Сезонные деформации перекатов

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 41Следующая ⇒

Сезонные деформации, обусловленные внутригодовыми изменениями водности и стока наносов, проявляются в: 1) накоплении наносов в одну фазу водного режима и размыве гребней в другую; 2) внутригодовых (весна‒лето‒осень) смещениях корыта перекатов от верхнего побочня к нижнему, а иногда и его возвращении в исходное положение (к верхнему побочню) во время осеннего паводка; 3) надвижении побочней на узлы разветвлений 2-го и 3-го порядков, приводящие к перераспределению в них расходов воды; 4) отторжении побочней и периодическое развитие в разные фазы режима левой и правой проток у осередков на сложных перекатах и т.д.; 5) изменении отметок дна из-за трансформации и смещения мезо- и микроформ руслового рельефа; 6) формировании в ухвостье верхнего побочня или осередка кос, что вызывают обмеление седловины переката, смещение корыта в нижнее положение, последующее отторжение и причленение к нижнему побочню. При этом сезонные переформирования перекатов в системе «верхний побочень‒седловина‒нижний побочень», накладываясь на многолетний режим перекатов, сами определяются изменениями водности реки в течение года, от одного сезона к другому.

Переформирования перекатов в системе «верхний побочень‒седловина‒нижний побочень» повторяют схему многолетних переформирований, но проявляющуюся в течении одной навигации. В межень побочни обсыхают, и поток, сосредотачиваясь на седловине переката, формирует корыто – более глубокую ложбину, по которой в маловодный период на судоходных реках проходит фарватер. Во время половодья побочни затоплены, ширина водной поверхности возрастает в 1,5-2 раза, а стрежень потока часто располагается над побочнями. В результате верхний побочень смещается вниз по течению, на месте верхней части нижней плесовой лощины образуется затонина, корыто переката вследствие этого оттесняется к нижнему побочню (рис. 2.75,А).

Рис. 2.75. Сезонные переформирования

Ниж. Дресвянского переката верхней Оби

Одновременно в подвалье переката возникает подзастружное течение, направленное от ухвостья верхнего побочня к нижнему, способствующее обмелению корыта переката по мере его смещения к нижнему побочню. В итоге при снижении уровней на спаде половодья усиливается подпорное воздействие переката на поток в верхней плесовой лощине. Между ней и верхней частью нижней плесовой лощины и затонской частью переката возникает поперечный уклон, наибольшие значения которого наблюдаются вдоль ухвостья верхнего побочня.

Во время осенних паводков стрежень потока смещается в направлении наибольшего поперечного уклона водной поверхности, происходит размыв гребня переката, и здесь, возле верхнего побочня вновь располагается корыто переката. Это сопровождается отторжением ухвостья побочня, образованием осередка на седловине переката, полной или частичной ликвидацией затонины.

Наиболее характерной особенностью сезонного режима перекатов является аккумуляция наносов (обмеление, намыв) и размыв их гребней в разные фазы водного режима (рис. 2.76).

Рис. 2.76. Расчленение единой гряды переката, сформировавшемся в половодье (а), на спаде уровней (б) и в межень (в) на побочни
и седловину [Проектирование судовых ходов…, 1964]

В общей форме в половодье при руслоформирующих расходах воды происходит образование самих перекатов, представляющих собой либо формы движения наносов при большом их стоке W, либо результат снижения транспортирующей способности потока W_тр и местной аккумуляции наносов.

На спаде половодья (паводка) в межень поток сосредотачивается в сравнительно узкой части русла между побочнями, осуществляя размыв гребня, в котором формируется седловина, а затем и корыто переката. Однако снижение водности при переходе к межени не обеспечивают вынос всего накопившегося на перекате материала, и он сохраняется в виде мелководной перемычки между побочнями, разделяющей плесовые лощины. В среднее по высоте половодье амплитуды отметок дна на перекатах больших рек составляет 1,5-2,0 м, в высокие половодья достигает 3-4 м.

Интенсивность аккумуляции наносов на перекате во время половодья тем больше, чем больше сток наносов. В предельном случае повышение отметок дна Δz следует за подъемом уровней ΔH, т.е. Δz =ΔH . На большинстве рек повышение отметок дна отстает от повышения уровней (Δz<ΔH), хотя это и приводит на перекатах к выравниванию поверхности дна в системе побочень‒седловина‒побочень, и отметки на седловине переката становятся близки к отметкам поверхности побочней. Однако полного выравнивания отметок не происходит, и побочни почти всегда оказываются более высокими, чем седловина.

