
книги из ГПНТБ / Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник
.pdfданной климатической зоны. Так, например, верхний участок Цим лянского водохранилища замерзает, по данным И. Балашовой, на 9 дней раньше, чем р. Дон до сооружения ГЭС, а нижний приплотинный участок замерзает на 4 дня позже.
На широких участках водохранилищ перед ледоставом в боль шом количестве образуется сало, внутриводный лед, шуга, льдины. Под влиянием ветра массы льда прибиваются к наветренному бе регу. В связи с этим у наветренного берега ледостав образуется раньше и характер его иной (поверхность торосистая, подо льдом скапливается шуга), чем у подветренного берега (поверхность льда ровная). В период ледостава бывают полыньи. Они возникают в су жениях водохранилищ в связи с увеличением скоростей течения и турбулентным перемешиванием водных масс, тепло которых, нако пленное в летний период, расходуется на подтаивание ледяного покрова снизу. Полыньи также часто приурочены к зоне водопри емников ГЭС, где скорости течения велики. На Куйбышевском водохранилище, например, влияние работы ГЭС прослеживается на расстоянии 4 км от плотины.
Толщина льда на водохранилищах неодинакова. Наибольшая толщина наблюдается у берегов и в зоне выклинивания подпора, где в период ледостава образуются нагромождения льда, приноси мого рекой. В среднем на одних водохранилищах, например Цим лянском, толщина льда больше, чем на реках, на 15—20%, на дру гих (Новосибирском) различий в толщине льда рек и водохранилищ не обнаружено.
Особенностью ледового режима водохранилищ, как, впрочем, и некоторых озер, является оседание льда на дно мелководий. Это происходит зимой по мере понижения уровня воды. Лед деформи руется, появляются трещины, местами вода выступает на поверх ность и образуется наслуз. Ледяные поля, опустившиеся на дно, в отдельных водохранилищах занимают площади в десятки и сотни квадратных километров.
Вскрытие водохранилищ и очищение ото льда происходит по-раз ному. В верхней части речных водохранилищ в разрушении льда большое участие принимают динамические факторы. По мере про движения к приплотинному участку роль динамических факторов ослабевает. Ледоход, характерный для рек, здесь не бывает, но на блюдается ветровой дрейф льда, отчасти под влиянием течений. На малых водохранилищах лед тает на месте. Очищение водо хранилищ ото льда происходит позже, чем рек данной климатиче ской зоны (Новосибирского на 10—15 суток). Характерное явление при вскрытии — формирование заторов льда в зоне выклинивания подпора и нагромождение льда у наветренных берегов и на от мелях порой мощностью до 6 м (Цимлянское водохранилище).
Ледовый режим в нижних бьефах водохранилищ в значительной степени зависит от количества сбрасываемой воды и ее темпера туры. Вблизи плотины вода не замерзает вовсе или замерзает на короткие сроки. Ледяной покров формируется на расстоянии иногда несколько десятков километров ниже плотины. Положение кромки
ледяного покрова меняется: при похолодании и уменьшении попу сков воды из водохранилища она приближается к плотине, при по теплении и увеличении попусков удаляется от нее. В отдельные пе риоды при прекращении работы ГЭС на ночь или в праздничные дни возможно замерзание полыньи. Утром следующего дня при пу ске станции лед взламывается и участок реки вновь очищается ото льда. Таким образом, в отдельных местах наблюдается суточная (недельная) периодичность замерзания и вскрытия. В период ледо става в нижних бьефах бывают зажоры.
§ 205. Особенности гидрохимического режима
По гидрохимическому и гидробиологическому режиму водохра нилища ближе к озерам, чем к рекам.
Затопление территории с плодородными почвами, торфяниками, древесной, кустарниковой и травянистой растительностью ведет к изменению гидрохимического и гидробиологического режима вод, поступающих в водохранилище. В первые годы существования во дохранилищ происходит некоторое увеличение минерализации за счет солей, вымываемых из почв затопленных территорий. Это уве личение более заметно в засушливых областях и в малых водохра нилищах. Меняется и химический состав. Увеличивается содержа ние соединений азота, фосфора, железа. Создаются условия для интенсивного развития растительных и животных организмов,
аследовательно, и обогащения водоема органическими веществами.
Врезультате меняется газовый режим, особенно в придонных слоях: уменьшается содержание кислорода (О2) и увеличивается содержание углекислого газа (СО2).
