ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.09.2020
Просмотров: 108
Скачиваний: 4
Тема 4. Гидрология водохранилищ
Основные особенности гидрологического режима водохранилищ
Интенсивное использование водных ресурсов связано с созданием водохранилищ различных размеров, позволяющих накапливать воду в период избытка речного стока и использовать ее затем для выработки энергии, водоснабжения, орошения полей, повышения глубин рек в межень и др.
Водохранилище — искусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве.
Для всех водохранилищ характерны:
- возрастание глубин по направлению к плотине, исключая те из них, в состав которых вошли глубокие озёра;
- весьма замедленные по сравнению с рекой водообмен и скорости течения;
- неустойчивость летней термической и газовой стратификации и некоторые другие особенности гидрологического режима.
Водохранилища в зависимости от их морфологических и гидрологических особенностей можно разделить на несколько групп.
Так, по величине напора, создаваемого плотиной, среди крупных водохранилищ можно выделить:
1) равнинные с напором 15—35 м;
2) предгорные с напором 50—100м;
3) горные с напором у плотины 200 м и более.
Типы водохранилищ:
- речные или русловые, которые располагаются в долинах рек. Имеют вытянутую форму, течения в них обычно стоковые; водная масса по своим характеристикам близка речным водам. В условиях широких долин приобретают ясно выраженные черты искусственных озер.
- озёрные, для которых характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами.
Образуются:
- на горных реках с большими уклонами;
- на равнинных реках, когда затапливаются не только долины, а и водораздельные пространства и междуречья. Поэтому озерные водохранилища не имеют четко выраженной русловой формы и многократного превышения длины над максимальной шириной.
Основными параметрами водохранилища являются объём, площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.
Режим уровней.
Участок реки выше плотины называется верхним бьефом. В нем происходит накопление воды и повышается уровень в результате подпора, который распространяется в больших водохранилищах на сотни км.
Ниже плотины располагается участок реки – нижний бьеф.
Естественный режим реки преобразуется как в верхнем, так и в нижнем бьефе в зависимости от величины подпора, количества воды, накопившейся в водохранилище, и типа регулирования речного стока, т. е. искусственного перераспределения его во времени.
Водохранилища бывают многолетнего, сезонного, годичного, недельного и суточного регулирования стока, задачей которых является перераспределение стока между маловодными и многоводными годами, между отдельными сезонами в каждом году, неделями и сутками.
В водохранилище различают (Рис. 1):
Рис. 1. Характерные уровни водохранилища.
- НПУ или НПГ - нормальный подпорный уровень (горизонт)— высший подпорный уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при обеспечении нормальной эксплуатации всех сооружений. Это наивысший проектный уровень верхнего бьефа, выше которого подъем уровня в водохранилище, как правило, не разрешается.
- ФПУ - форсированный подпорный уровень — высший подпорный уровень, который можно поддерживать недолгое время в период пропуска очень больших половодий и паводков, обеспечивая сохранность сооружений.
УМО - уровень мёртвого объёма — минимальный уровень, допустимый в условиях нормальной эксплуатации.
Быстрое наполнение и сработка водохранилищ создают резкие колебания уровней. Интенсивность этих колебаний зависит от соотношения объема притока и расходования воды из водохранилища. На крупных водохранилищах колебания уровней вследствие изменения условий притока и расходования воды осуществляются в течение годового цикла, при этом уровни достигают наивысшей отметки весной при заполнении водохранилища и снижаются до наименьших отметок к концу зимы.
На водохранилищах малой (по отношению к притоку) емкости уровни колеблются значительно более резко, существенно изменяясь в течение суток и даже нескольких часов.
Условия водообмена.
Особенностью водохранилищ является их относительно большая проточность по сравнению с озерами такой же площади. Вследствие повышенной проточности наблюдаются более высокие скорости постоянных течений.
Сравнительно быстрая смена водных масс обеспечивает большее выравнивание температуры в водохранилищах, чем обычно наблюдается в озерах, а это в свою очередь приводит к меньшему нагреву поверхностных слоев воды по сравнению с теми условиями, которые имели бы место на озерах той же площади, расположенных в однородных климатических условиях.
Отложение наносов в водохранилищах.
Общими чертами процесса отложения наносов в водохранилищах разных типов являются:
- формирование области интенсивного отложения более крупных наносов в зоне выклинивания подпора;
- распространение мелких фракций по акватории водохранилища.
Часть наносов мелких фракций выносится за пределы водохранилища при сбросе воды из него.
В периоды сработки водохранилища зона выклинивания подпора перемещается к плотине и соответственно происходит передвижение области сосредоточенного отложения наносов. Этот процесс, повторяющийся периодически, способствует передвижению донных наносов к плотине и заполнению ими мертвого объема водохранилища. Чем меньше относительная емкость водохранилища, тем резче выражен этот процесс.
Более мелкие фракции распределяются по всей акватории с усилением процесса отложения в пределах затопленных пойм и других участков, где наблюдаются особо малые скорости течения.