Это объясняется тем, что: 1) стрежень потока располагается в половодье ближе к одному из берегов и здесь больше удельный расход наносов, которые при спаде уровней формируют более высокий побочень (это проявляется в повышенной крупности отложений на побочне); 2) вдоль берегов из-за взаимодействия пойменного и руслового потоков и сопротивлений со стороны берегового откоса происходит его торможение, и в половодье накапливается больше наносов, чем в стрежневой зоне (в этом случае побочни характеризуются пониженной крупностью отложений по сравнению со стрежневой зоной потока); 3) при наличии даже слабой извилистости русла побочни, располагаясь у выпуклых берегов в нижних крыльях излучин, оказываются в зонах замедления скоростей и привноса наносов циркуляционными течениями.

При условии Δz =ΔH прирост глубины на гребне переката Δh с ростом высоты уровня воды Н не происходит; при повышении уровня воды Δz >ΔH кривая связи Δz =ΔH h~H имеет на графиках угол с осью абсцисс (рис. 2.77).

Таким образом, глубина h на перекате растет, но меньше по сравнению с уровнем воды из-за происходящей на нем аккумуляции наносов: при подъеме уровней воды происходит затопление побочней, вследствие чего на перекате увеличивается площадь живого сечения, уклоны водной поверхности уменьшаются, а скорости течения V, соответственно, оказываются меньше, чем в пределах вышележащей плесовой лощине; в результате на перекате аккумулируются наносы.

Рис. 2.77. Зависимость глубины потока на корыте переката по судовому ходу от высоты стояния уровней воды. 1 – обобщенная кривая за многолетний период; 2-6 – фактические кривые за 5 лет; h_гар – минимальная гарантированная глубина на перекате; Н₁, Н₂ – уровни воды; h₁, h₂– глубины, соответствующие уровням воды Н₁ и Н₂[Седых и др., 1978].

На спаде половодья (паводка) и в межень ситуация на перекате меняется. При этом начинает сказываться подпорное воздействие переката на верхнюю плесовую лощину. Уклоны на гребне переката становятся больше, скорости течения растут, гребень переката размывается, формируется корыто переката. При этом зона размыва по мере спада уровней сокращается не только по ширине из-за снижения водности потока, но и по длине, сосредотачиваясь в узкой пригребневой части гряды (рис. 2.78).

При низких уровнях в результате изгиба динамической оси потока возле побочня наносы в придонных слоях направляются в верхней части седловины переката в сторону верхнего побочня, в нижней – к нижнему побочню, что обусловливает разнонаправленную реакцию корыта переката на верховом склоне и на гребне переката: в первом случае – обмеление в верхнем положении, во втором – в нижнем.

Поперечные перемещения наносов на перекате происходят на фоне общего переноса материала с верхового склона гряды (или даже из верхней плесовой лощины) в подвалье, благодаря чему перекат в целом смещается вниз по течению.

Рис. 2.78. Изменение продольного профиля водной поверхности на песчаном перекате (I-I – половодье; II-II – спад половодья; III-III – межень, м; ΔH ‒ перепад уровней соответственно в половодье и в межень; l_п, l_м – длина зоны спада уровней в половодье и межень.
Условные обозначения см. на рис. 2.79

При высоких уровнях доминирующее значение имеет продольный поток наносов. Перемещение наносов тесно связано с гидравлическим режимом потока на перекате, который аналогичен режиму на затопленном водосливе с широким порогом. Чем ниже уровень воды, тем больше добавочное падение на перекате (ΔH_м>ΔH_п). Непосредственно выше линии свала воды через гребень переката на расстоянии l устанавливается зона спада, что проявляется в местной посадке уровня на гребне. С повышением горизонтов воды удлиняется зона спада (l_п >l_м).

В половодье, когда динамическая ось потока спрямляется, пересекая под углом корыто переката, последнее заполняется наносами и отметка гребня повышается. Со снижением уровня и увеличением уклона стесненный побочнями поток начинает размывать корыто переката, отметка гребня понижается. При этом размыв начинается у верхней границы зоны спада. При дальнейшем понижении уровней начало зоны спада перемещается ближе к гребню переката, куда соответственно перемещается и фокус размыва. Это обусловливает формирование корыта переката, положение и глубина которого связаны как с гидравлическим режимом на спаде половодья и в межень, так и с поперечным перемещением наносов циркуляционными течениями на изгибе потока и подзастружным течением в подвалье.

В начале спада уровней интенсивность размыва превышает интенсивность предшествовавшего намыва; однако интенсивность размыва быстро ослабевает, и в течение всего последующего спада уровня она остается меньшей, чем интенсивность намыва на подъеме уровня. Вследствие этого при одном и том же уровне на спаде наблюдаются повышенные отметки гребня относительно таковых на подъеме, т.е. глубины на перекате, приведенные к срезочному уровню, будут при прочих равных условиях на спаде паводка меньше, чем его подъеме.

