книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

электроэнергии. Вода 'сбрасывается из водохранилища в часы 'повышенного потребления электроэнергии и интенсивной работы ГЭС (обычно с 8 до 12 и с 18 до 24 часов) и накапливается в нем в остальные часы суток (рис. 46, а). Такое регулирование осу­ ществляется водохранилищами .мнлого объема, не вмещающими полностью вод половодий и паводков, а крупными водохранили­ щами только совместно ic другими видами регулирования. Ам­ плитуда суточных колебаний уровня воды при этом типе 'регули­ рования больше, чем в реке в естественном состоянии, и может достигать в нижнем бьефе 2—5 и более метров. К таким водо­ хранилищам относятся, .например, Осипоничское и Чигиринское в БССР и др.

Аналогично суточному недельное регулирование, при .кото­ ром попуски воды из водохранилища уменьшаются в выходные и праздничные дни, когда большинство промышленных предпри­ ятий .не работает.

При сезонном регулировании происходит выравнивание внут­ ригодового хода стока, перераспределение его из многоводных сезонов в маловодные (рис. 46, б)- Необходимость его вызвана неравномерным распределением стока внутри вода и несовпаде­ нием максимумов стока и потребления воды. Это наиболее распространенный тип регулирования, осуществляемый водохра­ нилищами значительного объема, способными вместить воды половодий и паводков среднего по водности года. Большинство водохранилищ на Волге осуществляют сезонное регулирование.

Многолетнее регулирование заключается в перераспределе­ нии стока из 'многоводных лет и периодов в маловодные. При этом типе регулирования водохранилища в многоводные и 'Сред­ ние по водности водьг,задерживают сток половодий и таким обра­ зом накапливают запасы 'воды для повышенных сбросов в мало­ водные годы и периоды (рис. 46, в). Многолетнее регулирование ■осуществляется наиболее 'крупными водохранилищами большо­ го объема, такими как Красноярское, Братское. Наполнение этих водохранилищ происходит в течение нескольких лет.

Водохранилища сезонного регулирования (могут производить также недельное и суточное, а многолетнего — суточное, недель­ ное и сезонное регулирование.

Возможности регулирования увеличиваются при создании каскадов — цепи водохранилищ на одной раке. В каскаде регу­ лируется не только сток, как в отдельных водохранилищах, но и приток, поступающий из вышележащих водоемов. Каскады во­ дохранилищ созданы на крупных реках СССР: Волге, Каме,

Днепре, Енисее и Ангаре, проектируются и строятся на Оби,’ Лене, Амуре.

Режим водохранилищ в каскаде различен в зависимости от назначения и характера использования (каждого из них. Одни водоемы базовые, регулирующие сток, отличаются большими объемами и значительной сработкой, как, например, Рыбинское

190

а,м3/ с

Рис 46. Схемы суточного (а), сезонного (б) и много­

летнего ( в ) регулирования стока водохранилищами:

1—зарегулированные расходы; 2—объем воды, расходуемой из водохранилища; 3— объем воды, накапливаемой в водо­ хранилище; 4 — бытовые расходы

и Куйбышевское в Волжском каскаде. Гидроэнергетические ус­ тановки других, например Горьковского, Волгоградского, рабо­ тают на транзитных водах верхних водохранилищ; колебания уровней сравнительно невелики (рис. 47).

Водообмен водохранилищ происходит .медленнее, чем рек, и значительно быстрее, чем о'зер. Более интенсивен 'водообмен небольших но объему силынопрогочных водохранилищ. Коэффи­ циенты их условного водообмена (отношение объема стока из водоема к объему водной массы водоема Кв)достигают 12—13

(Иваньковское и Угличское водохранилища, обмен в течение ме-

'сяца), а в малых водохранили­ щах УССР —200—300 и более. В крупных водоемах озерного типа водообмен слабее ("КвРыбинского водохранилища 1,7, обмен около 7 месяцев). Водообмен сильно варьирует в течение года, возра­ стая весной, при сбросе части вод половодья, и зимой, при малом объеме воды, и уменьшаясь летом и осенью. Так, /\в Камского водо­ хранилища весной достигает 3, летом и осенью падает до 0,2— 0,7, к концу зимы возрастает до 1.

