10884

последующего времени, затем начинается медленная сработка водохранилища. До минимальных отметок уровень водохранилища срабатывается в предполоводный период, а в половодье быстро повышается до отметки НПУ. Водохранилища, осуществляющие многолетнее регулирование стока, заполняются до НПУ и срабатываются до УМО не ежегодно, а некоторые из них один раз в несколько лет.

Рис. 12.1. Средний годовой ход уровней водохранилищ разного типа регулирования:

а– Горьковское недельного регулирования ( с элементами сезонного);

б– Куйбышевское сезонного регулирования; в – Рыбинское многолетнего регулирования [7;122;262]

Так, в Рыбинском водохранилище многолетнего регулирования несмотря на то, что в годовом цикле уровня отчетливо наблюдаются две указанных выше фазы (весеннего наполнения; летне-осенней и зимней сработки), характер колебаний уровня в одни и те же периоды из года в год меняется. Амплитуды сезонных колебаний уровня в отдельные годы

230

достигали 5 – 8 м. Изменялись среднегодовые значения уровня с разницей до 2 м. Наблюдались значительные колебания уровня в летне-осенний период [92] (рис. 12.2). Правилами эксплуатации зимнюю сработку уровня на Рыбинском водохранилище рекомендовано вести с интенсивностью 2 – 5 см в месяц [462].

При сработке уровня Камского водохранилища, достигающей 7,5 м, временно осушаются обширные прибрежные мелководья (рис. 12.3).

Сработка уровня Братского водохранилища на проектные 10 м невелика для водохранилища предгорного типа (рис. 12.4).

Для водохранилища многолетнего регулирования Саяно-Шушенской ГЭС с 1996 г. нормальный подпорный уровень установлен 539,0 м БС. По условиям сохранения безопасного состояния уникальной арочно-гравита- ционной плотины и ее основания предусмотрено растянутое по времени наполнение водохранилища (рис. 12.5): подъем уровня верхнего бьефа до отметки 538,0 м в августе, до НПУ = 539,0 м к середине сентября, начало сработки в первой половине октября. Время удержания отметок УВБ, близких к НПУ, ограничено до 3 – 4 недель с последующей сработкой водохранилища до отметки 538,0 м к концу октября, 530,0 м к концу декабря и до УМО = 500,0 м к 1 мая (рис. 12.6). Установлен режим по скорости наполнения водохранилища: до отметки 520,0 м – скорость не ограничивается; от отметки 520,0 м до отметки 530,0 м – не более 1,5 м/сутки; выше отметки 530,0 м – не более 0,7 м/сутки [709].

Впроектах водохранилищ многолетнего и сезонного регулирования при прохождении половодий редкой повторяемости с вероятностью превышения 0,1 – 0,01% предусматривается форсирование уровня: на Рыбинском водохранилище оно равно 1,4 – 2 м, на Горьковском 0 – 1,5 м [462], на Са- яно-Шушенском 0 – 1,0 м [709], на Колымском водохранилище до 2,6 м.

Врезультате изменения в период эксплуатации водохозяйственной роли водохранилищ их уровенный режим может претерпевать трансформации относительно первоначального (проектного) режима. Это происходит со многими водохранилищами, особенно расположенными в каскадах, по мере развития последних [122].

Своеобразная ситуация сложилась с уровенным режимом озера-водо- хранилища Байкал [447; 567]. С 1956 г. оз. Байкал находится в подпоре от Иркутской ГЭС на р. Ангаре. При НПУ = 457,0 м БС площадь зеркала водохранилища составляет 32966 км2, в т.ч. озерная часть 32812 км2 и речная часть 154 км2. При подпоре среднемноголетнего уровня озера на 1 м его