На интенсивность намыва/размыва переката существенное влияние оказывает скорость изменения уровней воды ΔH/Δt на спаде половодья и при прохождении паводков: размыв переката в годы с более медленным спадом уровней половодья меньше, чем в годы с резким падением уровней; наоборот, наносов на перекате накапливается больше при медленном изменении уровней и меньше – при быстром [Михайлова, 2004].

Таким образом, с уменьшением в половодье продольных уклонов на перекатах происходит отложение наносов. При спаде воды отложения размываются и, как правило, в межень отметка перекатов снижается [Маккавеев, 1949; Шамов, 1959; Проектирование судовых ходов…, 1964]. Эта формулировка из-за типичности явления и сравнительно простого объяснения превратилась в общепризнанную схему сезонного развития перекатов, войдя в учебную литературу как единственно возможная. В действительности же во внутригодовом цикле наибольшая аккумуляция наносов (намыв) на большинстве перекатов независимо от их местоположения и многолетней динамики происходит уже во время спада половодья или паводков. На подъеме уровней и на пике половодья (паводка) рост мощности потока, его скоростей и транспортирующей способности обусловливает массовое вовлечение наносов в движение и смещение побочней.

С понижением уровней (и водности) половодья снижается W_тр, что обусловливает переход взвешенных наносов во влекомые, их остановку, образование гряды переката и накопление (аккумуляцию) на ней наносов. В межень, а иногда и при дождевых паводках корыта перекатов размываются и углубляются, так как поток, сосредотачиваясь на них имеет здесь повышенные уклоны. Иными словами, модель режима «перекаты намываются в половодье, размываются в межень» справедлива лишь в обобщенном виде, осредняя изменения за большие промежутки времени, соответствующие основным фазам водного режима (половодье в целом, межень в целом).

В реальных условиях сезонные переформирования перекатов намного разнообразнее, чем в приведенной схеме. Так, еще Г.И. Шамов [1959] по режиму аккумуляции наносов и размыва предложил выделить две группы перекатов: 1) с намывом гребня в половодье и в начале его спада, и его последующим размывом, который может наблюдаться в конце спада уровней; 2) размывающиеся в течение половодья (паводка) и намываемые в конце его спада; в дальнейшем они или размываются или на них только понижаются отметки дна.

Неоднозначность сезонного режима перекатов отмечал Н.И. Маккавеев [1940]. Позднее он разделил их по сезонному изменению глубин на три группы: 1) со стабильными и мало изменяющимися отметками; в частности, если в меженный период поток на седловине переката распластывается, то размыв корыта переката не происходит или он очень незначительный; 2) размываемые в половодье (паводки) и намываемые («наращиваемые») в межень; 3) намываемые («наращиваемые») в половодье и размываемые в межень.

Рис. 2.79. Изменение продольного профиля водной поверхности на галечно-валунном перекате. 1 – валец в подвалье гряды; 2, 3 – слой размыва гребня песчаного переката на спаде половодья и в межень соответственно; 4, 5 – слой аккумуляции наносов в подвалье на
спаде в половодье и в межень; 6 – галечно-валунные отложения

На реках с галечными и галечно-валунными наносами вследствие формирования отмостки при спаде уровней перекаты превращаются в практически жесткие водосливы, на которых понижение уровней воды сопровождается дополнительной их посадкой и снижением глубин (рис. 2.79). Стрежень потока избирает при этом на перекатах наиболее короткий путь в направлении нижней плесовой лощины, часто по нормали к оси русла, и здесь устанавливается максимальный продольный уклон, местные уклоны водной поверхности достигают 2,0‰ и более против 0,1‰ в плесовых лощинах. Несмотря на местное увеличение скоростей, гребень переката не размывается, так как фактические скорости оказываются меньше неразмывающих V_ф< V_н для галечно-валунных наносов, слагающих отмостку.

Поэтому размыв отложений, слагающих перекат не происходит, а возникающий эффект водослива приводит к уменьшению глубин, что особенно ярко проявляется при снижении уровней ниже проектных.

При подъеме уровней, когда V_ф>V_р (здесь V_p – размывающая скорость), отмостка разрушается, гребень переката размывается, начинается интенсивное перемещение наносов. На пике половодья (паводка) ширина активного перемещения наносов максимальна, в предельном случае охватывает весь перекат вместе с побочнями.

