Влияние гидротехнических сооружений на режим водотока

1.2.2 Влияние гидротехнических сооружений на режим водотока

Влияние на гидравлический режим водотока

Создание крупных гидроузлов на реках вносит большие изменения в их естественный гидрологический режим. В результате регулирующего действия водохранили

ща сток реки в нижнем бьефе становится более равномерным в течение года. Регулирующее влияние водохранилищ сказывается на значительных по протяжению участках реки ниже плотин и распространяется до ее устья. Условно можно считать, что протяженность нижних бьефов определяется по границе восстановления естественного гидрологического режима (главным образом, под влиянием крупных притоков).

Регулирующее влияние водохранилища приводит к существенному перераспределению стока по сравнению с бытовым состоянием: уменьшаются расходы паводка и увеличиваются расходы межени. Это перераспределение тем существенней, чем больше регулирующая (полезная) емкость водохранилища. 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. Неустановившийся режим течения, возникающий при прохождении волн попусков, сказывается как на гидравлических условиях, так и на русловых переформированиях в нижних бьефах.

Естественный водный режим реки в нижнем бьефе может быть нарушен также при комплексном использовании водохранилища и отъеме из него более или менее значительных объемов воды для целей ирригации или переброски стока в бассейны других рек. В случае переброски стока из бассейнов других рек в рассматриваемой реке происходит общее увеличение жидкого стока.

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. Причем длина, на которую распространяется влияние режима работы ГЭС, зависит от "полноты" осуществляемого ею регулирования мощности.

Под полным недельным регулированием понимается режим, при котором ГЭС может полностью останавливаться в нерабочие дни; под полным суточным регулированием понимается режим, при котором в течение суток в часы ночного и дневного провалов графика потребительской нагрузки ГЭС может полностью останавливаться, а в часы утреннего и вечернего максимума работать с полной располагаемой мощностью.

Протяженность зоны влияния недельного регулирования может в 3-5 раз превосходить длину зоны влияния суточного регулирования. Колебания уровней и распространение волн суточного регулирования прослеживается на расстоянии нескольких десятков километров. Скорость распространения волн попуска суточного регулирования в нижнем бьефе может достигать 3-4 м/с, скорость перемещения гребня волны в 2 - 4 раза превышать скорость течения. Амплитуды колебания уровней могут достигать нескольких метров, однако обычно они регламентируются с учетом требований водного транспорта и других водопользователей.

Прогнозирование параметров неустановившегося режима в нижнем бьефе (диапазона колебания уровней, скорости течения, протяженности зоны влияния и т.п.) должно выполняться методами матемагического моделирования на основе численного интегрирования одномерных или двумерных уравнений Сен-Венана [7] с учетом морфологических особенностей русла, наличия притоков и их водности, подпора со стороны водохранилища нижерасположенного гидроузла или водоема.

Степень недельного и суточного регулирования мощности ГЭС определяется их местом в энергосистеме и в каскаде, а также требованиями неэнергетических водопользователей к уровням воды в нижних бьефах гидроузлов. На ГЭС, нижние бьефы которых находятся в неподпертом состоянии, в маловодных условиях возможно полное прекращение суточного и недельного регулирования мощности, т.е. переход ГЭС из пиковой зоны графика нагрузки в базовую. При наличии подпора в нижнем бьефе, существенно снижающего размах колебаний уровня воды, ГЭС могут осуществлять более глубокое недельное и суточное регулирование мощности. Оно либо не ограничивается совсем, либо ограничивается незначительно требованиями обеспечения обязательного базового попуска. Во многих случаях при осуществлении суточного регулирования необходимо учитывать, что резкие подъемы уровня нижнего бьефа при одновременном включении нескольких агрегатов ГЭС и значительный размах суточных колебаний неблагоприятны и опасны не только для инфраструктуры нижнего бьефа, но и для населения (в частности, в рекреационный период).

