10903

Для водохранилищ малого объема на фоне незначительных изменений длины береговой линии также фиксировалось уменьшение площади зеркала (табл. 17.11), но за недостатком данных выполнить синтез общего тренда не получилось.

Увеличение объема водохранилищ ГЭС криолитозоны. Мутность северных рек невелика, в среднем около 20 г/м3 [452]. Заиление северных водохранилищ таким образом несущественно. Роль всплывающих торфяников в увеличении объема чаш водохранилищ особенно не проявляется. Опыт гидроэнергостроительства показал, что массового всплытия торфяников на больших северных водохранилищах не наблюдалось [335]. То же относится и к небольшим водохранилищам, например, к водохранилищу Анадырской ТЭЦ на р. Казачке [324], хотя проблемы с торфяниками там имеются. Основными при изменении со временем размеров чаш водохранилищ, эксплуатируемых в области вечной мерзлоты, выступают процессы тепловой осадки ложа и переформирования берегов. Процесс таяния льдонасыщенных пород основания, сопровождающийся осадкой оттаявшего слоя (термокарстовый процесс), определяет изменение объема чаши водохранилища. При этом объем (в отличие от водохранилищ, расположенных вне области вечной мерзлоты) с годами увеличивается. Процесс наиболее интенсивен в начальный период эксплуатации, после оттаивания толщи просадочных пород оседание ложа водохранилища прекращается.

Переформирование мерзлых нескальных берегов приводит большей частью к изменению площади водохранилищ.

Работы по натурному уточнению морфометрических параметров действующих водохранилищ ГЭС в области вечной мерзлоты, подобные работам на больших равнинных водохранилищах ЕТР, до настоящего времени не проводились. В их отсутствие научный и практический интерес оставалось удовлетворить приблизительными оценками. Обобщенные результаты таких оценок [538; 539], сконцентрированы непосредственно ниже.

Усть-Хантайское водохранилище размещено в зоне прерывистого распространения вечномерзлых пород мощностью от 15 до 60 м, занимавших 60 % затопленной территории. Наибольшей льдистостью (более 0,4) и просадочностью при оттаивании (более 0,5) характеризовались озерно-бо- лотные, озерно-аллювиальные и озерно-ледниковые отложения мощностью от 2,1 до 8 м, залегавшие на площади 2102 км2.

Уточнение морфометрических параметров водохранилища оказалось необходимым для объяснения причин проявившейся невязки его водного баланса и было выполнено институтом «Гидропроект» в 1977 – 1978 гг.

80

[327; 330; 452; 453; 454; 455], а затем в 1989 – 1990 гг., когда были прове-

дены аэрофотосъемочные, аэротелевизионные работы и полевые исследования на эталонном участке [456]. Приращение площади определили путем сравнения положения береговой линии в момент наполнения водохранилища на топографической карте масштаба 1:100 000 и через 19 лет на аэрофотоснимках, выполненных в том же масштабе. При НПУ = 60 м БС оно составило 175 км2 или 8,25 % проектной площади зеркала. Увеличение объема, было определено на эталонном участке акватории площадью 350 км2 путем сравнения топографического плана донного рельефа в масштабе 1:25000 на начало заполнения и через 20 лет. Последний строился по материалам промеров глубин эхолотом с катера на профилях через 500 м. Сравнение профилей 1970 и 1990 гг. свидетельствовало об уменьшении отметок ложа водохранилища относительно отметок поверхности рельефа до начала его заполнения в среднем на 3 м. Увеличение проектного полного объема водохранилища с учетом деформации берегов составило 2,81 км3 или 12,15 %, в том числе полезный объем увеличился на 1,06 км3. При этом основную долю в увеличении полного объема дало оседание ложа, а на деформацию берегов пришлось всего 0,17 км3. Процесс оттаивания и оседания вечномерзлых рыхлых высокольдистых грунтов четвертичного периода в основании водохранилища практически завершился к 1983 г. Полученные данные привели к уточнению кривой объемов водохранилища по состоянию на 01.01.1992 г. в сравнении с проектной кривой (рис. 17.17) [456].

Рис. 17.17. Кривые зависимости объемов от уровней воды

в Усть-Хантайском водохранилище: 1 – проектная; 2 – уточненная по состоянию на 01.01.1992 г. [456]

По справке Енисейского БВУ [408] в настоящее время действуют «Правила использования Усть-Хантайского водохранилища» 1996 г., в

81

которых учтено приращение его полного и полезного объемов, а также площади зеркала, в сравнении с проектными значениями, но в несколько меньших размерах (примерно на 1983 г.).

