Уровенный и ветровой режимы водохранилищ

 

Амплитуда колебания подпорных уровней (глубина сработки) у водохранилищ, созданных низконапорными и средненапорными плотинами, всегда бывает меньше амплитуды колебания уровней в реке до постройки плотины. Например, среди Волжских водохранилищ самую большую глубину сработки имеет Самарское водохранилище, где эта величина равна 7.5 м, причем глубина навигационной сработки составляет всего 4.0 м. При естественном состоянии реки Волги в районе г. Самары амплитуда достигала 12 м.

У водохранилищ, созданных постройкой высоконапорных плотин, глубина сработки может быть очень большой. Так, у Красноярского водохранилища на реке Енисей она равна 18 м, а в естественном состоянии амплитуда колебания уровней была около 10 м. При этом годовой ход уровней у водохранилищ отличается плавностью и характер его из года в год меняется сравнительно мало.

У водохранилищ годичного регулирования стока имеются всего три фазы годового хода уровней:

1. Весенний подъем воды от уровня мертвого объема до нормального подпорного уровня, когда происходит наполнение водохранилища;

2. Фаза поддержания нормального подпорного уровня, во время которой излишний приток воды сбрасывается через плотину в нижний бьеф;

3. Медленный спад уровней, продолжающийся большую часть года, в период которого происходит расходование воды из водохранилища.

 

 

 

Рис. 3.4. Уровенный режим реки:

Н_б=f(t) – график колебания уровней при бытовом состоянии;

Н_з=f(t) – график изменения уровней при регулировании стока воды

В осенне-зимний период, особенно перед началом нового половодья, интенсивность спада уровней увеличивается, чтобы полностью освободить емкость водохранилища до уровня мертвого объема (см. рис. 3.4).

Водохранилища многолетнего регулирования перераспределяют сток не только внутри года, но и за многолетний период. Они наполняются в многоводные годы и опоражниваются лишь в конце группы маловодных лет. Годовой ход уровней у водохранилищ многолетнего регулирования стока имеет такую особенность, что нормальный подпорный уровень достигается только в многоводные годы, а в годы средней и малой водности подъем уровня воды сменяется непосредственно спадом (рис. 3.5).

 

Рис. 3.5. График колебания уровней воды при многолетнем регулировании стока

 

Таким образом, уровенный режим и гидравлические характеристики потока после постройки плотины и создания водохранилища существенно меняются по сравнению с бытовым состоянием реки.

Уровенный режим водохранилища влияет на:

- выбор типа причальных стенок и их высоту;

- отметки территории портов и береговых укреплений;

- типы и расположение навигационных знаков, водозаборов и водоспусков для снабжения населенных пунктов и промышленных предприятий;

- определение места и типа дамб обвалования для защиты сельскохозяйственных угодий и отдельных сооружений или лесных зон с высококачественными породами деревьев;

- расположение рыборазводных заводов, мест отдыха и спортивных сооружений.

Вследствие большой площади водного зеркала водохранилища ветер оказывает сильное влияние на состояние его свободной поверхности. Кинетическая энергия воздушного потока посредством силы трения на поверхности раздела двух сред передается массам воды. Часть переданной энергии расходуется на образование волн, а другая часть идет на образование дрейфового течения, т.е. прогрессивного движения поверхностных слоев воды в направлении действия ветра. В водоемах сравнительно ограниченных размеров перемещение водных масс дрейфовым течением приводит к перекосу свободной поверхности (рис. 3.6).

 

Рис. 3.6. Сгонно-нагонные явления в водохранилище:

1 – горизонтальная водная поверхность; 2 – дрейфовое течение; 3 – градиентное

течение; h_н – нагон у подветренного берега; h_ст – сгон у наветренного берега

 

У наветренного берега уровень воды понижается и возникает ветровой сгон, а у подветренного берега уровень воды повышается и возникает ветровой нагон. На Цимлянском (р. Дон) и Рыбинском (р. Волга) водохранилищах зарегистрированы разности уровней у подветренного и наветренного берега до 1.0 м и более. При длительном ветре перекос отметок воды становится стабильным. Массы воды, которые подводятся к подветренному берегу дрейфовым течением, отводятся в обратную сторону придонным градиентным течением.

