Русловой режим в нижних бьефах гидроузлов
Уменьшение стока наносов.
Не менее важным фактором трансформации русла реки ниже плотины является изменение стока наносов, поскольку соотношение стока наносов, поступающего на участок реки, с транспортирующей способностью потока определяет направленность развития русла.
В нижний бьеф плотин обычно поступает осветленный поток, так как значительная часть наносов реки осаждается в водохранилище. Многочисленные данные о сокращении стока наносов ниже плотин имеются в мировой литературе [Williams, Wolman, 1984]. Например, водохранилища США задерживают до 90% стока взвешенных наносов. Так же сократился сток наносов Нила ниже Асуанской плотины.
Сток взвешенных наносов Кубани ниже Краснодарского гидроузла, построенного в 1973 г, уменьшился с 8.51 млн. т/год в 1929 – 1948 гг. до 2.12 млн. т/год через 30 лет [Иванов, Коротаев, 2008]. Частичная задержка взвешенных и практически полная задержка влекомых наносов Волжским каскадом водохранилищ привела к существенному снижению стока наносов в нижнем течении Волги. В период 1934–1953 гг. значение среднегодового объема взвешенных наносов в районе поста Дубовка (теперь он находится в нижней части Волгоградского водохранилища) оценивалось в 18.5-25.5 млн. тонн [Шамов, 1954]. Средний годовой сток взвешенных наносов после создания водохранилища сократился более чем вдвое [Устьевая область Волги:…, 1998]. В вершине дельты Волги сток взвешенных наносов составляет лишь 7.3 млн. т, а средняя мутность воды – 32 г/м3.
|
|
|
В межень расходы взвешенных наносов нижнего Дона выше бытовых значений, что связано с более высокими расходами воды. Однако, в половодье они значительно ниже бытовых (рис. 3.6). Среднегодовые величины снизились по сравнению с бытовыми в 7 раз – в маловодные годы, в 4 раза – в средние по водности годы, в 2 раза – в многоводные годы.
В ст. Раздорской среднегодовой объем взвешенных наносов сократился с 4-5 млн. т в 1934-1950 гг. до 1.7 млн. т в настоящее время. Хотя наибольший объем стока наносов приходится, как и при естественном режиме, на весну, заметно вырос сток наносов зимой. В отдельные маловодные годы сток наносов уменьшается до 0.3-0.4 млн. т.
Большую часть транзитного стока речных наносов задерживает Новосибирское водохранилище.
Рис. 3.6. Расходы воды и взвешенных наносов нижнего Дона
(г/п. Раздорская)
Сток взвешенных наносов в условиях регулирования на г.п. Новосибирск уменьшился с 14 до 4 млн. т в год, а средняя годовая мутность – с 247 до 71 г/м3, т.е. в 3.5 раза [Вострякова и др., 1975]. Наибольшая доля стока взвешенных наносов в Новосибирске проходит в весенний период.
Средний годовой сток взвешенных наносов в нижнем бьефе Красноярской ГЭС сократился почти в 20 раз – с 7.25 млн. т до 0.345 млн. т. При этом доля взвешенных наносов в весенний период уменьшилась почти в 2 раза, а в осенний и зимний период возросла в 14 и 25 раз, соответственно, по сравнению с естественными условиями.
|
|
|
Суточные колебания расходов и уровней воды.
Суточное и недельное регулирование мощности ГЭС вносит в гидравлический режим рек своеобразие, характерное только для нижних бьефов, – прохождение волн попусков, влияние которых может охватывать участки значительной протяженности. Различают полное и неполное суточное (и недельное) регулирование [Рекомендации по прогнозу…, 2006].
Под полным суточным регулированием понимается режим, при котором ГЭС может полностью останавливаться в ночные часы и во время дневного снижения нагрузки гидростанции (для недельного регулирования – в нерабочие дни). В часы максимума нагрузки ГЭС работает с полной мощностью. Таким образом, в течение суток происходит одно- или двукратное увеличение расхода воды практически с нулевых значений до сотен и тысяч метров кубических в секунду. Это сказывается в последовательном изменении расхода и уровня воды, уклона водной поверхности, скорости течения.
|
|
|
Высота волны пропорциональна приросту расхода воды, проходящему через агрегаты ГЭС, и зависит от ширины русла. Прохождение волны вызывает увеличение скорости течения [Федоров, 1966].