должно достигать к концу наполнения в средний по водности год. НПУ может поддерживаться плотиной длительное время.

Уровень форсировки (УФ) превышает НПУ обычно не более

192

чем гаа 0,5—1 м и может поддерживаться в течение короткого времени 'при высоких половодьях и паводках.

К уровням сработки относятся: а) уровень ежегодной (ди­ спетчер,акой) срабоРки, которого водохранилище достигает еже­ годно при нормальной эксплуатации; б) (проектный уровень наи­ большей сработки, который достигается только в (маловодные годы; в) уровень наибольшей технически допустимой сработки, или уровень мертвого объема (УМО), сработка ниже которого ведет к нарушению нормальной (работы ГЭС; г) уровень наиболь­ шего возможного опорожнения, наступающий при открытии всех водосборов пл-отияы для ремонта гидротехнических сооружений, очистки ,от «наносов и т. п. и прекращении «работы ГЭС.

Полный объем водохранилища делится на несколько объ­ емов (емкостей), ограничиваемых (проектными уровнями. Объем форсировки располагается между УФ и НПУ. Для регулирова­ ния стока иапольэуется п о л е з н ы й о б ъ е м , лежащий между НПУ и УМО. М е р т в ы й о б ъ е м , расположенный ниже УМО, не используется для регулирования стока, но (необходим для под­ держания минимального напора на ГЭС, судоходных глубин для подхода к причалам и сооружениям, обеспечения работы водо­ заборных сооружений, соблюдения санитарных норм.

Как помавали исследования, наблюдаемые уровни редко совпадают с проектными отметками и режим водоемов лучше отражают характерные уровни, к которым относятся на .водохра­ нилищах сезонного регулирования в средних широтах СССР

уровни наибольшей зимней сработки начала и максимума весен­ него наполнения, -максимальный и -минимальный (навигационно­ го периода и др. Для развития динамических явлений (волн, те­ чений), формирования берегов, развития жмени, особенно в при­ брежной области, большое значение имеет повторяемость и обе­ спеченность тех или иных уровней в водохранилище.

Для -внутригодового хода уровней (водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования характерны резкий подъем в пе­ риод (наполнения и сработка в течение ©сей остальной части го­ да (ам. рис. 48). В условиях умеренного климата летне-осенняя сработка идет медленно, зимняя — интенсивно в связи с резким уменьшением притока и 'большей потребностью в электроэнергии. На годовой ход уровней накладываются колебания, (Связанные с суточным регулированием. В некоторых водохранилищах [кас­ кадов, использующих для работы ГЭС транзитную воду вышеле­ жащих водохранилищ, летам сработки ;не происходит и уровни испытывают незначительные колебания (Горьковское и Волго­ градское (водохранилища, см. рис. 48). Годовые колебания уров­ ней значительно выше, чем в озерах, и достигают на «равнинных водохранилищах 5—7, а :на горных — даже 50—801м.

В результате затопления русел, «пойм, склонов долин, а ;в ря­ де случаев и водоразделов котловины водохранилищ отличают­ ся большой сложностью рельефа дна, резкими перепадами глу­

193

бин, разобщенностью на плесы. Строение (котловин весьма раз­ нообразно.

Морфометрические показатели водохранилищ значительно меняются в течение года ;в (Связи е большими 'колебаниями уров­

в 2, Иваньковского—-в 6 раз. Резкие (колебания уровней и раз­ меров водохранилищ существенно влияют на формирование бе­ регов и создают сложные условия жизни, особенно в прибреж­ ных районах и осушаемой зоне.

