4.2. Верхний и нижний бьефы гидроузла

Верхний бьеф гидроузла расположен выше плотины и распространяется до границы зоны выклинивания создаваемого ею подпора. Граница верхнего бьефа определяется дальностью распространения динамического подпора от плотины вверх по реке при его наполнении до отметки НПУ. Таким образом, гидрологический режим реки во входном створе водохранилища на границе не должен испытывать последствия его работы. Как правило, в водохозяйственных расчетах в качестве границы верхнего бьефа принимается створ выклинивания подпора при НПУ в межень [16, 21]. Граница распространения динамического подпора от плотины зависит не только от степени наполнения водохранилища, но и от водности реки. Следовательно, фактическая граница верхнего бьефа может изменяться в разные фазы водного режима [1, 29].

Поступление воды в водохранилище определяется стоком основной реки и ее притоков. В связи с этим необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. Описание процессов, происходящих в водохранилище и, в частности, составление его водного баланса для различных интервалов времени, упрощается, если характеристики водного режима реки относятся к входному створу водохранилища на границе зоны выклинивания подпора от его плотины. Водный режим реки во входном створе описывается колебаниями уровня Z_В и расхода воды Q_В, связанных зависимостью Q_В (Z_В). При этом боковая приточность на участке от входного створа до плотины должна учитываться отдельно. Как правило, водохозяйственные расчеты на стадии проектирования гидроузла учитывают характеристики водного режима реки в створе будущей плотины водохранилища [5, 14, 16].

Связи расходов и уровней воды в верхнем бьефе гидроузла могут меняться вследствие вертикальных деформаций русла реки и ложа водохранилища. Верхнему бьефу характерно развитие волны регрессивной аккумуляции, нижнему – трансгрессивной эрозии. Оба процесса убывают по мере удаления от плотины [1, 32]. В зимнее время возможно возникновение зажоров и заторов, стесняющих русло, что может привести к подъему уровня воды и затоплениям прибрежной территории.

Нижний бьеф гидроузла расположен ниже плотины и распространяется до границы зоны влияния водохранилища на гидрологический режим реки. Для некоторых рек в маловодный период года такая зона влияния может достигать их устья [18]. Это затрудняет установление четкой границы нижнего бьефа в водохозяйственных расчетах. В качестве границы нижнего бьефа можно рассматривать речной створ полного смешения водных масс водохранилища и нижних притоков реки, за счет которых сток реки возрастает не менее чем в два раза по сравнению с расходом воды в реке непосредственно ниже гидроузла [29]. При наличии каскада водохранилищ нижний бьеф гидроузла, расположенного выше, может совмещаться или даже совпадать с верхним бьефом нижележащего гидроузла [1, 33].

Поступление воды в нижний бьеф производится обычно через турбины ГЭС, донные водосбросы, поверхностные водосливные отверстия, шлюзы, рыбопропускные сооружения и грязеспуски [4, 10, 21]. Кроме того, в нижний бьеф поступает часть потерь воды на фильтрацию через ложе водохранилища, тело плотины и гидротехнические сооружения.

Уровни воды в нижнем бьефе гидроузла Z_Н определяются по кривой связи Q_Н (Z_Н). При наличии достаточно близко расположенного нижележащего гидроузла с уровнем воды Z_НГ используется зависимость Q_Н (Z_Н, Z_НГ), которая учитывает возникающий подпор воды. Для всех расчетных интервалов времени используют осредненную зависимость между расходами и уровнями воды, и лишь в расчетах неустановившегося движения при суточном регулировании учитывают так называемую паводковую петлю в зависимости Q_Н (Z_Н) при резком повышении и понижении расходов воды. Для периода открытого русла кривые связи Q_Н (Z_Н) строят по данным гидрометрических наблюдений за уровнями и расходами воды. Для зимнего периода эти зависимости строятся с учетом подпора от кромки льда в полынье, которая образуется из-за поступления в нижний бьеф воды из водохранилища с температурой выше нуля и изменения скоростного режима потока по выходе его из водохранилища. Протяженность полыньи определяется удаленностью от сооружений сечения, где теплоприток и теплоотдача в атмосферу взаимно уравновешиваются и вода охлаждается до нуля. Длина полыньи изменяется в течение зимы и рассчитывается в зависимости от характера изменения температуры воздуха и суровости зимы. В начале и конце зимы длина полыньи больше, в середине – меньше. В суровые зимы полынья короче, чем в теплые. Чтобы определить подпор уровней нижнего бьефа за счет ледовых явлений, необходимо знать длину полыньи и степень уменьшения пропускной способности русла у кромки льда, оцениваемую зимним коэффициентом К_З, представляющим собой отношение зимнего расхода воды Q_З к летнему Q_Л при одном и том же уровне воды: К_З = Q_З /Q_Л. Коэффициенты К_З в общем случае должны задаваться для каждого интервала всех лет расчетного ряда. Например, среднее значение коэффициента К_З для гидроузлов Волжско-Камского каскада непосредственно в нижнем бьефе гидроузла составляет около 0,8 с учетом подпора от кромки льда. Рассматривается не только современное, но и перспективное (прогнозное) положение кривой Q_Н (Z_Н) после размывов русла реки в нижнем бьефе гидроузла [10, 16].

Большое значение при определении зависимости Q_Н (Z_Н) имеет прогноз русловых деформаций в нижнем бьефе гидроузла. Деформации могут вызываться различными причинами и по-разному влиять на уровни воды. Стеснение русла не полностью разобранной строительной перемычкой может привести к подъему уровней воды, добыча из русла строительных материалов – к их понижению. В речных руслах, сложенных нескальными породами, имеют место размывы русла осветленной в водохранилище водой, в результате чего происходит понижение естественных кривых Q_Н (Z_Н), особенно существенное в зоне небольших расходов воды. Это должно учитываться в расчетах неустановившегося движения воды, а также при определении расходов и уровней воды, необходимых для функционирования водозаборов в нижнем бьефе гидроузла [1, 16].