Приближенно можно считать, что градиент давления при установившемся перекосе уравновешивается силами трения между воздушным потоком и свободной поверхностью воды. Напряжение трения на свободной поверхности можно записать в виде

                                       ,                                        (3.1)

 

где: k – коэффициент (при скоростях ветра выше 10 м/с принимается равным 0.24);

   r _a = 1.28 ´ 10^-2 кг/ м³ – плотность воздуха;

     n – скорость ветра, м/с.

 

Под напряжением трения   в формуле (3.1) понимается сумма касательного напряжения на поверхности воды и осредненной по площади разности давлений на наветренных и подветренных сторонах волн. Волны, таким образом, рассматриваются как элементы макрошероховатости. Тогда для уклона свободной поверхности воды получается соотношение

                                      ,                                       (3.2)

 

где: g = 9,81 – ускорение силы тяжести, м/с²;

     r – плотность воды;

     h – средняя глубина сечения, перпендикулярного направлению ветра.

 

С помощью уравнения (3.2) можно приблизительно рассчитать профиль перекошенной свободной поверхности в водоеме.

Высота нагона воды приближенно определяется формулой

                                 ,                                  (3.3)

 

где: k – эмпирический коэффициент;

   n _B – скорость ветра на высоте 10 м от поверхности воды, м/с;

  D_B – дальность разгона волны, км;

     h – средняя глубина водоема вдоль линии разгона, м;

    a – угол между направлением ветра и перпендикуляром (нормалью) к осредненной линии берега.

 

Высота ветрового нагона учитывается при назначении отметок гребней подпорных сооружений, а значение сгона – при назначении отметок дна прорезей и портовых акваторий.

Высота ветровых волн в общем случае зависит от: скорости ветра (n _В), длительности его действия (t _В), длины разгона волны (D_B) и глубины водоема (h), т.е. является функцией

                                .                                (3.4)

 

Под длиной разгона волны понимается расстояние от наветренного берега до места, где наблюдается уже развитая волна. При дальнейшем удалении от берега влияние разгона на высоту волн уменьшается и перестает сказываться. Аналогичная картина наблюдается с длительностью действия ветра. Если ветер дует с постоянной силой, то по прошествии некоторого времени рост волн прекращается и волнение становится квазистационарным. При этом его осредненные характеристики не изменяются во времени. Промежуток времени, необходимый для полного развития волнения, увеличивается с ростом длины разгона.

Глубина водоема оказывает влияние на высоту волн только в мелководных водоемах. В связи с этим различают волны глубокой и мелкой воды. К волнам глубокой воды, высота которых не зависит от рельефа дна, принято относить волны в тех частях водоемов, где глубины превышают половину длины волн, т.е. h >1/2 l _B. Если глубины меньше 1/2 l _B, то волны - мелководные, однако влияние рельефа становится практически заметным лишь при глубинах значительно меньших 1/2 l _B.

Волны глубокой и мелкой воды имеют разные скорости распространения:

на глубокой воде              ;                                              (3.5)

на мелкой воде                      .                                   (3.6)

 

В зоне действия ветра волны не бывают ни плоскими, ни строго периодическими. Мгновенная водная поверхность представляет собой сложную систему валов различной высоты и длины. При этом каждый вал имеет ограниченное простирание по фронту. Вся картина волнения носит случайный характер. Теоретические соображения, подтверждаемые данными наблюдений, показывают, что при квазистационарном волнении обеспеченность высоты ветровых волн выражается показательной функцией следующего вида

                             ,                             (3.7)

где: h _в – высота волн с искомой обеспеченностью;

   h _в0 – средняя высота волн;

    m – показатель степени, который при переходе от глубокой воды к мелкой воде возрастает с 2 до 4.

Из формулы (3.7) следует, что в области малых значений обеспеченности изменяемость высоты волн очень велика. Редко повторяющиеся высокие волны (примерно одна из тысячи волн) очень сильно выделяются среди остальных.