Наиболее ярко волны попусков суточного регулирования выражены у самого гидроузла. Ниже по течению они постепенно затухают вследствие действия сил сопротивления и трения, а также частичного отражения. Характер распространения волн суточного регулирования описывается экспоненциальной зависимостью [Транспортное использование…, 1972], согласно которой амплитуда волны зависит от ее длины и уменьшается по длине участка реки. Влияние неустановившегося движения, возникающего в нижних бьефах энергетических гидроузлов в результате суточного и недельного регулирования стока, распространяется на равнинных реках на расстояние до нескольких сотен километров от плотины. Протяженность участка, на котором отмечается движение волн попусков, зависит от характера и объема попусков, гидравлических и морфологических особенностей русла: извилистости, уклона, ширины, глубины, формы поперечного сечения, шероховатости.
В нижнем бьефе Новосибирской ГЭС, где русло Оби имеет ширину до 600 м, высота волн попусков при работе всех турбин не превышает 0,7 метра при расходе 3200 м3/с. Скорость распространения таких волн составляет около 12 км/час, а дальность распространения 30-35 км. Волны попусков с максимальной амплитудой (более 2.5 м) могут распространяться вниз по течению на 100 км от створа плотины.
|
|
|
Протяженность нижнего бьефа, где прослеживается влияние суточного регулирования, в нижнем бьефе Цимлянской ГЭС составляет 60 км, Нижегородской – 50 км (наиболее отчетливо – 22 км), Камской – 50-60 км [Шестова, 2007]. Суточные колебания уровня воды р. Вислы ниже плотины Влоцлавек в Польше, амплитуда которых достигает 3.5 м, распространяются на 200 км низ по течению реки [Babiński, 2000].
Значительные суточные колебания расходов и уровней, обусловленные регулированием нагрузки гидростанции, наблюдаются в нижнем бьефе Рыбинского гидроузла на Волге. Анализ имеющихся данных натурных измерений показывает, что на утренние часы часто приходится минимальный уровень. В ночные часы рабочих дней расход воды составляет 100-500 м3/с, в выходные дни – еще меньше. В течение дня расходы воды увеличиваются, вместе с ними растет уровень.
В отдельных случаях подъем уровней происходит до полудня с максимумом в летнее время в 14-16 часов. Расход воды увеличивается в Рыбинске до 2800-3000 м3/с. Суточные колебания уровней особенно ярко проявляются после середины мая, когда заканчивается наполнение Рыбинского водохранилища и прекращаются холостые сбросы (рис. 3.7). В навигационный период регламентированная амплитуда колебания уровней достигает 2.5 м.
Высота волн суточного регулирования вблизи плотин находится в пределах от 2.5 до 6.0 метров. Максимальные колебания отмечены ниже Саратовского гидроузла. На судоходных реках в навигационный период амплитуда колебания уровней ограничивается Правилами использования водных ресурсов для обеспечения безопасного судоходства.
Рис. 3.7. График хода уровня Волги в Рыбинске в мае 2010 г.
Они регламентируются также и в зимний период для обеспечения защиты территорий в нижних бьефах гидроузлов от затопления и санитарно-гигиенических условий при наличии в нижнем бьефе сбросов сточных вод.
Регламентированная амплитуда колебания уровня воды в нижних бьефах Российских плотин составляет 0.5-3.0 м.
Температура воды и ледовый режим нижнего бьефа.
Создание крупного искусственного водоема влияет на температурный режим реки. Водная масса обладает большой теплоемкостью. Термический режим водохранилища определяет и температурный режим реки ниже плотины. Температура воды в водохранилище в целом растет с конца зимы до середины лета, а затем понижается. Максимальная температура наблюдается на водохранилищах нижней Волги и Дона в июле-августе. В весенне-летний период в нижний бьеф сбрасывается воды, температура которой ниже, чем в естественных условиях, в осенне-зимний период температура, наоборот, выше естественной. На нижнем Дону разница температуры воды составляет ±5о [Серебряков, 1970].
Более высокая температура воды в осенне-зимний период является причиной образования полыньи. Ее протяженность достигает нередко десятков километров и зависит от температуры воздуха. На нижней кромке полыньи при похолоданиях могут образовываться заторы, приводящие к повышению уровня воды. Заторы могут возникать также в зонах выклинивания подпора нижерасположенного водохранилища [Серебряков, 1970; Калюжный, 2000]. Причиной заторов считаются колебания уровня нижнего бьефа, которые вызывают непрерывные подвижки льда (искусственный ледоход). Подобное явление характерно для нижнего бьефа Воткинского гидроузла, где зимой наблюдаются большие недельные колебания уровня.
Большие скорости течения и повышенная температура воды водохранилища препятствуют образованию ледяного покрова ниже створа Новосибирской ГЭС, где наблюдается полынья протяженностью 10-30 км. Из-за задержки льда в водохранилище весенний и осенний ледоходы на участке ниже плотины слабо выражены.