Впоследующие периоды существования водохранилищ форми рование гидрохимического режима происходит под влиянием кли матических воздействий и искусственного регулирования речного
стока. Большое влияние оказывает проточность водохранилищ. В Рыбинском водохранилище, например, минерализация воды вес ной почти одинакова с минерализацией воды притоков Мологи, Шексны и Волги. В другие сезоны она ниже, чем на притоках: ле том и осенью на 40%, зимой на 20%.
Характерным является изменение минерализации по акватории, что обусловливается поступлением различных водных масс с водо сбора и последующей их метаморфизацией в водоеме. Так, по дан ным С. А. Первишина, минерализация в верхней части Цимлянского водохранилища увеличивается от весны (297 мг/л) к осени (469 мг/л), что отражает колебания ее в р. Дон, питающей водохра нилище. В центральной части водохранилища весной минерализа ция больше, чем летом, когда она наименьшая в году. Такой режим минерализации в центральной части водоема является результатом вытеснения из верхних участков водохранилища более минерализо ванных вод водами половодья Дона и последующего смешения их водных масс. В приплотинном участке водохранилища в результате смешения аккумулированных ранее и вновь поступающих водных
масс минерализация меняется меньше. Зимой она увеличивается от плотины к верховьям.
Содержание растворенного кислорода в воде водохранилищ также меняется. Летом в озеровидных расширениях в процессе фотосинтеза воды обогащаются кислородом. В штилевую погоду у поверхности, как и в озерах, может наблюдаться перенасыщение кислородом, у дна возможен его дефицит. В зимнее время в ме стах, удаленных от русел впадающих рек, также отмечается дефи цит кислорода. Это особенно отчетливо было выражено в первый год наполнения Новосибирского водохранилища, когда (по дан ным М. В. Петренко) при небольшом слое затопления пойменных участков кислород был почти полностью поглощен в результате биохимических процессов, происходящих на дне. Весной и осенью при хорошем перемешивании поверхностные и придонные слои обычно насыщены кислородом.
§ 206. Волнения и течения
Ветровое волнение в водохранилищах достигает значительных размеров в глубоководных озеровидных расширениях. Зарегистри рованы волны высотой 3 м и более (Куйбышевское водохранилище). Отличительной особенностью в развитии волн на водохранилищах является влияние глубины и частые переходы от системы волн глу бокой воды ( Я ^ 0,5 L, где Я — глубина водоема, L — длина волны, см. § 53) к системе волн мелкой воды (Я <0,5 L) и наоборот. По добное явление хорошо заметно при переходе от нижней глубоковод ной зоны водохранилища к верхним мелководным. Волны при этом переходе становятся более крутыми. Второй отличительной чертой является влияние на развитие волн конфигурации водохранилища
иизрезанности береговой линии. В узких участках водохранилищ,
взаливах, обрамленных крутыми берегами, может наблюдаться
одновременно несколько систем волн: основных, дифракционных и отраженных от крутых берегов. При интерференции они создают более сложную систему волнения, чем в прилегающем озеровид ном расширении. Часто возникает толчея.
На одних и тех же участках водохранилища с изменением уровня, а следовательно, и с изменением глубин при одинаковых скорости и направлении ветра высоты волн меняются.
Характерным для водохранилищ является образование длин ных волн, возникающих при неравномерной работе ГЭС в течение суток и при резких колебаниях расходов воды во время попусков из водохранилищ. Эти волны охватывают всю толщу воды. От ГЭС волна распространяется вверх по водохранилищу и именуется об ратной. При отражении от берегов этой волны формируется прямая волна (по отношению к общему направлению уклона водной поверх ности в водохранилище). По наблюдениям на Куйбышевском (П. Ф. Чигиринский) и Рыбинском (А. С. Литвинов) водохрани лищах, длинные волны распространяются на большие расстояния, порядка 200—400 км. Скорость распространения их составляет
около 40 км/ч, высота волны достигает 20—60 см. Продвижение длинных волн вызывает постоянные изменения уровня воды, причем разные в отдельных пунктах водохранилища. Вследствие этого вод ная поверхность приобретает волнистый характер.
