Трансформация ложа водохранилища в нижнем бьефе Камской ГЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Кафедра гидрологии и охраны водных ресурсов

Географического факультета

Трансформация ложа водохранилища в нижнем бьефе Камской ГЭС

Шайдулина Аделия Александровна,

старший преподаватель

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены существующие подходы к оценке переформирования ложа водохранилищ. Проанализированы существующие области морфолитогенеза котловины водохранилищ. Перечислены процессы, оказывающие влияние на условия развития и функционирования нижних бьефов гидроузлов. Дана характеристика трансформации ложа нижнего бьефа Камского водохранилища.

Ключевые слова: водохранилище, нижний бьеф, трансформация ложа

Проблема русловых деформаций является одной из наиболее спорных в современной гидрологии. Сложность ее изучения заключается как в самой физике процесса, так и недостатке эмпирического материала наблюдений за русловыми процессами в природных условиях. Это связано с тем, что не существовало и не существует развитой сети наблюдений за русловыми процессами. Ввиду последнего применение тех или иных разработанных методов анализа русловых деформаций ограничено. Еще большую сложность представляют исследования деформаций дна и берегов водохранилищ. Наиболее сильны последствия создания водохранилищ там, где гидротехническое сооружение резко изменяет гидрологический режим (высокий подпор, большие амплитуды суточных колебаний уровней воды и т.п.). Создание плотины Камской ГЭС привело к задержке твердого стока и перераспределению во времени стока воды, что обусловило изменение руслового процесса и, как следствие, деформации ложа водохранилища в нижнем бьефе гидроузла КамГЭС. Преобладающие в естественных условиях обратимые деформации русла, вызванные транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора, после возведения гидроузла сменились необратимыми деформациями [2].

Таким образом, целью является анализ факторов, влияющих на переформирования ложа водохранилища в нижнем бьефе (на примере Камского). Для этого применяется гидроморфологическая теория совместно с принципами системного подхода. Возможность их совместного применения объясняется согласованностью принципов гидроморфологической теории и системного подхода (табл. 1).

ложе водохранилище бьеф

Таблица 1

Согласованность принципов гидроморфологической теории и системного подхода

В итоге для изучения деформаций ложа водохранилища в нижнем бьефе Камского водохранилища разработана схема их изучения (рис. 1). Она имеет системную структуру, т.е. ее суть раскрывается с помощью блоков - триад. Базисом в ней выступает геология. Гидрологический режим водохранилища реализовывается с помощью трех системообразующих факторов: жидкого стока, твердого стока и гидро- и геодинамики. По такому же принципу раскрыты и сами системообразующие факторы.

Рисунок 1. Системная схема изучения русловых процессов

Представленная схема позволяет анализировать характер русловых и геодинамических процессов под влиянием особенностей гидрологического режима водного объекта с учётом определяющих специфических условий. По словам Т.П. Девятковой [1], водохранилища, созданные в долинах рек, несмотря на их существенные различия от речных потоков, тем не менее, обладают с ними общностью физико-генетических свойств. Сток в пределах их водосборов формируется согласно физико-географическим закономерностям, присущим как естественным, так и преобразованным антропогенной деятельностью потокам. Движение воды и находящихся в ней твёрдых частиц обусловлено действием сил и подчиняется общим гидродинамическим законам. Это позволяет представить структуру «гидрологического режима водохранилищ» в соответствии с принципами и правилами применения системной методологии. В этом случае деформации дна на водохранилищах рассматриваются как совокупность явлений и процессов, протекающих в водоеме и вне его, и тесно связанных между собой.