Изменение температуры воды, очевидно, сказывается на транспортирующей способности потока в нижнем бьефе [Карасев, 1975]. Влияние температуры воды на деформации русел рек в нижних бьефах подробно исследовал А.В. Серебряков [1970]. Гидравлическая крупность наносов и неразмывающая скорость для частиц менее 1.5 мм зависит от вязкости воды, а последняя – от температуры. По мере повышения температуры воды транспортирующая способность потока уменьшается и наоборот. А.В. Серебряков [1970] считает, что при изменении температуры от 2 до 30о транспортирующая способность потока меняется втрое, а по расчетам
И.Ф. Карасева [1975] при таком же росте температуры концентрация наносов крупностью 0.2 мм падает в 1.3 раза. И.Ф. Карасев признает, что влияние температуры на движение наносов проявляется неоднозначно, и окончательные выводы делать еще преждевременно.
Деформации русла.
Изменение участка речного русла ниже плотины зависит от взаимодействия трех главных факторов: степени регулирования стока, противоэрозионной устойчивости материала, слагающего дно и берега, а также поступления наносов из притоков и других источников ниже плотины. Главным условием развития деформаций является нарушение баланса между доставкой наносов и транспортирующей способностью потока. После постройки плотины транспортирующая способность потока меняется вследствие снижения амплитуды половодий и паводков. Противоэрозионная устойчивость материала определяет потенциал деформаций, которые могут быть ограничены наличием в русле неразмываемых грунтов.
Задержка водохранилищем наносов приводит к тому, что в нижний бьеф поступает осветленный поток, обладающий повышенной транспортирующей способностью. В этих условиях поток начинает насыщаться наносами за счет размыва примыкающего к гидроузлу участка нижнего бьефа, где начинается приплотинный размыв дна.
Как правило, это происходит уже в строительный период, при стеснении русла перемычками. В дальнейшем, при временной, а затем и при постоянной эксплуатации гидроузла, зона переформирования русла распространяется вниз по течению реки. На этот процесс накладывается влияние изменения водного режима. Происходит трансформация русла нижнего бьефа – изменение геометрических и гидравлических характеристик русла реки, проходящее на значительном ее протяжении и обусловленное нарушением ранее существовавших режимов твердого и жидкого стока. Трансформация русла влечет за собой изменение связей расходов и уровней воды, характеризовавших отдельные сечения водотока.
Преобладание общего размыва в процессе трансформации русел нижних бьефов является определяющим для равнинных рек, несущих сравнительно небольшое количество наносов. Срок заиления равнинных водохранилищ, преобладающих на территории России, исчисляется сотнями лет, что и определяет основную роль общего размыва в процессе трансформации русел нижних бьефов гидроузлов, возведенных на равнинных реках. Эрозия варьирует во времени и пространстве и оценивается по скорости, с которой понижается дно реки, и с которой зона эрозии распространяется по длине реки.
На процессы врезания влияют такие условия, как повышенная турбулентность потока при сбросе с сооружений и с гидроагрегатов, местное сосредоточение и изменение направления потока под воздействием гидротехнических сооружений.
Для участков рек ниже плотин таких водохранилищ характерны резкие колебания расхода, обусловленные энергетическими попусками. Высота волн суточного регулирования достигает нескольких метров, а расходы воды могут изменяться на порядок. Это приводит к увеличению транспортирующей способности потока, по крайней мере, на ограниченном участке ниже плотины. Это обстоятельство позволило Н.И. Маккавееву [1957] выделить ниже водохранилища две основные зоны:
1) зону неустановившегося режима непосредственно ниже плотины; в этой зоне происходят частые колебания уровня воды в результате суточного и недельного регулирования;
2) зона установившегося режима большой протяженности, где режим реки изменен сезонным и многолетним регулированием.
Длина зоны неустановившегося режима приблизительно может быть принята по установленному пределу распространения и амплитуды суточных колебаний уровня воды. Учитывая специфику выполнения путевых работ в нижних бьефах ГЭС, Н.И. Маккавеев [1957] предложил считать таким пределом высоту волны в 20 см. Суточные колебания расходов и уровней играют большую роль в трансформации русла. Они вызывают частое периодическое увлажнение берегов, способствующее потере ими устойчивости, а также быстрое блуждание потока по ширине русла, что периодически вызывает эрозию то одного, то другого берега. На фронте волны попуска скорость течения увеличивается, что повышает транспортирующую способность потока и стимулирует размыв дна. Подсчитано [Andrews, Pizzi, 2000], что при значительных суточных колебаниях расхода и уровня поток может транспортировать больше наносов, чем при постоянном расходе, равном некоторому среднему.