Режим сезонных деформаций перекатов (обмеление в половодье–размыв на спаде уровней – частичное обмеление в межень и при летне-осенних паводках) характерен для верхних перекатов в каждой паре смежных в пределах перекатных участков. Впервые на это обратил внимание Н.И. Маккавеев [1949], отметивший наращивание в межень гребней нижних в цепочках смежных перекатов. Аккумуляция наносов во время руслоформирующих расходов воды на верхнем перекате создает дефицит наносов на нижележащем, где в этот период W<W_тр.

Поэтому смежный нижележащий перекат размывается вплоть до полного исчезновения мелководной перемычки между побочнями. Однако по мере размыва верхнего переката соотношение между W и W_тр меняется на противоположное из-за поступления сюда продуктов размыва и вследствие искривления потока по мере снижения его водности и образования на перегибе между побочнями зоны замедления течения. В итоге здесь аккумулируются наносы, поступающие с вышележащего переката, которые вновь формируют перекат, представляющий уже гряду меньшего размера между побочнями (рис. 2.80). Ниже по течению на следующих перекатных участках схема повторяется.

Рис. 2.80. Расположение зон размыва и аккумуляции наносов на смежных перекатах на спаде половодья в межень. Подвалья перекатов: 1 – на обсохших побочнях; 2 – в подводной части меженного русла. Зоны трансформации гребней перекатов: 3 – размыва;
4 – аккумуляции наносов; 5 – побочни

Обмеление перекатов в межень иногда наблюдается на реках с разветвленным руслом, если происходит перераспределение стока воды между рукавами от половодья к межени, особенно при выполнении рукавом наносоотсасывающих функций.

Перекаты, находящиеся на заходе в рукав, водность которого по мере понижения уровней уменьшается, мелеют; в половодье же, когда в этот рукав направляется все большая часть расхода воды, перекат размывается. Во втором рукаве наблюдается протитвоположная картина, которая усиливает проявления «нормального» хода вертикальных деформаций переката; обмеление в половодье, размыв в межень.

Н.И. Маккавеев [Проектирование судовых ходов…, 1964] отмечал размыв перекатов в половодье и аккумуляцию на них наносов в межень на реках с зарегулированным стоком, естественным – у рек, вытекающих из озер (Нева), или искусственным – в нижних бьефах водохранилищ. Размыв перекатов в половодье и рост отметок гребней с падением уровней характерен для приплотинных участков гидроузлов, где он объясняется дефицитом наносов из-за их задержки водохранилищем.

Размыв перекатов в половодье и аккумуляция на них наносов в межень характерен для рек криолитозоны [Тананаев, 2007]. Вследствие промерзания побочней и отмелых частей русла, где лед ложится зимой на дно, во время половодья поток оказывается недонасыщенным наносами, и поток, у которого W_тр>>W, размывает только те части русла, где мерзлота отсутствует: плесовые лощины и корыта перекатов, располагающиеся между промерзшими отмелями. Возникновению условия W_тр>>W способствует также малое поступление в это время наносов в реку с водосборов, в пределах которых сток воды осуществляется по еще неоттаявшим грунтам. В межень и особенно при прохождении летне-осенних паводков, когда в русле и на водосборе деятельный слой достигает наибольшей толщины, поток насыщается наносами и аккумулирует их на перекатах.

Этому способствует большая кривизна извилин динамической оси потока, которые в значительной мере формируются в зимнюю межень подо льдом и отличаются большой кривизной. На спаде половодья и в летнюю межень радиусы кривизны стрежня потока больше, чем у подледного потока зимой. Вследствие этого меженный поток спрямляет существующую углубленную ложбину, она оказывается вне основного течения, и в ней на корыте переката происходит аккумуляция наносов. Подобные явления характерны для средней и нижней Лены, Яны, Индигирки, Колымы – рек с широкопойменным, в значительной степени промерзающим песчаным руслом.

Существенную роль в сезонной динамике перекатов играет формирование и движение грядовых форм руслового рельефа. К.В. Гришанин [1974] придавал большое значение крупным грядам длиной порядка ширины русла. Их образование и перемещение по перекату обусловливают резкие колебания отметок гребней перекатов, которые происходят независимо от хода уровня. Такие несоответствия в характере связи хода уровней и отметок дна на перекатах в разные фазы гидрологического режима связаны с особенностями движения гряд.

При высоких уровнях воды на перекатах формируются крупные гряды, длина и высота которых составляет соответственно 300-800 м и 1,0-1,6 м. Скорости смещения этих гряд незначительны и на отметках дна и глубинах сказываются только в многолетнем плане. При низких уровнях в межень на дне формируются микроформы руслового рельефа длиной 15-25 м и высотой 0,3-0,7 м, скорость смещения которых составляет в среднем 0,5 м/час. За сутки каждая гряда смещается на свою длину, вызывая в каждой точке соответствующие изменения глубин.