Равнинные водохранилища отличаются значительным за­ топлением окружающих территорий, большими площадями зер­ кала (до нескольких сотен квадратных километров), обширными мелководьями при относительно небольшом напоре (подъеме уровня по сравнению с рекой). К ним относятся водохранилища Волжского и Днепровского каскадов, Цимлянское, Верхнесвир- ■ское, Новосибирское с напором 15—35 м.

Для горных водохранилищ характерны большой напор и объем воды при сравнительно малой площади зеркала и мелко­ водий. Это, например, Ингурское (напор 410 м), Нурекское (273 м), Саяно-Шушенское (212 м), Токтогульское (180 м).

Промежуточное положение между равнинными и горными по (морфометрическим показателям занимают водохранилища, расположенные на плоскогорьях и в предгорьях: Мингечауракое (напор 65 м), Бухтарминское (67 м), Усть-Илимское (91 м), Красноярское (100 м), Братское (106м).

В движении вод водохранилищ сочетаются элементы речного (■стоковые течения) и озерного (ветровые течения, огоны и наго­ ны, волны) режима. Режим течений и волн осложняется строени­ ем котловин (пересеченный рельеф дна, резкие изменения глу­ бин, обширные мелководья), значительными (колебаниями уров­ ней воды, попусками воды через плотины. Стоковые течения наблюдаются во всех водохранилищах, но скорости их значитель­ но меньше, чем в реках (например, в Горьковском водохранили­ ще в первые годы после его заполнения на 50—90% меньше, чем в реке).

Наибольшие скорости течений наблюдаются в верхней ча­ сти водоемов, в зоне выклинивания подпора. Меньше они в сред­ ней части и могут возрастать в нижней в связи со сбросами вод через плотину: Так, в верхней части Иваньковского водохранили­ ща Волж;с(когв каскада скорости течения в поверхностном слое воды в мае 1957 г. достигали 0,27, в средней — не превышали 0,07 м/с, в нижней — возрастали до 0,20, в верхней части Рыбин­ ского водохранилища в 1963 г.—до 0,30—0,40, в средней—-до 0,20—0,30 м/с. На верхних участках водохранилищ каскадов ско­ рости течений могут превышать 1 м/с при -попусках вышележа­ щих ГЭС.

194

Скорости течений в приилотинной части (водохранилищ силь­ но варьируют в зависимости от размеров попусков воды через ГЭС. При суточном регулировании они колеблются в Угличском водохранилище (июнь 1963 г.) от 0,18—0,27 до 0,03—0,05, в Ры­ бинском— от 0,35 до 0,05—0,07 м/с. Резкие различия в скоро­ стях течения наблюдаются и по поперечному сечению водохра­ нилищ: в затопленных руслах рек они значительны, на поймах резко уменьшаются. Так, в Горьковском водохранилище в ию­ л е—•августе 1957 г. они достигали в затопленном русле Волги 0,25—0,55, на пойме 0,10—0,35 м/с, в Куйбышевском — соответ­ ственно 0,90 и 0,25 м/с.

Скорости ветровых (дрейфовых) течений меньше и обычно не превышают 0,1—0,2 м/с. Например, в Рыбинском водохрани­ лище средние скорости их не превышают 0,07—0,13, максималь­ ные редко превосходят 0,20—0,25 м/с. Отношение скорости по­ верхностного течения (U0) к скорости ветра ( W) — ветровой ко­ эффициент— уменьшается .при возрастании скорости ветра. Так, в Рыбинском водохранилище при W до 5 м/с U0/W около 0,02, при W — 5—10 м/с — не более 0,015.

Размеры волн водохранилищ сильно варьируют в зависимо­ сти от скорости ветра, разгонов и рельефа дна. Высота волн на крупных водохранилищах того же порядка, что и на больших озерах (2—3,5 м). Волны водохранилищ отличаются большой крутизной. Различияв отметках уровней на сгонных и .нагонных участках крупных водохранилищ (Рыбинского., Куйбышевского, Цимлянского и др.) достигают 1—1,3 м.