Зимой при осуществлении суточного и недельного регулирования мощности снимается ограничение по обеспечению нормируемой глубины по условиям судоходства, благоприятных условий для рыбного хозяйства и т.п., но во многих случаях должны учитываться условия неподтопляемости территорий, находящихся в нижних бьефах гидроузлов, а также санитарно-гигиенические условия водопользования при наличии в нижнем бьефе сбросов сточных вод.

Существенное значение при оценке приемлемости гидравлического режима, обусловленного суточным регулированием мощности ГЭС, имеет направление и скорость течения воды в местах выпусков сточных вод. При этом абсолютно недопустимы ситуации, когда сточные воды, перемещаясь вверх по течению, могут попадать в водозаборы питьевой воды.

Влияние на русловой режим водотока

Задержка водохранилищем твердого стока и перераспределение во времени стока воды приводит к изменению руслового процесса в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. Преобладающие в естественных условиях обратимые деформации русла, обусловленные транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора, после возведения гидроузла сменяются необратимыми деформациями. Создание водохранилища приводит к тому, что большая часть наносов (а в крупных водохранилищах на равнинных реках практически все наносы) осаждается в нем, и в нижний бьеф вода поступает осветленной. В результате происходит постепенное занесение чаши водохранилища донными наносами и его заиление взвешенными наносами. В этих условиях в нижнем бьефе поток, транспортирующая способность которого оказывается недостаточной, начинает насыщаться за счет размыва примыкающего к гидроузлу участка нижнего бьефа. Этот участок превращается в зону питания наносами расположенной ниже части реки. В русле начинают развиваться необратимые деформации, в которых преобладает общий размыв.

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. 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 [8]. 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. В условиях гидротехнического строительства в горных районах на реках с большим объемом твердого стока при малых объемах водохранилища происходит сравнительно быстрое его заиление и наносы вновь начинают поступать в нижний бьеф. Процесс общего размыва в этом случае прекращается, в ранее размытом русле начинают откладываться сбрасываемые через гидроузел наносы и происходит так называемый завал нижнего бьефа. 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.

Наряду с трансформацией русла нижнего бьефа, строительство гидроузлов вызывает его местные деформации, обусловленные повышенной турбулизацией, местным сосредоточением и изменением направления потока под воздействием гидротехнических сооружений и регуляционных работ.

В строительный и пуско-наладочный периоды работы гидроузла в русле реки, стесненном перемычками, а затем сооружениями, происходят интенсивные местные деформации, причиной которых являются чаще всего неблагоприятные гидравлические условия пропуска строительных расходов через не полностью построенные водопропускные сооружения, а также незавершенность работ по креплению нижнего бьефа. Объем размыва в русле реки (включая размыв перемычек) может значительно превосходить объем твердого стока, соответствующий транспортирующим возможностям потока в естественном русле. Ниже сооружений поток откладывает большую часть наносов в виде переката, отметки гребня которого постепенно нарастают. По мере затухания процесса местного размыва за сооружениями рост переката замедляется, а его гребень смещается вниз по течению. В ряде случаев этот перекат создает временный подпор на сооружения гидроузла со стороны нижнего бьефа. Со временем подпор уменьшается, что обычно связано с постепенным смывом переката, передвижением вниз по течению зоны отложений и с общим понижением уровней нижнего бьефа.

После завершения или временной стабилизации процесса местного размыва за водопропускными сооружениями начинается постепенный размыв русла нижнего бьефа и перемещение зоны наибольших отложений наносов вниз по течению. На ближайшем к сооружениям участке нижнего бьефа преобладающим видом деформации русла становится размыв. Зона размыва, продвигаясь вслед за зоной отложений, постепенно охватывает все большую длину бьефа, оставляя выше по течению участок более устойчивого, стабилизировавшегося русла, при взаимодействии которого с потоком уже не происходит значительных деформаций дна реки и существенного насыщения потока наносами. Повышение устойчивости русла в этой зоне обусловлено увеличением глубин за счет размыва, снижением скоростей потока и, как следствие, уменьшением подвижности донного материала по сравнению с бытовыми условиями в неразмытом русле.