Такие гряды, перемещающиеся по верховому склону переката в направлении от верхней плесовой лощины к гребню, вызывают колебания отметок дна в пределах до 0,70 м, которые оказываются соответственно выше и ниже на 0,15-0,35 м относительно средней линии (рис. 2.81). Повышение по отношению к ней отметок дна создают эффект обмеления переката в межень [Турыкин, 1993]. В других случаях с падением уровня и увеличением скоростей течения в межень на гребне переката гряды разрушаются, и отметки дна понижаются на величину, равную высоте гряд. При понижении уровня воды и уменьшении скоростей течения формируются гряды-микроформы, вызывая соответствующее повышение (на 0,2-0,4 м) осредненных отметок дна. Таким образом, в половодье разрушение гряд на перекате вызывает эффект его размыва; в межень их формирование аналогично по своей результативности аккумуляции наносов.

Естественно, что возможны случаи наложения процессов размыва/аккумуляции наносов на формирование или разрушение гряд, усиливая, ослабляя или нейтрализуя друг друга. Это явление – повышение средних отметок гребня переката в межень из-за формирования грядовых микроформ – отметил также А.Н. Бутаков [1999].

Знание закономерностей сезонных переформирований перекатов лежит в основе методов трассирования эксплуатационных прорезей и планирования сроков проведения землечерпательных работ на реках.

Рис. 2.81. Колебание отметок дна на верховом склоне переката из-за смещения гряд-микроформ (А) и амплитуда отметок дна на перекате в пределах отдельной гряды‒микроформы (Б). Отметки дна:
z_ср ‒ средние; z_макс ‒ наибольшие; z_мин ‒ наименьшая; Δz ‒ их амплитуда; Δz_ср ‒ величина превышения наибольшей над средней; Δl ‒ величина смещения гряды за время t. 1 – осредненный профиль переката; 2 – исходное положение гряд на перекате; 3 – положение гряд
через интервал времени Δt

Правильно составленный их прогноз позволяет в определенных случаях (перекат к межени размывается) отказаться от их выполнения и ограничиться своевременным перемещением береговых и плавучих знаков судоходной обстановки, сосредоточив внимание на перекатах, мелеющих в лимитирующий (маловодный) период. Вместе с тем обмеление перекатов в половодье еще не означает необходимость его углубления, так как уровни воды растут быстрее повышения отметок дна. Таким образом, оптимизация путевых работ связана, в первую очередь, с прогнозом сезонных деформаций перекатов.

Глава III. РУСЛОВОЙ РЕЖИМ
СУДОХОДНЫХ РЕК В УСЛОВИЯХ
АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Настоящее исследование имеет преимущественно отраслевую направленность в интересах внутреннего водного транспорта. В этой связи, возможный круг потенциальных водопользователей ограничим далее основными видами деятельности, оказывающими прямое влияние на русловой режим судоходных рек и состояние судоходных условий.

Наиболее значительное и, как правило, необратимое воздействие на русловой режим судоходных рек оказывает строительство гидротехнических сооружений – плотин, возводимых на реках с целью регулирования речного стока, и добыча речного аллювия – нерудных строительных материалов (НСМ) из русловых карьеров.

В результате перекрытия стока реки плотиной на участке водохранилища полностью прерывается транзит влекомых наносов. Влияние плотины сказывается на характеристиках руслового режима реки в границах от верхового участка водохранилища до самого устья реки. По длине зарегулированного участка реки – в зоне выклинивания подпора от водохранилища, в прибрежных зонах водохранилища и в нижнем бьефе плотины – русловые процессы изменяются по сравнению с бытовым состоянием русла реки. На каждом из этих участков изменения проявляются различным образом, и по-разному сказываются на состоянии судоходных условий.

В случае массовых карьерных разработок, равно, как и при строительстве глухих плотин в составе подпорных гидроузлов, происходит перехват твердого стока реки. Однако, в отличие от первого случая, эти процессы в многолетнем разрезе представляют собой лишь задержку во времени части твердого стока в зоне влияния карьеров. После заполнения руслового карьера наносами, которое в реальных условиях может занимать десятки лет, транзит влекомых наносов в реке на участке карьерных разработок возобновляется. При этом, однако, исходные характеристики речного потока и русла реки не могут быть восстановлены в прежних значениях.

Степень воздействия карьерных разработок на русловой режим реки зависит от гидрологических и морфометрических характеристик потока и русла реки, размеров выемки (руслового карьера) и интенсивности ее разработки, а также от параметров естественного твердого стока. Необратимые изменения гидрологического и руслового режимов судоходных рек в зоне влияния карьерных разработок на реках затрагивают интересы всех остальных водопользователей и населения, проживающего в речных бассейнах [Беркович, 2005].