231

длина равна 636 км, наибольшая ширина 79,5 км, протяженность береговой линии свыше 2000 км, максимальная глубина 1741 м, основная часть акватории имеет глубины более 500 м [119; 190]. С помощью призмы озера-во- дохранилища, образованной подпором, ведется многолетнее и сезонное регулирование стока р. Ангары в целях выработки электроэнергии на гидростанциях Ангарского каскада, обеспечения необходимых для судоходства, промышленных и коммунальных водозаборов уровней воды на 100-кило- метровом участке р. Ангары, свободном от подпора Братской плотины, защиты от наводнений в долине р. Ангары и в г. Иркутске. По проекту Иркутской ГЭС для Байкала была установлена подпорная отметка НПУ = 457,0 м со сработкой до отметки 455,54 м в маловодные годы и форсировкой до отметки 457,73 м при максимально допустимом расходе гидроузла 6 000 м3/с

вполоводье вероятностью превышения 0,1%. За период эксплуатации максимальная годовая амплитуда колебаний уровня оз. Байкал достигла 1,71 м

в1973 г. при том, что в естественных условиях она доходила до 2,17 м. В 1950-е гг. затопление г. Иркутска начиналось при расходе воды в р. Ангаре 6 000 м3/с, а в 2000-е гг. этим расходом могло затапливаться уже 840 га городских земель с 3 583 появившимися объектами застройки. По причине посадки уровня в результате многолетней добычи песчано-гравийной смеси из русла р. Ангары в нижнем бьефе Иркутской ГЭС требуется попуск до 1 300

– 1 400 м3/с против проектного попуска 1 050 м3/с для обеспечения работы расположенных здесь водозаборов. При описанных обстоятельствах Правительство РФ Постановлением № 234 от 26 марта 2001 г. ограничило высоту регулирующей призмы оз. Байкал до 1 м: от НПУ = 457,0 м до отметки предельной сработки 456,0 м (рис. 12.7). Снижение регулирующего эффекта оз. Байкал грозит в маловодные годы нарушением судоходства и работы водозаборов на бесподпорном 100-километровом участке р. Ангары ниже Иркутской ГЭС, а в годы с повышенной водностью – затоплением населенных массивов в городах Иркутске и Ангарске [447]. Ситуация была описана в 2006 г. [447] и пока, по-видимому, не разрешена [567].

Водохранилища недельного и суточного регулирования отличаются от рассмотренных выше водохранилищ многолетнего и сезонного регулирования отсутствием предполоводной сработки [7].

232

Рис. 12.2. Отмели на Рыбинском водохранилище, обнажившиеся при летне-осеннем понижении уровня воды [163]

Рис. 12.3. Осушенная зона при зимней сработке уровня на Камском водохранилище [418]

Рис. 12.4. Сработка уровня Братского водохранилища в предполоводный период [http: // nature. baikal.ru]

233

Рис. 12.5 Уровенный режим водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС в

2006 г.: 1 – фактический; 2 – расчетный (среднемноголетний) [709]

Рис. 12.6. Зона сработки уровня Саяно-Шушенского водохранилища, выделяющаяся на берегах [forum.hnet.ru]

Рис. 12.7. Динамика зарегулированных уровней оз. Байкал в 1960 – 2015

гг.: 1 – наивысший уровень в году; 2 – наинизший уровень; 3 – НПУ; 4 – УМО; 5 – установленная с 2001 г. нижняя предельная отметка

234

12.3. Водный баланс водохранилищ

Водный баланс, это соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта [171; 737].

Водный баланс водохранилища отражает характер регулирования стока, взаимодействие природных и антропогенных факторов. Причем, воздействие последних определяет характер расходной, а в водохранилищах каскадов и приходной части баланса. Выражение водного баланса водохранилища можно записать символами в виде [122]:

к − к−1 = пр ∙ + о − ∙ − п ∙ − и − л − ф ± ∆,

где t – продолжительность рассматриваемого интервала времени, с;

к, к−1 – объемы воды в водохранилище соответственно на конец и начало интервала, м³; пр – расход поверхностного притока в водохранилище, м³/с;о – объем осадков на водное зеркало водохранилища, м³;– расход сброса воды через гидроузел (ГЭС, водосброс, шлюз), м³/с;