Из изученных гидрологических параметров, определяющих характер и направленность деформаций котловины, наибольший интерес представляют скорости течения и величина коэффициента проточности. Другой особенностью скоростного режима этого участка является формирование обратных течений, связанных с искусственным регулированием стока ГЭС. По глубине скорости течения распределены неравномерно. Своеобразие динамики поверхностных и придонных скоростей в нижнем бьефе заключается в следующем: в период интенсивного увеличения скоростей течения (при прохождении прямой положительной волны) отмечается значительное превышение абсолютной величины придонных скоростей над поверхностными, составляя 10 см/с и более. Затем происходит постепенное выравнивание скорости течения по вертикали. В случае прямой отрицательной или отраженной положительной волны интенсивность сокращения поверхностной скорости значительно меньше, чем придонной. Таким образом, придонные слои быстрее реагируют на изменения попусковых расходов [3]. В целом скорости в нижнем бьефе почти в два раза больше, чем в верхнем (17-32 и 5-10 м/с соответственно). Что касается коэффициента проточности, то по нему мы можем судить о тяготении потока в искусственном водоеме к речным или озерным условиям. Это коэффициент изменяется от 0 до 1. В многоводные годы в нижнем бьефе он увеличивается до 0,66.

На основании русловых топосъемок за 2010 и 2015 гг составлены ЦМР участков (рис. 2) и совмещенный план деформаций участка нижнего бьефа от плотины Камской ГЭС до Нижней Курьи протяженностью 13 км по судовому ходу (рис. 3). Также прорисованы поперечные профили, по которым можно судить о качественной и количественной трансформации котловины.

Для приплотинного участка нижнего бьефа гидроузла характерны однонаправленные деформации увеличения глубины и ширины русла с переотложением образовавшихся местных наносов в зонах понижения скоростей течения. Весь участок находится в зоне внутрисуточного регулирования работы ГЭС, обуславливающего высокую турбулентность потока, обедненного наносами. По этой причине в течение длительного времени (десятки лет) происходит постепенно затухающий размыв чаши. Протяженность зоны размыва охватывает участок от створа Камской ГЭС до Н. Курьи. Берега на рассматриваемом участке практически повсеместно укреплены бетоном, поэтому плановые деформации для него не характерны и наибольшее внимание уделено продольным деформациям ложа.

Рис. 2. ЦМР котловины нижнего бьефа КамГЭС от плотины до п. Нижняя Курья состоянию на 2010 (а) 2015 (б) гг

Как видно из ЦМР нижнего бьефа КамГЭС (рис. 2), на рассматриваемом участке происходят процессы как размыва, так и аккумуляции, что не могло не сказаться на положении судового хода, которое претерпело незначительные изменения. Так, линия судового хода 2010 года наиболее прямая, по сравнению с линией 2015 г. На протяжении 3,5 км от КамГЭС она проходит вдоль левого берега, затем плавно переходит к центру, где она остается на протяжении 2 км, после чего идёт вдоль правого берега. По длине существенных изменений не произошло - и в 2010 и в 2015 г. протяжённость линии составляет около 13 км. Заметно (рис. 3), что значительные деформации вдоль линии судового хода не происходят. Тем не менее, для анализа трансформации котловины удобнее придерживаться одного километража и положения судового хода, в данном случае 2010 г.

Рис. 3. Совмещенный план деформаций участка нижнего бьефа от плотины Камской ГЭС до Нижней Курьи

Наиболее активно процессы аккумуляции происходят у правого берега рядом с м/р Ширяиха (2268-2268,5 км судового хода) на месте ныне не действующего Гайвинского месторождения ПГС. В этом месте происходит отложение наносов в местах выемки грунта. Также значительное изменение глубин (более 4 м) можно заметить у левого берега на 2267 км судового хода.

Процессы размыва также активно обнаруживают себя на данном участке. Наиболее интенсивно они проявляются на 2268 км судового хода у левого берега. Это может объясняться турбулентным режимом движения потока на изгибе при попусках Воткинской ГЭС. Также активные процессы размыва происходят в пришлюзовой части, что может быть обусловлено воздействием большого одновременного объёма водных масс при пропуске воды через шлюз.

Данный участок нижнего бьефа КамГЭС находится в черте города Перми, вследствие чего на берегах расположено большое количество предприятий и гидротехнических сооружений. Поэтому наиболее подробно рассмотрены деформации котловины вблизи этих объектов. Для этого построены поперечные профили.