Распределение температуры воды по вертикали и водной массе водохранилищ различно в за!виси:мости от водообмена, пе­ ремешивания, строения котловин. В большинстве крупных и средних водохранилищ летом наблюдается прямая температур­ ная стратификация, при которой вертикальные градиенты темпе­ ратуры в слое скачка могут достигать 7—8°С на 1 м. При усиле­ нии водообмена и ветрового перемешивания стратификация сме­ няется гомотермией. Зимой в таких водохранилищах четко выражена обратная температурная стратификация, при которой прогрев придонных слоев .воды от дна достигает ;в отдельных мелководных плесах елабшроточного Рыбинского водохранили­ ща 4—4,5, в центральной части — 2—3°С. При более высоком водообмене в Горьковском и Куйбышевском (водохранилищах прогрев не превышает 1—2, в Каховском —1,8—2°С.

Весьма четко выражена в водохранилищах и неоднородность температуры воды по горизонтали. Различия в температурах мелководных участков со слабым .водообменом и проточных цен­ тральных частей водохранилищ достигают 5—8°С, особенно в периоды весеннего прогрева и осеннего охлаждения. Например, ■весной в Рыбинском водохранилище у кромки льда температура не превышает 1,3—1,7, а на свободных от льда плесах достигает

9—10°С.

195

Сроки наступления ледовых явлений на водохранилище су­ щественно отличаются от таковых на реках в тех же географиче­ ских условиях. Осенний ледоход наступает позже, чем на реках (на Волжском каскаде на 4—7, ,на Камском — на 10—14, на Днепровском —на 4—10 суток). Ледостав устанавливается рань­ ше, чем на свободных реках. Различия в сроках ледостава силь­ но варьируют по территории в зависимости от климатических условий, морфометрических показателей и ороточности водохра­ нилищ. Так, на водохранилищах Волжского каскада ледостав наступает на 2—17, а в верхней части Красноярского водохрани­ лища на 27 суток раньше, чем на свободных реках. Более раннее наступление ледостава в каскадах, чем в реках окружающих рай­ онов, отмечено на нижних ступенях (в водохранилищах, распо­ ложенных ниже по течению). Например, на Горьковском водо­ хранилище ледостав наступает в среднем на 2, а-на лежащем ниже по течению Куйбышевском на 8—17 суток раньше, чем на реках.

Вскрытие и очищение от льда на водохранилищах происхо­ дит позже, чем на реках. Водохранилища Волжского каскада вскрываются в среднем на 9—15, а очищаются от льда на 7—12 суток позже, чем реки, Цимлянское водохранилище —соответ­ ственно на 12—14 и 10—25 суток. Период ледостава на водохра­ нилищах продолжительнее, толщина льда больше (в среднем на 10—15%), чем на реках. В результате зимней сработки уров­ ня воды и соответствующего уменьшения площади зеркала в осушной зоне водохранилищ осаждаются зимой большие массы льда, достигающие, например, на Камском водохранилище к концу зимы площади 900 км2 и объема 400 млн. м3.

Минерализация воды в водохранилищах увлажненных райо­ нов колеблется 'В течение года меньше, чем в реках, особенно при аккумуляции в водоемах больших объемов вод половодий. Соответственно меньше колебания минерализации воды и в ниж­ нем бьефе, т. е. водохранилище осуществляет регулирование не только 'Стока, но и химизма вод. Так, минерализация вод Волги в районе г. Рыбинска до создания Рыбинского водохранилища (1939—1940 пг.) изменялась в течение года от 80—90 до 320— 330, после заполнения водохранилища (1944—1945 гг.) — в пре­ делах 150—210 мг/'л. Наряду ,с этим в водохранилищах, в кото­ рые в связи с различиями в химизме вод на водосборах или со сбросом сточных вод поступают воды различного состава и мине­ рализации, колебания гидрохимических показателей внутри го­ да и по акватории значительны. Примерам может служить Кам­ ское водохранилище. В различных районах его минерализация вод колеблется в широких пределах: от незначительной в Чусов­ ском плесе до весьма высокой в отдельных участках Камского плеса, куда сбрасываются сточные воды промышленных предпри­ ятий. Также сильно колеблется и содержание отдельных ионов по районам этого водохранилища: гидрокарбонатов — в десятки

196

раз, хлоридов — в сотни раз и т. п. В верхнем плесе Ириклинского водохранилища на р. Урал’в связи с поступлением сточных вод минерализация сильно возросла по сравнению со средней для водохранилища.