Течения наиболее изучены в крупных водохранилищах. Система течений в этих водоемах сложная. Отчетливо проявляются стоковые течения, ветровые и компенсационные. Скорости их обычно неве лики и измеряются сантиметрами в секунду. Стоковые течения яв ляются устойчивыми, особенно в период наполнения водохранилищ. В зоне выклинивания подпора и в верхнем участке водохранилища, главным образом в затопленных руслах основных рек, стоковые те чения хорошо прослеживаются.
В приплотинном участке стоковые течения возникают под влия нием сброса воды через турбины ГЭС и во время холостого сброса воды через водосливную плотину. В этом случае в водохранилище создаются условия, близкие тем, которые вызывают стоковые тече ния в озерах вблизи истока вытекающей из него реки. Течения эти в больших водохранилищах распространяются на несколько кило метров от плотины и имеют достаточно большие скорости. Так, в Куйбышевском водохранилище, по данным А. И. Елисеева, в 1,5 км от плотины скорость стокового течения достигала 1,1 м/с, в 20 км от нее, в бывшем русле Волги, она была равна 0,25—0,35 м/с.
Ветровые и компенсационные течения наиболее заметны в озе ровидных расширениях водохранилищ. Наблюдаются они часто, но по направлению и скорости неустойчивы, так же как и в озерах. В больших водохранилищах распространены вдольбереговые тече ния, которым принадлежит определенная роль в формировании бе регов.
Периодические изменения уклонов водной поверхности, обуслов ленные прохождением прямой и обратной волны, являются причи ной возникновения специфических течений в водохранилищах типа градиентных, еще слабо изученных.
Сочетание всех типов течений со стоковыми осложняет систему течений водохранилищ, видоизменяет их направление и скорость. При наличии каскада ГЭС во время прекращения работы верхней ГЭС и понижения уровня в нижнем бьефе водохранилища этой ГЭС возможно образование обратных уклонов водной поверхности на участке между двумя плотинами: верхней и нижней. Это может явиться причиной возникновения обратных стоковых течений в во дохранилище, расположенном на данном участке. Подобное течение впервые отмечено на волжском участке Рыбинского водохранилища в связи с прекращением работы Угличской ГЭС и описано в работе А. С. Литвинова.
§ 207. Формирование берегов водохранилища
Начальная форма берегов и береговой зоны вновь созданных во дохранилищ обычно не соответствует новым условиям воздействия на них водных масс. Это несоответствие приводит к интенсивным
деформациям в береговой зоне и созданию новых форм берегов, образованию береговой отмели, характерной для озер.
Берегами водохранилищ чаще становятся коренные склоны до лин и террас. В новых условиях эти берега испытывают все виды воздействия водной среды и прежде всего волнения и течений. Изменяются как надводные, так и подводные части склонов.
Волны, особенно штормовые, интенсивно размывают коренные склоны котловины в первую стадию формирования берега. В эту стадию (по А. В. Караушеву) преобладает нормальный к береговой линии перенос продуктов разрушения и формирования береговой отмели. Во вторую стадию, после образования береговой отмели, происходит выравнивание береговой линии, обычно вначале весьма расчлененной. Большую роль в формировании берега в этой стадии, помимо волнения, выполняют вдольбереговые течения. Обладая хо рошей транспортирующей способностью вследствие больших скоро стей и высокой турбулентности, эти течения перемещают продукты разрушения от зон размыва (обычно мысов) к зонам аккумуляции (заливы, бухты), где появляются бары и косы.
В зависимости от первоначальной высоты и крутизны склонов; котловин и литологического состава пород, слагающих берега водо хранилищ, переработка их происходит по-разному. Крутые склоны и большие прибрежные глубины определяют абразионный цикл раз вития берега. Берег отступает. При малых уклонах заливаемой суши (2—3°) берег формируется по аккумулятивному типу разви тия и береговая черта в результате этого выдвигается в сторону во дохранилища. У песчаных берегов небольшой крутизны образуются отмели, при большой крутизне — осыпи, а в тех случаях, когда пе сок сцементирован железистыми соединениями, возникают обрывы (Рыбинское водохранилище).