Характер распространения зоны размыва зависит от уклона реки, геологического строения ее ложа и т. д. [9]. При малых уклонах реки, не очень больших скоростях течения, больших скоплениях аллювия (в том числе в виде островов, побочней и тому подобных русловых образований) общий размыв в длину развивается сравнительно медленно. Поэтому даже при больших глубинах размыва русла понижение уровней воды из-за малой протяженности зоны размывов и малого уклона реки получается очень небольшим.

При ограничении размывов выходами коренных пород или образованием естественной отмостки, чему особенно благоприятствует сложное геологическое строение русла, размыв может быстро развиваться в длину, особенно при больших уклонах водотока. Снижение уровней воды в этих случаях может быть весьма значительным при сравнительно быстрой стабилизации процесса [9, 10].

При возведении гидроузлов на участках рек, где в бытовых условиях происходило постепенное повышение русла за счет осаждения большого количества транспортируемых наносов при выходе реки с горного или предгорного участка на равнину, при зарегулировании реки происходит изменение общей направленности руслового процесса и начинается "врезка" русла за счет размыва его осветленным потоком.

Вследствие того, что в пределах зоны общего размыва нижнего бьефа расход наносов остается меньше транспортирующей способности потока, происходит размыв зоны отложений. В результате этого поток оказывается полностью насыщен наносами и вновь откладывает их ниже по течению. Таким образом, происходит перемещение вниз по течению зоны отложений.

Это общее для абсолютного большинства исследованных гидроузлов явление наиболее отчетливо проявляется в смещении лимитирующих судоходство перекатов.

В верхнем бьефе, в зоне выклинивания подпора происходит отложение наносов, постепенно смещающееся вверх по течению (регрессивная аккумуляция наносов), иногда с образованием дельты. При этом может происходить повышение уровней воды и распространение подпора вверх.

При резком колебании уровней нижнего бьефа, обусловленном суточным регулированием мощности ГЭС, процесс продвижения вниз по течению зоны интенсивного переформирования и зоны стабилизации русла может несколько замедляться за счет увеличения притока наносов в русло при обрушении и оползании берегов (боковая эрозия) после прохождения попусковых волн. Приток наносов в русло, происходящий за счет боковой эрозии, увеличивает заносимость перекатов и уменьшает их устойчивость. Однако, поскольку зона интенсивной боковой эрозии русла, как и весь процесс его переформирования, смещается вниз по течению, общая направленность этого процесса, выражающаяся в постепенной стабилизации примыкающего к гидроузлу участка нижнего бьефа, сохраняется.

Причиной обрушения берегов в нижнем бьефе является, как правило, интенсивная суффозия грунта береговых откосов фильтрационным потоком, направленным в русло в периоды резкого спада уровней воды в реке при практически мгновенном отключении агрегатов ГЭС.

Увеличение боковой эрозии непосредственно ниже сооружений может происходить в результате изменения направления потока и перераспределения расходов воды на отдельных участках русла реки в нижнем бьефе.

Эрозия берегов бывает также связана с волнами от проходящих судов или другого происхождения, например с волнами, обусловленными работой водосливов.

В процессе переформирования русла нижнего бьефа, перестраивающегося в соответствии с новым гидрологическим режимом потока, во многих случаях отмечается уменьшение извилистости русла и выравнивание разницы между объемами русла на плесовых и перекатных участках. Наряду с размывом перекатов и занесением плесовых участков при взаимодействии зарегулированного потока и русла, этому выравниванию способствуют землечерпательные работы на перекатах, при проведении которых плесовые участки используются для отвалов грунта. В результате речное русло приобретает форму, приближающуюся к форме канала.

В реках с побочневым типом руслового процесса зарегулирование стока может привести, наоборот, к увеличению извилистости русла в связи с тем, что срезка паводков и уменьшение затопления отмелей обусловливает закрепление и зарастание песков и, как следствие, преобразование побочней в пойму.

