища небольших зарегулированных расходов желательна для водного транспорта в летнюю межень, а для энергетики  в осеннее-зимний период; орошение требует резкого увеличения зарегулированных расходов на короткий вегетационный период. Энергетика требует неравномерного расходования воды в течение суток и по дням недели, но эта неравномерность вызывает сильные колебания уровней в нижних бьефах гидроузлов и затрудняет судоходство. При проектировании крупных гидроузлов необходимо предусматривать комплексное использование водохранилищ всеми заинтересованными водопотребителями и водопользователями с полным согласованием их требований и достижением наибольшего экономического эффекта и экологической безопасности.

Регулирование стока представляет собой циклический процесс: фазы наполнения водохранилищ чередуются с фазами его сработки. В зависимости от продолжительности цикла различают многолетнее, годичное, суточное и недельное регулирование.

В условиях снегового питания, свойственного большинству рек России, годичное регулирование сводится к следующему. Перед началом весеннего половодья полезная емкость водохранилища полностью освобождается. Начало половодья служит началом годового водохозяйственного цикла. В половодье водохранилище наполняется. Излишек притока воды пропускается через водосбросные сооружения. Затем наступает длительный период сработки, когда по установленному графику из водохранилища подаются зарегулированные расходы воды. Во время осенних дождей, водохранилище частично наполняется, а затем снова идет сработка. Если в результате высокого осеннего притока к концу цикла в водохранилище остается неизрасходованный запас воды, он сбрасывается, и к началу следующего весеннего половодья снова образуется полезная емкость водохранилища. В такой последовательности сток перераспределяется только внутри данного водохозяйственного года.

При многолетнем регулировании сток перераспределяется не только внутри отдельных лет, но и между годами. В многоводные годы водохранилище наполняется до нормального подпорного уровня (НПУ), а полная сработка его полезного объема происходит только к концу маловодного периода, охватывающего обычно период в два  три года с низким стоком. Между временем, когда водохранилище наполнено до НПУ, и временем полной сработки его полезного объема может иметь место ряд годовых циклов частичного наполнения и частичного опорожнения. Сбросы воды производятся только в годы высокой водности.

Водохранилища, осуществляющие многолетнее регулирование стока, должны иметь большие объемы, чем водохранилища годичного регулирования.

Если при годичном и многолетнем регулировании сток по сравнению с его естественным ходом всегда выравнивается, то результат суточного и недельного регулирования иной. Цель этих видов регулирования состоит в обеспечении неравномерного потребления электрической энергии внутри суток и по дням недели. Наибольшее потребление энергии наблюдается в дневные и особенно в вечерние часы, наименьшее  ночью. В субботу и воскресенье, когда многие предприятия не работают, потребление энергии существенно меньше, чем в другие дни недели. Неравномерная работа тепловых электростанций невыгодна, а атомных станций технически невозможна. Поэтому во всех крупных энергосистемах проводится деление общего графика нагрузки на две части  базовую, покрываемую за счет непрерывной работы тепловых и атомных станций, и пиковую, покрываемую за счет работы гидроэлектростанций в течение части суток. Для большинства гидроэлектростанций характерен следующий график суточной работы: ночью работают одна  две турбины с единственной целью не допустить сильного понижения уровней и прекращения течения в нижнем бьефе. Затем, по мере роста нагрузки, число работающих турбин увеличивается, но на полную мощность станция работает только в вечерние часы. В субботу и воскресенье работает лишь небольшая часть турбин. Следствием неравномерной работы гидроэлектростанций являются резкие колебания расходов воды и уровней в ее бьефе. Например, в створе Волховской ГЭС расход воды в течение суток меняется от 200 до 800 м³/с.

Годовой ход уровней у водохранилищ отличается плавностью и характер его мало меняется из года в год. У водохранилищ годичного регулирования имеется три фазы годового цикла: весенний подъем от уровня мертвого объема до нормального подпорного; фаза поддержания нормального подпорного уровня, во время которой излишек притока сбрасывается; длинный медленный спад, охватывающий большую часть года. Зимой, особенно перед началом половодья, интенсивность спада увеличивается. На водохранилищах многолетнего регулирования нормальный подпорный уровень достигается только в многоводные годы, а в годы средней и низкой водности подъем непосредственно сменяется спадом.

Перераспределение стока, обусловленное годичным и многолетним регулированием, вносит существенные изменения в ход руслового процесса. В пределах ближайших к гидроузлу нескольких десятков километров на эти изменения накладываются эффекты воздействия на русло волн попусков. Здесь с течением времени приобретает доминирующее значение задержка твердого стока реки водохранилищем. В непосредственной близости к гидроузлу значительные массы наносов приводятся в движение за счет избыточной кинетической энергии потока, прошедшего через отверстия плотины или турбины ГЭС.

Характер общих изменений руслового процесса, которые вызываются перераспределением стока в течение года и ряда лет, определяются, прежде всего, степенью регулирования стока. Многолетнее регулирование, при котором сбросы через гидроузел происходят в немногие многоводные годы, а в течение большинства лет поддерживается беспаводочный режим, способно не только вызывать перестройку меженного русла, но может изменить и тип руслового процесса. Наибольший практический интерес представляет высокая степень регулирования стока, т. е. многолетнее и полное годичное регулирование стока, под которым понимается регулирование, производящее полную задержку в водохранилище половодий маловодных лет.

Лекция 22. Подземные воды

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземные воды. Науку о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией.

Подземные воды тесно связаны с водой атмосферы и наземной гидросферы – океанами, морями, озерами, реками. В природных условиях происходит непрерывное взаимодействие этих вод, так называемый гидрологический круговорот. В процессе круговорота воды в природе происходит постоянное возобновление природных вод, в том числе и подземных. Процесс смены первоначально накопившихся вод вновь поступающими называют водообменом. Интенсивность водообмена подземных вод различна и зависит от глубины их залегания.

Зона интенсивного водообмена (преимущественно пресные воды) расположена в самой верхней части земной коры до глубины 300 – 400 м; подземные воды этой зоны дренируются реками; в масштабе геологического времени–это воды молодые; водообмен осуществляется за десятки и тысячи лет.

Зона замедленного водообмена (солоноватые и соленые воды) занимает промежуточное положение и располагается до глубины 600 – 2000 м; обновление вод в процессе круговорота происходит в течении сотен тысяч лет.

Весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов) приурочена к глубоким зонам земной коры и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков; водообмен осуществляется за сотни миллионов лет