Берега, сложенные лёссовидными суглинками, разрушаются не
только вследствие волнения, |
но и в результате намокания |
грунта |
как ниже уреза, так и выше |
него при содействии грунтовых вод |
|
в зоне подпора со стороны |
водохранилища. Смачивание |
грунтов, |
особенно лёссовых и лёссовидных суглинков, приводит к изменению их физических свойств, уменьшению объема, а в конечном итоге к просадке грунта, образованию трещин, провалов. Все это способ ствует обрушению берега и его отступанию. Подобные явления, аналогичные процессам суффозии, наблюдаются на многих южных водохранилищах (Цимлянском, Каховском, Дубоссарском и др.). Просадочные явления проявляются также в известковых и гипсо носных породах и обусловливаются карстовыми явлениями, усили вающимися при подъеме уровня грунтовых вод вблизи водохра нилищ.
Под влиянием насыщения грунтовыми водами пористых пород интенсивное развитие получают оползневые явления, также спо собствующие разрушению берегов водохранилища (Куйбышев ское) .
Некоторую роль в формировании берегов водохранилищ играет засоренность их древесными остатками, кустарником, сплавинами
торфа. Плавник гасит волну при подходе ее к берегу, предохраняет его таким образом от размыва и способствует процессам аккумуля ции. Но иногда, во время шторма, плавающие бревна действуют на берег как таран и усиливают его обрушение.
Процессы формирования берегов в различных участках одного и того же водохранилища протекают с различной интенсивностью в зависимости от силы и повторяемости волнения. На мелководных участках (в зоне выклинивания подпора) береговые деформации мало заметны. В озеровидных расширениях с большими глубинами (приплотинный участок) они отчетливо выражены. Здесь сильнее
Рис. 145. Ступенчатый берег водохранилища. (Фото Ю. С. Иванова.)
проявляется эффект рефракции волн и преобладает абразионный цикл развития берега (рис. 144).
По данным С. Л. Вендрова, в нижней части Цимлянского водо хранилища в первые шесть лет его существования берег отступал в глубь материка в среднем по 9 м в год, в промежуточной зоне — около 2—3 м в год. Максимальная скорость размыва составила бо лее 50 м в год.
Специфической особенностью берегов водохранилищ является ступенчатость их поперечного профиля (рис. 145). Она создается в силу искусственного регулирования уровней в пределах большой амплитуды. Береговые отмели, формирующиеся при высоком стоя нии уровней, подвергаются размыву при его снижении (сработке). Материал разрушения при этом откладывается на более низком уровне склона. Это обстоятельство замедляет выработку устойчи вого профиля берега и расширяет зону размыва.
Заиление водохранилищ является результатом отложения нано сов, приносимых притоками и образующихся от разрушения бере гов; отложения остатков водной растительности и организмов, на селяющих водоем, имеют меньшее значение в процессе заиления, ■особенно в первые годы эксплуатации водохранилищ.
Очевидно, что процесс заиления больших водохранилищ равнин ных рек длителен и измеряется многими сотнями лет. Малые водо хранилища, построенные на горных реках, обладающих высоким твердым стоком, заиливаются быстро, в течение нескольких лет. Известны случаи, когда продолжительность заиления ограничива лась одним-—тремя годами. Примером быстрого заиления может служить Фархадское водохранилище на р. Сырдарье, которое было
полностью заилено за 13— |
15 лет. |
Емкость Ташкепринского водо |
хранилища (р. Мургаб) за |
44 года |
сократилась почти на 2/з. |
Значительные колебания уровня, переменный подпор, различная |
проточность и меняющийся скоростной режим создают специфиче ские особенности в перемещении и отложении наносов в водохра нилищах, отличные от озер и рек. Эти особенности могут иметь ин дивидуальный характер для отдельных водохранилищ, что ослож няет изучение формирования, движения и отложения наносов в них.
Детально изучено заиление водохранилищ на горных реках. В озерных и русловых водохранилищах движение и осаждение на носов происходит по-разному. В озерных водохранилищах, соору женных на горных реках, характерен резкий переход уровенной поверхности реки к горизонтальному подпертому зеркалу водохра нилища, вследстие чего в конце верхнего бьефа столь же резко про исходит уменьшение скорости течения. В русловых, вытянутых в плане, узких водохранилищах переход кривой подпора к естест венному уровню реки происходит постепенно и скорости течения меняются медленно. В водохранилищах озерного типа в зоне вы клинивания подпора происходит концентрированное осаждение наносов крупных фракций. Формируется конус выноса, приобретаю щий характер дельты, в пределах которой поток разбивается на ру кава. Мелкие наносы осаждаются на всем протяжении водохрани лища и частично выносятся в нижний бьеф.