Волнение на водохранилищах принято оценивать по высоте волн с обеспеченностью 1%, т.е. по высоте самой высокой волны в группе из 100 волн. При этом на судоходных трассах больших водохранилищ Волжского каскада высота волн с обеспеченностью 1% при скорости ветра 10 м/с достигает значений 1.0-1.5 м, а при скорости ветра 20 м/с высота волны равна 2.5-3.0 м. Для сравнения приведем примеры, когда при скорости ветра 20 м/с высота волн с обеспеченностью 1% достигает значений на трассах Онежского озера до 5 м, а на трассах Ладожского озера – до 6 м.

При проектировании водохранилищ размеры волн должны устанавливаться расчетным путем. Результаты расчетов волнения используют при выборе типов судов транспортного и технического флота, навигационных знаков и конструкций причальных и берегоукрепительных сооружений. На их основе выбирают также места расположения портов - убежищ, где речные суда укрываются при сильных штормах.

Волнение повышает требования к остойчивости судна и к прочности его корпуса. В связи с этим суда, работающие на водохранилищах и озерах, делятся на три класса: речные «Р», озерные «О» и морские «М».

Суда класса «Р» рассчитаны на волну высотой 1.2 м, класса «О» – на волну высотой 2 м и класса «М» – на волну высотой 3 м. На всех больших водохранилищах работают суда класса «О». В открытых частях этих водохранилищ суммарная длительность штормов с высотой волны более 2 м может составлять десятки часов за навигацию. Следовательно, и суда класса «О» нуждаются в укрытиях и должны своевременно предупреждаться о возможном развитии сильного шторма. Плотовые составы укрываются в убежищах при высоте волн 1.0 м.

Русловой режим водохранилищ

 

Русловой режим водохранилищ характеризуется тремя основными явлениями: аккумуляцией речных наносов в чаше водохранилища, деформацией берегов и дна водохранилища и заносимостью наносами входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов происходит вследствие уменьшения скоростей течения при переходе от насыщенного наносами речного потока к водохранилищу с малыми скоростями течения. Так как по мере приближения к плотине скорости течения становятся равными нулю, практически весь сток наносов реки, который до постройки проходил вниз по течению, откладывается в чаше водохранилища. Таким образом, водохранилище постоянно заполняется наносами, особенно интенсивно весной, когда на реке наблюдается паводок.

У горной реки объем годового стока наносов может быть соизмерим с объемом самого водохранилища, и тогда аккумуляция наносов может угрожать самому существованию водоема. Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, т.к. объем годового стока наносов у них составляет малую долю объема водохранилища. По ориентировочному расчету, для занесения мертвого объема Рыбинского водохранилища (емкостью около 8 км³) потребуется свыше 600 лет.

Однако на водохранилищах равнинных рек аккумуляция наносов происходит неравномерно по длине. В большом количестве отложение наносов наблюдается в верхней по течению зоне водохранилища, которую принято называть зоной переменного подпора. На остальной части водохранилища слой отложения наносов является незначительным.

При больших весенних расходах воды в этой зоне подпора от плотины почти не ощущается, а по мере спада половодья она попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах этой зоны в период высоких уровней почти такое же, как и при естественном состоянии реки. Размыва отложений, однако, здесь не происходит, т.к. при более низких уровнях воды вследствие подпора транспортирующая способность резко уменьшается. В результате наносы на перекатах этой зоны из года в год накапливаются и гребни перекатов повышаются по сравнению с естественным режимом. Так, например, в верховой зоне Иваньковского водохранилища на р. Волге за последние годы эксплуатации произошло повышение гребней перекатов примерно на 1.5 м. На рис. 3.7 приведена схема распространения подпора воды в паводок и в межень на участке водохранилища.

