АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

12.1. Развитие русловых процессов в условиях зарегулированного режима

Наиболее значительное влияние на русловые процессы оказывают подпорные гидротехни­ческие сооружения (водохранилища различного назначения), которые в настоящее время являются наи­более распространенной формой инженерного регулирования и воздействия на речной поток.

В зависимости от соотношения объема с объемом речного стока водохранилища бывают суточного, недельного, се­зонного и многолетнего регулирования.

Водохранилища, осуществляющие сезонное и многолетнее регулирование стока, имеют значительный размах колебаний уровней воды, приводящий к возникновению больших площадей переменного затопления и постоянному изменению контакта водоёма с берегами. На крупных равнинных водохранилищах амплитуда колебаний уровней со­ставляет в среднем 5−15 м (на водохранилищах Беларуси ― до 5 м), на горных реках дос­тигает нескольких десятков метров. Раз­меры территорий подтопления составляют от 35 до 90 % площади водохранилища при НПУ.

После создания водохранилищ на реках формируются три основные зоны, с харак­терными изменениями усло­вий руслоформирования: зона выклинивания подпора, зона соб­ственно водохранилища и зона нижнего бьефа (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Основные зоны водохранилища при зарегулированном (а)

и естественном (б) режимах.

I ― зона выклинивания подпора; II ― зона, непосредственно занятая водохранилищем;

III ― нижний бьеф; IV ― гидрограф стока

В зоне выклинивания подпора I, которая одновременно является и зоной пере­менного подпора, расходы воды остаются такими же, как в естественных условиях, но проходят при повышенных уровнях. Верхняя граница зоны может перемещаться вверх и вниз по течению в зависимости от величины подпора (колебания уровня). Наиболее низ­кое положение (ближе всего к плотине) место выклинивания (граница) под­пора занимает обычно в начальную фазу половодья, когда водохранилище обычно сильно срабо­тано. По мере наполнения водоема граница подпора перемещается выше по реке. Во время летней межени, когда уровень водохранилища постепенно срабатывается, граница подпора мед­ленно смещается обратно вниз по течению.

Если до создания подпора русло было однорукавным, возможно появление в нем русловой многорукавности. Если на пойме имелись протоки, следует ожидать их полного занесе­ния, усиления отложений ила на поверхности поймы, а также увеличения отложе­ний наносов в русле в резуль­тате их выноса с поймы.

В зоне переменного подпора происходит сосредоточенное накопление донных и взвешенных наносов, которые образуют первичное тело заиления, напоминаю­щее дельту реки. Это приводит к развитию регрессивной аккумуляции вверх по течению реки. Про­тяженность зоны переменного подпора на водохранилищах Волги, Дона, Оби и Днепра превышает 200 км, на крупнейших водохранилищах Беларуси ― до нескольких ки­ломет­ров, на водохранилищах горных рек ― сотни метров.

В зоне, непосредственно занятой водохранилищем II, возникают процессы, резко отличные от наблюдавшихся в естественных условиях. В образованной плотиной чаше водохранилища проис­ходят процессы её заиления и занесения, рассмотренные ниже (см. пункт 12.2).

Зона нижнего бьефа III, начинаясь у самой плотины, заканчивается створом, в ко­тором восстанавливаются сток наносов и водный режим. Главная особенность режима стока в этой зоне заключается в его выравнивании: срезается половодье, за­держиваемое в водохранилище, сбросы из него приводят к уве­личению меженных расходов воды (см. гидрограф IV на рис. 12.1), резко уменьшается сток речных наносов.

В результате уменьшения расхода наносов (часть их откладывается в водохрани­лище) и увеличения транспорти­рующей спо­собности потока, происходит усиление его размы­вающей деятельности. Особенно интенсивно размывается дно непосредственно вблизи тур­бин и водослив­ных частей пло­тины, где находится участок местного размыва. Егоглу­би­на мо­жет достигать 10−20 м на крупных гидроузлах, что представляет значительную угрозу ус­тойчивости сооружения, ухудшают условия водозаборных устройств и т.д. Наибольшему врезанию русла способствуют волны попуска суточного и недельного регулирования, холостые сбросы во время экстремальных половодий и паводков и др.

Наконец, глубина размыва достигает какого-то предела, когда скорости на размы­ваемом уча­стке уменьшатся настолько, что прекратится движение наносов определенной крупности. Это создает так называемую «отмостку» в русле, не допускающую даль­нейший размыв в глубину. Процесс отмостки состоит в том, что мелкие частицы грунта вымыва­ются и уно­сятся потоком, крупные оседают на дне (отмащивают дно), препятствуя его дальнейшему размыву.

На более протяжен­ном участке ниже пло­тины от­мечается общий размыв, который по мере восстановления нагрузки потока нано­сами по­степенно затуха­ет вниз по течению. Длина участка общего размыва ниже плотин может достигать десятков и даже сотен ки­лометров на очень больших реках. На Оби от Новосибирской ГЭС общий размыв протя­гивается до устья Томи, на Енисее ниже Красноярской ГЭС ― до впадения Ангары. На реках, где во­дохранилища сооружены в низовьях, в зону общего размыва входит участок реки вплоть до устья (Днепр ниже Каховской ГЭС, Волга ниже Волгоградского гидроузла, Дон ниже Цимлянской ГЭС).

Ха­рактер деформаций на участке общего размыва в значительной мере зави­сит от того, какой тип руслового процесса существовал до начала регулирования стока воды. Выравнивание внутригодового распределения стока сопровождается образованием осе­редков, островов, новой системы разветвлений. Если на пойме были протоки, возможно их отмирание и переход русла от многорукавного к однорукавному и т.д. На меандри­рующих реках происходит изменение форм и параметров излучин в соответствии с изме­нившимися гидравлическими условиями. С течением времени темпы русловых перефор­мирований постепенно затухают.

Из-за срезки расходов и уровней воды водохранилищем значитель­но уменьшается частота и продолжительность затопления пойм. Всё это вызывает негативные экологиче­ские процессы деградации поймы, снижения её биопродуктивности (кормовые луга, рыб­ное хозяйство). С целью их минимизации из водохранилищ (в ущерб энергетике) осуще­ствляются специальные экологические попуски (Обь, Иртыш, Волга и др.). В Беларуси при составлении водохозяйственных балансов водохранилищ в расходной статье преду­смотрена величина экологического попуска в нижний бьеф.