Весьма резки колебания минерализации и ионного состава вод водохранилищ, расположенных в районах недостаточного ув­ лажнения. Например, в Кардовском водохранилище (Донбасс) в период с 1935 по 1955 г. минерализация колебалась ц пределах

4Q0—2800 мг/л.

В первые годы поеде заполнения водохранилищ в их вода-х сильно увеличивается по сравнению с реками количество органи­ ческих веществ, поступающих с затопленных почв, растительно­ сти, торфяников. В дальнейшем режим органических веществ -зависит от развития жизни в водоеме и его про-точности.

Содержание кислорода в водохранилищах летом больше, чем. в реках, в результате интенсивного^фото-синтеза и нередко достигает при прямой температурной стратификации в. верхних слоях 150—200% насыщения; ко дну количество -кислорода уменьшается. Зимой кислорода в водохранилищах меньше, чем в реках, а в придон-ных -слоях, особенно в первые годы -после за­ полнения водоемов, наблюдается его - дефицит' и в результате этого даже заморы, происходившие, например, в Шошинеком плесе Волжского водохранилища.

Формирование беретов водохранилищ происходит гораздо более интенсивно, чем в озерах, особенно в первые годы -после

меньшее значение имеют геологическое строение берегов, их пер­ воначальный рельеф (особенно крутизна и высота склонов), рас­ тительность, глубина залегания и режим подземных вод.

Под воздействием волн происходит разрушение берегов и отложение твердого материала в прибрежной зоне, в результа­ те которого образуются береговые отмели. Интенсивность пере­ работки берегов зависит от -высоты волн, которая в свою очередь обусловлена скоростью ветра и разгона, связанного -с уровнем воды, и рельефом дна.

При колебаниях уровней воды, достигающих в водохранили­ щах нескольких и даже десятков метров, увеличивается зона пе­ реработки берегов. При сработке размываются отмели, образо­ вавшиеся при более высоких уровнях. В результате подъема уровня переработкой захватываются более высокие участки бе­

рега.

Горные породы различного литологического состава размы­ ваются с неодинаковой интенсивностью.-На отмели откладыва­ ются в первую очередь более крупные частицы. Крутые склоны и выступающие в водоем массы размываются быстрее, чем^поло­ гие и выравненные берега. В результате совместного действия

197

всех этих факторов и условий интенсивность формирования бере­ гов и размеры зоны переработки в равных водохранилищах раз­ личны. Наиболее интенсивно идет переработка берегов в первые годы после заполнения водохранилищ. Так, в первый год эксплу­ атации Камского водохранилища отступание крутых берегов, сложенных рыхлыми четвертичными отложениями, достигало 20—30, лессовых берегов Каховского водохранилища —30— 45 м. В последующие годы интенсивность размыва берегов умень­ шается, так как крупные волны разбиваются на сформированной в первые годы отмели. На Рыбинском водохранилище размыв низких песчаных беретов -при НПУ и высоте волн 2 м.в первые 5 лет достигал 7—8, в последующие 5 лет —4—5 м/год. Однако затухание переработки берегов может сменяться интенсивной пепеработкой при изменении хода уровней (повышении отметки НПУ в целях более высокой выработки электроэнергии, -смене периодов водности). В ходе формирования беветов может наблю­ даться цикличность. Так, по данным В. М. Широкова, на одном из участков суглинистого склона берега Новосибирского водо­ хранилища объем обрушившегося грунта в многоводный период 1957/61 г. достигал 187, а в -средний по водности период ’962/64 г,—20 м3 на 1 погонный метр берега. Ширина зоны пере­ работки берегов на крупных водохранилищах значительна: на Днепровском 140—180 м за 13 лет, на Камском до 80 м за 14 лет, на П нмля'нском до 110—115 м за 5 лет и т. п.