Процесс трансформации русла нижнего бьефа, имеющий общую тенденцию к затуханию русловых переформирований и к стабилизации русла на участке большой протяженности, заметно интенсифицируется при прохождении высоких паводков. При этом в руслах со сравнительно однородным по крупности грунтом происходят дополнительные размывы и увеличение транспорта наносов, а в руслах, сложенных разнозернистыми грунтами, нарушается слой естественной отмостки, и они становятся не защищенным от размыва меньшими расходами.

Пропуск паводков редкой повторяемости через сооружения гидроузла в период завершения его строительства или в начальный период эксплуатации может вызвать очень быстрое продвижение зоны интенсивной трансформации русла вниз по течению. В этом случае подпор, создаваемый перекатом, образованным в результате отложения продуктов размыва, не распространяется до створа гидроузла.

В зимний период эксплуатации гидроузлов волны суточного регулирования могут явиться причиной подвижек льда и заторных явлений, когда ледяные поля, приведенные в движение волнами попусков, нагромождаясь друг на друга, могут перекрыть отдельные рукава многорукавных русел. Последующие за этим прорывы потока в другие протоки могут привести к существенному их размыву и, как следствие, к увеличению живого сечения и пропускной способности по сравнению с бытовым состоянием. При этом возможно перераспределение потока между рукавами и уход основной части расхода реки во второстепенные рукава. Такие явления особенно важно учитывать в тех случаях, когда они могут нарушить работу водозаборных сооружений и судоходство.

При возведении гидроузлов в створах, характеризующихся наличием проток или рукавов, в период производства работ по возведению бетонных сооружений одна из проток часто бывает перекрыта и весь сток сосредотачивается во второй протоке. Такое перераспределение стока в течение периода, длительность которого может исчисляться несколькими годами, приводит к размыву отложений в работающей протоке с выносом их в основное русло; в перекрытой протоке за это время может произойти интенсивное развитие подводной растительности и кустарника, обусловливающее увеличение шероховатости русла.

Задержка водохранилищем пика паводка и его снижение могут приводить к увеличению отложений на перекатах зарегулированных рек в местах слияния их с незарегулированными притоками. Происходящее при этом увеличение уклонов свободной поверхности в устьевой части притока приводит к увеличению скоростей притока, размыву его русла и выносу большого количества наносов, которые, осаждаясь в русле основной реки, способствуют росту отметок перекатов, расположенных в месте слияния.

Следствием трансформации русла ниже гидроузла является изменение уровенного режима реки в его нижнем бьефе. Это изменение в створе гидроузла и других створах нижнего бьефа характеризуется смещением кривых связи расходов и уровней относительно положения этой кривой к моменту пуска гидроузла. При этом в ряде случаев, переформирования русла нижнего бьефа в строительный период могут вызвать уже к моменту пуска гидроузла смещение кривой расходов по отношению к ее среднемноголетнему (как правило, устойчивому) положению в бытовых условиях.

Прогноз трансформации русла в нижнем бьефе производится в соответствии с Рекомендациями П 95-81/ВНИИГ и методом, изложенным в работе [11], прогноз переработки берегов водохранилищ — в соответствии с Рекомендациями П 30-75/ВНИИГ, а прогноз заиления — по Указаниям [12].

Влияние на ледотермический режим водотока

Эксплуатация гидроузла оказывает существенное влияние на преобразование ледотермического режима водотока как в верхнем, так и в нижнем бьефах [26].

В верхнем бьефе гидроузла, как правило, происходит увеличение глубины и ширины потока, что ведет к снижению скоростей течения и интенсивности турбулентного перемешивания на этом участке реки.

Температурный режим верхнего бьефа зависит от времени полного водообмена, объема и глубины в его приплотинной части, морфометрических параметров рельефа, температуры и расхода воды и льда, поступающих в верхнюю часть водохранилища. Существенное влияние на температурный режим верхнего бьефа оказывает компоновка гидроузла, конструкция водозаборных и водосбросных сооружений. Работа гидроузла изолированно или в каскаде также влияет на температуру воды и ледотермический режим водотока.