 

 

Рис. 3.7. Отложение наносов на перекатах в зоне переменного подпора:

1, 2 – русловые границы участка выклинивания подпора в половодье;

3, 4 – то же, в межень

 

В этой зоне для обеспечения судоходных условий необходимо проводить дноуглубительные работы в больших объемах, чем на этих же перекатах в бытовом состоянии (до регулирования стока). Например, на Волжском направлении Самарского водохранилища объем дноуглубительных работ практически с нуля в первые годы появления подпора превысил 2 млн. м³ грунта через 14 лет. На Камском направлении этого водохранилища объем дноуглубительных работ достиг 2,5 млн. м³ грунта в год за этот же период времени.

На основе выполненных исследований на перекатах зоны переменного подпора Волжских водохранилищ Р.Д. Фролов установил взаимосвязь между объемами дноуглубительных работ и гарантированными глубинами судового хода в виде

                                     ,                                     (3.8)

(проверить)

где: W ₀ – исходный объем дноуглубительных работ, отвечающий первоначальной гарантированной глубине Т₀ до регулирования стока;

      T _з – измененная гарантированная глубина в условиях зарегулированного стока;

D T = T _з – T ₀ – приращение гарантированной глубины;

п – 1.6 ¸ 2.2 – эмпирический коэффициент.

 

Эта формула позволяет рассчитывать ожидаемые объемы дноуглубительных работ после создания водохранилища.

В первые голы эксплуатации водохранилищ происходит насыщение водой высоких коренных берегов, сцепление частиц грунта ослабляется и, под действием волнения, они начинают обрушаться. Разрушение берегов приводит к отступлению береговой линии и к формированию нового берегового профиля с пологим подводным откосом. Особенно сильные деформации происходят на участках, где берега сложены лессовыми грунтами. В первый год эксплуатации Каховского водохранилища р. Днепра на некоторых таких участках береговая линия отступила на 30-45 м, а по прошествии 4-х лет перемещение береговой линии достигло 90-100 м. Отступление береговой линии на несколько десятков метров нередко наблюдается и на участках, где берега сложены песчаным грунтом.

Переработка берегов идет особенно интенсивно в первые годы эксплуатации, а затем постепенно затухает. Период активной переработки берега занимает обычно от 5 до 10 лет, а для полной стабилизации берега требуется срок в 20-30 лет.

Характер переформирования сводится к следующему. Волны подмывают берег примерно на высоте нормального подпорного уровня воды (рис. 3.8).

 

 

Рис. 3.8. Переформирование берегового склона:

ace – профиль берега до затопления чаши водохранилища; abсde – после переработки волнением; В₁ – ширина пляжа; В₂ – отступление береговой линии

 

Надводный откос обрушивается, и большая часть грунта сползает вниз по береговому откосу в виде подводного пляжа. Процесс подмыва и обрушения берега прекращается тогда, когда ширина пляжа становится настолько большой, что разбитая волна, скатываясь по пляжу, теряет свою кинетическую энергию. Ширина подводного пляжа может быть определена по эмпирической формуле Максимчука, полученной по данным исследования на Днепровских водохранилищах в виде

                                     ,                                     (3.9)

где: h _в и l _в – параметры волны (высота и длина соответственно).

 

Иногда волны походят к берегу под некоторым острым углом. В этом случае происходит перекос фронта волны (рефракция), и образуется вдольбереговое течение водохранилища (рис. 3.9).

 

 

Рис. 3.9. Рефракция волн на береговой отмели:

1 – ось судового хода; 2 – подводный вал наносов

 

Скорости вдольберегового течения могут иметь порядок скоростей речного потока, т.е. достигать значения 1.0 м/с и более. Такие скорости достаточны для интенсивного перемещения донных частиц. Так как вода в волноприбойной зоне содержит очень много твердого материала во взвешенном состоянии, то вдольбереговое течение транспортирует большое количество наносов. Если на пути такого течения встречается устье залива, где дно резко понижается, поток теряет скорость и откладывает наносы. Поэтому после каждого сильного шторма в устье залива остается подводный вал наносов, иногда перекрывающий устье по всей его ширине. В тех заливах, где размещаются пристани и порты-убежища, эти наносы приходится удалять с помощью дноуглубительных снарядов. В заливах водохранилищ Волги и Днепра ежегодно извлекается более 1.0 млн. м³ грунта.