В результате абразии берегов в районах крупных водохрани­ лищ уничтожаются значительные площади пригодных для ис­ пользования земель. Так, на Цимлянском водохранилище потеря земель за 12 лет достигла 3300, на Куйбышевском за 8 лег 3500 га. (по данным С. Л. Вендрова). На крупных водохранили­ щах лесной зоны, особенно в первые годы их существования, часто 'аблюдается всплывание затопленного торфа, образующе­ го плавучие острова, забивающего входы в бухты и т. п. Такие плавающие острова на Камском водохранилище имели длину до 200, ширину до 50—80, мощность торфа 2—3 м. Наибольший из них протягивался на 4 км при ш-ирине 800 м..

Заиление водохранилищ происходит в результате отложения

.в них речных наносов, твердых частиц, поступающих от размы­ ва берегов, органических остатков отмерших водных растений и животных. В первые годы существования крупных равнинных водохранилищ основную массу донных отложений (50—70%) да­ ет размыв берегов. Несколько меньше роль в них речных нано­ сов, остальные источники ничтожны. С течением времени доля береговых наносов уменьшается (для Куйбышевского, водохра­ нилища с 50—55 до 10—15%). В заилении горных водохранилищ наибольшую роль играет твердый -сток рек.

Заиление крупных равнинных водохранилищ идет медленно. Так, Рыбинское водохранилище за первые 25 лет эксплуатации было заилено -на 2% полезного объема. Темпы заиления сильно

198

замедляются при создании каскадов, где наносы осаждаются в верхнем водоеме.

Горные водохранилища, созданные на реках с большим твердым стоком, заиливаются весьма быстро. Так, (водохранили­ ще Лагуна на р. Колорадо (США) объемам 25 млн. ма заили­ лось за год, водохранилище Пернет на р. Мур (Австралия) объ­

ние и задерновывание, закрепление оврагов и др.) или путем предотвращения отложения наносов в самом водохранилище (от­ вод вод половодий и паводков из основного русла, создание допзлннтельных водохранилищ для аккумуляции наносов и др.).

Влияние водохранилищ на природные условия побережий и прилежащих территорий проявляется в изменениях метеорологи­ ческих характеристик (температуры и влажности воздуха, вет­ рев), затоплении и подтоплении земель, подпоре грунтовых вод. В результате изменений этих условий изменяются почвы, расти­ тельность и животный мир.

В теплую часть года температура воздуха на берегах водо­ хранилищ выше, чем в удаленных от него районах (,на Рыбин­ ском водохранилище в среднем на 1,5—2°С). В период нагрева вод (весной и в первую половину лета) водоемы оказывают на воздух выхолаживающее воздействие, понижая его температуру,

жается дольше, чем на севере, где прогревающее воздействие мелких водоемов начинается вскоре .после вскрытия, а круп­

безморозного периода (на разных участках побережья Рыбин­ ского водохранилища на 10—43 суток).

Абсолютная влажность воздуха в среднем возрастает на по­ бережьях водоемов на 10—15% летом и 3—5% весной и осенью, относительная — на 4—6% на северных и 6—12% на южных во­

доемах.

Скорость ветра над акваториями крупных водохранилищ (Рыбинского, Куйбышевского, Цимлянского, Камского) пример­ но в 3,1 раза выше, чем над сушей.

Влиянием водохранилищ на климат могут быть охвачены территории различных размеров, что зависит от величины водое­ ма, рельефа берегов и окружающей территории. На пологих бе­ регах Рыбинского водохранилища это влияние сказывается на расстоянии 10—15, а в отдельных случаях 30 км и более, на Кам­ ском—2—2,5 км. На водохранилищах с крутыми высокими бере-

199