п – расход безвозвратного потребления воды из водохранилища, м³/с;и , л , ф – объемы потерь воды на дополнительное испарение с поверх-

ности водохранилища, льдообразование и фильтрацию, м³; ∆ – объем невязки баланса, м³ (допускается 1 – 5 %); величины о, и, л, ф определяются за рассматриваемый интервал времени, а значения пр, , п берутся средние за этот интервал; продолжительность интервала t принимается обычно равной 1 месяцу; в половодье – возможно декаде или пятидневке. В левой части вышеприведенного выражения записана аккумулятивная составляющая баланса. В правой части стоят составляющие приходной (+) и расходной (–) частей.

Приходную часть водного баланса водохранилища обеспечивает поверхностный приток с водосбора. При этом в каскадах приток трансформируется вышележащими водохранилищами. В расходной части баланса основу составляет сброс воды через гидроузел. Для всех водохранилищ приток и сброс воды доминируют над остальными составляющими баланса. Соотношением приходной и расходной частей баланса определяются два периода в годовом цикле водного режима водохранилища – наполнение и сработка [122].

Осадки на водное зеркало водохранилища даются в климатических справочниках как среднемноголетние, так и по месяцам. В равнинной части

235

европейской территории страны среднее годовое количество осадков (норма) составляет 500 – 600 мм, в арктической зоне Сибири 200 – 300 мм, на Дальнем Востоке 550 – 800 мм, в горных районах Алтая 800 – 1300 мм [347]. Для периода ледостава в оценках водного баланса величина осадков приравнивается нулю [122].

Потери воды на дополнительное испарение с поверхности водохра-

нилища определяются разностью между испарением с водной поверхности и с суши по месячным интервалам времени за безледоставный период каки = ( в − с)( в − р) ∙ 1000 , м3, где в, с – слои испарения с водной поверхности и с суши за рассматриваемый месяц, мм; в – площадь поверхности воды водохранилища средняя за данный месяц, км²; р – площадь поверхности воды в реке на длине водохранилища, км². Если площади водной поверхности водохранилища и реки отличаются незначительно, что возможно для русловых водохранилищ, то потерями на дополнительное испарение можно пренебречь. Если же площадь поверхности воды водохранилища велика по сравнению с площадью поверхности воды в реке, то последнюю можно принять равной нулю [347; 598]. В районах с сухим климатом большие водохранилища в результате испарения с их водной поверхности увеличивают объемы безвозвратных потерь воды, т.е. выступают в роли одного из ее потребителей [117].

Для представления о величине дополнительного испарения укажем, что на территории России средняя годовая величина испарения с поверхности суши составляет 100 – 500 мм, а с водной поверхности водоемов 300 – 1 000 мм, увеличиваясь с севера на юг [347].

Годовой слой испарения по районам некоторых водохранилищ Волж-

На всей территории бассейна р. Волги средние величины испарения с водной поверхности закономерно возрастают с северо-запада к юго-востоку от 350 – 450 мм/год до 900 – 1000 мм/год и более. При этом за период 1978

– 2010 гг. по отношению к предшествовавшему периоду 1951 – 1977 гг. среднее испарение с водной поверхности уменьшилось в бассейнах Верхней

236

Волги с 400 до 335 мм/год, а в бассейнах Нижней Волги с 1000 до 820 мм/год (т.е. на 10 – 20 %), что объясняется падением средней скорости ветра. При этом суммарное испарение с поверхности суши с середины 1960-х гг. до конца 1980-х гг. увеличилось в среднем на 2 – 4 % в год, что обусловлено ростом температуры воздуха и осадков [339].

Объем дополнительных потерь на испарение с поверхности всех водохранилищ страны не превышает 0,2…0,3 % стока рек [122].