На ряде судоходных рек изменения руслового режима, проявившиеся вследствие интенсивной добычи нерудных строительных материалов в прежние годы, приобрели к настоящему времени необратимый характер [Гладков и др., 2005]. Добыча руслового аллювия на судоходных реках, как правило, приводит к ухудшению судоходных условий в зоне влияния карьерных разработок.

3.1. Русловой режим и судоходство
на реках с зарегулированным стоком

3.1.1. Изменение русловых процессов
под влиянием гидротехнического строительства

Одним из наиболее эффективных способов управления водными ресурсами для нужд человечества является строительство подпорных гидротехнических сооружений – плотин. При этом создаются водохранилища, которые накапливают и перераспределяют сток во времени. В настоящее время в мире эксплуатируется около 45000 плотин высотой более 15 метров, около 70% из которых были построены за последние 50 лет.

Основная задача плотин и водохранилищ – водоснабжение и водо-обеспечение. Другие задачи, решаемые плотинами, включают ирригацию, защиту от наводнений, производство электроэнергии, судоходство по внутренним водным путям, рекреацию. Многие гидроузлы являются многоцелевыми.

Создание водохранилища, практически мгновенно в масштабе жизни реки меняет ее гидрологический режим. Это является «потрясением» для всей речной системы. Ниже плотины река вынуждена создать условия для пропуска стока воды и наносов применительно к изменившемуся режиму. Очевидно, что это приспособление осуществляется путем изменения внутренней структуры системы поток-русло-пойма. При этом время, требуемое для приспособления, различно для разных рек.

Для нижних бьефов плотин характерны быстрые переформирования русла, которые в природных условиях практически невозможно наблюдать. Они могут рассматриваться как природная лаборатория, в которой в реальных условиях реализуется эксперимент по пространственно-временному преобразованию дна речных долин в условиях одновременного изменения режима стока воды и наносов.

Основными факторами, определяющими трансформацию русел рек в результате влияния водохранилищ, являются: создание нового базиса эрозии для вышележащего участка реки и изменение режима стока воды и наносов на нижерасположенном участке реки.

Создание водохранилища (плотины) приводит к образованию участка в его верховой области с неравномерным движением потока в результате возникновения подпора выше створа плотины. Движение воды на этом участке имеет сложный характер, что связано с двумя обстоятельствами: сезонным изменением расходов воды и уровней реки, впадающей в водохранилище, и изменяющимся уровнем самого водоема.

Характерные уровни водохранилища показаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема водохранилища, где: НБ – нижний бьеф, ВБ – верхний бьеф, H_б – напор на плотине (статический подпор), а-б – длина зоны подпора; НПУ – нормальный подпорный уровень, УМО – уро-
вень мертвого объема

Уровень верхнего бьефа плотины меняется в соответствии с использованием запаса воды, которое регламентируется запросами потребителей и правилами регулирования стока. В отличие от естественных водоемов (озер) колебания уровня вод в водохранилище обычно асинхронны колебаниям уровня воды в реке (рис. 3.2).

Во время весеннего паводка происходит заполнение водохранилища до нормального подпорного уровня, а в период зимнего маловодья водохранилище срабатывается. В течение лета и осени уровень водохранилища остается практически постоянным, тогда как расходы воды в реке быстро уменьшаются. Все это создает сложную картину распределения уклонов водной поверхности, скоростей течения и режима транспорта наносов.

В результате возникновения подпора уровней воды в реке на верховом участке водохранилища появляется участок, в пределах которого поток движется неравномерно, замедляясь вниз по течению. Соответственно, изменяются гидравлические характеристики потока и снижается его транспортирующая способность. Положение границы зоны выклинивания подпора на этом участке изменяется в зависимости от возможного сочетания уровней воды в водохранилище и в самой реке.

Русловые процессы на верховом участке водохранилища приобретают определенную специфику. В этой зоне, которую в речной гидротехнике называют зоной переменного подпора от водохранилища, преобладает аккумуляция наносов, транспортируемых речным потоком.

Рис. 3.2. Сопоставление годового хода уровней р. Оби

и Новосибирского водохранилища

В самом водохранилище русловые переформирования происходят преимущественно в прибрежной зоне, и связаны, как правило, с деформациями (переработкой) берегов водохранилища в результате ветроволнового воздействия и вдольбереговым перемещением наносов.

В нижнем бьефе русловой процесс приобретает совершенно особые изменения. Характер и интенсивность русловых переформирований существенно изменяются по сравнению с бытовым состоянием русла реки. Влияние плотины сказывается на режиме реки вплоть до самого устья, снижаясь по мере удаления от створа плотины.