Курейское водохранилище расположено в зоне прерывистой вечной мерзлоты, распространенной на 25 % затопленной территории. В характеристике геокриологических условий района гидроузла институтом Сибгидропроект в 1990 г. указывалась величина оттаивания покровной толщи мерзлых дисперсных пород на 10-й год затопления, дающая возможное приращение объема водохранилища на 0,104 км3, т.е. на 1,04 % от проектного полного объема 9,962 км3 [587]. Такое приращение не внесло заметных корректив в проектную кривую объемов водохранилища. Как следует из справки Енисейского БВУ [408], при его эксплуатации действовали «Правила использования водных ресурсов водохранилища гидроузла Курейской ГЭС» 1992 г. и разработаны правила 2012 г., повторяющие проектные морфометрические показатели.

Колымское водохранилище проектным полным объемом 14,397 км3 расположено в районе сплошного распространения вечномерзлых пород мощностью 300 м и иногда более. Слой покровных льдистых четвертичных отложений имеет толщину 2 – 15 м [296]. Уже в период временной эксплуатации 1981–1987 гг. отмечались расхождения проектной и фактической кривых связи объемов и уровней водохранилища в зоне мертвого объема

(рис. 17.18).

Рис. 17.18. Кривые объемов Колымского водохранилища: 1 – проектная;

2 – фактическая за период временной эксплуатации 1984 – 1987 гг. [330]

82

Приращение достигнутого объема 0,85 км3 к 1987 г. составило 0,2 км3 (23,5 %). В период постоянной эксплуатации при НПУ = 450 м с 1988 г. стало происходить увеличение проектной призмы полезного объема в результате склоновых перемещений делювиально-солифлюкционных отложений и вытаивания льда из покровных мерзлых пород [330]. Если предположить, что отмеченная за 7 лет временно наполненного водохранилища интенсивность тепловой осадки его ложа (2 м на площади около 80 км2) оказалась такой же на остальной площади затопления (~300 км2), то за следующие 7 лет (1988

–1994 гг.) оседание ложа на этой площади привело к увеличению его объема на 0,75 км3, а если это оседание с большой долей вероятности оказалось предельным [296], то полный объем водохранилища к 1994 г. увеличился за счет него на 0,95 км3, т.е. на 6,5 %, а полезный – на 0,32 км3, т.е. на 4,8 %

[576].

Вилюйское водохранилище начали эксплуатировать в 1967 г. при отметке временного подпорного уровня 228,0 м БС, в 1973 г. был достигнут НПУ = 244,0 м БС, при котором площадь водной поверхности составила 2170 км2 (при затоплении 1112 км2 земель), полный объем 35,88 км3. На 1982 г. увеличение объема водохранилища вследствие тепловой осадки ложа исходя из мерзлотно-геологических условий оценивалось величиной

0,05 км3 или 0,14 % [330].

Эвенкийское водохранилище на р. Нижней Тунгуске, намеченное для самой крупной потенциальной гидроэлектростанции России (12000 МВт), в варианте с НПУ = 200,0 м БС получит полный и полезный объемы 409,4 км3 и 101,0 км3 и площадь зеркала 9400 км2 при площади затапливаемых земель 8680 км2 [731], располагаясь на территории, 10 – 25 % которой в нижней и до 60 – 80 % в верхней части занято вечной мерзлотой мощностью 50 – 300 м с температурой – 0,1…−3 °С. Четвертичные отложения представлены здесь склоновыми и аллювиальными образованиями толщиной 15 – 18 м с наличием подземного льда. Ориентировочные расчеты Института мерзлотоведения РАН показали, что за первые 10 лет после заполнения водохранилища мерзлый покров из дисперсных пород протает на 5,5

–8,0 м, а за 50 лет на 12 – 18 м [334]. Продолжив прогноз, получим, что при площади оттаивающих дисперсных пород около 50 % площади затапливаемых земель (4340 км2), их средней льдистости 0,3 и средних глубинах оттаивания 6,75 м за 10 лет и 15 м за 50 лет, общий объем тепловой осадки ложа может составить за 10 лет 8,78 км3 и за 50 лет 19,53 км3 или 2,14 % и 4,77 % полного объема водохранилища [576].