В водохранилищах руслового типа отложения наносов распре деляются более или менее равномерно или приобретают вид гряды, постепенно передвигающейся из верхней части водохранилища к плотине. Отложение и перемещение наносов к плотине то усили вается, то ослабевает. В подобной цикличности явления значитель ная роль принадлежит уровенному режиму. При зимней сработке уровня перед половодьем место выклинивания кривой подпора при ближается к плотине, вследствие чего происходит размыв поверх ности отложений и перемещение ранее осевших наносов ближе к плотине. По мере заполнения водохранилища место выклинива ния подпора удаляется от плотины и в верхнем участке подпорного бьефа вновь создаются благоприятные условия для отложения на-
носов. Явление это нашло подтверждение при изучении режима мутности в Кайраккумском водохранилище.
С. И. Алтунин пришел к выводу, что процесс заиления водохра нилищ носит затухающий характер. Объясняется это следующим. По мере заиления водохранилища происходит повышение дна и уменьшение глубин в зоне кривой подпора, в связи с чем место вы клинивания кривой подпора перемещается вверх по течению. От метки подпертого уровня в зоне кривой подпора повышаются и при сохранении у плотины НПУ уклон водной поверхности увеличива ется, что в конечном итоге приводит к увеличению скоростей тече ния и способствует увеличению транзита наносов через плотину. Влекомые наносы, приносимые рекой, перемещаются по поверхно сти отложившихся взвешенных наносов. Гряда донных наносов, распространяясь вниз по течению, со временем надвигается на от ложения более мелких наносов, образуя из-за различий в режиме водохранилищ перемежающиеся слои отложений различной круп ности.
Распределение отложений по ширине водохранилища отли чается неравномерностью и зависит от ряда факторов: рельефа дна, размыва берега в тех или иных участках, направления и скорости ветровых течений и др. Все эти обстоятельства затрудняют опреде ление сроков заиления водохранилищ; ориентировочно продолжи тельность периода заиления (в годах) можно оценить отношением мертвого объема водохранилища V к объему годового стока нано сов W, поступающих в водохранилище,
Т=тг- |
(40) |
В нижний бьеф поступает осветленный поток. Его насыщенность наносами меньше транспортирующей способности. В этих условиях в нижнем бьефе, особенно вблизи турбин и водосливных частей пло тины, интенсивно размывается дно. Этот процесс носит затухающий характер.
Б О Л О Т А
Г Л А В А 47. ПРОИСХОЖДЕНИЕ БОЛОТ, ИХ МОРФОЛОГИЯ И ТИПЫ
Б олото* — природное образование, представляющее собой обильно увлажненный участок земной поверхности, имеющий слой торфа и характеризующийся развитием специфических форм расти тельности, приспособленных к условиям избытка влаги и недостатка кислорода, процессами торфообразования и торфонакопления. Раз витие болотных форм растительности происходит при застойном
ислабопроточном увлажнении верхних горизонтов почво-грунтов.
Кболотным образованиям относятся и заболоченные земли. Они отличаются от собственно болот лишь меньшей толщиной торфяной залежи и иным характером растительности, вследствие того что пи тание корневой системы основных видов растений на заболоченных
землях происходит при наличии водно-солевого обмена между ми неральным грунтом, подстилающим торф, и тонким слоем торфяной залежи.
Участок земной поверхности, занятый болотом в пределах од ного замкнутого контура, проведенного по границе залежи торфа, называют б о л о т н ы м м а с с и в о м . По периферии болотный массив часто переходит в заболоченные земли. Болотные массивы разделяются на простые, образовавшиеся из одного первичного очага заболачивания, и сложные, образующиеся в результате рас ширения и слияния простых болотных массивов в процессе их тор фонакопления.
§ 209. Происхождение болот |
|
|
|
Болота образуются как путем |
заболачивания |
водоемов |
(см. |
§ 198), так и путем заболачивания |
суши. Преобладающим |
явля |
|
ется последний процесс. |
|
|
|
Заболачивание суши — следствие определенного |
сочетания фи |
зико-географических условий, способствующих замедленному стоку вод при условии насыщения влагой поверхностных слоев почвогрунтов и частичной аккумуляции ее на земной поверхности. Вслед ствие этого в верхних слоях почво-грунтов создается постоянное или периодическое, но длительное переувлажнение, которое при