Общими факторами, влияющими на русловые процессы в нижних бьефах большинства плотин, являются:

- предусмотренные проектом сезонное и многолетнее регулирование стока воды – перераспределение его во времени, иногда сопровождающееся увеличением или уменьшением средней водности реки;

- частичная или полная задержка стока наносов водохранилищем;

- суточные колебания расходов воды, обусловленные работой гидроэлектростанции;

- влияние незарегулированных боковых притоков на режим движения воды и условия транспорта наносов в главной реке.

Величина годового стока реки после создания водохранилища изменяется не всегда. В ряде случаев она уменьшается, например, при изъятии воды из водохранилища на орошение или для других нужд, а также вследствие испарения с водной поверхности. Важную роль играет перераспределение стока внутри года или за многолетний период, когда одновременно с уменьшением расхода воды в половодье происходит увеличение меженных расходов, как в летний, так и в зимний периоды.

3.1.2. Перераспределение речного стока.
Русловой режим водохранилищ

Водохранилища являются средством перераспределения естественного стока рек, который обычно характеризуется крайней неравномерностью. На равнинных реках со снеговым питанием за 1.5-3 месяца весеннего половодья проходит 60-70% годового стока. Также существенно различается годовой сток в многолетнем плане. Такое распределение стока находится в противоречии с режимом потребления водных ресурсов большинством отраслей хозяйства. Так, гидроэнергетика предъявляет повышенный спрос на воду в осенне-зимние месяцы, когда расходы воды в реках наименьшие. Судоходство заинтересовано в увеличении водности реки в летне-осенний период. Характер регулирования стока является экономически обусловленной величиной и зависит от водоносности реки, ее гидрологического режима и размеров водохранилища.

Наиболее характерной чертой трансформации водного режима реки под влиянием водохранилища является уменьшение максимальных расходов и увеличение водности реки в маловодный период. Это приводит к уменьшению внутригодовой неравномерности стока. Степень трансформации стока зависит от размера водохранилища: чем больше его объем по отношению к стоку реки и чем больше полезный объем, тем больше срезка паводка. Например, полезный объем Рыбинского водохранилища позволяет аккумулировать до 95% стока половодья верхней Волги, Цимлянское – 70% половодного стока Дона, в то время как Новосибирское – только 20, а Красноярское, соответственно, 55% стока Оби и Енисея.

Вместе с тем, могут наблюдаться и другие варианты изменения гидрологического режима, играющие большую роль в изменении руслового режима реки. Среди возможных вариантов выделяются: сокращение или увеличение общей величины стока, а также сохранение величины стока без изменения [Brandt, 2000].

Первый случай наблюдается при создании водохранилищ ирригационного назначения, из которых производится значительный отбор воды, а также водохранилищ в районах с засушливым климатом, для которых характерно значительное испарение. Так, средний годовой расход Дона ниже Цимлянского гидроузла сократился с 840 до 690 м³/с. Это связано с отбором воды из водохранилища в оросительные каналы. Существенно сократился сток реки Кубани ниже Краснодарского гидроузла – с 410 м³/с, при естественном режиме реки, до 292 м³/с при зарегулированном. Средний расход Волги ниже Волгоградской ГЭС сократился в результате регулирования на 1000 м³/с [Иванов, Коротаев, 2008].

Однако чаще средний годовой сток остается близким к естественному, а в некоторых случаях даже увеличивается, вследствие переброски стока из других бассейнов. Так, например, средний расход реки Оби в нижнем бьефе Новосибирской плотины практически не изменился.

Более значимым фактором для возможной трансформации русла является уменьшение максимальных и увеличение минимальных расходов воды. Так, максимальный среднемесячный расход Нила ниже Высотной Асуанской плотины уменьшился на 300%, а минимальный – вырос на 40% [Saad, 2002]. Установлено уменьшение максимального расхода воды на величину до 90% на большинстве зарегулированных рек Северной Америки [Williams and Wolman, 1984].

Объем стока воды Енисея ниже Красноярского водохранилища со-кратился в весенне-летний период в 1.5-2.0 раза, одновременно в 1.5-4.0 раза повысился объем стока в осенний и зимний период. При этом максимальный расход воды Енисея в Красноярске уменьшился на 48%.

Небольшое по объему Новосибирское водохранилище также вызвало перераспределение стока р. Оби. Средние расходы наиболее многоводных месяцев: мая и июня – уменьшились в результате регулирования на
30-35%, в то время как среднемесячные расходы в январе-марте увеличились в 2-5 раз. Максимальный расход Оби у Новосибирска уменьшился с 9700 до 5400 м³/с.