83

Амгуэмское водохранилище проектировалось на Чукотке для ГЭС мощностью 300 МВт, наиболее перспективной в регионе. По материалам геокриологических изысканий [296; 587] предназначавшаяся к затоплению водохранилищем суша (567 км2) расположена в зоне сплошной вечной мерзлоты с температурой на глубине затухания годовых колебаний −7,6 °С. Среди покровных отложений преобладают мерзлые ледниковые и озерноаллювиальные песчаные и супесчано-суглинистые породы с гравием и галькой, включениями ледяных прослоев и линз различного происхождения, по- вторно-жильными льдами глубиной 1 – 10 м. Согласно расчетному прогнозу за 5 и 20 лет глубина их оттаивания составит 3,8 и 6,6 м, тепловая осадка – 0,31 и 0,55 м. В предположении распространенности покровных пород по всей затапливаемой суше возможное приращение полного объема водохранилища за 5 и 20 лет после наполнения оценено в 1,10 и 1,95 %, а с учетом вытаивания повторно-жильных льдов может быть больше [576].

Результаты описанных оценок сгруппированы в табл. 17.12. Они показали, что увеличение полного объема водохранилищ в первые 2 десятилетия эксплуатации может составлять от 0,2 % (Вилюйское) до 12 % (Усть-Хан- тайское). Сформированная небольшая выборка из 9 точек позволила выполнить синтез общей закономерности увеличения полного объема водохранилищ ГЭС криолитозоны в зависимости от возраста (рис. 17.19).

Таблица 17.12

Оценочные данные об увеличении со временем полного объема эксплуатируемых и проектируемых водохранилищ ГЭС в области вечной мерзлоты [576]

Рис. 17.19 Показатели и общая закономерность возможного увеличения полного объема водохранилищ ГЭС в области вечной мерзлоты:

1 – Усть –Хантайское; 2 – Курейское; 3 – Колымское; 4 – Вилюйское; 5 – Эвенкийское; 6 – Амгуэмское [539]

Полученная закономерность дала общее представление о динамике процесса, показав, что водохранилища ГЭС криолитозоны за 20 – 40 лет эксплуатации могут естественным образом увеличивать свой полный объем в среднем на 6 – 8 % с последующей стабилизацией ситуации.

Поведение береговой линии и площади зеркала водохранилищ ГЭС криолитозоны. Изменение длины береговой линии и площади зеркала вследствие переформирования берегов, оцененное для Усть-Хантайского [327; 408; 456; 714] и Вилюйского [90; 103; 330] водохранилищ, отражено в перечнях вместе с данными об этих параметрах больших равнинных водо-

хранилищ (см. табл. 17.9, 17.10).

Увеличение объема малых водохранилищ криолитозоны. Един-

ственным водохранилищем криолитозоны, на котором выполнены полнообъемные исследования изменения со временем морфометрических параметров, является пока малое Анадырское водохранилище на Чукотке (см. раздел 16.3, табл. 16.3, рис. 16.19 – 16.21). Вследствие тепловой осадки льдистых четвертичных отложений за 22 года эксплуатации с 1986 г. по 2008 г. полный объем водохранилища увеличился с 6,19 до 7,23 млн м3 ( на 16,8 %), а к 2030 г. по прогнозу возрастет до 7,55 млн м3, т.е. увеличение составит 21,9 % проектного объема (рис. 17.20) [539].

В отсутствие натурных изысканий по другим малым водохранилищам криолитозоны были предприняты приблизительные оценки изменения их объемов со временем расчетными методами [539]. В качестве исходных

85

данных принимались сведения о природных условиях, составе и свойствах грунтов долин, почерпнутые из публикаций, проектов, материалов эксплуатирующих организаций, архива ННГАСУ. Для примера представим результаты одной из таких оценок.

Рис. 17.20. Кривые объемов W и площадей зеркала F Анадырского водохранилища на р. Казачке [324]

Водохранилище на ручье Уэся-Лиендокит в бассейне р. Мархи (приток р. Вилюя) создано в 2006 г. для водоснабжения Нюрбинского ГОК АК «Алмазы России-Саха». В 2009 г. в ННГАСУ выполнялись прогнозные расчеты температурного режима плотины гидроузла для обеспечения мониторинга [60], совместно с которыми были проведены расчеты оттаивания основания водохранилища до 2020 г. с учетом осадки грунтов покровного слоя и выявлена возможность увеличения полного объема водохранилища на 14,3 % (табл. 17.13, рис. 17.21).

