Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник

.pdf
Скачиваний:
77
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
24.83 Mб
Скачать

данной 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

Рис. 144. Размыв берегов Цимлянского водохранилища. Сентябрь 1953 г.

(Фото С. Л. Вендрова.)

а — верхняя

зона, берег почти

не разрушается, б — средняя зона, берег разру­

шается при

высоком стоянии

уровня

воды, в — нижняя зона, берег интенсивно

 

разрушается при любом

заполнении водохранилища.

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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