Русловой режим водохранилищ и нижних бьефов

Русловой режим водохранилищ характеризуется тремя основными явлениями.

1. Аккумуляция речных наносов.

2. Деформации берегов и дна.

3. Заносимость входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов происходит вследствие падения скоростей течения при переходе от насыщенного наносами речного потока к водохранилищу с малыми скоростями течения. По мере приближения к плотине скорости течения становятся равными нулю и, следовательно, практически весь сток наносов реки, который до постройки плотины проходил вниз по течению, откладывается в чаше водохранилища. Таким образом, водохранилище постоянно заполняется наносами, особенно интенсивно весной, когда на реке наблюдается паводок с большим количеством наносов.

На горных реках с большим годовым твердым стоком и сравнительно небольшой емкостью чаши водохранилища аккумуляция может привести к полному заполнению наносами объема водохранилища. Для борьбы с этой угрозой у плотин горных водохранилищ устраиваются донные отверстия, через которые периодически производится промывка откладывающихся наносов.

Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, так как объем годового стока наносов у них составляет малую долю от объема водохранилища. Например, по ориентировочному расчету для занесения мертвого объема Рыбинского водохранилища на р. Волге емкостью около 8 км³ потребуется свыше 600 лет.

Однако на водохранилищах равнинных рек аккумуляция наносов происходит неравномерно по длине. В большом количестве отложение наносов наблюдается в верхней по течению зоне водохранилища, которую принято называть зоной переменного подпора.

На рис. 9.9 показаны продольные профили свободной поверхности водохранилища при нормальном подпорном уровне (НПУ) и уровне навигационной сработки (УНС), а также продольные профили свободной поверхности реки в естественном состоянии при весенних и меженных расходах воды. При больших весенних расходах воды в этой зоне подпора от плотины почти не ощущается, а по мере спада паводка эта зона попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах этой зоны в период высоких уровней наблюдается так же, как при естественном состоянии реки. Однако смыва отложений наносов не происходит, как это было на спаде паводка в естественном состоянии, так как при низких уровнях из-за подпора скорости течения резко уменьшаются.

В результате наносы на перекатах из года в год накапливаются, гребни перекатов повышаются, а глубины уменьшаются. Указанный русловой процесс приводит к тому, что в этой зоне для поддержания судоходных условий необходимо проводить дноуглубительные работы иногда в больших объемах, чем на реке в естественном состоянии. В противном случае перекаты этой зоны начинают лимитировать глубины при уровнях, близких к уровню навигационной сработки.

В первые годы эксплуатации водохранилища наблюдаются существенные деформации берегов. Это объясняется тем, что после заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня грунты берегов насыщаются водой, сцепление частиц грунта ослабляется, и под действием волнения они сползают вниз по береговому откосу. После нескольких штормов верхняя часть берега теряет устойчивость, и происходит его обрушение (рис. 9.10), при этом грунт откладывается у основания берегового откоса. Таким образом, разрушение берега ведет к отступлению наводной части береговой полосы и формированию нового берегового профиля с пологим подводным откосом в зоне колебания уровня воды. Особенно сильные деформации происходят на участках водохранилищ, где берега сложены лессовыми и песчаными грунтами. Например, в первые годы эксплуатации Каховского водохранилища на р. Днепре на некоторых участках с такими грунтами береговая линия отступила на 30-45 м, а через 4 года перемещение береговой линии достигло 90-100 м. Период активной переработки берега обычно заканчивается через 5-10 лет, а для окончательной стабилизации положения берега требуется 20-30 лет.

Это явление переработки берегов необходимо учитывать для выбора правильного положения судового хода, который должен располагаться вне возможной подводной осыпи грунта.

Кроме того, на некоторых участках водохранилищ, где волны подходят под некоторым острым углом к берегу (рис. 9.11), образуется вдольбереговое течение V_х со скоростями порядка 0,6-1,0 м/с и более. Эти скорости течения достаточны для интенсивного перемещения донных частиц грунта. Так как период штормового волнения может быть значительным, то вдольбереговое течение обычно транспортирует большой объем наносов. Если на пути такого течения встречается устье залива, где дно резко понижается, то поток расширяется, скорость его замедляется, а наносы откладываются на дно. Поэтому после каждого шторма в устье залива остается подводный вал наносов, который иногда перекрывает почти всю ширину входа в бухту.

В тех случаях, когда в таких заливах располагаются пристани или порты-убежища, проводят дноуглубительные работы для обеспечения глубин, необходимых для прохода судов.

В нижних бьефах (на участке ниже плотин) также происходят существенные изменения руслового режима, вследствие уменьшения продолжительности и высоты паводка и увеличения меженных расходов, а также из-за поступления из водохранилищ осветленной (без наносов) масс воды. Эти особенности зарегулированного режима приводят к существенным переформированиям русла (рис. 9.12). В целом на участках ниже плотин происходит увеличение гарантированных глубин за счет повышения уровней воды в меженный период при прохождении увеличенных расходов воды и некоторого размыва дна.

В первые годы эксплуатации наиболее интенсивные размывы русла наблюдаются на участках, расположенных непосредственно ниже плотин. Здесь осветленный поток, обладающий повышенной турбулентностью и дополнительной кинетической энергией, насыщается наносами, смывая их со дна реки, а также размывая некоторые участки берегов. В результате увеличивается емкость русла, что, в свою очередь, приводит к некоторому уменьшению скоростей течения и частичному выпадению наносов. При этом формируются новые песчаные гряды, побочни и осередки, которые существенно изменяют прежние формы русла. С удалением от плотин рассмотренный процесс постепенно затухает; период интенсивного размыва русла составляет 4-6 лет, а общий процесс русловых переформирований протекает десятки лет.

Отсутствие высоких паводков на участках зарегулированных рек способствует отмиранию (пересыханию) пойменных проток и рукавов. При этом расходы воды сосредотачиваются в меженном русле, что приводит к выравниванию глубин за счет некоторого размыва гребней перекатов и частичного отложения наносов в плесовых лощинах. В целом судоходные условия на участках рек с зарегулированным стоком улучшаются при меньшем объеме дноуглубительных работ.

Некоторые особенности руслового процесса наблюдаются на зарегулированных реках в местах впадения крупных притоков. В естественном состоянии притоки обычно оказываются в подпоре во время высокого паводка на главной реке, что приводит к отложению наносов на устьевых участках притоков.

После создания водохранилища уровни паводка на зарегулированной реке оказываются существенно ниже естественных уровней, а на притоках по-прежнему наблюдаются высокие паводки (рис. 9.13). Поэтому на устьевом участке притока образуется кривая спада уровней с большими уклонами свободной поверхности и значительными скоростями течения. В результате там происходит размыв дна, и большое количество наносов поступает в главную зарегулированную реку, что осложняет поддержание гарантированных габаритов пути на перекатах, расположенных ниже по течению.

Кроме того, участок зарегулированной реки, расположенный выше по течению от места впадения притока оказывается в подпоре (рис. 9.14) от высокого паводка на притоке. Следовательно, на перекатах этого участка будет откладываться дополнительный слой наносов из-за уменьшения скоростей течения в зоне подпора. Поэтому на участках впадения притоков на главной зарегулированной реке существенно увеличивается объем дноуглубительных работ для обеспечения гарантированных габаритов пути.