К числу факторов, под воздействием которых формируется ледотермический режим нижних бьефов ГЭС, относятся:

·  температура воды, поступающей из верхнего бьефа в нижний;

·  режим расходов, проходящих через ГЭС;

·  скорости течения и уровни воды в нижнем бьефе;

·  морфометрические характеристики русла в нижнем бьефе;

·  работа гидроузла изолированно или в каскаде;

·  климат региона: температура и влажность воздуха, облачность, скорость и направление ветра, количество выпавших осадков;

·  химический состав воды в потоке (минерализация);

·  температурные и криогенные характеристики грунтов ложа;

·  наличие притоков и сбросов коммунальных и промышленных предприятий.

Степень влияния каждого из факторов на ледотермический режим нижнего бьефа различна, некоторые из них взаимосвязаны между собой. Например, режим скоростей и уровней связан с режимом расходов и морфометрическими параметрами русла; климат региона зависит от температурного режима как верхнего, так и нижнего бьефов, возможно даже изменение климата вследствие создания гидроузла.

Грунты ложа определяют не только шероховатость русла (и следовательно, гидравлический режим потока), но и оказывают влияние на теплоприток от дна и температуру воды, а также на процесс образования донного льда.

Существенное влияние на процессы льдообразования в нижнем бьефе оказывает химический состав воды. Так в нижних бьефах гидроузлов, расположенных на устьевых участках рек, впадающих в море, вследствие смешения пресных речных и соленых морских вод часто наблюдается интенсивное шугообразование, вызывающее формирование зажоров, подъем уровней и подтопление примыкающих территорий.

На температуру воды в нижних бьефах ГЭС большое влияние оказывает проточность водохранилища. Чем больше проточность, тем интенсивнее турбулентный теплообмен в водохранилище, тем, при прочих равных условиях, теплее вода, сбрасываемая в летний период, и холоднее в зимний.

Влияние на гидрохимический режим водотока

Создание водохранилищ приводит к значительным изменениям условий формирования качества воды. Гидрохимический режим бьефов ГЭС является следствием естественных процессов образования и таяния льда, испарения и выпадения осадков, антропогенной нагрузки на водоем, а также следствием процессов самоочищения, складывающихся под влиянием притока в водохранилище, боковой приточности, режимов сброса расходов воды через ГЭС. При этом существенными факторами, под воздействием которых происходит формирование гидрохимического режима, являются:

·  природные фоновые характеристики качества воды;

·  морфометрические характеристики водохранилища, в том числе глубина сработки уровня воды и мертвый объем;

·  водообмен, степень проточности;

·  сброс хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод в водные объекты и на рельеф местности;

·  процессы образования и таяния льда;

·  процессы биологического самоочищения водоема;

·  температура воды;

·  смещение фаз гидрохимического режима и амплитуды максимумов концентрации примесей;

·  режим поступления загрязняющих веществ, в том числе химических веществ, с высокой сорбционной способностью, аккумулированных в ледяном покрове, включая нефтепродукты (особенно при их аварийном поступлении на ледяной покров);

·  химический состав пород и подземных вод ложа и бортов водохранилища.

Водообмен или степень проточности сказывается на времени запаздывания прохождения менее минерализованной паводочной воды по отношению ко времени наступления фаз гидрохимического и термического режимов. Под действием этого фактора движение с малыми скоростями в пределах водохранилищ ведет к накоплению излишних примесей в единице объема. Чем больше время водообмена в водохранилище, тем больше примесей оно накапливает, тем больше загрязнений сбрасывается с водой в нижний бьеф. Процессы образования и таяния льда являются тем механизмом, который разбавляет воду в период половодья за счет таяния льда до минимальных концентраций в конце паводка и увеличивает ее концентрацию в период ледостава за счет вытеснения примесей в подледный поток в процессе роста льда. Лед является одним из источников поступления чистой воды в водоемы и водотоки, причем объем весеннего снего- и льдотаяния определяет уровень минерализации водоема к весне будущего года. Чем больше сбрасывается в водоем талой воды, тем более глубокая очистка водоема производится [33].