Потери воды на льдообразование различают безвозвратные и воз-

вратные (временные). Безвозвратные потери – это объем льда, сброшенный из верхнего бьефа через водосбросные сооружения гидроузла. Чаще всего лед тает в водохранилище, тогда этих потерь нет (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Таяние льда в Саяно-Шушенском водохранилище и в малом водохранилище Протяжка на р. Саровке в Нижегородской области

237

Возвратные потери бывают в тех случаях, когда при снижении уровня водохранилища часть ледяного поля оседает на склонах берегов и до весны не может быть использована, а с наступлением теплого периода этот лед тает

ивода поступает в водохранилище [347]. Лед, опустившийся на грунт, на больших водохранилищах перед весенним половодьем может занимать площадь в сотни квадратных километров. Так, на 10.04. 2005 г. замеренная площадь оседания льда по периметру Горьковского водохранилища составляла около 290 км2 . Возвращение воды из осевшего льда приурочивается к началу половодья, длительность поступления этой воды – около 20 дней. При отсутствии зимней сработки водохранилища временные потери на льдообразование равны нулю [598].

Потери на фильтрацию происходят при фильтрации воды из водохранилища через напорные сооружения гидроузла, их основания и сопряжения с берегами из верхнего бьефа в нижний бьеф, а также через основание

иборта водохранилища.

Фильтрация через сооружения гидроузла обычно незначительна. Она рассчитывается при проектировании сооружений [515].

Фильтрация в основании и бортах водохранилища зависит от геологических и гидрогеологических условий долины, от величины созданного подпора, от положения зеркала подземных вод относительно уровня водохранилища. Может происходить утечка воды из водохранилища в основание и борта или дополнительное питание его посредством безнапорной фильтрации.

Наибольшие потери воды на фильтрацию наблюдаются в период первоначального наполнения водохранилища, когда грунты насыщаются водой; они могут достигать 10 – 15 % объема водохранилища в год; на третийчетвертый год наступает стабилизация. Так, фильтрационные потери воды на насыщение дна и бортов Рыбинского водохранилища в первые годы его заполнения составляли от 1,5 до 4 км3/год. В первые годы существования Куйбышевского водохранилища фильтрационные потери составляли 3,5 – 4

км3/год [262].

В эксплуатационный период при относительно постоянном уровне водохранилища фильтрация приобретает установившийся характер. Так, по данным замеров расходы фильтрационного потока в створе Нижегородского гидроузла составляют через грунтовые плотины 1 150 л/с, через основание водосливной бетонной плотины 3,7 л/с и здания ГЭС – 1,7 л/с. Береговые примыкания, сложенные глинисто-мергелистыми отложениями,

238

практически не фильтруют. Своеобразным путем фильтрации является палеодолина р. Волги, слева обходящая гидроузел, через которую фильтрует 5 530 м3/сутки воды. Суммарный фильтрационный расход из Горьковского водохранилища составляет 130058 м3/сутки, фильтрационные потери за год

– 0,05∙109 м3 [306].

Потери воды на фильтрацию через ложе (основание и борта) водохранилища можно оценить приблизительно в виде слоя воды, теряемой с зеркала водохранилища (табл. 12.2), или рассчитать современными методами [515]. Наибольший процент фильтрационных потерь характерен для мелководных водохранилищ, а наименьший – для глубоководных [710]. При постоянном уровне водохранилища в течение года потери на фильтрацию будут одинаковыми по месяцам.

Т а б л и ц а 1 2 . 2

Приблизительные величины потерь воды на фильтрацию в дно и борта водохранилища [347]

Особенным образом происходит фильтрация воды из водохранилищ в области вечной мерзлоты. Сплошная толща вечномерзлых пород является в целом водоупорной. Подмерзлотные горизонты обычно обводнены, причем почти повсеместно эти воды напорные. Под водохранилищем, как правило, развивается сквозной талик. Через талик возможна фильтрация воды из водохранилища под толщу мерзлого грунта, если оттуда имеется сток. [587].

Составление водного баланса водохранилища на предстоящий период времени по намечаемым на перспективу расходам водопотребления и водопользования (отдаче водохранилища) при существующей или

239