Максимальный расход Дона ниже Цимлянского водохранилища уменьшился на 37%. Перераспределение стока Дона по-разному происходит в маловодные, многоводные и средние по водности годы. Наибольшая срезка половодья отмечается в средние по водности годы, в многоводные годы ход расходов воды в зарегулированных условиях наиболее близок к естественному. Значительный рост минимальных расходов воды по сравнению с естественным режимом наблюдается, наоборот, в маловодные годы. В среднем за половодье проходит не более 50% годового стока, тогда как в естественных условиях эта величина достигала почти 80%.

Существенно изменились максимальные расходы Волги ниже Волгоградского гидроузла: они сократились с 52000 до 34000 м³/с. При этом объем зимнего стока увеличился на 26%. Примерно такое же соотношение измененного и естественного стока характерно для Кубани ниже Краснодарского водохранилища [Иванов, Коротаев, 2008]. Рыбинский гидроузел срезает расходы с обеспеченностью 10% с 9600 до 3000 м³/с [Авакян, Шарапов, 1968]. Средние месячные расходы воды особенно увеличились в зимние месяцы (в 4-5 раз) и в летний период (почти в 2 раза), тогда как расходы в период весеннего половодья уменьшились в 4 раза.

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 [Гришанин и др., 1986].

Аккумуляция наносов происходит вследствие уменьшения скоростей на верховом участке водохранилища. По мере приближения к плотине скорости течения становятся близкими к нулю, а практически весь сток наносов реки, который до постройки проходил вниз по течению реки, откладывается в чаше водохранилища. Таким образом, водохранилище постоянно заполняется наносами, особенно интенсивно весной, когда на реке наблюдается паводок.

Аккумуляция наносов на водохранилищах равнинных рек происходит неравномерно по длине. В большом количестве отложение наносов наблюдается на верховом участке водохранилища в зоне переменного подпора уровней воды. На остальной части водохранилища слой отложения наносов является незначительным.

При больших весенних расходах воды в этой зоне подпора от плотины практически не ощущается, а по мере спада половодья она оказывается в подпоре. Поэтому отложение наносов на перекатах на этом участке реки происходит аналогичным образом, как и при естественном состоянии, до строительства плотины. Однако размыва гребней перекатов на этом участке в период спада уровней воды в реке не происходит. Это связано с тем, что при более низких уровнях воды, вследствие подпора, транспортирующая способность резко уменьшается. В результате, наносы на перекатах в этой зоне из года в год накапливаются, и гребни перекатов повышаются по сравнению с естественным режимом реки.

Схема распространения подпора на верховом участке водохранилища показана на рис. 3.3.

Для обеспечения судоходных условий на этом участке 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 (по Гришанину и др., [1986]).

С момента начала эксплуатации водохранилищ происходит насыщение водой высоких коренных берегов, 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 мелкими легкоразмываемыми грунтами. Например, в первый год эксплуатации Каховского водохранилища р. Днепра на некоторых таких участках береговая линия отступила на 30-45 м. 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.

Рис. 3.3. Схема распространения подпора воды по длине водохранилища в весенний и меженный периоды: 1, 2 – условные границы
участка выклинивания подпора в паводок; 3, 4 – то же в межень

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.

В соответствии с ВСН 163-83 [Учет деформаций…,1985] процесс переформирований берега водохранилища в результате волнового воздействия может быть проиллюстрирован следующим образом (рис. 3.4).

Под действием ветрового волнения подтопленный береговой склон теряет устойчивость и разрушается. Волны подмывают берег примерно на высоте нормального подпорного уровня воды. Из материала разрушения формируется пологая, постепенно увеличивающаяся в ширину береговая отмель, в границах которой происходит частичное рассеяние волновой энергии. Переформирование берега завершается, когда отмель достигает предельной ширины В_о, достаточной для поглощения всей волновой энергии, способной разрушать береговой откос.

Иногда волны походят к берегу под некоторым острым углом. В этом случае происходит перекос фронта волны (рефракция), и образуется вдольбереговое течение водохранилища (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Схема конечной стадии переформирования берега и его основные элементы, где: W_р – объем разрушения; W_а – объем аккумуляции; ab – криволинейная часть профиля береговой отмели шириной В_Н; bc – прямолинейная часть профиля отмели шириной В _D; В_о – ширина береговой отмели; H – глубина размывающего действия волны при НПУ; D – сработка уровня воды водохранилища; g_н – угол наклона надводного склона берега; g_п – угол наклона внешнего скло-
на береговой отмели; L _б – величина смещения линии берега

Рис. 3.5. 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 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.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1103; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!