Таблица 17.13

Морфометрические характеристики водохранилища на р. Уэся –Лиендокит [60]

Рис. 17.21. Кривые объемов W и площадей зеркала F водохранилища

на р. Уэся-Лиендокит: 1 – F = f (H) проектная на 2006 г.; 2 – W = f (H) проектная на

2006 г.; 3 – W = f (H) оценочная на 2020 г. [60]

Аналогичным образом получены оценочные расчетные данные для 15 водохранилищ, по которым синтезирована общая закономерность увеличения полного объема малых водохранилищ криолитозоны в зависимости от возраста (рис. 17.22).

Рис. 17.22. Показатели и общая закономерность возможного увеличения полного объема малых водохранилищ в области вечной мерзлоты:

1 – на р. Долгой; 2 – Аркагалинское; 3 – Анадырское; 4 – на р. Каменушке; 5 – Иреляхское; 6 – Кадыкчанское; 7 – Певекское; 8 – на р. Ойуур-Юреге; 9 – Билибинское; 10 – Сытыканское; 11 – на р. Мархе; 12 – на р. Уэся-Лиендокит; 13 – на р. Эбэлэх; 14 – на р. Ваче; 15 – на р. Ханмей

87

За три десятилетия эксплуатации почти полностью протаивают покровные слои мягких просадочных грунтов в зонах затоплений исследованных водохранилищ. Исходя из выявленной общей закономерности, средний предел увеличения емкости чаш малых водохранилищ криолитозоны оценен нами примерно в 20 % от полного объема [539; 576].

Участки перспективных гидроэнергоузлов на северо-востоке страны, особенно в северной Якутии и на Чукотке, характеризуются распространением сильнольдистых дисперсных пород со свойствами, резко изменяющимися при оттаивании. С продвижением гидроэнергетического и водохозяйственного строительства в северо-восточном направлении вопрос о возможном увеличении объемов чаш водохранилищ потребует углубленного изучения.

17.4. Фрактальные параметры водохранилищ

Географические информационные системы (ГИС) «Морфометрия водохранилищ» создаются методами традиционной геометрии, которая основана на приближенной аппроксимации структуры объекта линиями, отрезками, плоскостями, многоугольниками и т. п. Объект заменяется моделью. Это приводит к потере части информации об его свойствах. Например, топология не видит разницы между различными береговыми линиями: топологическая размерность любой береговой линии равна топологической размерности окружности и обе они равны 1. Дополнительную полезную количественную информацию в ГИС предназначены внести данные о фрактальных параметрах водохранилищ, получаемые методами фрактальной геометрии.

Термин «фрактал» (fractal) означает дробный, ломаный, фрагментарный. К фракталам относят геометрические объекты, имеющие изрезанную форму и демонстрирующие некоторую повторяемость (самоподобие) в широком диапазоне масштабов. Математическим выражением самоподобия выступают степенные законы f(x) = c∙(x)D с целочисленными или дробными постоянными c и D. Специфической количественной характеристикой фрактального объекта является фрактальная размерность D [666].

Фракталы встречаются везде. Специалисты в разных областях, повинуясь врожденной активности, штурмуют фрактальную тему. У водохранилищ (замкнутых водоемов) фрактальными свойствами обладают береговая линия, площадь водного зеркала, подводный рельеф [601].

88

Береговая линия это фрактал. Во фрактальной геометрии различные береговые линии имеют разные фрактальные размерности в диапазоне 1 < D < 2, и величина D тем больше, чем более извилистым является берег. Результат измерения береговой линии зависит от масштаба топографической основы и длины измерителя . С уменьшением длина береговой линии L( ) увеличивается теоретически до бесконечной. Пример – на рис. 17.23 и в табл. 17.14 [578]. Чтобы избежать несопоставимости результатов, в сообщениях о длине береговой линии надо указывать масштаб картографической основы, на которой она измерена. Но даже в солидных монографиях [112; 117] и академических изданиях [520] длина береговой линии, если и называется, то без указания способа измерения.

Таблица 17.14

Результаты измерения длины береговой линии Горьковского водохранилища на участке АБ между д. Малый Суходол и плотиной гидроузла [578; 601]

Методы вычисления фрактальной размерности D береговой линии по ее изображению на плоскости освещены в специальной литературе [601; 666]. Понятно, что измерить длину береговой линии водохранилища и определить ее фрактальную размерность можно только приблизительно. В реальности из практических соображений обычно выбирают минимальный размер деталей береговой линии равным порядку единицы измерения. Так, если береговая линия измеряется в километрах, то детали меньше 1 км просто не принимаются во внимание. При этом для многих береговых линий

89