Профили №1 и 2 помогают оценить деформации у расположенных рядом водовыпусков. На обоих профилях видно, что активно преобладают процессы размыва, однако на профиле №1 максимальная величина размыва больше, чем на втором профиле. Для обоих профилей характерен сильный размыв вблизи водовыпусков. Также на профиле № 2 в центральной части деформации крайне незначительны (около 0,1 м), в то время, как на профиле №1 процессы размыва происходят повсеместно. Это может объясняться тем, что частицы грунта, вымытые у вышерасположенного водовыпуска (профиль №1) относит сначала на середину, а затем они оседают, компенсируя тем самым размыв от второго водовыпуска.

Профили № 3, 4, 5 характеризуют деформации у правого берега - у лесотаски и у левого - у места выгрузки ПГС, причала тёмных нефтепродуктов и грузового причала соответственно. На всех профилях наблюдаются процессы размыва у лесотаски (до 1,2 м). У левого берега также характерны процессы размыва. Наибольшие деформации происходят у причала тёмных нефтепродуктов (2,8 м). В центральной части в некоторых местах происходят процессы аккумуляции. Её максимальная величина составляет 0,5 м (профиль №4). На всех профилях преобладают процессы размыва.

Профили № 6, 7, 8. У правого берега (причал «Гидроспецстроя») сначала присутствует небольшая аккумуляция (максимальная величина 0,7 м), а затем идёт сильный размыв (1,3 м). У правого берега (водозабор, грузовой причал «Вторчермета», водовыпуск) и в центральной части преобладают процессы аккумуляции. Её максимальная величина составляет 1,8 м (профиль №8).

Профиль №9 показал у лесотаски существенный процесс размыва (максимальная величина 1,9 м). В остальной части ложа преобладают процессы аккумуляции, размыв незначителен.

Профиль №10. У водовыпуска присутствует сильный размыв (до 1,5 м). В центральной части присутствуют процессы аккумуляции (до 1,7 м). У правого берега наблюдается размыв (до 0,75 м).

Профиль №11 отражает влияние водовыпуска на деформации ложа. В начале у водовыпуска на небольшом участке деформации отсутствуют, что объясняется укреплением дна вблизи него. Однако, затем происходит размыв (до 1,5 м). Также размыв происходит у правого берега (до 0,8 м). В центральной части происходят процессы аккумуляции.

Профиль №12 отображает процессы размыва в различных частях ложа. Наиболее значительно они выражены в центральной части (до 2,8 м). Аккумуляция слабо выражена (до 0,8 м).

В целом можно отметить следующие закономерности. Вблизи большинства объектов преобладают процессы размыва. Процессы аккумуляции, как правило, характерны для центральной части.

Для определения преобладающего процесса на исследуемом участке в программе ArcGIS были вычислены объёмы размыва и аккумуляции. Объём размыва составил 338971 м3, в то время как аккумуляции - 190648,8 м3. Поэтому можно сказать, что в нижнем бьефе Камской ГЭС с 2010 по 2015 гг. преобладали процессы размыва, их величина в 1,8 раза больше аккумуляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Девяткова Т.П. Сущность системной методологии и возможности её применения в гидрологических, геоэкологических и природоохранных исследованиях // Современные географические исследования: сб. научн. трудов. - Пермь.:ПГУ, -2006. С.49 - 71.

2. Ларченко О.В. Применение гидроморфологического подхода к расчету русловых деформаций в нижнем бьефе Камского гидроузла //Географический вестник. - 2010. Вып.2 (13). - С. 76 - 81.

3. Морозова Г.В., Двинских С.А., Девяткова Т.П., Ларченко О.В. Подход к изучению изменения гидрологического режима и состояния экосистем водохранилищ в результате разработки месторождений песчано-гравийной смеси // Географический вестник. - 2010. Вып.4(19). - С. 33 - 39.

Размещено на Allbest.ru