Интенсивность заполнения водохранилища наносами зависит от его емкости и годового стока наносов.
Для водохранилищ озеровидного типа количество наносов, выносимых вместе со сбросом воды, весьма невелико, и поэтому интенсивность годичного заполнения водохранилища наносами можно принимать равной отношению мертвого объема к объему годового стока наносов. В русловых водохранилищах в силу их значительно большей проточности задерживается только некоторая часть из поступающих в них наносов. Несмотря на это, русловые водохранилища, обладая существенно меньшими объемами по сравнению с озеровидными водохранилищами, заиливаются значительно быстрее.
В русловых водохранилищах, создаваемых на реках, обладающих весьма высокой мутностью, может возникать донный поток тяжелой смеси, двигающийся от зоны выклинивания подпора до самой плотины.
Формирование берегов.
С созданием водохранилищ коренному переформированию подвергаются затапливаемые речные долины, особенно в береговой зоне водохранилища. Процессы, происходящие при формировании берегов водохранилищ, весьма существенно отличаются от тех, которые наблюдаются в береговой зоне озер.
Имеющиеся движения твердых частиц, образующих берег, обычно приводят к их перемещению в береговой зоне без существенного сноса в глубинную область. После создания водохранилищ ветровые волны, достигающие иногда высоты 3 м, сразу начинают интенсивно размывать склоны речной долины, которые до этого не соприкасались с водой и имели профиль, сформированный в условиях отсутствия постоянного воздействия воды. Внезапное нарушение условий существования склонов речных долин, превращаемых в берега водохранилищ, приводит к стремительному одностороннему их преобразованию.
Можно сказать, что береговая зона водохранилищ находится в стадии преобразования. В процессе преобразования береговой зоны водохранилищ даже в течение одного летнего сезона могут происходить обрушения берегов на расстоянии нескольких десятков метров от первоначального положения. При этом высота откосов может достигать 40—60 м и более. Общая зона разрушения береговой области до момента образования более или менее устойчивых береговых очертаний может достигать нескольких (двух-трех) километров.
В условиях водохранилищ, создаваемых подпором больших рек, основным фактором, определяющим процесс формирования береговой области, является ветровое волнение. Скорости течения, определяемые транзитными расходами воды, в больших водохранилищах малы для того, чтобы создать значительные размывы берегов.
При движениях воды, связанных с действием ветра, в том числе и сгонно-нагонных, так или иначе связанных с волнением, создаются скорости, способные размывать берега и дно, перемещать большие массы грунта (Рис. 2).
Рис. 2. Схема образования береговой отмели водохранилища.
abc - первоначальный берег, H — глубина на внешнем крае береговой отмели, mб — подводный склон береговой отмели, тк — склон подводного берега, deb — призма отложений; bfq — призма размыва.
Под действием указанных причин первоначальный берег, линия профиля которого abc разрушается. Продукты разрушения отлагаются вниз по откосу в виде подводной береговой отмели или береговой платформы. Рост береговой отмели и разрушение берега продолжаются, постепенно затухая, до тех пор, пока отмель не образует надежную защитную полосу, выполненную на поверхности из достаточно крупных частиц грунта, в пределах которой волны теряют значительную часть своей энергии и перестают действовать разрушающе на берега.
Емкость водохранилища постепенно изменяется благодаря процессам заиления, которое происходит путем осаждения в чаше водохранилища наносов, приносимых рекой и впадающими притоками, а также материалов, образующихся при подмыве и разрушении берегов, оседании на водную поверхность частиц приносимых ветром (эоловый перенос), отмерших остатков живых организмов.
Ледовый режим. С образованием водохранилищ резко изменяются термический режим и ледовые условия, наблюдавшиеся до этого на реке. Вместе с тем они существенно отличаются и от условий, наблюдающихся на озерах, расположенных в тех же климатических зонах. Эти отличия возникают прежде всего вследствие того, что амплитуда колебания уровней и степень проточности водохранилищ, как указывалось выше, являются существенно большими, чем у озер.
В результате сработки уровня ледяной покров в прибрежной зоне водохранилищ деформируется, оседает на берега и ломается. Режим нарастания и таяния ледяного покрова в центральной части водохранилища существенно не отличается от наблюдаемого на озерах.
Начало замерзания наступает одновременно с появлением льда на реках, который выносится в водохранилище.
Сплошной ледяной покров на водохранилищах устанавливается раньше, чем на соответствующих участках рек в естественном состоянии. Это происходит потому, что в водохранилищах скорости течения значительно меньше, чем в реках. В период ледостава на водохранилищах могут появляться полыньи, возникающие в суженных участках, где значительные скорости. При снижении уровня воды часть льда на мелководье может ложиться на дно и порой занимает значительные площади. Весной при наполнении водохранилищ этот лед всплывает.
Вскрытие водохранилищ начинается несколько позже, чем вскрытие рек, где разрушение ледяного покрова происходит в результате воздействия скорости течения.