На участке, непосредственно примыкающем к плотине Новосибирской ГЭС, придонная скорость течения при распространении волны с амплитудой 70 см увеличивается на 0.5 м/с, и постоянно превышает неразмывающую скорость для донных наносов Оби. Это обеспечивает гидравлические условия для продолжения глубинной эрозии. С удалением от плотины скорость перемещения волн попусков в связи с их распластыванием уменьшается, и в конце зоны неустановившегося движения оказывается близкой к средней скорости течения. Длина зоны неустановившегося движения потока составляет немногим более 30 км [Виноградова, Рулева, 1982].
Попуск с максимальным расходом 2800 м3/с в нижнем бьефе Рыбинской ГЭС вызывает увеличение уклона водной поверхности и скорости течения в 6 раз по сравнению с условиями базового стока. Средние по сечению скорости течения при таком попуске превышают неразмывающие для наносов, слагающих русло Волги. Волны попусков распластываются на расстоянии не менее 20 км от плотины.
Трансформация русла развивается непрерывно. Она начинается вблизи плотины, где с течением времени русло постепенно стабилизируется. Затем процесс перемещается ниже по течению. За счет глубинной и отчасти боковой эрозии, а также приноса материала из притоков поток по длине насыщается наносами, и интенсивность врезания вниз по течению ослабевает. Наносы, поступившие в поток в ходе глубинной эрозии и размыва берегов, могут даже отлагаться ниже по течению, и эрозия русла у плотины сменяется аккумуляцией ниже по течению. Таким образом, темпы и некоторые черты процесса меняются как во времени, так и в пространстве.
Выделяются несколько стадий развития процесса трансформации русла [Транспортное использование…, 1972]: 1) локальная эрозия на приплотинном участке; 2) быстрая глубинная эрозия, распространяющаяся вниз по течению, с одновременной трансформацией поперечного сечения русла; 3) сравнительно медленная трансгрессивная эрозия и 4) относительная стабилизация продольного профиля и поперечного сечения русла за счет уменьшения уклона и увеличения крупности донных отложений, а также приноса материала из притоков. Границы между стадиями, кроме 1 и 2, достаточно условные и определять их рекомендуется по темпам понижения уровня воды. Стадии развития русла реки ниже плотины схематически показаны на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Схема развития глубинной эрозии ниже плотины: А, Б – исходная водная поверхность и дно, 1-3 – последовательные положе-
ния дна и водной поверхности
Изменения русла начинаются еще во время строительства плотины, т.е. за начало трансформации русла следует принимать время начала строительства плотины, а не перекрытия реки. Благодаря размыву русла между строительными перемычками уже на стадии строительства может происходить резкое увеличение расхода наносов и их аккумуляция в русле непосредственно ниже по течению. Поэтому первой стадией трансформации русла, очевидно, можно считать местный размыв, который происходит непосредственно за водосбросными сооружениями гидроузлов, затрагивает только часть русла реки и выражается в формировании воронки размыва [Рекомендации по прогнозу…, 2006]. Он характерен для строительного и пусконаладочного периода, но может происходить при пропуске через плотину особо больших половодий или паводков.
По мере увеличения глубин и уменьшения донных скоростей течения размыв замедляется и прекращается при достижении скоростями неразмывающих значений, а также при формировании отмостки. Дальность распространения этого явления ограничивается расстоянием, равным 3-5 ширинам водосбросного фронта [Леви, 1955] и составляет несколько сотен метров [Рекомендации по прогнозу…, 2006; Барышников, 2008]. На этом этапе выносы с приплотинного участка столь обильны, что часть наносов отлагается ниже по течению, и уровень воды у плотины часто повышается.
Продолжительность этого этапа может составлять несколько лет. Доля отложившихся наносов может достигать 80%, как, например, ниже Волгоградского гидроузла в 1954-1958 гг, когда у плотины образовалась яма глубиной до 20 м. На 30-километровом участке Волги ниже по течению в это время преобладала аккумуляция. Аккумулятивное тело перерабатывалось вплоть до 1980-х гг [Иванов, Коротаев, 2008].
Повышение уровня воды отмечалось в первые годы эксплуатации Новосибирского гидроузла на р. Оби в 20 км ниже плотины, где за первые три года низшие уровни воды повысились на 0.3 м. Повышение уровня воды на 40-50 см зафиксировано в начале эксплуатации Куйбышевского гидроузла [Транспортное использование…, 1972]. В нижнем бьефе Нижегородского гидроузла уровень воды при среднем многолетнем расходе на второй год эксплуатации повысился на 26 см [Шестова, 2007].
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1121; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!